基于SPCE061A處理器醫療模型人訓練系統設計

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。