基于单片机的心肺听诊技能训练系统设计方案

随着社会的发展， 医疗体制的改革， 媒体的宣传， 民众的法律意识大大加强， 一系列医疗法规的出台， 进一步明确了病人的各项权益。病人， 这一以往传统医学教学的主体更多的选择拒绝配合教学工作。

而近年来医疗纠纷的增多与医患关系的紧张， 出于自身利益的考虑， 医院的教学性能不断削弱。医学院校在临床医学教育中的常规模式是： 理论教学+ 单项技能训练-- 见习--临床实习。但由于种种原因， 见习不能有效开展， 从而导致“理论教学+ 单项技能训练”这一教学模式的形成。基于以上现实情况， 医学院校内教学的尴尬局面迫切需要改变。将“ 模拟教学”引入校内教学流程， 形成“理论教学+ 单项技能训练——模拟教学——临床实习”新型的临床医学教学模式。该系统结构简单，通过模型人的方式再现临床医学的工作场景，为学习者提供了一个无风险学习临床知识和技能的条件和环境。

1 系统结构组成

从结构方面看， 该系统可以分成模型人和遥控器两部分。模型人主要有内部无线接收装置和控制装置以及人体表面的专用装置。遥控器上有液晶显示屏、键盘以及相关说明。考核者可以很方便地向模型人内部的无线接收装置发出指令信号， 无线接收装置以收到的指令来确定是什么疾病类型， 从而控制模型人身上各位置点应该发出什么声音， 当听诊器接触到模型人身上相应的位置点时， 相应的装置会给控制单元一个位置信号，然后控制单元将这个信号通过多路模拟开关控制相应的喇叭闭合发出所在点的心肺听诊音， 被考核者通过听诊器将此声音传到人耳朵里， 这就完整模拟了一次真实的听诊过程。被考核者通过听诊器的探头触诊模型人的不同体位， 并通过听诊器来听诊不同位置的各种病理特征， 由此来判断是否为某种疾病， 从而达到教学和培训的目的。

2 系统的功能组成

从功能方面， 该系统又可分为语音播放单元、多路模拟开关、位置识别开关、无线通信单元和电源及低功耗设计单元六个部分。其中模型人内部系统框图如图1所示。

图1 模型人内部结构图

遥控器的系统框图如图2 所示。

图2 遥控器系统框图

2. 1 主控制器芯片的选择

主控制器是整个系统的核心部分， 主控制器芯片的选择关系到整个系统功能的实现与否。本系统要实现语音播放、无线收发、多路模拟开关、电源低功耗、上位机教学等功能， 所以就要求该芯片具有较高的运算速度， 较大的RAM 和FLA SH 空间， 具有可扩展的IO 口（ 比如I2C, SPI 等） 兼容一些外部芯片（ 如带有SPI 的FLASH 存储器或者一些其他芯片） , 并且功耗较低， 调试方便等。综合上述因素， 主控制芯片用美国德克萨斯（ TI） 公司生产的MSP430, 因为该系统是便携式心肺听诊系统， 采用电池供电的方式， 所以要求必须超低功耗，这样才能满足医学教学的要求， 而该芯片最大的特点就是低功耗， 电压准备工作模式是3. 3 V, 正常工作时电流在几毫安， 完全满足系统要求。该芯片具有如下性能：

低电压范围： 1. 8~ 3. 6 V;

超低功耗：标准模式1. 3 mA, RAM 保持关闭时为0. 1 mA;

低电流： 7 mA 在32 kHz, 2. 2 V, 250 mA 在1 MHz, 2. 2 V;

5 种节点模式和6 ms 内从等待模式唤醒；

16 位RISC 指令结构和125 ns 指令周期；

12 位A/ D 转换和内部参考电压、采样保持、自动扫描特性；

16 位定时器并带有映射寄存器的7 路捕获、比较寄存器， 定时器B;

16 位定时器并带有3 路捕获/ 比较寄存器， 定时器A;

片内比较器；

串行在线编程， 无须外部编程电压， 安全熔丝保护程序代码；

内含60 KB 闪存， 2 KB 随机存储器。

2. 2 语音播放

语音播放是本系统一个重要组成功能之一。在这里有两个问题需要解决， 一个是语音数据的存储， 另一个是语音的编解码和播放。由于WAV 波形数据占用的空间较大， 所以有必要先对原始数据进行压缩编码。因此该系统选用中青世纪科技公司开发的PM50 智能语音芯片， 它既是语音播放电路， 也是智能单片机， 其音质水平， 价格都要略优于着名的ISD 电路， 同时也有21 kHz 的高保真音质。该芯片由专用的语音单片机和FLA SH RAM 存储器集合构成， 它既有13~ 100 s 的多段语音播放功能， 也有单片机可编程的智能特性， 该芯片具有如下特点：

可存储声音长度： 13~ 100 s;

宽范围工作电压： DC 3~ 6 V;

工作电流50 mA, 静态电流1 A;

直接驱动8 0. 5 W 的喇叭， 具备PWM 和DAC两种音频输出模式；

宽范围采样频率： 4. 8~ 21 kHz;

录制的语音可分并行1~ 8 段和串行128 段；

自带8 个输入端口， 9 个输出端口， 功能均可由用户自定义；