基于SPCE061A處理器醫(yī)療模型人訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(lái)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(kāi)關(guān)來(lái)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(lái)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(guò)電磁波輻射竄人系統(tǒng)；過(guò)程通道干擾，通過(guò)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(guò)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(lái)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(lái)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(lái)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(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(xiàn)許多干擾。在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，采用通過(guò)硬件濾波和軟件濾波相結(jié)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(xiàn)，軟件濾波采用中值濾波的方法。
經(jīng)過(guò)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(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(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(guò)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(lái)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(guò)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(lái)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(kāi)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(guò)程，是一個(gè)變化的過(guò)程，通過(guò)虛擬監(jiān)護(hù)儀表現(xiàn)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(jù)模型人的生命體征做出相應(yīng)的治療的過(guò)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(méi)有周期型的波形。

4 結(jié)語(yǔ)
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。