（通信与信息系统专业论文）多功能医疗模型人训练系统硬件开发.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 日期：2 0l0 4 2 4 关于论文使用授权的说明 舢f i f f i j j f i i i | i f i i | 舢 y 17 8 9 0 6 4 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签 日期：矽少一，一厂 一 一 摘蔑 摘要 本课题主要是针对医学模拟教学和临床技能培训而开发的多功能模拟人 系统。这是一款集操作、教学、监测和考核于一体的多媒体互动模拟人系统， 可模拟上百种疾病的治疗和救护过程。本系统可以进行口、鼻插管技术；人工 呼吸及胸外心脏按压技术；静脉注射技术；体外除颤与起搏技术；血压及血氧 饱和度监测等医学常规操作培训。帮助培训者了解、掌握各种急救设备的功能 和使用方法，如心电图仪、除颤器、体外起博技术、生命体征监测技术、心肺 听诊等，同时可实现对培训者的医疗技术考核。 本系统具有独立的软、硬件结构，能够逼真地模拟临床环境并重现病人的 各种病理特征，用户可以在一个如同真实的临床环境下实现对病人的医疗操作。 本系统研究范围涵盖了医学、电子、材料等领域。融合了数据采集技术、电磁 兼容( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，e m c ) 设计、印制电路设计、u s b 通讯技 术开发、低功耗设计、电源管理等技术，形成一套由模拟病人( s i m u l a t i o np a t i e n t ， s p ) 、控制箱及上位机同步教学演示软件等构成的综合性医学模拟教学平台。在 当前医学模拟教学产品主要依赖国外进口的背景下，本系统的成功研制对于建 立拥有我国自主知识产权的医学模拟实验中心具有积极的推动作用。 本文在深入研究u s b 总线协议的基础上，设计了以单片机进行现场数据采 集、以u s b 进行高速数据传输、最终在上位主机上完成数据后续处理的系统， 并完成了系统的软件、硬件和数据处理方法的调试。 编写了u s b 的应用程序和基于w i n d o w s 平台的驱动程序。固化在控制器 中的代码能在上电后自动完成u s b 设备的配置与初始化，并提供总线的数据传 输中断服务。基于w i n d o w s 平台的驱动程序为终端u s b 设备的自动检测、识 别与j 下常工作提供支持。 关键词医学模拟教学；通用串行总线；数据采集；电磁兼容； 北京t q k 人学t 学硕f 学化论文 a b s t r a c t t h em e d i c a ls i m u l a t i o nt e a c h i n gi sp o p u l a rf o ri t sc h a r a c t e r so fs i m u l a t i o nf e a t u r e a n dh a r m l e s st ot h ep a t i e n t s i th a st a k e nt h ep l a c eo ft h et r a d i t i o n a lm o d eo f m e d i c a lt e a c h i n gw h i c hi sb a s e do nt h ec l i n i c a lp r a c t i c eg r a d u a l l ya n dh a sb e c o m e t h el e a d i n gs t y l ei nt h em o d e r nm e d i c a lt e a c h i n ga r e a t h em u l t i - f u n c t i o nh u m a n p a t i e n ts i m u l a t o r ( h p s ) t r a i n i n gi sab a s i cp a r to ft h em e d i c a ls i m u l a t i o nt e a c h i n g i no u r c o u n t r y , m u l t i m e d i at e a c h i n gi sa d o p t e da sau s u a lw a y o ft h em e d i c a ls i m u l a t i o n t r a i n i n g h o w e v e r , b e c a u s eo fl a c k i n go ft h er e a l i t ya n dm u t u a l i t y , m u l t i - m e d i a t e a c h i n gc a nn o tm a t c ht h en e e do fm o d e mm e d i c a lt e a c h i n gw h i c hr e q u i r e st h e e n v i r o n m e n t a lt e a c h i n ga n dt h ei n d i v i d u a lt e a c h i n g m o d e mm e d i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g yp l a yav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ef i e l do f m o d e mm e d i c a lt e a c h i n g i nc o n t r a s t ，m e d i c a ls i m u l a t i o nt e a c h i n gh a st h e c h a r a c t e r i s t i c sw i t haf l e x i b l e ，i n t u i t i v e ，g o o dc o n t r o l l a b i l i t ya n ds i m u l a t i o ne t c t h a t c a nr e m e d yd e f i c i e n c i e so fm e d i c a lt e a c h i n ga n dt r a i n i n gf o rac e r t a i nd e g r e e ，i ta l s o c a ni m p r o v et h ec l i n i c a ld i a g n o s t i c c a p a b i l i t i e s ，c l i n i c a lo p e r a t i o n a lc a p a b i l i t y , d e v e l o pa g i l ea n ds o u n dc l i n i c a lt h i n k i n g f o rt h em e d i c a ls t u d e n t s ，s oa st o e f f e c t i v e l yr e d u c et h em e d i c a la n dd i s p u t e so c c u r r i n gi nc l i n i c a lp r a c t i c e t h i st o p i ci sm a i n l ya i m e da tt h ed e v e l o p i n go fm u l t i - f u n c t i o nh p ss y s t e mf o r t h et e a c h i n ga n dc l i n i c a ls k i l l st r a i n i n go fm e d i c a ls i m u l a t i o n i ti sa ni n t e r a c t i v e m u l t i m e d i as i m u l a t i o no fh p sw i t has e to fo p e r a t i o n s ，t e a c h i n g ，m o n i t o r i n ga n d e v a l u a t i o n ；i tc a ns i m u l a t eh u n d r e d so fk i n d so fd i s e a s e sa n dr e s c u ep r o c e s s t h i s s y s t e mc a ne x e r c i s et h eb a s i cm e d i c a lp r a c t i c eo p e r a t i o n ss u c ha s ，i n t u b a t i o n st u b e t h r o u g ht h e m o u t ha n dn a s a l ，a ra n dc p r ；i n t r a v e n o u si n je c t i o n ，e x t e r n a l d e f i b r i l l a t o ra n dp a c e m a k e r , m e a s u r e m e n to fb l o o dp r e s s u r ea n db l o o do x y g e n s a t u r a t i o ne t c t h er e s e a r c hs y s t e ma n dt h ee d u c a t i o n a ls o f t w a r ec a na c h i e v et h e s i m u l a t i o no fm e d i c a lp r o c e s so nt h eb a s i cl i f e s u p p o r t ，t r a c h e ai n t u b a t i o n s ， i n t r a v e n o u sa d m i n i s t r a t i o n ，t h ei d e n t i f i c a t i o na n dt r e a t m e n to fa b n o r m a lh e a r t r h y t h m ，c o m m o nf i r s t - a i dm e d i c i n e ，c l i n i c a lt r e a t m e n tp r o g r a m se t co ft h em e d i c a l p r o c e s ss i m u l a t i o n a s s i s tt h eu n d e r s t a n d i n ga n du s i n go ft r a i n e r sw i t ht h ev a r i o u s f i r s t a i de q u i p m e n t sf u n c t i o n sa n dm e t h o d s ：e l e c t r o - m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) ， d e f i b r i l l a t i o n ，e x t e r n a lp a c i n g ，v i t a ls i g n s ，h e a r ta n dl u n ga u s c u l t a t i o na n ds oo n i t l i 一 一 摘要 c a nr e a l i z et h et h r e e l e v e lo fm e d i c a le x a m i n a t i o n ：b a s i cl i f e s u p p o r t ( b l s ) ， a d v a n c e d l i f es u p p o r t ( a c l s ) ，s e l f - a s s e s s m e n t b a s e dc a s es i m u l a t i o n s ( c o d em a k e r ) ， n o to n l yc a na s s e s st h es k i l l so fi n d i v i d u a ls t u d e n t st h ea m b u l a n c e ，b u ta l s os e tt h e e m e r g e n c ys c e n et h r o u g ht h ec o - o r d i n a t i o na m o n gs t u d e n t st oc o m p l e t et h ew h o l e p r o c e s so f r e s c u e t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h es i m u l a t i o ns y s t e mi si n d e p e n d e n t i t c a ns i m u l a t ed o z e n so fd i s e a s ea n dt h eu s e rw i l la u s c u l t a t ea n dp a l p a t et h e s i m u l a t i o np a t i e n tj u s tl i k ei nat r u ec l i n i c a le n v i r o n m e n t t h es t u d yo ft h i ss y s t e mi s i n v o l v e do ft h ea r e ao fm e d i c i n e ，e l e c t r o n i c sa n dm a t e r i a l s o m et e c h n i q u e sa r e a d o p t e di nt h es y s t e m ，e m cd e s i g n ，p r i n t e da n t e n n ad e s i g n ，u s bd e v e l o p ，p o w e r m a n a g e m e n te r e w o r k i n gw i t ht h es y n c h r o n i z e dd e m os o f t w a r er u n s i nt h e c o m p u t e r , am e d i c a ls i m u l a t i o ns y s t e mf o r m e db yt h es i m u l a t i o np a t i e n t ，e l e c t r o n i c s i m u l a t i o na u s c u l t a t o r , r e m o t ec o n t r o l l e ra n dr e c e i v e ro fp c ，w i l l p r o v i d e a n i n t e g r a t e dp l a t f o r m f o rt h em e d i c o s u n d e rt h eb a c k g r o u n dt h a tt h em a jo r i t y p r o d u c t so fm e d i c a ls i m u l a t i o na r ei m p o s e df r o mt h ef o r e i g nc o u n t r i e s ，t h e s u c c e s s f u ld e v e l o po ft h ea u s c u l t a t i o ns y s t e mw i l lh a v eap o s i t i v ei n f l u e n c eo f b u i l d i n gam e d i c a ls i m u l a t i o nc e n t e rw h i c hh a sas e l fk n o w l e d g ep r o p e r t yr i g h tf o r o u rc o u n t r y k e yw o r d s ：m e d i c a ls i m u l a t i o nt e a c h i n g ；u n i v e r s a ls e r i a lb u s ：d a t aa c q u i s i t i o n ； f i r m w a r ep r o g r a m ；e m c i i i 日录 目录 摘要i a b s t r a c t i l 目录i 第1 章绪论1 1 1 医学模拟教学简介1 1 2 本课题研究的目的和意义2 1 3 课题研究内容2 1 4 课题研究的任务3 1 5 论文结构5 第2 章系统功能描述6 2 1 系统结构概述6 2 2 模拟病人的结构8 2 3 模拟人控制单元8 2 4p c 机同步教学演示软件9 2 5 本章小结l0 第3 章数据采集系统电路设计1 1 3 1 数据采集系统c p u 模块12 3 1 1s p c e 0 61a 单片机简介12 3 1 2s p c e 0 6la 单片机最小系统13 3 2 模拟人数据采集点设置1 5 3 2 1 模拟人诊疗连接点模块15 3 3 模拟人诊疗压力数据采集模块17 3 3 1 模数转换器的主要类型17 3 3 2s p c e 0 6 1a 模数转换器18 3 4 压力传感器及压力采集模块19 3 4 1 信号放大电路部分设计2 0 3 4 2 压力传感器测量误差分析2 2 3 5 系统电源电路设计2 3 3 6 1 简述u s b 技术2 3 3 6 2u s b 硬件p d i u s b d l 2 芯片2 6 3 6 3u s b 通信模组电路设计2 8 北京t 、l k 人学t 学硕f 学化论史 3 7 小结2 8 第4 章系统软件设计与实现3 0 4 1u n s pi d e 2 0 集成开发环境简介3 0 4 2s p c e 0 61 单片机功能及设置解析31 4 2 1a l u 算术逻辑运算单元31 4 2 2 寄存器组31 4 2 3 片内存储器结构3 2 4 2 4 输入输出端口3 3 4 2 5 模拟数字转换器a d c 设置3 4 4 3 胸部按压力量测量3 5 4 3 1 算法的提出3 6 4 3 2 按压力的测量步骤3 7 4 4 系统的软件设计4 0 4 4 1 系统初始化4 0 4 4 2 、开关点处理子程序4l 4 4 3 压力采集子程序4 2 4 5 u s b 驱动程序开发4 6 4 6 第5 章 5 1 5 2 5 3 5 4 4 5 1p d i u s b d l 2 的命令描述4 6 4 5 2 u s b 固件设计4 7 4 5 3u s b 上位机驱动程序设计5 4 本章小结5 4 硬件系统的电磁兼容设计5 6 e m c 基础5 6 5 1 1 电磁环境的组成5 6 5 1 2 电源完整性( p i ) 5 7 5 1 3 信号完整性( s i ) 5 8 本系统p c b 的重点设计6 0 5 2 1p c b 整体布局6 0 5 2 2 电源模块l a y o u t 设计6 1 5 2 3 模拟数字分离6 2 5 2 4 差分线设计6 3 5 2 5 电源去耦6 4 布线与p c b 图的设计与绘制6 5 本章小结6 6 目录 结论6 7 参考文献6 8 攻读硕士学位期间发表的学术论文及著作7 1 致j 谢7 2 i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 医学模拟教学简介 在现代计算机技术、材料学、电子学的发展推动下，符合理性化及人性化 的医学模拟技术与教学应运而生并迅速发展起来。在2 0 世纪9 0 年代，一些西 方医学发达的国家，对传统的医学教育方式建议改革，如全英医学总会( g e n e r a l m e d i c a lc o u n e i l ，g m c ) 就公布了医学教育改革的方案，建议通过医学理论知识， 医、患沟通技巧及临床技能培训相结合的方式，进行有效的课程设置和安排， 提高医生的理论水平、临床技能、合作精神及组织协调能力。为了适应这种形 势，医学模型以及在此基础上构建的医学模拟中心被广泛应用于医学教学、培 训及考核领域。不同规模的临床技能实验室和医学模拟教育研究中心被建立了， 一些医学模拟人逐渐在临床教学中被应用。医学模拟教育概念被提出，它是指 利用医学模拟技术创设模拟病人和模拟临床场景，代替真实病人进行临床教学 和实践的教育方法。 医学教育是非常重视实践操作的，没有临床实践就不能培养出合格的医生， 传统的教学模式在适应现代教学要求的过程中遇到了难以克服的困难，临床实 践教学的质量受到了较大的影响，制约着医学临床教学事业的发展。更符合入 文关怀的医学模拟教学的应用是大势所趋，正在成为临床医学实践教学的主导 方式，也越来越受到临床医学教育的青喇1 1 。 医学模拟教学中，大量运用医学教学模型、多媒体仿真病人、标准化病人 等模拟教学器材对医学生进行医学基本技能训练【2 j 。最早的医学模拟教学源于 解剖学，经过长时问的发展，从传统的基础解剖模型和局部功能训练模型( p a r t t a s kt r a i n e r ) ，逐渐发展到现在的计算机辅助训练模型( c o m p u t e rb a s e dt r a i n e r ) 、 虚拟显示和触觉感知模型( v i r t u a lr e a l i t ya n dh e p a t i cs y s t e m ) 以及生理驱动模拟系 统( p h y s i o l o g y d r i v e ns i m u l a t o r ) 等。现代医学模拟教学改变了传统的教学模式， 提供了一个安全的教学环境，培养敏捷、正确的临床思维，从而减少在临床实 践中发生的医疗事故和纠纷1 3 1 。 我国的祖传医学很早就应用过人体模型，如针灸模型等，至今仍发挥重要 的作用1 4 儿5 。然而，同欧美国家相比，我国医学模拟教学的发展要滞后许多， 这种现象一直到2 0 0 3 年后彳有所改观，但其许多应用和研究仍处于初级阶段。 北京t 业人学t 学顺i 学1 讧论文 1 2 本课题研究的目的和意义 在医学模拟教学的手段和方式方面，我国一直远落后于西方国家。国内传 统的医学教学模式存在的问题同益突出：1 、招生规模的扩大和教学资源的减少 构成了最尖锐的矛盾；2 、基础课教学和临床联系不紧密；3 、患者维权意识加 强，病人有拒绝教学示范的权利；4 、实践教学任务和医院考核指标直接的矛盾； 5 、在综合能力考核中存在的问题。于是很多的专业人士丌始提出引进国外的医 学模拟教育理念，利用医学模拟教学手段来彻底改变目前的医学教学困境。首 先，医学模拟教学手段的应用可以极大地丰富教学资源，走出目前教学实践机 会匮乏的困境。而且由于模型的这种可重复性还可以使学生在不断操作和训练 的基础上得到技术上的娴熟。其次，采用医学模拟教育手段可以部分地减少与 患者之间的矛盾，以达到更人性化，更符合伦理学的教学目的。当然，医学模 拟教育的采用和推广也使得中国医学教学方式在一定程度上丌始和国际接轨， 逐步走上了国际化道路。 国外医学模拟教学的研究经历了较长的历史，尤其是近2 0 年来，在材料科 学、电子技术以及模拟技术的带动下，医学模拟教学产品的功能性和仿真性方 面都有了极大的提升。其中最为典型的例子就是上世纪9 0 年代中期，美国医学 教育科技公司( m e t i ) 经过长期的研究和实验，将航天、航空模拟技术成功的嫁 接到医学教育领域中，利用成熟的生理驱动技术研发出综合智能模拟人系统 ( h p s & e c s ) 。相比之下，无论是医学模拟教学理论的研究层次，还是医学模 拟教学模型与电子技术的融合程度，我国都远远落后于国外水平。国内医学模 拟教学产品的丌发多集中于一些低端领域，主要是偏重于基础解剖模型产品的 生产，这也给我们提供了一个巨大的技术提升空间。 目前国内市场上还没有出现一款具有独立硬件系统，结构简单，可以灵活 控制多种病理特征的产品，而该系统的研制填补了国内这方面研究的空白。该 系统研制的目标是尽可能地贴近临床的真实环境，符合医学基本原理，并作为 理论教学和临床实践的有效辅助手段，依靠强大的软件功能，将基于完整病例 的考核与测试方法引入医学教学，锻炼学生临床思维能力和应变能力。改变传 统教学和考核方式，全面提高医学生的临床诊断能力和各项临床操作能力。在 当前医学模拟教学产品主要依赖国外进口的背景下，本系统的成功研制对于建 立拥有我国自主知识产权的医学模拟实验中心具有积极的推动作用。 1 3 课题研究内容 由于医学模拟情境化教学的需要，项目的开发过程中同时需要医学理论同 2 第1 章绪论 电子技术的密切结合。一方面，产品的最终效果首先得满足基本的医学伦理， 能够生动地体现各种病例的临床效果；同时，在系统的外观以及操作过程方面， 也必须贴近现实，让用户有种身临其境的感觉。当然，从电子产品设计的角度 来讲，系统的各项电气指标以及性能参数等，也必须充分满足用户的要求。从 技术角度出发，本课题的研究内容包括系统硬件电路的设计、驱动程序的编写、 上位机软件的开发以及产品化结构设计等，涵盖的技术范围包括传感器数据采 集及处理、u s b 通讯电路、电源管理、抗干扰电路等方面。 数据采集系统开发：从结构方面讲，该系统可以分成模型人，控制箱两个 组成部分。模型人身上安装有各种传感器，控制箱有多组数据采集器与模拟人 的传感器相连接进行数据采集工作。数据采集包括口、鼻气管插管、静脉注射、 体外除颤与起搏、心电图测试连接、人工呼吸及胸外心脏按压等多方面的信息。 本系统拟定采用凌阳单片机s p c e 0 6 1 a 为信号处理系统。 u s b 通信系统开发：u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 即通用串行总线，有u s b l 1 和u s b 2 0 两种规范。u s b l 1 的最高传输速率为1 2 m b p s ，而u s b 2 0 可达 4 8 0 m b p s 。u s b 设备由于其支持热插拔、携带方便、标准统一、支持多个设备 连接等优点，已经被广泛应用。u s b 开发包括两部分：固件开发和上位机驱动 程序开发。在本系统中，采用的是u s b l 1 的规范，上位机驱动程序由厂家提 供，但根据实际应用情况需要改进和充实；设计过程中主要侧重于固化软件开 发。 e m c 设计：e m c 设计即电磁兼容设计。由于本系统中包含微弱信号采集 问题以及一些高速信号( 如u s b ) 传递问题，所以有必要讨论p c b 设计过程中的 电磁兼容问题，通过优化布局和走线，添加隔离、滤波和匹配元件，可有效抑 制电磁干扰，使得系统工作更加稳定。 电源模块设计：主要用于对电源部分的管理，给系统的各个模块进行供电。 电源模块在整个系统中发挥着举足轻重的作用。良好的电源模块设计可以有效 地提高电源的利用效率，维持稳定的电压，减少电源纹波，增大输出电流。由 于本系统中涉及到高频模块和模拟信号，所以对系统的电源设计要求相对要高， 而且在设计中要考虑对各个模块做到单独供电，以提高系统的稳定性。 1 4 课题研究的任务 本课题主要任务是针对医学模拟教学和临床技能培训而丌发多功能医疗模 拟人系统( e m e r g e n c yc a r ec o m p u t e ri n t e r a c t i v e ) 。这是一款集操作、教学、监测 和考核于一体的多媒体互动模拟人系统，可模拟几百种病症的治疗和救护过程。 如本系统可供练习口、鼻气管插管技术、人工呼吸及胸外心脏按压技术、静脉 注射技术、体外除颤与起搏技术、血压和血氧饱和度测量技术等基本医学操作。 北京t 业人学t 学倾i j 学1 诳论义 所研系统配合教学软件，可实现对基础生命支持、气管插管、静脉给药、异常 心律的识别与治疗、常见急救用药、临床治疗方案等医学过程的模拟。帮助培 训者了解并掌握各种急救设备的功能和使用方法。系统还可以实现基础生命支 持( b l s ) 、高级生命支持( a c l s ) 、自设模拟病例考核( c o d em a k e r ) - 一个层次 的医疗考核。它既可以考核学生个人的救护技能，也可以设置急救场景，通过 学生之间的紧密配合，完成抢救的全过程培训。 该系统的核心任务是对被测对象拾取必要的原始参量信号，并能将之送入 p c 机进行数据处理和建立数学模型，同时还能将p c 机产生的仿真数据通过数 模转换后作用给目标对象。 图1 1 医用模拟教学系统图 本课题在深入研究u s b 总线协议的基础上，设计了以微处理器进行现场数 据采集、以u s b 进行高速数据传输、最终在上位主机上完成数据后续处理的系 统。完成了系统的软件、硬件和数据处理方法的调试。基于数据采集时实性高、 数据吞吐量大、数据存储、数据实时处理以及优化控制的要求，本文设计了一 套基于u s b 通讯方式的，时实数据采集系统。在满足系统实时数据采集控制的 基础上，同时达到了体积小、重量轻、易安装携带、功能强、功耗低的设计要 求。 本课题的前期工作在于运用医学知识以及根据医学专家的意见，对模拟病 人身上的功能区进行划分，对应于不同的功能区，设计不同的数据采集方式， 做到合理、简洁、实用。再者，为满足医学模拟教学情境化教学的需要，该产 品外观结构设计上也要尽量做到逼真。模拟病人的设计要模拟真实人体生理结 构，这部分由专门的厂家完成。模拟病人身上触诊的位置要遵循医学规则，尽 可能覆盖常用到的诊断感应，以达到预期的诊断效果。 本课题所研制的全功能模拟模拟病人是综合性模拟教学训练平台。它的软 件可以自创各种临床模拟病例，适合不同层次急救医学的培训、继续教育与综 4 笫l 章绪论 合考核。模拟人系统可以模拟多种病理特征，经数据采集系统采集数据，并将 这些数据通过u s b 发送至p c 机；上位机同步教学演示软件的功能是接收p c 机接收器发送过来的数据并进行处理，显示当前疾病、疾病特征简介、当前心 电图的波形等，以配合教师的现场演示和讲解工作。每个系统模块功能的实现 以及工作状态下各个模块之间的相互配合是本课题研究的主要任务。 1 5 论文结构 本论文共分为五章，其组织结构如下所示： 第1 章为绪论，介绍了医学模拟教学基础、本课题的研究目的和意义、研 究内容以及研究任务，其中重点讨论了本课题所涉及的技术领域。 第2 章为系统的功能描述，将介绍本系统的整体结构，并对系统各个组成 部分的功能结构，包括模拟病人、分别进行详细的描述。 第3 章为系统电路设计，将具体介绍模拟所选用芯片的性能参数，对数据 采集电路结构、性能进行详细的分析。阐述了u s b 通讯电路的理论分析及设计 方法，介绍了本系统中u s b 通讯电路设计方案，芯片的选用及外围电路的设置 等。 第4 章为系统的软件设计，将介绍系统的软件设计流程，主要是数据采集 控制程序u s b 固件程序等。同时也介绍了如何利用m f c 和g d i + 进行p c 机端 软件开发的流程。 第5 章为硬件系统的电磁兼容与实施，将介绍e m c 基础知识以及p c b l a y o u t 过程中的重点设计，如p c b 整体布局、电源模块设计、模拟数字分离 以及u s b 差分线等。 在最后的结论中，将展示本课题的最终成果并列出系统设计过程中的创新 点，对系统功能的拓展以及产品的更新换代作出展望。 北京t 、i k 人学t 学硕i j 学化论丈 第2 章系统功能描述 2 1 系统结构概述 结构方面，本系统可以分成模型人，控制箱两个组成部分。模型人身上有 各种传感器，控制箱有多组数据采集器与模拟人的传感器相连进行数据采集工 作。数据信息来自气管捅管操作、静脉注射操作、体外除颤与起搏操作、心电 图测试连接操作、人工呼吸及胸外心脏按压操作等。本系统拟定采用凌阳的 s p c e 0 6 1 a 单片机作为信号处理系统。该系统的核心任务是对被测对象拾取必 要的原始参量信号，并能将之送入p c 机进行数据处理和建立数学模型，同时 还能将p c 机产生的仿真数据通过数模转换后作用给目标对象。系统控制箱 能够实现的功能描述如下： 模拟人s p 器 图2 1 医用模拟人系统控制箱图 心电图测试连接：此功能要求确认心电图测试系统正确连接。通过连接线 连接模拟人体内预埋位置传感器实现。培训学员掌握心电图正确的测量位置， 通知电脑心电图测试已连接，输出心电图模拟图示。心电图测试连接有两个数 采集点及一个通用地线。 体外除颤与起搏：自动体外除颤( a e d ) 模拟器件的丌发是本系统关键点之 一。体外除颤( a e d ) 是用电能来治疗快速异位心律失常，使之转复为窦性心律 的一种有效方法。模拟器可模拟各种心脏骤停的紧急状况，完全模拟真实场景 6 第2 章系统功能描述 指导除颤及心肺复苏每一步操作。除颤器的前端信号来自于放置在模拟病人身 上的e c g 电极，体外除颤时电极板安放的位置有两种：一种称为前后位，即一 块电极板放在背部肩胛下区，另一块放在胸骨左缘3 4 肋间水平。这种方式通 过心脏电流较多，所需电能较少，潜在的并发症也可减少。选择性除颤术宜采 用这种方式。另一种是一块电极板放在胸骨右缘2 3 肋问( 心底部) ，另一块 放在左腋前线内第5 肋问( 心尖部) 。这种方式迅速便利，适用于紧急电击除颤。 电击的电能要根据病人的不同情况选择，除颤所用电能用j 表示。除颤器应能 实现对电极板是否正确放置的判别，除颤所用电能是否正确选择做出判别。对 除颤效果进行评判。 图2 2 除颤器模拟图 人工呼吸及胸外心脏按压：正确的人工呼吸及胸外心脏按压是急救各种创 伤、电击、溺水、窒息、心脏疾病或药物过敏等引起的心脏骤停病人的关键。 系统的解决方案是在模拟人胸腔内预置心肺式气囊和位置传感器及气流压力传 感器。通过传感器测定培训人员按压位置是否正确，按压的力度是否达到要求。 其中对培训人员按压力度的测量算法，要通过实验的方法采集气囊压力变化过 程中的数据，用数值拟合的方法建立数学模型，实现人工呼吸操作中呼与吸的 量化测量，给以培训人员的操作正确评判。 气管插管术：培训学员认识气道的解剖结构、气道阻塞的原因及紧急处理 方法、喉镜种类及气管插管的技巧。实现此功能的方法是在模拟人咽喉部预埋 光控传感器，当模拟气管导管下到恰当部位时，丌关接通，相关数据传入微处 理器处理后上传电脑。 静脉给药：列举了各种静脉给药途径与操作技巧，包括不同的给药途径、 给药原则、给药部位、进针角度等内容，分析了各种给药方法的优缺点。实现 此功能的方法是在模拟人手臂预埋感应丌关，当针头插入到位时，开关接通， 相关信息传入微处理器处理后上传电脑。 北京t q k 人学t 学顾f j 学化论史 2 2 模拟病人的结构 模拟病人是由专门的生产医学模型的厂家来设计完成的。模拟人身上共有 七组数据采集电子节点，分布在模型人的体内，基本上覆盖了人体医疗测量的 主要区域8 1 。这些电子节点有的采用的是电子丌关，用于验证测量设备是否 连接正确；有的采用的是电子感应器件，由于测量压力、温度等。这些电子标 签的位置点分布如图2 3 所示。 图2 3 模拟病人的测试位置分布 图2 3 中，蓝色的点表示的是模拟人测量电子节点的位置。模拟病人身上 的功能测量节点是根据医学专家的意见进行划分的。对应于不同的功能区，设 计不同的数据采集方式，做到合理、简洁、实用。为满足医学模拟教学情境化 教学的需要，该产品外观结构要尽量做到逼真。模拟病人的设计要模拟真实人 体生理结构，这部分由专门的厂家完成。模拟病人身上触诊的位置要遵循医学 规则，尽可能覆盖常用到的诊断位置，以达到预期的诊断效果。 2 3 模拟人控制单元 模拟人控制箱是本系统的核心部分，其主要功能有两部分。 第一部分，接收模拟人传感器传来的模拟信息，把这些模拟信号通过单片 机数字化，时实上传上位机。本系统采用具有l a n s p t m 内核的凌阳s p c e 0 6 1 a 单片机作为主控制器，它是一款1 6 位微处理器，具有体积小、集成度高、易扩 展、可靠性高、功耗低、结构紧凑、中断处理能力强等特点。内嵌3 2 k 字闪存 f l a s h ，处理速度高，能够方便地完成普通单片机的功能。该芯片内集成有 a d c 、d a c ，定时器计数器，r a m ，f l a s h 等器件，加上适当的外围芯片 与配套的集成丌发环境，可以方便地完成8 路单通道数据采集，它的采样频率 可调：l k h z ，5 k h z ，1 0 k h z ，2 0 k h z ，5 0 k h z 。模拟仿真输出速率可调：4 l as ， 6l as ，8l as ，1 0t as ，具有输出中断功能；可通过u a r t 串行端口与p c 机通信。 第二部分，通过p d i u s b d l 2 芯片为核心的u s b 通信模组实现与p c 机之 i 日j 的通讯。u s b 模组由核心处理单元c p u ( p d i u s b d l 2 ) 、外部r a m 、外部 8 第2 章系统功能描述 r o m 及u s b 接口相关器件( u s b 主机控制器、电源管理模块、u s b 数据收发 器、根集线器等) 组成。用u s b 接口模组与s p c e 0 6 1 a 最小系统实现u s b 通 讯，并且通过u s b 通讯在p c 端时实显示模拟人的生命体征。图2 3 是本系统 设计的电路框图。 图2 3 模拟控制箱系统框图 图2 3 中，电源管理模块系统是单片机应用系统设计中的一项极其重要的 工作，它对整个单片机系统是否正常运行起着至关重要的作用。电源设计时应 该同时考虑功率、电平及抗干扰等问题，电源功率必须能满足全系统的需要。 单片机系统的绝大多数器件以脉冲方式工作，对较小的系统，功率消耗的脉冲 特性更为突出，而较大的系统由于器件功耗的分散性，使得系统整体的功率消 耗比较平稳。因此，单片机系统的电源必须有足够的耐冲击性，这就要求电源 设计时留有充分的余量，一般大系统按实际功率消耗的1 5 倍2 倍设计，小 系统按实际功率消耗的2 倍3 倍设计。 2 4p c 机同步教学演示软件 p c 机通过u s b 模组接收模拟人控制箱传来的数据，包括当前的操作者诊 疗过程的数据和当前病理探头的位置，并将这些数据进行处理。p c 机上运行的 同步演示教学软件则将这些数据实时动态地显示出来，例如心肺按压的探头的 位置，压力大小，疾病的特征简介，心电图波形等，以配合教师的现场演示和 讲解工作。 9 北京t 、l p 人学t 学