《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于單片機(jī)的心肺聽診技能訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
摘要: 本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是由于系統(tǒng)利用MSP430超低功耗性能,因此設(shè)計(jì)具有很高的實(shí)用性和穩(wěn)定性,并且該芯片具有較高的運(yùn)算速度,較大的RAM和FLASH空間,具有可擴(kuò)展的I/O口,兼容一些外部芯片,調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)用普通聽診器去測試心肺音,更能逼真模仿真實(shí)的臨床環(huán)境,因而相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品的研究和開發(fā),不僅對于提高現(xiàn)階段我國醫(yī)學(xué)模擬教學(xué)的水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,同時也具有良好的市場前景。
Abstract:
Key words :
  隨著社會的發(fā)展,醫(yī)療體制的改革,媒體的宣傳,民眾的法律意識大大加強(qiáng),一系列醫(yī)療法規(guī)的出臺,進(jìn)一步明確了病人的各項(xiàng)權(quán)益。病人,這一以往傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教學(xué)的主體更多的選擇拒絕配合教學(xué)工作。

  而近年來醫(yī)療糾紛的增多與醫(yī)患關(guān)系的緊張,出于自身利益的考慮,醫(yī)院的教學(xué)性能不斷削弱。醫(yī)學(xué)院校在臨床醫(yī)學(xué)教育中的常規(guī)模式是:理論教學(xué)+單項(xiàng)技能訓(xùn)練--見習(xí)--臨床實(shí)習(xí)。但由于種種原因,見習(xí)不能有效開展,從而導(dǎo)致“理論教學(xué)+單項(xiàng)技能訓(xùn)練”這一教學(xué)模式的形成?;谝陨犀F(xiàn)實(shí)情況,醫(yī)學(xué)院校內(nèi)教學(xué)的尷尬局面迫切需要改變。將“模擬教學(xué)”引入校內(nèi)教學(xué)流程,形成“理論教學(xué)+單項(xiàng)技能訓(xùn)練——模擬教學(xué)——臨床實(shí)習(xí)”新型的臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)模式。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,通過模型人的方式再現(xiàn)臨床醫(yī)學(xué)的工作場景,為學(xué)習(xí)者提供了一個無風(fēng)險學(xué)習(xí)臨床知識和技能的條件和環(huán)境。

  1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

  從結(jié)構(gòu)方面看,該系統(tǒng)可以分成模型人和遙控器兩部分。模型人主要有內(nèi)部無線接收裝置和控制裝置以及人體表面的專用裝置。遙控器上有液晶顯示屏、鍵盤以及相關(guān)說明。考核者可以很方便地向模型人內(nèi)部的無線接收裝置發(fā)出指令信號,無線接收裝置以收到的指令來確定是什么疾病類型,從而控制模型人身上各位置點(diǎn)應(yīng)該發(fā)出什么聲音,當(dāng)聽診器接觸到模型人身上相應(yīng)的位置點(diǎn)時,相應(yīng)的裝置會給控制單元一個位置信號,然后控制單元將這個信號通過多路模擬開關(guān)控制相應(yīng)的喇叭閉合發(fā)出所在點(diǎn)的心肺聽診" title="心肺聽診">心肺聽診音,被考核者通過聽診器將此聲音傳到人耳朵里,這就完整模擬了一次真實(shí)的聽診過程。被考核者通過聽診器的探頭觸診模型人的不同體位,并通過聽診器來聽診不同位置的各種病理特征,由此來判斷是否為某種疾病,從而達(dá)到教學(xué)和培訓(xùn)的目的。

  2系統(tǒng)的功能組成

  從功能方面,該系統(tǒng)又可分為語音播放單元、多路模擬開關(guān)、位置識別開關(guān)、無線通信單元和電源及低功耗設(shè)計(jì)單元六個部分。其中模型人內(nèi)部系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1模型人內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

  遙控器的系統(tǒng)框圖如圖2所示。  

圖2遙控器系統(tǒng)框圖

  2.1主控制器芯片的選擇

  主控制器是整個系統(tǒng)的核心部分,主控制器芯片的選擇關(guān)系到整個系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)與否。本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)語音播放、無線收發(fā)、多路模擬開關(guān)、電源低功耗、上位機(jī)教學(xué)等功能,所以就要求該芯片具有較高的運(yùn)算速度,較大的RAM和FLASH空間,具有可擴(kuò)展的IO口(比如I2C,SPI等)兼容一些外部芯片(如帶有SPI的FLASH存儲器或者一些其他芯片),并且功耗較低,調(diào)試方便等。綜合上述因素,主控制芯片用美國德克薩斯(TI)公司生產(chǎn)的MSP430,因?yàn)樵撓到y(tǒng)是便攜式心肺聽診系統(tǒng),采用電池供電的方式,所以要求必須超低功耗,這樣才能滿足醫(yī)學(xué)教學(xué)的要求,而該芯片最大的特點(diǎn)就是低功耗,電壓準(zhǔn)備工作模式是3.3V,正常工作時電流在幾毫安,完全滿足系統(tǒng)要求。該芯片具有如下性能:

  低電壓范圍:1.8~3.6V;

  超低功耗:標(biāo)準(zhǔn)模式1.3mA,RAM保持關(guān)閉時為0.1mA;

  低電流:7mA在32kHz,2.2V,250mA在1MHz,2.2V;

  5種節(jié)點(diǎn)模式和6ms內(nèi)從等待模式喚醒;

  16位RISC指令結(jié)構(gòu)和125ns指令周期;

  12位A/D轉(zhuǎn)換和內(nèi)部參考電壓、采樣保持、自動掃描特性;

  16位定時器并帶有映射寄存器的7路捕獲、比較寄存器,定時器B;

  16位定時器并帶有3路捕獲/比較寄存器,定時器A;

  片內(nèi)比較器;

  串行在線編程,無須外部編程電壓,安全熔絲保護(hù)程序代碼;

  內(nèi)含60KB閃存,2KB隨機(jī)存儲器。

  2.2語音播放

  語音播放是本系統(tǒng)一個重要組成功能之一。在這里有兩個問題需要解決,一個是語音數(shù)據(jù)的存儲,另一個是語音的編解碼和播放。由于WAV波形數(shù)據(jù)占用的空間較大,所以有必要先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼。因此該系統(tǒng)選用中青世紀(jì)科技公司開發(fā)的PM50智能語音芯片,它既是語音播放電路,也是智能單片機(jī)" title="單片機(jī)">單片機(jī),其音質(zhì)水平,價格都要略優(yōu)于著名的ISD電路,同時也有21kHz的高保真音質(zhì)。該芯片由專用的語音單片機(jī)和FLASHRAM存儲器集合構(gòu)成,它既有13~100s的多段語音播放功能,也有單片機(jī)可編程的智能特性,該芯片具有如下特點(diǎn):

  可存儲聲音長度:13~100s;

  寬范圍工作電壓:DC3~6V;

  工作電流50mA,靜態(tài)電流1A;

  直接驅(qū)動80.5W的喇叭,具備PWM和DAC兩種音頻輸出模式;

  寬范圍采樣頻率:4.8~21kHz;

  錄制的語音可分并行1~8段和串行128段;

  自帶8個輸入端口,9個輸出端口,功能均可由用戶自定義;

  FLASHRAM結(jié)構(gòu),可以反復(fù)擦寫錄入,壽命在1萬次以上;

  兩種封裝形式:COB28和COB16;

  開發(fā)用的電腦軟件系超智能傻瓜圖形設(shè)計(jì),外行也能使用;

  配合編程軟件可以開發(fā)出并行、串行、智能型等多種控制模式;

  最小系統(tǒng)的外圍電路只需一只振蕩電阻、一只電源濾波電容;

  有13s/20s/50s/100s多個時間檔次可選;

  完成開發(fā)和試驗(yàn)生產(chǎn)后,直接用源文件投產(chǎn)掩膜,音質(zhì)效果、功能性能不變。

  2.3多路模擬開關(guān)

  多路模擬開關(guān)主要是用來選擇播放位置點(diǎn)喇叭聲音的,因?yàn)镻M50芯片只能連接一路揚(yáng)聲器,所以只能通過多路模擬開關(guān)來選擇各路喇叭接通,而MAX306CPI芯片是十六位多路選擇開關(guān),可以將兩片芯片擴(kuò)展起來形成32路選擇開關(guān),芯片電壓在4.5~30V之間,功耗非常小,且不影響喇叭的發(fā)音,完全滿足要求。并且聽診器探頭可以輕易地觸動模型人皮下的專用位置,所以采用這種技術(shù)對本系統(tǒng)來說是一個很好的選擇。

  2.4無線模塊的設(shè)計(jì)

  無線模塊的設(shè)計(jì)包括兩個部分:硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)主要包括PCB圖的布局走線和天線設(shè)計(jì)兩方面,軟件設(shè)計(jì)主要是通信協(xié)議的定義。

  無線模塊工作在ISM(IndustrialScientificMedical)超高頻段,因而對PCB板的布局提出了更高的要求。一般來說,外圍元件要盡可能靠近無線芯片,并且所有元件要盡可能排列在PCB板的同一側(cè),這樣可以在PCB板的另外一側(cè)進(jìn)行大面積的敷銅以減少干擾。

  軟件方面,良好的通信協(xié)議也是無線模塊穩(wěn)定工作的重要保障之一。通信協(xié)議除了規(guī)定應(yīng)答關(guān)系之外,檢錯也是一個重要環(huán)節(jié)。目前比較常用的檢錯方法是循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC校驗(yàn)),其特征是信息字段和長度字段的長度可以任意選定。CRC碼集的選擇原則是:若設(shè)碼字長度為N,信息字段長度為K,校驗(yàn)字段長度為R,其中N=K+R,則對于CRC碼集中的任一碼字,當(dāng)且存在一個R次的多項(xiàng)式g(x),使得:

  式中:m(x)為K次信息多項(xiàng)式;r(x)為R-1次校驗(yàn)多項(xiàng)式;g(x)為生成多項(xiàng)式。發(fā)送方通過生成g(x)來產(chǎn)生CRC碼字,接收方將接收到的碼字多項(xiàng)式與生成多項(xiàng)式g(x)相除,若能除盡,則說明接收正確。

  2.5電源模塊

  在便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中,為避免頻繁更換電池,延長產(chǎn)品的一次使用時間,低功耗設(shè)計(jì)一直是重中之重。

  電源模塊主要用于對電池組的管理,并給系統(tǒng)的其他模塊供電。電源模塊主要用在遙控器上,用來供給遙控器各模塊正常工作。本系統(tǒng)采用的是兩節(jié)電池供電的方式,具有升降壓功能的DC/DC電源芯片。良好的電源模塊設(shè)計(jì)可以有效提高電池的利用效率,維持穩(wěn)定的電壓,減少電源紋波,增大輸出電流。

  2.6低功耗設(shè)計(jì)

  由于本系統(tǒng)采用的是兩節(jié)干電池供電的方式,對系統(tǒng)功耗要求比較高。為了延長電池的使用壽命,避免頻繁地更換電池,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個環(huán)節(jié)都要考慮到低功耗的設(shè)計(jì)要求。低功耗設(shè)計(jì)就是要降低系統(tǒng)時鐘頻率、電源電壓以及門的活躍因素。從硬件方面來講,要降低系統(tǒng)的功耗,就要盡可能選擇低功耗的芯片,或者帶有休眠功能的芯片。軟件方面,可以采用間斷喚醒的工作方式。如果某個功能模塊工作的空閑時間較長時,可以暫時將其關(guān)閉或者使其處于低功耗狀態(tài),然后通過定時喚醒來檢測應(yīng)答信號,只有當(dāng)接收到應(yīng)答信號時模塊才進(jìn)入工作狀態(tài)。通過間斷喚醒的方式可以極大地降低系統(tǒng)的功耗。

  3上位機(jī)教學(xué)軟件

  主控制器通過I/O口將模型人的位置信息傳到上位機(jī),上位機(jī)根據(jù)收到的位置信號來控制上位機(jī)軟件界面的顯示,可以顯示聽診的位置、聲音特點(diǎn)、與呼吸的關(guān)系以及聲音的波形信息,另外還可以外接揚(yáng)聲器放大播放所聽到的心肺聲音,達(dá)到醫(yī)學(xué)教學(xué)的目的。上位機(jī)界面的設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3上位機(jī)界面框圖

  4結(jié)語

  MSP430系列單片機(jī)的迅速發(fā)展和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大,主要取決于以下特點(diǎn):強(qiáng)大的處理能力;采用了精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu);具有豐富的尋址方式;簡潔的27條內(nèi)核指令以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可以參加多重運(yùn)算;高效的查表處理指令;較高的處理速度,在8MHz晶體驅(qū)動下指令周期為125ns。這些特點(diǎn)保證編制出高效率的源程序。另外MSP430系列單片機(jī)的中斷源較多,并且可以任意嵌套,使用時靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時,用中斷請求將它喚醒只用6us。

  本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是由于系統(tǒng)利用MSP430超低功耗性能,因此設(shè)計(jì)具有很高的實(shí)用性和穩(wěn)定性,并且該芯片具有較高的運(yùn)算速度,較大的RAM和FLASH空間,具有可擴(kuò)展的I/O口,兼容一些外部芯片,調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)用普通聽診器去測試心肺音,更能逼真模仿真實(shí)的臨床環(huán)境,因而相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品的研究和開發(fā),不僅對于提高現(xiàn)階段我國醫(yī)學(xué)模擬教學(xué)的水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,同時也具有良好的市場前景。



 

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