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

田大軍,張子明,蘇文娟,吳巖

摘 要：基于MSP430心肺聽診技能訓(xùn)練系統(tǒng)針對(duì)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)模擬教學(xué)的發(fā)展，改變過去用射頻和特制聽診器來模仿心肺聽診過程，在操作上更逼真臨床真實(shí)環(huán)境。以低功耗的MSP430為核心，并在模型人上安裝27個(gè)專用設(shè)備來模擬人體的共118種心肺聽診的疾病聲音。另外還可以用遙控器設(shè)置模型人的疾病類型，通過聽診器來識(shí)別模型人位置點(diǎn)發(fā)出的聲音來辨別疾病。再現(xiàn)臨床醫(yī)學(xué)的工作場(chǎng)景，為學(xué)習(xí)者提供一個(gè)無風(fēng)險(xiǎn)的學(xué)習(xí)臨床知識(shí)和技能的條件與環(huán)境。此外還添加了上位機(jī)教學(xué)系統(tǒng)，上位機(jī)根據(jù)收到的位置信號(hào)來控制上位機(jī)軟件界面的顯示，可以顯示聽診的位置、聲音特點(diǎn)、與呼吸的關(guān)系以及聲音的波形信息，還可以外接揚(yáng)聲器放大播放所聽到的心肺聲音，達(dá)到醫(yī)學(xué)教學(xué)的目的。

關(guān)鍵詞：MSP430； 心肺聽診； 上位機(jī)軟件; 醫(yī)學(xué)教學(xué)

中圖分類號(hào)：TN87-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2011)09-0176-03

Design of MSP430-based Heart and Lung Auscultation Skills Training System

TIAN Da-jun,ZHANG Zi-ming,SU Wen-juan,WU Yan

(College of Electronic Information and Control Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

Abstract： The single chip MSP430 with low power assumption was used in the system as the core processor. For the development of modern medical simulated training,the way to mimic the process of heart and lung auscultation by using radio frequency method and special stethoscopes was changed,and it became more realistic in the operation of the real clinical environment. 27 special equipment were installed in the system to simulate the heart and lung auscultation of 118 kinds of diseases. Also the type of diseases of the human model could be set through remote control,and people could listen to the sound of the special points on the model through the stethoscope to identify the type of diseases. The reproduction of clinical scenarios for learners could provide a risk-free learning environment of the clinical knowledge and skills. A host computer teaching system was added,in which the display of PC software interface was controlled according to the received signal from the specified points on the human model. The location of auscultation,the sound characteristics,the relationship with breath,and the sound waveform information could be displayed on the screen. The sounds of heart and lung could be played by the loudspeakers to achieve the purpose of medical education.

Keywords： MSP430; cardiopulmonary auscultation; PC software; medicine teaching

0 引 言

近年來基于醫(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——見習(xí)——臨床實(shí)習(xí)。但由于種種原因，見習(xí)不能有效開展，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。基于以上現(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)無風(fēng)險(xiǎn)學(xué)習(xí)臨床知識(shí)和技能的條件和環(huán)境［1］。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

從結(jié)構(gòu)方面看，該系統(tǒng)可以分成模型人和遙控器兩部分。模型人主要有內(nèi)部無線接收裝置和控制裝置以及人體表面的專用裝置。遙控器上有液晶顯示屏、鍵盤以及相關(guān)說明。考核者可以很方便地向模型人內(nèi)部的無線接收裝置發(fā)出指令信號(hào)，無線接收裝置以收到的指令來確定是什么疾病類型，從而控制模型人身上各位置點(diǎn)應(yīng)該發(fā)出什么聲音，當(dāng)聽診器接觸到模型人身上相應(yīng)的位置點(diǎn)時(shí)，相應(yīng)的裝置會(huì)給控制單元一個(gè)位置信號(hào)，然后控制單元將這個(gè)信號(hào)通過多路模擬開關(guān)控制相應(yīng)的喇叭閉合發(fā)出所在點(diǎn)的心肺聽診音，被考核者通過聽診器將此聲音傳到人耳朵里，這就完整模擬了一次真實(shí)的聽診過程。被考核者通過聽診器的探頭觸診模型人的不同體位，并通過聽診器來聽診不同位置的各種病理特征，由此來判斷是否為某種疾病，從而達(dá)到教學(xué)和培訓(xùn)的目的。

2 系統(tǒng)的功能組成

從功能方面，該系統(tǒng)又可分為語音播放單元、多路模擬開關(guān)、位置識(shí)別開關(guān)、無線通信單元和電源及低功耗設(shè)計(jì)單元六個(gè)部分。其中模型人內(nèi)部系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 模型人內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

遙控器的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 遙控器系統(tǒng)框圖

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)語音播放、無線收發(fā)、多路模擬開關(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［2-3］。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 語音播放

語音播放是本系統(tǒng)一個(gè)重要組成功能之一。在這里有兩個(gè)問題需要解決，一個(gè)是語音數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，另一個(gè)是語音的編解碼和播放。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［4-5］。因此該系統(tǒng)選用中青世紀(jì)科技公司開發(fā)的PM50智能語音芯片，它既是語音播放電路，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)。該芯片由專用的語音單片機(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1 μA；

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)擦寫錄入，壽命在1萬次以上；

兩種封裝形式：COB28和COB16；

開發(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 多路模擬開關(guān)

多路模擬開關(guān)主要是用來選擇播放位置點(diǎn)喇叭聲音的，因?yàn)镻M50芯片只能連接一路揚(yáng)聲器，所以只能通過多路模擬開關(guān)來選擇各路喇叭接通，而MAX306CPI芯片是十六位多路選擇開關(guān)，可以將兩片芯片擴(kuò)展起來形成32路選擇開關(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。并且聽診器探頭可以輕易地觸動(dòng)模型人皮下的專用位置，所以采用這種技術(shù)對(duì)本系統(tǒng)來說是一個(gè)很好的選擇［5］。

2.4 無線模塊的設(shè)計(jì)

無線模塊的設(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。一般來說，外圍元件要盡可能靠近無線芯片，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)［7-8］。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:

V(x)=A(x)?g(x)=x琑?m(x)+r(x)

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)送方通過生成g(x)來產(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，則說明接收正確［9］。

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。電源模塊主要用在遙控器上，用來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、電源電壓以及門的活躍因素。從硬件方面來講，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)，然后通過定時(shí)喚醒來檢測(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)來控制上位機(jī)軟件界面的顯示，可以顯示聽診的位置、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。

圖3 上位機(jī)界面框圖

4 結(jié) 語

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6 μs［10］。

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)品的研究和開發(fā)，不僅對(duì)于提高現(xiàn)階段我國醫(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。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文