基于SPCE061A处理器医疗模型人训练系统设计

摘 要:医疗模型人训练系统是现代电脑技术与模拟技术相结合的一种交互式医学模拟教学产品,是集教学、培训、考核和实际操作于一体,知识全面、功能强大的计算机交互式模型人训练系统。该系统的下位机硬件采用凌阳16位单片机SPCE061A处理器用来采集模型人的生命体征参数以及控制模拟模型人的生理过程,上位机软件系统采用双屏显示的形式实现了控制模拟模型人的生理过程和监视模拟模型人的生命体征参数。该系统实现了在安全、受保护的超真实模拟环境里进行医学教学和训练。

关键词:模拟技术; SPCE061A; 生命体征; 双屏显示

中图分类号:TP29 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)07-0162-04

Medical Model of Training System Based on SPCE061A

SHI Li-kun, ZHANG Zi-ming, SHI Yuan-zheng, ZHANG Jin-ping, GONG Jin-liang

(School of Electronic Information & Control Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Abstract: The medical model training system is an interactive medical simulation teaching products that combines modern computer technology and simulation technology, it is comprehensive knowledge and powerful interactive computer training system model with teaching, training, assessment and practical. The system is realized in a safe, protected environment of hyper-realistic simulation for medical education and training. The next bit of the system hardware uses SPCE061A Sunplus 16 b single chip processor model to collect people′s vital signs parameters and control the simulation model of human physiological processes, the host computer software system uses dual display to realize the simulation model of human physiological processes and monitor the simulation model′s parameters of vital signs.

Keywords: simulation technology; SPCE061A; vital signs; dual display

0 引 言

医疗模型人训练系统是为满足广大医学生的需要而设计的。我国现代医疗模拟技术的发展处于刚刚起步阶段,大部分仿真系统产品都源于国外,虽然对于模拟人仿真已经出现一些产品,但那些产品只是就模拟人的某一部分,某一个功能实现的仿真,没有一个完整的系统综合其所有功能。

医疗模型人训练系统是一款模拟胎儿分娩及母婴急救的智能化模型人,是与现代的科学技术相结合的综合示教模拟系统。此产品既满足了妇产科的教学需要又满足了临床医学教育中的急救技术教学的要求。

妇产科学是一门实践性与应用性很强的临床医学学科,临床实践教学在妇产科教学中占有举足轻重的地位。 随着社会的进步和对医学人才培养要求的提高, 传统的临床教学模式已经不能满足新形势下妇产科的教学需要[1]。

在临床医学教育中,急救技术是教学的重点和难点, 特别是“人工心肺复苏”、“心脏除颤监护”、“创伤急救” 等,还是国家执业医师考试中实践技能考核的重点。对危重病人的抢救必须争分夺秒,临床急救工作需要经过严格训练、技术娴熟的医护人员。然而随着法制的健全,病人及其家属自我保护意识的提高,单靠在抢救病人时练就过硬的急救技术, 是十分困难的事情,稍有不慎极易引起医疗纠纷, 如医护人员急救技术不熟练或不正确, 可能发生医疗事故,甚至导致病人死亡。由于供急救训练的临床资源远远不足,而进口的急救模型人价格昂贵,一般院校很少购买。因此,低年资医护人员及医学生很难熟练掌握急救的实际操作技能。

1 医疗模型人训练系统简介

医疗模型人训练系统是由上位机软件、下位机硬件和模型人三部分组成。它能实现自主设置病例及完整的治疗过程,不但可以练习临床技能的训练,更提高了临床思维能力和独立救治能力。该系统的上位机软件设计采用了VC.NET和openGL相结合,设计界面美观,操作方便。下位机采用了凌阳16位单片机SPCE061A语音芯片,由于该处理器价格低、功耗小、具有语音功能,满足了本产品的设计需求。上位机和下位机之间用USB连接实现了高速、稳定的通信。

上位机软件系统内容包括从基础生命支持(BLS)、高级生命支持(ACLS)到持续生命支持(PLS)的全部急救知识点,通过信息采集箱的转接系统,可针对模型人上所作的操作进行评估考核。软件可以自创各种临床模拟病例,适合不同层次医学的培训、继续教育与考核的综合系统。将该系统分为下位机硬件设计和上位软件设计两部分。软件又分为计算机软件控制界面和虚拟监护仪。系统设计框图如图1所示。

图1 医疗模型人训练系统框图

2 硬件系统设计

从功能方面,硬件系统分为模型人信息采集模块、系统通信模块、电源模块和胎儿分娩控制模块四个部分,如图2所示。

图2 硬件系统的功能单元设计图

该系统采用16位嵌入式控制芯片作为主控制器,该处理器具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构紧凑、中断处理能力强等特点,内嵌32 KB闪存FLASH,处理速度高,能够方便地完成普通单片机的功能[2]。该芯片内集成有ADC,DAC,定时器/计数器,RAM,FLASH 等器件,加上适当的外围芯片与配套的集成开发环境,可以方便地完成8路单通道数据采集,采样频率可调:1 kHz,5 kHz,10 kHz,20 kHz,50 kHz。模拟仿真输出速率可调:4 μs,6 μs,8 μs,10 μs,具有输出中断功能;可通过UART串行端口与PC机通信。利用PDIUSBD12芯片实现控制箱与PC机USB通信。

2.1 模型人信息采集模块

模型人信息采集模块分两部分,第一部分是位置感应器信息采集,第二部分是对心肺复苏术的人工呼吸和胸部按压术的信息进行采集。

位置感应器信息采集主要包括对模拟心电监护仪信息、气管插管术信息、模拟静脉给药信息、模拟胎儿监护仪信息采集、模拟血压仪的信息和模拟脉搏氧饱和度信息采集。主控制器实时扫描感应器终端,拾取感应器信息,经处理后通过通信系统传给上位机。本系统采取了系统扩展I/O口或主控制器I/O并行的与位置传感器终端相连采取位置感应器信息。信息被采取后通过主控器的处理传给PC机。

心肺复苏术信息采集,因为模型人的心肺模拟采用气囊方式,所以心肺复苏术信息采集采用了气体压力传感器的方式进行。心肺复苏术信息采集采用了MPX2010型双通道压力传感器,它能提供一个精确的直接与外加压力成正比的线性电压输出,此类传感器将应变计和薄膜电阻网络集成在同一硅片上,用激光修正技术实现精确的量程校正、零位偏差校正和温度补偿,温度补偿范围为0～85 ℃,测量方式有表压(G,GP)和差压(D,DP)型。本系统利用运算放大器将压力传感器输出的微小电压信号放大至与单片机内部的A/D转换器相容的电平,使传感器与单片机接口匹配。系统软件对传感器的零位输出和压力量程进行计算和校准,并将传感器输出压力数据处理后上传给PC机。

2.2 通信模块的设计

系统设计了两种通信方式与上位机相连(RS 232串行异步通讯和USB通讯),来满足用户的多种要求。

2.2.1 RS 232串行异步通讯

UART是广泛使用的串行数据传输协议[3]。系统主控制器提供了一个全双工标准接口的UART通讯电路模块,用于完成主控制器与外设之间的串行通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件,比如电脑的串口是RS 232电平,而单片机的串口是TTL电平的,两者之间必须有一个电平转换电路,系统采用了专用芯片MAX3232进行转换。典型的串口电路设计如图3所示。

图3 典型串口电路

2.2.2 USB通讯

USB(Universal Serial Bus)通用串行总线是近年来应用在PC领域的新型接口技术,是一些PC 大厂商如Microsoft Intel等为了解决日益增加的PC 外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行通信的标准[4]。

USB 的主要优点如下:

(1) 使用方便。连接外设不必再打开机箱,允许外设热插拔而不必关闭主机电源。

(2) 速度快。USB接口的最高传输率可达12 Mb/s;提供低速方式,速率为1.5 Mb/s;扣除用于总线状态控制和错误检测等数据传输,最大理论速度也能达到1.2 Mb/s和9.6 Mb/s。

(3) 连接灵活。一个USB 口理论上可以连接127个USB设备,连接的方式也十分灵活,既可以使用串行连接,也可以使用集线器HUB把多个设备连接在一起,再同PC 机的USB 口相接。

(4) 独立供电USB 接口提供了内置电源[5]。

本系统设计采用了USB芯片PDIUSBD12与上位机进行通信,PDIUSBD12是一个性能优化的USB器件 ,通常用于基于微控制器的系统并与微控制器通过高速通用并行接口进行通信,也支持本地 DMA传输。 该器件采用模块化的方法实现一个USB接口,允许在众多可用的微控制器中选择最合适的作为系统微控制器,允许使用现存的体系结构并使固件投资减到最小。 这种灵活性减少了开发时间、风险和成本,是开发低价、高效USB 外围设备解决方案的一种最快途径。PDIUSBD12完全符合USB 1.1规范,也能适应大多数设备类规范的设计,如成像类、大容量存储类、通信类、打印类和人工输入设备等,因此PDIUSBD12非常适合做很多外围设备,如打印机、扫描仪、外部大容量存储器Zip驱动器和数码相机等。现在用SCSI实现的很多设备,如果用USB来实现可以直接降低成本。PDIUSBD12挂起时的低功耗以及LazyClock输出符合ACPI,OnNOW和USB电源管理设备的要求。低功耗工作允许实现总线供电的外围设备。PDIUSBD12还集成了像SoftConnect,GoodLink可编程时钟输出、低频晶振和终端电阻等特性。所有这些特性都能在系统实现时节省成本,同时在外围设备上很容易实现更高级的USB功能。PDIUSBD12芯片内部结构图如图4所示。

图4 PDIUSBD12芯片内部结构图

2.3 电源模块的设计

系统电源设计是本系统设计中一项极其重要的工作,它对整个系统是否正常运行起着至关重要的作用。系统要求的功率比较大,所以本系统采用了12 V,5 A的适配器来供电。根据功耗和芯片工作电压的不同,系统设计了两路不相关的电源组。一路供给主控制器模块,另一路供给胎儿分娩控制模块。

供给主控制器模块电源组采用了DC/DC模块降压到5 V,然后由11173.3电源芯片降到3.3 V。其中,5 V供给压力传感器和音频系统,3.3 V供给主控制器芯片、USB和串口芯片等。采用DC/DC电源模块具有很好的隔离性和保护性,可增加电源供电的稳定性。

供给胎儿分娩控制模块电源组采用了12 V适配器电源和7805降压的5 V电源,此模块要求电源的功率大,但对电源的稳定性要求不是很高。这样设计符合整个硬件系统的要求。在两组电源中控制信号采用光耦进行传递,光耦优点是完全切断两个模块电源之间的关系,使系统更加稳定。

2.4 胎儿分娩控制模块

本模块是计算机和“病人”联系最密切的体现。系统既有对模型人的信息采集,又有对模型人的控制。本模块分为胎儿心音模拟、胎儿出生装置控制和信息采集以及孕妇宫缩的模拟。

胎儿心音模拟采用了专用音频模块,采用了电平触发方式进行控制。采用专用的音频模块主要特点是音频模块的功耗低,控制简单。用专用音频芯片也减少了主控芯片的CPU占用率,使主控芯片处理速度更快更稳定。

胎儿出生装置采用了直流电机作为婴儿出生的推动力,采用了凹槽式光耦和行程开关来确定胎儿位置。本系统根据胎儿出生装置设计采用了L298作为电机控制驱动芯片,用I/O口采集胎儿的位置信息。

孕妇宫缩的模拟采用了微型气泵、气体电磁阀和压力传感器构成。气泵和气体电磁阀由大功率NMOS管控制。宫缩的强度由压力传感器反馈信息来控制。

2.5 系统抗干扰和系统安全设计

各种形式的干扰一般都是以脉冲的形式进主控制器系统的,干扰窜入系统的渠道主要有三条:空间干扰(场干扰),通过电磁波辐射窜入系统;过程通道干扰,通过与主机相连的前向通道、后向通道及其他与主机相互连接的通道进入;供电系统干扰,通过供电线路窜入。对于上述三种干扰必须采用行之有效的措施和具体电路加以消除,确保单片机系统正常运行和工作。

本系统采用了双路电源供电、对控制信号进行了光电隔离、芯片电源和地之间加有去耦电容和主控芯片,电源采用DC/DC电源模块等来增强系统抗干扰能力。此外系统对大功率原件设计了监控报警电路,增加了系统的稳定性。

2.6 CPR信息数据处理

学员对模型人胸部按压压力的测量是模型人系统所要完成的一项主要功能之一,这里采用的是心肺气囊加传感器的方法来测量学员对模型人胸部按压压力。学员按压模型人胸部气囊时会造成心肺气囊内压强的变化,从而使得压力传感器的输出电压波形也发生相应的变化。如何从传感器的输出电压来得到学员按压的压力值,并与标准值比对是要解决的首要问题。

由于受心肺气囊形状、传感器灵敏度等许多因素的影响,采集到的电压不可避免出现许多干扰。在实际的应用过程中,采用通过硬件滤波和软件滤波相结合的方法来消除噪声。硬件滤波可以通过低通滤波器来实现,软件滤波采用中值滤波的方法。

经过大量的实验表明,在相同的实验条件下,压强的大小对传感器的输出波形是有影响的。不同的压强下传感器的初始电压V0是不同的,而整个按压过程本身也是一个变力的过程,所以胸部按压力度随时间t而变化的,跟电压V(t)以及初始电压V0均有关系,即:

F(t)=f(V(t),V0)(1)

当初始电压V0固定时,假设胸部按压力度与电压之间的关系是线性的,则按压值可以用以下公式表示:

F(t)=k[V(t)-V0](2)

根据动量定理以及能量守恒定律,有:

mv=∫T0F(t)dt(3)

12mv2=mgh(4)

结合式(2)~(4),可得:

mmgh=∫T0k[V(t)-V0]dt(5)

将式(5)离散化,可得:

k∑ni=1ViΔt+V0T=mmgh(6)

将式(6)转换以后得最终结果:

k=mmgh∑ni=1ViΔt+V0T(7)

由式(7)可知,k值实际上可以通过试验数据求得一个固定值。再由式(2)得,要计算按压值F(t)的最大值,实际上就是求传感器输出电压V的最大值Vmax。然而式(2)是在假设V0固定的前提下成立的,事实上,即使在相同的实验条件下,不同的V0下得到的Vmax是不同的,计算出来的最大按压Fmax也是不同的。为了使不同气囊压强下仍然得到相同的最大胸部按压力度Fmax,可以调整k值,使得k值和初始电压V0满足某种关系,即:

k=g(V0)(8)

则计算最大胸部按压力度可以用下列关系表示:

Fmax=g(V0)(Vmax-V0)(9)

而函数g可以通过统计的方法从大量实验得出的k值和V中求得,可考虑采用数据拟合的方法来进行。

3 系统软件设计

设计将采用Visual Studio 2005的MFC为工具进行软件设计。Visual Studio 2005是微软公司新一代数据开发平台,有更和谐的解决方案,可以高效地产生最严格的应用程序。

上位机界面由控制界面和虚拟监护仪界面分双屏显示。在控制界面里根据功能的不同又分为生命体征状态设置和保存模块、生命体征数据管理模块、模拟病程的模块、记录和治疗模块、病史模块、心肺复苏模块和网络功能模块。虚拟监护仪界面主要由心电图波形显示、血压波形显示、呼吸波形显示、呼吸CO2的含量波形显示构成。界面中还包含急救措施时使用的起搏器,除颤器等设置按钮等。

控制界面主要实现的功能:

(1) 生命体征状态设置和保存模块。生命体征的状态主要包括心肺状态和体温,怎样设置生命体征的状态和保存是上位机模块一切功能的基础。

(2) 生命体征数据管理模块。这里主要包括生命体征的查找、删除、查看详细数据、编辑、运行和排序等功能。

(3) 模拟病程的模块。模拟病程就是模拟真人生病的过程,是一个变化的过程,通过虚拟监护仪表现出来。

(4) 记录和治疗模块。记录模块是记录了模拟人的生命体征变化以及治疗的过程。治疗模块是根据模型人的生命体征做出相应的治疗的过程。

(5) 病史模块。病史模块是对病人以前病史和现在的病情的记录,病史对医生诊断治疗是一个很重要的环节,根据病史不同治疗方法也会不同。

(6) 心肺复苏模块。心肺复苏是急救最重要的一项,本模块可以训练CPR按压和通气的频率。也可以考核学生对CPR的掌握。

(7) 网络功能模块。可以实现主机对从机监控及主机和从机对话功能。

(8) 虚拟监护仪模块。虚拟监护仪模块是最重要的一个模块,这个模块包括人体生命体征的显示和生命体征曲线的合成。人体生命体征的显示中包括心电图、血压图、呼吸图、呼吸CO2图、体温等,以及这些波形图的显示的调节。生命体征的曲线的合成主要包括心电图曲线、血压图曲线、呼吸图曲线、呼吸CO2图曲线的合成。这些图形有规则的周期波形,有不规则的周期波形,还有没有周期型的波形。

4 结 语

该系统具有齐全的功能模块,可以使更多的医学生在安全、受保护的模拟环境里进行训练和科研,不仅增强了学生的实践能力,而且保护了病人的合法权益。该系统是计算机交互式系统,其功能强大,扩展性强,且为今后功能的扩展预留了很大空间。

参考文献

[1]GUO Jihong,YUAN Xu.Atlas and interpretation of new concept ccg[M].北京:北京大学医学出版社,2003.

[2]李小白.凌阳16位单片机C语言开发[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.

[3]李朝清.单片机原理及串行外设接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[4]边海龙.USB 2.0设备的设计与开发[M].北京:人民邮电出版社,2004.

[5]肖踞雄.USB技术及应用设计[M].北京:清华大学出版社,2003.

[6]封根泉.心脑电图电子计算机分析的原理和应用[M].北京:科学出版社,1986.

[7]白净,张永红.远程医疗概论[M].北京:清华大学出版社,2000.

[8]孙静,万学红.现代医学模拟教学[M].北京:北京大学医学出版社,2006.

[9]Chan.ECG in emergency medicine and acute care[M].北京:北京大学医学出版社,2006.