基于MSP430心肺聽(tīng)診技能訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　近年來(lái)基于醫(yī)療的嚴(yán)峻現(xiàn)狀，醫(yī)學(xué)院的教學(xué)性能不斷削弱；醫(yī)院對(duì)醫(yī)生的要求又不斷提高，學(xué)校教育與醫(yī)院要求出現(xiàn)脫節(jié)。社會(huì)的發(fā)展，醫(yī)療體制的改革，媒體的宣傳，民眾的法律意識(shí)大大加強(qiáng)，一系列醫(yī)療法規(guī)的出臺(tái)，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(lái)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(jiàn)習(xí)——臨床實(shí)習(xí)。但由于種種原因，見(jiàn)習(xí)不能有效開(kāi)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(jiǎn)單，通過(guò)模型人的方式再現(xiàn)臨床醫(yī)學(xué)的工作場(chǎng)景，為學(xué)習(xí)者提供了一個(gè)無(wú)風(fēng)險(xiǎn)學(xué)習(xí)臨床知識(shí)和技能的條件和環(huán)境。

2．1 主控制器芯片的選擇

主控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，主控制器芯片的選擇關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)與否。本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播放、無(wú)線收發(fā)、多路模擬開(kāi)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(chǔ)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(guó)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(tīng)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3．3 V，正常工作時(shí)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：1．8～3．6 V；

超低功耗：標(biāo)準(zhǔn)模式1．3 mA，RAM保持關(guān)閉時(shí)為0．1 mA；

低電流：7 mA在32 kHz，2．2 V，250 mA在1 MHz，2．2 V；

5種節(jié)點(diǎn)模式和6 ms內(nèi)從等待模式喚醒；

16位RISC指令結(jié)構(gòu)和125 ns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(dòng)掃描特性；

16位定時(shí)器并帶有映射寄存器的7路捕獲、比較寄存器，定時(shí)器B；16位定時(shí)器并帶有3路捕獲／比較寄存器，定時(shí)器A；片內(nèi)比較器；

串行在線編程，無(wú)須外部編程電壓，安全熔絲保護(hù)程序代碼；

內(nèi)含60 KB閃存，2 KB隨機(jī)存儲(chǔ)器。

2．2 語(yǔ)音播放

語(yǔ)音播放是本系統(tǒng)一個(gè)重要組成功能之一。在這里有兩個(gè)問(wèn)題需要解決，一個(gè)是語(yǔ)音數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，另一個(gè)是語(yǔ)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(duì)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(kāi)發(fā)的PM50智能語(yǔ)音芯片，它既是語(yǔ)音播放電路，也是智能單片機(jī)，其音質(zhì)水平，價(jià)格都要略優(yōu)于著名的ISD電路，同時(shí)也有21 kHz的高保真音質(zhì)。該芯片由專(zhuān)用的語(yǔ)音單片機(jī)和FLASH RAM存儲(chǔ)器集合構(gòu)成，它既有13～100 s的多段語(yǔ)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(chǔ)聲音長(zhǎng)度：13～100 s；

寬范圍工作電壓：DC 3～6 V；

工作電流50 mA，靜態(tài)電流1μA；

直接驅(qū)動(dòng)8 Ω 0．5 W的喇叭，具備PWM和DAC兩種音頻輸出模式；

寬范圍采樣頻率：4．8～21 kHz；

錄制的語(yǔ)音可分并行1～8段和串行128段；

自帶8個(gè)輸入端口，9個(gè)輸出端口，功能均可由用戶自定義；

FLASH RAM結(jié)構(gòu)，可以反復(fù)擦寫(xiě)錄入，壽命在1萬(wàn)次以上；

兩種封裝形式：COB28和COB16；

開(kāi)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(kāi)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13 s／20 s／50 s／100 s多個(gè)時(shí)間檔次可選；

完成開(kāi)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(kāi)關(guān)

多路模擬開(kāi)關(guān)主要是用來(lái)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(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)來(lái)選擇各路喇叭接通，而MAX306CPI芯片是十六位多路選擇開(kāi)關(guān)，可以將兩片芯片擴(kuò)展起來(lái)形成32路選擇開(kāi)關(guān)，芯片電壓在4．5～30 V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(tīng)診器探頭可以輕易地觸動(dòng)模型人皮下的專(zhuān)用位置，所以采用這種技術(shù)對(duì)本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的選擇。

2．4 無(wú)線模塊的設(shè)計(jì)

無(wú)線模塊的設(shè)計(jì)包括兩個(gè)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(wú)線模塊工作在ISM(Industrial Scientific Medical)超高頻段，因而對(duì)PCB板的布局提出了更高的要求。一般來(lái)說(shuō)，外圍元件要盡可能靠近無(wú)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(wú)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(cuò)也是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。目前比較常用的檢錯(cuò)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(zhǎng)度字段的長(zhǎng)度可以任意選定。CRC碼集的選擇原則是：若設(shè)碼字長(zhǎng)度為N，信息字段長(zhǎng)度為K，校驗(yàn)字段長(zhǎng)度為R，其中N=K+R，則對(duì)于CRC碼集中的任一碼字，當(dāng)且存在一個(gè)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(guò)生成g(x)來(lái)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(shuō)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(zhǎng)產(chǎn)品的一次使用時(shí)間，低功耗設(shè)計(jì)一直是重中之重。電源模塊主要用于對(duì)電池組的管理，并給系統(tǒng)的其他模塊供電。電源橫塊主要用在遙控器上，用來(lái)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(duì)系統(tǒng)功耗要求比較高。為了延長(zhǎng)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(gè)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(shí)鐘頻率、電源電壓以及門(mén)的活躍因素。從硬件方面來(lái)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(gè)功能模塊工作的空閑時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，可以暫時(shí)將其關(guān)閉或者使其處于低功耗狀態(tài)，然后通過(guò)定時(shí)喚醒來(lái)檢測(cè)應(yīng)答信號(hào)，只有當(dāng)接收到應(yīng)答信號(hào)時(shí)模塊才進(jìn)入工作狀態(tài)。通過(guò)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(guò)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(hào)來(lái)控制上位機(jī)軟件界面的顯示，可以顯示聽(tīng)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(tīng)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。

4 結(jié)語(yǔ)

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(jiǎn)指令集(RISC)結(jié)構(gòu)；具有豐富的尋址方式；簡(jiǎn)潔的27條內(nèi)核指令以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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8 MHz晶體驅(qū)動(dòng)下指令周期為125 ns。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(shí)靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時(shí)，用中斷請(qǐng)求將它喚醒只用6μs。

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(tīng)診器去測(cè)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(kāi)發(fā)，不僅對(duì)于提高現(xiàn)階段我國(guó)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(shí)也具有良好的市場(chǎng)前景。