0 引言
    醫(yī)療模型人訓(xùn)練系統(tǒng)是為滿足廣大醫(yī)學(xué)生的需要而設(shè)計(jì)的。我國現(xiàn)代醫(yī)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(tǒng)產(chǎn)品都源于國外，雖然對(duì)于模擬人仿真已經(jīng)出現(xiàn)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(xiàn)的仿真，沒有一個(gè)完整的系統(tǒng)綜合其所有功能。
    醫(yī)療模型人訓(xùn)練系統(tǒng)是一款模擬胎兒分娩及母嬰急救的智能化模型人，是與現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)相結(jié)合的綜合示教模擬系統(tǒng)。此產(chǎn)品既滿足了婦產(chǎn)科的教學(xué)需要又滿足了臨床醫(yī)學(xué)教育中的急救技術(shù)教學(xué)的要求。
    婦產(chǎn)科學(xué)是一門實(shí)踐性與應(yīng)用性很強(qiáng)的臨床醫(yī)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。隨著社會(huì)的進(jìn)步和對(duì)醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)要求的提高，傳統(tǒng)的臨床教學(xué)模式已經(jīng)不能滿足新形勢(shì)下婦產(chǎn)科的教學(xué)需要。
    在臨床醫(yī)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(fù)蘇”、“心臟除顫監(jiān)護(hù)”、“創(chuàng)傷急救”等，還是國家執(zhí)業(yè)醫(yī)師考試中實(shí)踐技能考核的重點(diǎn)。對(duì)危重病人的搶救必須爭(zhēng)分奪秒，臨床急救工作需要經(jīng)過嚴(yán)格訓(xùn)練、技術(shù)嫻熟的醫(yī)護(hù)人員。然而隨著法制的健全，病人及其家屬自我保護(hù)意識(shí)的提高，單靠在搶救病人時(shí)練就過硬的急救技術(shù)，是十分困難的事情，稍有不慎極易引起醫(yī)療糾紛，如醫(yī)護(hù)人員急救技術(shù)不熟練或不正確，可能發(fā)生醫(yī)療事故，甚至導(dǎo)致病人死亡。由于供急救訓(xùn)練的臨床資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)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。因此，低年資醫(yī)護(hù)人員及醫(yī)學(xué)生很難熟練掌握急救的實(shí)際操作技能。

1 醫(yī)療模型人訓(xùn)練系統(tǒng)簡(jiǎn)介
    醫(yī)療模型人訓(xùn)練系統(tǒng)是由上位機(jī)軟件、下位機(jī)硬件和模型人三部分組成。它能實(shí)現(xiàn)自主設(shè)置病例及完整的治療過程，不但可以練習(xí)臨床技能的訓(xùn)練，更提高了臨床思維能力和獨(dú)立救治能力。該系統(tǒng)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用了VC．NET和openGL相結(jié)合，設(shè)計(jì)界面美觀，操作方便。下位機(jī)采用了凌陽16位單片機(jī)SPCE061A語音芯片，由于該處理器價(jià)格低、功耗小、具有語音功能，滿足了本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求。上位機(jī)和下位
機(jī)之間用USB連接實(shí)現(xiàn)了高速、穩(wěn)定的通信。
    上位機(jī)軟件系統(tǒng)內(nèi)容包括從基礎(chǔ)生命支持(BLS)、高級(jí)生命支持(ACLS)到持續(xù)生命支持(PLS)的全部急救知識(shí)點(diǎn)，通過信息采集箱的轉(zhuǎn)接系統(tǒng)，可針對(duì)模型人上所作的操作進(jìn)行評(píng)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(yī)學(xué)的培訓(xùn)、繼續(xù)教育與考核的綜合系統(tǒng)。將該系統(tǒng)分為下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)和上位軟件設(shè)計(jì)兩部分。軟件又分為計(jì)算機(jī)軟件控制界面和虛擬監(jiān)護(hù)儀。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    從功能方面，硬件系統(tǒng)分為模型人信息采集模塊、系統(tǒng)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(tǒng)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(kuò)展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)緊湊、中斷處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)，內(nèi)嵌32 KB閃存FLASH，處理速度高，能夠方便地完成普通單片機(jī)的功能。該芯片內(nèi)集成有ADC，DAC，定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，RAM，F(xiàn)LASH等器件，加上適當(dāng)?shù)耐鈬酒c配套的集成開發(fā)環(huán)境，可以方便地完成8路單通道數(shù)據(jù)采集，采樣頻率可調(diào)：1 kHz，5 kHz，10 kHz，20 kHz，50 kHz。模擬仿真輸出速率可調(diào)：4μs，6μs，8μs，lOμs，具有輸出中斷功能；可通過UART串行端口與PC機(jī)通信。利用PDIUSBD12芯片實(shí)現(xiàn)控制箱與PC機(jī)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(yīng)器信息采集，第二部分是對(duì)心肺復(fù)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(yīng)器信息采集主要包括對(duì)模擬心電監(jiān)護(hù)儀信息、氣管插管術(shù)信息、模擬靜脈給藥信息、模擬胎兒監(jiān)護(hù)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(yīng)器終端，拾取感應(yīng)器信息，經(jīng)處理后通過通信系統(tǒng)傳給上位機(jī)。本系統(tǒng)采取了系統(tǒng)擴(kuò)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(yīng)器信息。信息被采取后通過主控器的處理傳給PC機(jī)。
    心肺復(fù)蘇術(shù)信息采集，因?yàn)槟Ｐ腿说男姆文M采用氣囊方式，所以心肺復(fù)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(fù)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性電壓輸出，此類傳感器將應(yīng)變計(jì)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(xiàn)精確的量程校正、零位偏差校正和溫度補(bǔ)償，溫度補(bǔ)償范圍為O～85℃，測(cè)量方式有表壓(G，GP)和差壓(D，DP)型。本系統(tǒng)利用運(yùn)算放大器將壓力傳感器輸出的微小電壓信號(hào)放大至與單片機(jī)內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換器相容的電平，使傳感器與單片機(jī)接口匹配。系統(tǒng)軟件對(duì)傳感器的零位輸出和壓力量程進(jìn)行計(jì)算和校準(zhǔn)，并將傳感器輸出壓力數(shù)據(jù)處理后上傳給PC機(jī)。
2．2 通信模塊的設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種通信方式與上位機(jī)相連(RS 232串行異步通訊和USB通訊)，來滿足用戶的多種要求。
2．2．1 RS 232串行異步通訊
    UART是廣泛使用的串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。系統(tǒng)主控制器提供了一個(gè)全雙工標(biāo)準(zhǔn)接口的UART通訊電路模塊，用于完成主控制器與外設(shè)之間的串行通訊。進(jìn)行串行通訊時(shí)要滿足一定的條件，比如電腦的串口是RS232電平，而單片機(jī)的串口是TTL電平的，兩者之間必須有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，系統(tǒng)采用了專用芯片MAX3232進(jìn)行轉(zhuǎn)換。典型的串口電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

2．2．2 USB通訊
    USB(Universal Serial Bus)通用串行總線是近年來應(yīng)用在PC領(lǐng)域的新型接口技術(shù)，是一些PC大廠商如Microsoft Intel等為了解決日益增加的PC外設(shè)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(biāo)準(zhǔn)。
    USB的主要優(yōu)點(diǎn)如下：
    (1)使用方便。連接外設(shè)不必再打開機(jī)箱，允許外設(shè)熱插拔而不必關(guān)閉主機(jī)電源。
    (2)速度快。USB接口的最高傳輸率可達(dá)12 Mb／s；提供低速方式，速率為1．5 Mb／s；扣除用于總線狀態(tài)控制和錯(cuò)誤檢測(cè)等數(shù)據(jù)傳輸，最大理論速度也能達(dá)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(shè)備，連接的方式也十分靈活，既可以使用串行連接，也可以使用集線器HUB把多個(gè)設(shè)備連接在一起，再同PC機(jī)的USB口相接。
    (4)獨(dú)立供電USB接口提供了內(nèi)置電源。
    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了USB芯片PDIUSBD12與上位機(jī)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(tǒng)并與微控制器通過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(xiàn)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(tǒng)微控制器，允許使用現(xiàn)存的體系結(jié)構(gòu)并使固件投資減到最小。這種靈活性減少了開發(fā)時(shí)間、風(fēng)險(xiǎn)和成本，是開發(fā)低價(jià)、高效USB外圍設(shè)備解決方案的一種最快途徑。PDIUSBD12完全符合USB 1．1規(guī)范，也能適應(yīng)大多數(shù)設(shè)備類規(guī)范的設(shè)計(jì)，如成像類、大容量存儲(chǔ)類、通信類、打印類和人工輸入設(shè)備等，因此PDIUSBDl2非常適合做很多外圍設(shè)備。如打印機(jī)、掃描儀、外部大容量存儲(chǔ)器Zip驅(qū)動(dòng)器和數(shù)碼相機(jī)等?，F(xiàn)在用SCSI實(shí)現(xiàn)的很多設(shè)備，如果用USB來實(shí)現(xiàn)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(shè)備的要求。低功耗工作允許實(shí)現(xiàn)總線供電的外圍設(shè)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(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)節(jié)省成本，同時(shí)在外圍設(shè)備上很容易實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的USB功能。PDIUSBD12芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

2．3 電源模塊的設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一項(xiàng)極其重要的工作，它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)是否正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。系統(tǒng)要求的功率比較大，所以本系統(tǒng)采用了12 V，5 A的適配器來供電。根據(jù)功耗和芯片工作電壓的不同，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tǒng)，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(hù)性，可增加電源供電的穩(wěn)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(duì)電源的穩(wěn)定性要求不是很高。這樣設(shè)計(jì)符合整個(gè)硬件系統(tǒng)的要求。在兩組電源中控制信號(hào)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(tǒng)更加穩(wěn)定。
2．4 胎兒分娩控制模塊
    本模塊是計(jì)算機(jī)和“病人”聯(lián)系最密切的體現(xiàn)。系統(tǒng)既有對(duì)模型人的信息采集，又有對(duì)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用音頻模塊，采用了電平觸發(fā)方式進(jìn)行控制。采用專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(wěn)定。
    胎兒出生裝置采用了直流電機(jī)作為嬰兒出生的推動(dòng)力，采用了凹槽式光耦和行程開關(guān)來確定胎兒位置。本系統(tǒng)根據(jù)胎兒出生裝置設(shè)計(jì)采用了L298作為電機(jī)控制驅(qū)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(gòu)成。氣泵和氣體電磁閥由大功率NMOS管控制。宮縮的強(qiáng)度由壓力傳感器反饋信息來控制。
2．5 系統(tǒng)抗干擾和系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)
    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(tǒng)的，干擾竄入系統(tǒng)的渠道主要有三條：空間干擾(場(chǎng)干擾)，通過電磁波輻射竄人系統(tǒng)；過程通道干擾，通過與主機(jī)相連的前向通道、后向通道及其他與主機(jī)相互連接的通道進(jìn)入；供電系統(tǒng)干擾，通過供電線路竄人。對(duì)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(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行和工作。
    本系統(tǒng)采用了雙路電源供電、對(duì)控制信號(hào)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電源模塊等來增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力。此外系統(tǒng)對(duì)大功率原件設(shè)計(jì)了監(jiān)控報(bào)警電路，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
2．6 CPR信息數(shù)據(jù)處理
    學(xué)員對(duì)模型人胸部按壓壓力的測(cè)量是模型人系統(tǒng)所要完成的一項(xiàng)主要功能之一，這里采用的是心肺氣囊加傳感器的方法來測(cè)量學(xué)員對(duì)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(nèi)壓強(qiáng)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(yīng)的變化。如何從傳感器的輸出電壓來得到學(xué)員按壓的壓力值，并與標(biāo)準(zhǔn)值比對(duì)是要解決的首要問題。
    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(xiàn)許多干擾。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，采用通過硬件濾波和軟件濾波相結(jié)合的方法來消除噪聲。硬件濾波可以通過低通濾波器來實(shí)現(xiàn)，軟件濾波采用中值濾波的方法。
    經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)表明，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，壓強(qiáng)的大小對(duì)傳感器的輸出波形是有影響的。不同的壓強(qiáng)下傳感器的初始電壓V0是不同的，而整個(gè)按壓過程本身也是一個(gè)變力的過程，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(dāng)初始電壓V0固定時(shí)，假設(shè)胸部按壓力度與電壓之間的關(guān)系是線性的，則按壓值可以用以下公式表示：

   
    由式(7)可知，k值實(shí)際上可以通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)求得一個(gè)固定值。再由式(2)得，要計(jì)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(shè)V0固定的前提下成立的，事實(shí)上，即使在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，不同的V0下得到的Vmax是不同的，計(jì)算出來的最大按壓Fmax也是不同的。為了使不同氣囊壓強(qiáng)下仍然得到相同的最大胸部按壓力度Fmax，可以調(diào)整k值，使得k值和初始電壓V0滿足某種關(guān)系，即：
    
則計(jì)算最大胸部按壓力度可以用下列關(guān)系表示：
   
    而函數(shù)g可以通過統(tǒng)計(jì)的方法從大量實(shí)驗(yàn)得出的k值和V中求得，可考慮采用數(shù)據(jù)擬合的方法來進(jìn)行。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)將采用Visual Studio 2005的MFC為工具進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。Visual Studio 2005是微軟公司新一代數(shù)據(jù)開發(fā)平臺(tái)，有更和諧的解決方案，可以高效地產(chǎn)生最嚴(yán)格的應(yīng)用程序。
    上位機(jī)界面由控制界面和虛擬監(jiān)護(hù)儀界面分雙屏顯示。在控制界面里根據(jù)功能的不同又分為生命體征狀態(tài)設(shè)置和保存模塊、生命體征數(shù)據(jù)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(fù)蘇模塊和網(wǎng)絡(luò)功能模塊。虛擬監(jiān)護(hù)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(gòu)成。界面中還包含急救措施時(shí)使用的起搏器，除顫器等設(shè)置按鈕等。
    控制界面主要實(shí)現(xiàn)的功能：
    (1)生命體征狀態(tài)設(shè)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(shè)置生命體征的狀態(tài)和保存是上位機(jī)模塊一切功能的基礎(chǔ)。
    (2)生命體征數(shù)據(jù)管理模塊。這里主要包括生命體征的查找、刪除、查看詳細(xì)數(shù)據(jù)、編輯、運(yùn)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程，是一個(gè)變化的過程，通過虛擬監(jiān)護(hù)儀表現(xiàn)出來。
    (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程。治療模塊是根據(jù)模型人的生命體征做出相應(yīng)的治療的過程。
    (5)病史模塊。病史模塊是對(duì)病人以前病史和現(xiàn)在的病情的記錄，病史對(duì)醫(yī)生診斷治療是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，根據(jù)病史不同治療方法也會(huì)不同。
    (6)心肺復(fù)蘇模塊。心肺復(fù)蘇是急救最重要的一項(xiàng)，本模塊可以訓(xùn)練CPR按壓和通氣的頻率。也可以考核學(xué)生對(duì)CPR的掌握。
    (7)網(wǎng)絡(luò)功能模塊。可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)對(duì)從機(jī)監(jiān)控及主機(jī)和從機(jī)對(duì)話功能。
    (8)虛擬監(jiān)護(hù)儀模塊。虛擬監(jiān)護(hù)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(diào)節(jié)。生命體征的曲線的合成主要包括心電圖曲線、血壓圖曲線、呼吸圖曲線、呼吸CO2圖曲線的合成。這些圖形有規(guī)則的周期波形，有不規(guī)則的周期波形，還有沒有周期型的波形。

4 結(jié)語
    該系統(tǒng)具有齊全的功能模塊，可以使更多的醫(yī)學(xué)生在安全、受保護(hù)的模擬環(huán)境里進(jìn)行訓(xùn)練和科研，不僅增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐能力，而且保護(hù)了病人的合法權(quán)益。該系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)交互式系統(tǒng)，其功能強(qiáng)大，擴(kuò)展性強(qiáng)，且為今后功能的擴(kuò)展預(yù)留了很大空間。