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醫療模型人訓練系統是為滿(mǎn)足廣大醫學(xué)生的需要而設計的。我國現代醫療模擬技術(shù)的發(fā)展處于剛剛起步階段，大部分仿真系統產(chǎn)品都源于國外，雖然對于模擬人仿真已經(jīng)出現一些產(chǎn)品，但那些產(chǎn)品只是就模擬人的某一部分，某一個(gè)功能實(shí)現的仿真，沒(méi)有一個(gè)完整的系統綜合其所有功能。 醫療模型人訓練系統是一款模擬胎兒分娩及母嬰急救的智能化模型人，是與現代的科學(xué)技術(shù)相結合的綜合示教模擬系統。此產(chǎn)品既滿(mǎn)足了婦產(chǎn)科的教學(xué)需要又滿(mǎn)足了臨床醫學(xué)教育中的急救技術(shù)教學(xué)的要求。 婦產(chǎn)科學(xué)是一門(mén)實(shí)踐性與應用性很強的臨床醫學(xué)學(xué)科，臨床實(shí)踐教學(xué)在婦產(chǎn)科教學(xué)中占有舉足輕重的地位。隨著(zhù)社會(huì )的進(jìn)步和對醫學(xué)人才培養要求的提高，傳統的臨床教學(xué)模式已經(jīng)不能滿(mǎn)足新形勢下婦產(chǎn)科的教學(xué)需要。 在臨床醫學(xué)教育中，急救技術(shù)是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，特別是“人工心肺復蘇”、“心臟除顫監護”、“創(chuàng )傷急救”等，還是國家執業(yè)醫師考試中實(shí)踐技能考核的重點(diǎn)。對危重病人的搶救必須爭分奪秒，臨床急救工作需要經(jīng)過(guò)嚴格訓練、技術(shù)嫻熟的醫護人員。然而隨著(zhù)法制的健全，病人及其家屬自我保護意識的提高，單靠在搶救病人時(shí)練就過(guò)硬的急救技術(shù)，是十分困難的事情，稍有不慎極易引起醫療糾紛，如醫護人員急救技術(shù)不熟練或不正確，可能發(fā)生醫療事故，甚至導致病人死亡。由于供急救訓練的臨床資源遠遠不足，而進(jìn)口的急救模型人價(jià)格昂貴，一般院校很少購買(mǎi)。因此，低年資醫護人員及醫學(xué)生很難熟練掌握急救的實(shí)際操作技能。 1 醫療模型人訓練系統簡(jiǎn)介 醫療模型人訓練系統是由上位機軟件、下位機硬件和模型人三部分組成。它能實(shí)現自主設置病例及完整的治療過(guò)程，不但可以練習臨床技能的訓練，更提高了臨床思維能力和獨立救治能力。該系統的上位機軟件設計采用了VC．NET和openGL相結合，設計界面美觀(guān)，操作方便。下位機采用了凌陽(yáng)16位單片機SPCE061A語(yǔ)音芯片，由于該處理器價(jià)格低、功耗小、具有語(yǔ)音功能，滿(mǎn)足了本產(chǎn)品的設計需求。上位機和下位機之間用USB連接實(shí)現了高速、穩定的通信。 上位機軟件系統內容包括從基礎生命支持(BLS)、高級生命支持(ACLS)到持續生命支持(PLS)的全部急救知識點(diǎn)，通過(guò)信息采集箱的轉接系統，可針對模型人上所作的操作進(jìn)行評估考核。軟件可以自創(chuàng )各種臨床模擬病例，適合不同層次醫學(xué)的培訓、繼續教育與考核的綜合系統。將該系統分為下位機硬件設計和上位軟件設計兩部分。軟件又分為計算機軟件控制界面和虛擬監護儀。系統設計框圖如圖1所示。 2 硬件系統設計 從功能方面，硬件系統分為模型人信息采集模塊、系統通信模塊、電源模塊和胎兒分娩控制模塊四個(gè)部分，如圖2所示。 該系統采用16位嵌入式控制芯片作為主控制器，該處理器具有體積小、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗低、結構緊湊、中斷處理能力強等特點(diǎn)，內嵌32 KB閃存FLASH，處理速度高，能夠方便地完成普通單片機的功能。該芯片內集成有ADC，DAC，定時(shí)器／計數器，RAM，FLASH等器件，加上適當的外圍芯片與配套的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以方便地完成8路單通道數據采集，采樣頻率可調：1 kHz，5 kHz，10 kHz，20 kHz，50 kHz。模擬仿真輸出速率可調：4μs，6μs，8μs，lOμs，具有輸出中斷功能；可通過(guò)UART串行端口與PC機通信。利用PDIUSBD12芯片實(shí)現控制箱與PC機USB通信。 2．1 模型人信息采集模塊 模型人信息采集模塊分兩部分，第一部分是位置感應器信息采集，第二部分是對心肺復蘇術(shù)的人工呼吸和胸部按壓術(shù)的信息進(jìn)行采集。 位置感應器信息采集主要包括對模擬心電監護儀信息、氣管插管術(shù)信息、模擬靜脈給藥信息、模擬胎兒監護儀信息采集、模擬血壓儀的信息和模擬脈搏氧飽和度信息采集。主控制器實(shí)時(shí)掃描感應器終端，拾取感應器信息，經(jīng)處理后通過(guò)通信系統傳給上位機。本系統采取了系統擴展I／O口或主控制器I／O并行的與位置傳感器終端相連采取位置感應器信息。信息被采取后通過(guò)主控器的處理傳給PC機。 心肺復蘇術(shù)信息采集，因為模型人的心肺模擬采用氣囊方式，所以心肺復蘇術(shù)信息采集采用了氣體壓力傳感器的方式進(jìn)行。心肺復蘇術(shù)信息采集采用了MPX2010型雙通道壓力傳感器，它能提供一個(gè)精確的直接與外加壓力成正比的線(xiàn)性電壓輸出，此類(lèi)傳感器將應變計和薄膜電阻網(wǎng)絡(luò )集成在同一硅片上，用激光修正技術(shù)實(shí)現精確的量程校正、零位偏差校正和溫度補償，溫度補償范圍為O～85℃，測量方式有表壓(G，GP)和差壓(D，DP)型。本系統利用運算放大器將壓力傳感器輸出的微小電壓信號放大至與單片機內部的A／D轉換器相容的電平，使傳感器與單片機接口匹配。系統軟件對傳感器的零位輸出和壓力量程進(jìn)行計算和校準，并將傳感器輸出壓力數據處理后上傳給PC機。 2．2 通信模塊的設計 系統設計了兩種通信方式與上位機相連(RS 232串行異步通訊和USB通訊)，來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)的多種要求。 2．2．1 RS 232串行異步通訊 UART是廣泛使用的串行數據傳輸協(xié)議。系統主控制器提供了一個(gè)全雙工標準接口的UART通訊電路模塊，用于完成主控制器與外設之間的串行通訊。進(jìn)行串行通訊時(shí)要滿(mǎn)足一定的條件，比如電腦的串口是RS232電平，而單片機的串口是TTL電平的，兩者之間必須有一個(gè)電平轉換電路，系統采用了專(zhuān)用芯片MAX3232進(jìn)行轉換。典型的串口電路設計如圖3所示。 2．2．2 USB通訊 USB(Universal Serial Bus)通用串行總線(xiàn)是近年來(lái)應用在PC領(lǐng)域的新型接口技術(shù)，是一些PC大廠(chǎng)商如Microsoft Intel等為了解決日益增加的PC外設與有限的主板插槽和端口之間的矛盾而制定的一種串行通信的標準。 USB的主要優(yōu)點(diǎn)如下： (1)使用方便。連接外設不必再打開(kāi)機箱，允許外設熱插拔而不必關(guān)閉主機電源。 (2)速度快。USB接口的最高傳輸率可達12 Mb／s；提供低速方式，速率為1．5 Mb／s；扣除用于總線(xiàn)狀態(tài)控制和錯誤檢測等數據傳輸，最大理論速度也能達到1.2 Mb／s和9．6 Mb／s。 (3)連接靈活。一個(gè)USB口理論上可以連接127個(gè)USB設備，連接的方式也十分靈活，既可以使用串行連接，也可以使用集線(xiàn)器HUB把多個(gè)設備連接在一起，再同PC機的USB口相接。 (4)獨立供電USB接口提供了內置電源。 本系統設計采用了USB芯片PDIUSBD12與上位機進(jìn)行通信，PDIUSBD12是一個(gè)性能優(yōu)化的USB器件，通常用于基于微控制器的系統并與微控制器通過(guò)高速通用并行接口進(jìn)行通信，也支持本地DMA傳輸。該器件采用模塊化的方法實(shí)現一個(gè)USB接口，允許在眾多可用的微控制器中選擇最合適的作為系統微控制器，允許使用現存的體系結構并使固件投資減到最小。這種靈活性減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間、風(fēng)險和成本，是開(kāi)發(fā)低價(jià)、高效USB外圍設備解決方案的一種最快途徑。PDIUSBD12完全符合USB 1．1規范，也能適應大多數設備類(lèi)規范的設計，如成像類(lèi)、大容量存儲類(lèi)、通信類(lèi)、打印類(lèi)和人工輸入設備等，因此PDIUSBDl2非常適合做很多外圍設備。如打印機、掃描儀、外部大容量存儲器Zip驅動(dòng)器和數碼相機等�，F在用SCSI實(shí)現的很多設備，如果用USB來(lái)實(shí)現可以直接降低成本。PDIUSBDl2掛起時(shí)的低功耗以及LazyClock輸出符合ACPI，OnNOW和USB電源管理設備的要求。低功耗工作允許實(shí)現總線(xiàn)供電的外圍設備。PDIUSBD12還集成了像SoftConnect，GoodLink可編程時(shí)鐘輸出、低頻晶振和終端電阻等特性。所有這些特性都能在系統實(shí)現時(shí)節省成本，同時(shí)在外圍設備上很容易實(shí)現更高級的USB功能。PDIUSBD12芯片內部結構圖如圖4所示。 2．3 電源模塊的設計 系統電源設計是本系統設計中一項極其重要的工作，它對整個(gè)系統是否正常運行起著(zhù)至關(guān)重要的作用。系統要求的功率比較大，所以本系統采用了12 V，5 A的適配器來(lái)供電。根據功耗和芯片工作電壓的不同，系統設計了兩路不相關(guān)的電源組。一路供給主控制器模塊，另一路供給胎兒分娩控制模塊。 供給主控制器模塊電源組采用了DC／DC模塊降壓到5 V，然后由11173．3電源芯片降到3．3 V。其中，5V供給壓力傳感器和音頻系統，3．3 V供給主控制器芯片、USB和串口芯片等。采用DC／DC電源模塊具有很好的隔離性和保護性，可增加電源供電的穩定性。 供給胎兒分娩控制模塊電源組采用了12 V適配器電源和7805降壓的5 V電源，此模塊要求電源的功率大，但對電源的穩定性要求不是很高。這樣設計符合整個(gè)硬件系統的要求。在兩組電源中控制信號采用光耦進(jìn)行傳遞，光耦優(yōu)點(diǎn)是完全切斷兩個(gè)模塊電源之間的關(guān)系，使系統更加穩定。 2．4 胎兒分娩控制模塊 本模塊是計算機和“病人”聯(lián)系最密切的體現。系統既有對模型人的信息采集，又有對模型人的控制。本模塊分為胎兒心音模擬、胎兒出生裝置控制和信息采集以及孕婦宮縮的模擬。 胎兒心音模擬采用了專(zhuān)用音頻模塊，采用了電平觸發(fā)方式進(jìn)行控制。采用專(zhuān)用的音頻模塊主要特點(diǎn)是音頻模塊的功耗低，控制簡(jiǎn)單。用專(zhuān)用音頻芯片也減少了主控芯片的CPU占用率，使主控芯片處理速度更快更穩定。 胎兒出生裝置采用了直流電機作為嬰兒出生的推動(dòng)力，采用了凹槽式光耦和行程開(kāi)關(guān)來(lái)確定胎兒位置。本系統根據胎兒出生裝置設計采用了L298作為電機控制驅動(dòng)芯片，用I／0口采集胎兒的位置信息。 孕婦宮縮的模擬采用了微型氣泵、氣體電磁閥和壓力傳感器構成。氣泵和氣體電磁閥由大功率NMOS管控制。宮縮的強度由壓力傳感器反饋信息來(lái)控制。 2．5 系統抗干擾和系統安全設計 各種形式的干擾一般都是以脈沖的形式進(jìn)主控制器系統的，干擾竄入系統的渠道主要有三條：空間干擾(場(chǎng)干擾)，通過(guò)電磁波輻射竄人系統；過(guò)程通道干擾，通過(guò)與主機相連的前向通道、后向通道及其他與主機相互連接的通道進(jìn)入；供電系統干擾，通過(guò)供電線(xiàn)路竄人。對于上述三種干擾必須采用行之有效的措施和具體電路加以消除，確保單片機系統正常運行和工作。 本系統采用了雙路電源供電、對控制信號進(jìn)行了光電隔離、芯片電源和地之間加有去耦電容和主控芯片，電源采用DC／DC電源模塊等來(lái)增強系統抗干擾能力。此外系統對大功率原件設計了監控報警電路，增加了系統的穩定性。 2．6 CPR信息數據處理 學(xué)員對模型人胸部按壓壓力的測量是模型人系統所要完成的一項主要功能之一，這里采用的是心肺氣囊加傳感器的方法來(lái)測量學(xué)員對模型人胸部按壓壓力。學(xué)員按壓模型人胸部氣囊時(shí)會(huì )造成心肺氣囊內壓強的變化，從而使得壓力傳感器的輸出電壓波形也發(fā)生相應的變化。如何從傳感器的輸出電壓來(lái)得到學(xué)員按壓的壓力值，并與標準值比對是要解決的首要問(wèn)題。 由于受心肺氣囊形狀、傳感器靈敏度等許多因素的影響，采集到的電壓不可避免出現許多干擾。在實(shí)際的應用過(guò)程中，采用通過(guò)硬件濾波和軟件濾波相結合的方法來(lái)消除噪聲。硬件濾波可以通過(guò)低通濾波器來(lái)實(shí)現，軟件濾波采用中值濾波的方法。 經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗表明，在相同的實(shí)驗條件下，壓強的大小對傳感器的輸出波形是有影響的。不同的壓強下傳感器的初始電壓V0是不同的，而整個(gè)按壓過(guò)程本身也是一個(gè)變力的過(guò)程，所以胸部按壓力度隨時(shí)間t而變化的，跟電壓V(t)以及初始電壓V0均有關(guān)系，即： 當初始電壓V0固定時(shí)，假設胸部按壓力度與電壓之間的關(guān)系是線(xiàn)性的，則按壓值可以用以下公式表示： 由式(7)可知，k值實(shí)際上可以通過(guò)試驗數據求得一個(gè)固定值。再由式(2)得，要計算按壓值F(t)的最大值，實(shí)際上就是求傳感器輸出電壓V的最大值Vmax。然而式(2)是在假設V0固定的前提下成立的，事實(shí)上，即使在相同的實(shí)驗條件下，不同的V0下得到的Vmax是不同的，計算出來(lái)的最大按壓Fmax也是不同的。為了使不同氣囊壓強下仍然得到相同的最大胸部按壓力度Fmax，可以調整k值，使得k值和初始電壓V0滿(mǎn)足某種關(guān)系，即： 則計算最大胸部按壓力度可以用下列關(guān)系表示： 而函數g可以通過(guò)統計的方法從大量實(shí)驗得出的k值和V中求得，可考慮采用數據擬合的方法來(lái)進(jìn)行。 3 系統軟件設計 設計將采用Visual Studio 2005的MFC為工具進(jìn)行軟件設計。Visual Studio 2005是微軟公司新一代數據開(kāi)發(fā)平臺，有更和諧的解決方案，可以高效地產(chǎn)生最嚴格的應用程序。 上位機界面由控制界面和虛擬監護儀界面分雙屏顯示。在控制界面里根據功能的不同又分為生命體征狀態(tài)設置和保存模塊、生命體征數據管理模塊、模擬病程的模塊、記錄和治療模塊、病史模塊、心肺復蘇模塊和網(wǎng)絡(luò )功能模塊。虛擬監護儀界面主要由心電圖波形顯示、血壓波形顯示、呼吸波形顯示、呼吸CO2的含量波形顯示構成。界面中還包含急救措施時(shí)使用的起搏器，除顫器等設置按鈕等。 控制界面主要實(shí)現的功能： (1)生命體征狀態(tài)設置和保存模塊。生命體征的狀態(tài)主要包括心肺狀態(tài)和體溫，怎樣設置生命體征的狀態(tài)和保存是上位機模塊一切功能的基礎。 (2)生命體征數據管理模塊。這里主要包括生命體征的查找、刪除、查看詳細數據、編輯、運行和排序等功能。 (3)模擬病程的模塊。模擬病程就是模擬真人生病的過(guò)程，是一個(gè)變化的過(guò)程，通過(guò)虛擬監護儀表現出來(lái)。 (4)記錄和治療模塊。記錄模塊是記錄了模擬人的生命體征變化以及治療的過(guò)程。治療模塊是根據模型人的生命體征做出相應的治療的過(guò)程。 (5)病史模塊。病史模塊是對病人以前病史和現在的病情的記錄，病史對醫生診斷治療是一個(gè)很重要的環(huán)節，根據病史不同治療方法也會(huì )不同。 (6)心肺復蘇模塊。心肺復蘇是急救最重要的一項，本模塊可以訓練CPR按壓和通氣的頻率。也可以考核學(xué)生對CPR的掌握。 (7)網(wǎng)絡(luò )功能模塊�？梢詫�(shí)現主機對從機監控及主機和從機對話(huà)功能。 (8)虛擬監護儀模塊。虛擬監護儀模塊是最重要的一個(gè)模塊，這個(gè)模塊包括人體生命體征的顯示和生命體征曲線(xiàn)的合成。人體生命體征的顯示中包括心電圖、血壓圖、呼吸圖、呼吸CO2圖、體溫等，以及這些波形圖的顯示的調節。生命體征的曲線(xiàn)的合成主要包括心電圖曲線(xiàn)、血壓圖曲線(xiàn)、呼吸圖曲線(xiàn)、呼吸CO2圖曲線(xiàn)的合成。這些圖形有規則的周期波形，有不規則的周期波形，還有沒(méi)有周期型的波形。 4 結語(yǔ) 該系統具有齊全的功能模塊，可以使更多的醫學(xué)生在安全、受保護的模擬環(huán)境里進(jìn)行訓練和科研，不僅增強了學(xué)生的實(shí)踐能力，而且保護了病人的合法權益。該系統是計算機交互式系統，其功能強大，擴展性強，且為今后功能的擴展預留了很大空間。 |
