（电路与系统专业论文）多功能医疗模型人训练系统的设计与实现.pdf

i 叠 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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 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) 躲墨至绰 导师繇期： 摘要 摘要 医学模拟教学是利用各种模拟手段，再现临床医学的工作场景，为学习者 提供一个无风险的学习临床知识和技能的条件与环境。医学模拟教学以其对病 人无创、方便、操作可重复、低成本等优势已经成为现代医学教学的主导方式 之一。 多功能医疗模型人训练系统的研制借鉴了目前国际上流行的生理驱动医学 模型的设计方法。系统具有独立的软硬件结构，能够逼真模拟临床环境并重现 病人的各种生命体征。用户可以在一个如同真实的临床环境下实现对“病人” 的医治。系统在用户使用中得到了医学院以及医院专家的认可，并在2 0 0 9 年第 十一届中国国际工业博览会上荣获了高校展区一等奖。 本文首先阐述了多功能医疗模型人训练系统的整体结构以及功能单元组 成，再分别从系统下位机和上位机方面深入探讨系统的设计过程。系统的下位 机设计包括系统电路设计、p c bl a y o u t 、e m c 设计、下位机硬件驱动程序设计 以及下位机软件主程序设计等。系统的上位机设计将是本文阐述的重点对象之 一，其中包括系统的用户界面设计、虚拟人体生命体征监护仪设计、虚拟胎儿 监护仪设计以及计算机网络教学设计等。系统在上位机图形界面开发中采用了 m f c + o p e i l g l 的方法，来满足动态曲线平滑美观的需求；在字符编码上采用了 u n i c o d e 方式，以满足跨语言、跨平台进行文本转换的处理需求。 系统研究范围涵盖了医学、电子、材料等领域，融合了虚拟现实( v i n u a l r e a l 时) 技术、多媒体技术和网络通信技术，形成一套由模型人( m a l l 越n ) 、 控制箱、计算机软件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，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。 关键词医学模拟教学；虚拟现实；模型人；u n i c o d e 北京t 、l k 人学硕卜学f 论史 a b s t r a c t m e d i c a ls i m u l a t i o nt e a c h i n gi sm eu s eo fs i m u l a t i o nm e t h o d st h a tr 印r o d u c e c l i n i c a lw o 订( t 1 1 es c e i l 撕o s ，p r o v i d i n gn o r i s kc o n d i t i o n sa n de n v i m n m e n t t ol e 锄 c l i n i c a lk n o w l e d g ea n ds k l l s h a v i n gt h ef e a t u r eo f b e i n gn o n - i n v a s i v e ，c o n v e 堇1 i e n t a n dr 印e a t a b l e ，l o w c o s ta d v a l l t a g e ，m e d i c a ls i m u l a t i o nt e a c h i n gh a sb e c o m eo n eo f m ed o m i n a i l tm o d e so fm o d 锄m e d i c a le d u c a t i o n aw o d d w i d ep o p u l a rd e s i 印 m e m o do fp h y s i o l o g y - 缸v e i ls i m u l a t o ri s i n 仃o d u c e dt od e v e l o p 也em u l t i m n c t i o nm e d i c a lm a n i l ( i n 倾埘n gs y s t e i l l t h e s o r w a r ea i l dh a r d w a r es t m c t u r eo ft h i ss i m u l a t i o ns y s t e mi si n d e p e n d e i l t i t c a i l s i m u l a t ed o z e n so fd i s e a s e u s e r sw i l lv i t a ls i 印sa i l dp a l p a t em es i m u l a t i o np a t i e i l t i u s tl i k ei nat n l ec l i n i c a l 既v i r o n m e n t t h es y s t e mi l a v eb e e i la p p r o v e di n m e m 础c a l 锄dh o s p i 协ls p e d a l i s t sa n dw o nf i r s t 面z ei nm ec o l l e g ee x h i b i t i o nm e e l e v e i i t l lc 1 1 i i l ah n 锄a t i o n a lh l d u 嘶a le x p 0i n2 0 0 9 t h e e w o 出o fm i ss y s t e ma n di t si n t 锄a l 如n c t i o nu 1 1 i t sa r ei n t r o d u c e d0 n m i sp a p 瓯t h ed e s i g np r o c e s so fm es y s t e l l li sd e 印l yd i s c u s s e d 丘o mm el o w e r c o m p u t e ra l l du 1 ) p e rc o m p u t 瓯t h el o w e rc o m p u t e rd e s i g n ，i n c l u d i n gt h ec i r c u i t d e s i 盟，p c bl a y o u t e m cd e s i 弘，h a r d w a r e d r i v e rd e s i 髓a l l d1 0 w e rc o m p u t e r m a l n p r o 伊锄d e s i 盟t h eu p p e rc o m p u t e rd e s i 印i st h ec o r e 右e l d ，i n d u d i n gm es y s t 锄 u s e ri n t e 血c ed e s i 黟，v i t a ls i 印sm o n i t o rd e s i 伊，f e t a lm o i l i t o rd e s i 印a n dc o n l p u t e r n e 时o r kt e a c h i n gd e s i 驴t h es y s t e n li nm ep cg u id e v e l o p m e n tu s i n gm f c + c 巾e l l g lw a ym e e t sm en e e d so ft h ed ) ，i l a n l i cc u r v eo fs m o o ma p p e a r a l l c e t h e c h a r a c t e r 锄c o d i n g m e l o du s i n gu n i c o d em e e t s m e c r o s s _ l a l l g u a g e ， c r o s s p l a t f o 衄t e x tc o n v e r s i o np r o c e s s i n gr e q u i m m e n t s t h es t u d vo ft h i ss y s t 锄i si n v o l v e do fm ea r e ao fm e d i c i n e ，e l e c 们n i c sa l l d ma t i e r i a l s o m et e d 蚵q u e sa r ea d o p t e di nm es y s t e i l l ，s u c ha s m 脚r e a l i 坝 m u l t i m e d 试w r e b “n ke t c as e tb yt l l em a n i l ( i n ，c o n 曲d lb o x ，p cs o 脚a r e ，i s f - o n n e dt oc o n s t i t u t eac o m p r e h e i l s i v em e d i c a ls i m u l a t i o ne d u c a t i o np l a t f o 肌u n d e r t h eb a c k g r o u l mm a tm cm 萄o r i t yp r o d u c t so fm e d i c a ls i i i l u l a t i o na r e 硫p o r t e d 丘d m m ef o r e i 辨锨】n 硒e s ，m es u c c e s s 触d 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 uh a v ea p o s i t i v e i n n u e i l c eo fb u i l d i n gam e d i c a ls i m u l a t i o n瓣 w h i c hh a sas e l f 1 【i l o w l e d g ep r o p e n yr i g h tf o r0 1 1 rc 0 1 1 i i 缸y k e y w o r d s m e d i c a ls i m u l a t i o nt e a 出n g ；v i r t u a lr e a l i t ) ，；m 舭i k i n ；u n i c o d e i l 目录 目录 摘要i a b s t m c t i i 第1 章绪论1 1 1 医学模拟教学发展现状1 1 1 1 医学模拟教学的分类l 1 1 2 计算机时代的医学模拟教学1 1 1 3 智能化模型人的出现与模拟技术的超速发展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 课题研究的任务一4 1 5 论文结构4 第2 章系统功能描述一6 2 1 系统结构概述6 2 2 模型人的结构8 2 3 控制箱的功能单元一9 2 4 上位机的功能单元9 本章小结1 2 第3 章系统下位机设计及实现l3 3 1 下位机的功能描述1 3 3 2 下位机硬件电路设计1 4 3 2 1 单片机最小系统1 5 3 2 2 通信模块设计1 7 3 2 3 电源模块设计19 3 2 4 信号采集模块2 1 3 2 5 胎儿分娩装置2 4 3 2 6 新生儿紫绀控制模块2 7 3 3 印刷电路板的设计2 7 3 4 下位机软件实现2 9 3 4 1 蚰s p i e 2 0 集成开发环境简介2 9 3 4 2 外围驱动程序设计3 0 3 4 3 下位机系统主程序设计3 3 本章小结3 4 第4 章上位机软件开发平台搭建3 5 4 1m f c 简介3 5 4 2u n i c o d e 简介3 6 4 3 图形界面接口3 7 4 3 1g d i + 简介3 7 4 3 2 铆) e n g l 简介3 8 4 3 3g d i + 在g u a lc + + 2 0 0 5 下的移植3 8 n l 北京t 业人学硕 j 掌 论文 4 3 4c i p e n g l 在v i s u a lc + + 2 0 0 5 下的移植3 8 本章小结4 2 第5 章上位机软件设计与实现4 3 5 1 软件模块结构4 3 5 2 用户界面设计与实现4 4 5 2 1 用户登陆界面设计4 4 5 2 2 用户工作界面设计4 6 5 3 显示界面设计与波形合成5 5 5 3 1 波形显示界面5 6 5 3 2 波形拟合算法的实现6 5 5 4 通信模块的设计与实现6 9 5 4 1u s b 通信设计与实现6 9 5 4 2 串口通信设计与实现7 0 5 4 3 网络通信设计与实现7 l 本章小结7 3 结论7 5 参考文献7 7 攻读硕士学位期间发表的学术论文及著作8 1 致谢一8 3 l v 第l 章绪 论 第l 章绪论 1 1 医学模拟教学发展现状 医学模拟教学就是利用各种模拟手段，再现临床医学的工作场景，为学习 者提供一个无风险的学习临床知识和技能的条件与环境。最早的模拟教学源于 解剖学的兴起，最先使用的教学模型是解剖模具，至今仍在发挥作用。以计算 机技术为标志的各种现代技术为模拟医学教学带来了划时代的进步，使医学教 育进入现代医学模拟教学时代，未来它必将在医学教学方法上再次掀起一场革 命【。 1 1 1 医学模拟教学的分类 从最早的简单模型发展到现代高科技的模型人，产生过无数种模拟教具， 这些模型根据教学功能，可以分为示教模型和培训模型，培训模型又分为：局 部功能训练模型、计算机辅助训练模型、模拟现实和触觉感知系统以及生理驱 动型模拟系统【1 翊。 1 1 2 计算机时代的医学模拟教学 现代计算机技术与模拟技术的发展对医学模拟教学产生了巨大的影响。在 军事、航空航天高新技术领域，都实现了在安全、受保护的真实模拟环境里进 行训练和科研。同其它高风险行业一样，在医学行业的训练中应用现代模拟技 术既是必要的，也是必需的。近2 0 年来，在材料技术和电脑技术飞速发展的 带动下，医学模拟技术日趋成熟，医学模拟教学也逐步成为最重要的教学方式 之一。其中具有代表性的模拟教学技术中的医疗模型人技术是一门利用模拟技 术创设高仿真模拟病人和临床情景来代替真实病人进行临床医学教学实践的医 疗培训技术。它改变了传统医疗培训“光说不练 的弊端，使技能培训的理论 知识得到更进一步的实践【3 】。 1 1 3 智能化模型人的出现与模拟技术的超速发展 以该领域较有代表性的美国医学教育科技公司为例，自该公司研制出具有 “生理驱动功能”的真正意义上的智能化超级综合模型人开始，随着更高级的 北京t 业人学硕 学l 论文 模拟触觉感知技术和力反馈技术的应用，不断推出更新更高技术的产品，足见 医学模拟技术发展之快附5 1 。 1 2 本课题研究的目的和意义 随着我国综合国力的提高，医疗事业也得到了飞速发展。然而我国对医学 生的培养大都基于传统的临床医学实践教学方法。传统的临床医学实践教学方 法是使医学生通过观察和重复老师或高年资医生的操作来进行的，医学生只能 学习到接触过的病例，通过书本教育去想象不能见到的病例。一个合格医师的 成长需要花费很长的时间和精力。 而如今，医学生成才困难已经不只是时间和机会的问题，病种的增多，病 员维权意识的提高，法制的健全等等因素都在制约着医学教学事业的发展。医 学模拟教学的应用凸显出其强大的优势和重要性。现代电脑技术与模拟技术的 发展对医学模拟教学产生了巨大的影响。电脑技术已应用在医疗领域，为培训 者提供逼真的医疗环境，通过在模拟人身上感应器让学生进行医疗技术操作反 映在电脑中。 我国现代医疗模拟技术的发展处于刚刚起步阶段，大部分仿真系统产品都 源于国外，虽然对于模型人仿真已经出现一些产品，但那些产品只是就模型人 的某一部分，某一个功能实现的仿真，没有一个完整的系统综合其所有功能， 还不能与高科技结合形成高附加值的产品。在急救技能培训方面，医疗培训模 拟人技术还没有系列化成熟的产品，仅就心肺复苏模拟人比较成熟。此次设计 的产品依靠强大的软件功能，可以自主设置病例，实现完整的治疗过程，不但 可以练习临床技能的训练，更提高了临床思维能力和独立救治能力。是集教学、 培训、考核和实际操作于一体，知识全面、功能强大的计算机交互式模型人综 合训练系统。 1 3 课题研究内容 由于医学模拟教学情境化的需要，项目的开发过程中需要医学伦理与电子 技术密切结合。一方面，产品最终效果得满足基本的医学伦理，能够生动地体 现病人的生命体征。同时，在系统的外观以及实际操作方面，也必须贴近现实， 让用户有种身临其境的感觉。从产品设计角度来讲，系统的各项指标以及性能 参数等，也要充分满足用户的要求。从技术角度来讲，本课题研究内容包括上 位机软件开发、系统硬件电路设计、驱动程序编写以及产品化结构设计等，涵 盖技术范围包括应用程序架构设计、曲线拟合技术、通信技术、音频播报、数 控技术以及对模型人生理信号设计与采集。 2 第1 帚绪论 l 、应用程序的框架设计：面向对象思想的成熟促使了各种应用程序框架 的诞生。面向对象语言中，类的继承可以完成对大量现成代码的重用，动态束 定( 即虚函数机制) 技术有效地将具体的实现代码延迟到设计阶段。而一种称 为“事件驱动模式”的应用程序结构使程序的框架代码与实现细节彻底发生了 分离。尽管现在的应用程序框架种类挺多，但它们在实现思想上相当一致，所 有的这些应用程序框架都是“事件驱动模式”的一个应用【s 】。 系统上位机软件设计应用“事件驱动模式”的设计思想，程序框架分成界 面层、业务逻辑层以及存储层进行设计。系统上位机软件开发环境采用了s u a l s m d i o2 0 0 5 的m f c 。s u a ls t l l d i o2 0 0 5 是微软公司新一代数据开发平台，有更 和谐的解决方案，可以高效的产生最严格的应用程序。在界面设计上采用了图 形库g d i 、g d i + 和o p e i l g l 相结合，设计了友好的人机界面。 2 、曲线拟合技术：曲线拟合技术是本课题应用的核心技术，主要应用曲线 拟合算法来拟合人体生命体征的曲线。本课题主要拟合的曲线有心电曲线、无 创血压曲线、呼吸曲线、呼吸c 0 2 含量曲线、及胎儿心率曲线和孕妇宫缩曲线 等。通过曲线拟合技术来拟合各种人体生命体征信号，并通过系统模拟监护仪 显示出来，给用户提供高仿真的医疗现场，让用户在这种环境下进行“医治 来增强客户的医疗技能。 3 、通信技术：在通信领域内，通信方式有并行和串行两种通信方式。随 着计算机网络化和微机分级分布式应用系统的发展，通信的功能越来越重要。 通信是指计算机与外界的信息传输，既包括计算机与计算机之间的传输，也包 括计算机与外部设备，如终端、打印机和磁盘等设备之间的传输。系统上位机 软件与下位机硬件通信中设计了u s b 和串口两种设备接口。u s b 设备由于其 支持热插拔、携带方便、标准统一以及支持多个设备连接等优点，已经被广泛 应用，但远距离传输的稳定性还有待提高【9 】。串口是工业控制中常用的计算机 与外部串行设备之间的数据传输通道，由于串行通信方便易行，所以应用广泛 【1 0 】。同时，系统为了满足教学网络化的需求，上位机软件实现了网络教学的功 能。 4 、音频播报：这部分主要用于胎心音的播放。由于系统中，处理器处理的 事务繁重对采用处理器直接对语音处理播放方式影响系统的性能，所以采用了 专用的音频模块对语音进行播报。语音来源于北京医模科技有限公司的语音库。 5 、数控技术：数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现 一台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等 机械量和与机械能量流向有关的开关量【1 1 】。系统中数控技术主要应用在孕妇分 娩控制过程中，包括对胎心音的控制、孕妇宫缩的控制以及胎儿分娩的速度和 位置的控制。 3 北京tq p 大学砀! i 。掌f 论文 6 、 模型人生理信号设计与采集：系统是计算机交互式模型人训练系统， 这要求模型人和计算机之间要有交互，交互的中介就是系统控制箱模块。设计 模型人和计算机之间的信息传递是系统的重要任务之一。对模型人生理信号的 合理设计，既能方便控制箱模块的对信息处理又能减少模型人设计的难度。 1 4 课题研究的任务 本课题研究的任务是设计出一套具有完整软硬件结构的多功能医疗模型人 训练系，该系可以应用在新生儿、孕妇以及成人模型人上，完成对胎儿分娩、 母婴急救以及成人急救的模拟仿真。多功能医疗模型人训练系，是与现代的科 学技术相结合的综合示教模拟系统。此产品既满足了妇产科教学需要又满足了 临床医学教育中的急救技术教学的要求。 课题的前期准备工作是根据医学专家的意见对模型人要模拟的功能进行确 定，以及对模拟的功能的信号形式进行确定。其次，为满足医学模拟教学的情 境化教学需要，模型人外观结构设计上也要尽量做到逼真。对于模型人定制和 生产这部分主要由北京医模科技有限公司完成。 多功能医疗模型人训练系统是由模型人、控制箱和上位机软件构成的综合 性模拟教学训练平台。模型人可以提供心电监护信号、注射信号、心肺复苏术 信号、气管插管信号、血压监护信号、孕妇宫缩信号以及胎心率信号。并且模 型人身上带有胎儿分娩装置。控制箱是负责采集模型人生理信号发送给上位机 以及对上位机请求进行处理。上位机软件设计是本课题的重点，上位机实现对 人体生命体征编辑和管理、人体生命体征曲线的拟合、生命体征监护仪设计、 胎儿监护仪设计、与下位机通信、模拟胎儿分娩过程场景、模拟急救场景以及 网络教学等。 在系统设计过程中，同时还要考虑到系统的可裁剪性与扩展性。多功能医 疗模型人训练系统既可以作为一个综合性的医疗模拟教学系统投入使用，也可 以对模型人功能进行裁剪( 或扩展) 形成新的训练系统投入使用。 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，论述了医学模拟教学发展现状、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，从系统的整体结构入手，对系统各个组成部分 的功能结构，包括模型人、控制箱以及上位机软件，分别进行了详细的描述。 第3 章为系统下位机设计及实现，根据系统下位机的功能需求，进行了硬 4 第1 币绪 论 件电路设计、印制板电路的制作以及下位机软件的实现。 第4 章为上位机软件开发平台搭建，详细阐述了系统上位机开发平台，以 及对平台环境的搭建。 第5 章为上位机软件设计与实现，详细阐述了上位机软件的组织结构、户 界面的设计、波形显示设计、波形拟合算法以及网路通信等。 最后的总结与展望中，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，最后医疗模拟教学的发展作出展望。 5 北京t 业人学硕 学l 论文 第2 章系统功能描述 多功能医疗模型人训练系统是针对医学模拟教学和临床技能培训而设计的 新产品，是现代电子技术与临床医疗教学的相结合产物。 该系统还原了孕妇分娩全过程及母婴急救过程，可以进行成人生命体征支 持( a l s ) 、新生儿生命体征支持、成人的心肺复苏( c p r ) 、新生儿心肺复苏 ( n r p ) 以及产科方面的教学与测试，是一款功能非常完善的分娩和急救教学 体系。上位机软件采用双屏幕动态显示方式，功能界面和人体生命体征曲线和 参数显示界面分开显示，使系统更加接近临床环境。并根据模拟教学需求设计 网络教学和动态连接相关教学资料库，更加符合现代多媒体教学互动的需求。 多功能医疗模型人训练系统经医疗专家组进行了鉴定，得到了医疗专家的 认可和好评。该系统已经达到或部分功能超过国际同类产品水平，在国内处于 领先地位。此系统已经拥有多项专利，并在2 0 0 9 年第十一届中国国际工业博览 会上荣获了高校展区展品一等奖。系统实物图如图2 1 所示。 图2 1 系统实物图 f i g u 2 - 1t h ep h y s i c a lm a po f l es y s t 锄 2 1 系统结构概述 从结构方面上看，系统可以分为模型人、控制箱以及上位机软件三部分， 系统框图如图2 2 所示。上位机软件又细分为用户界面模块、通信模块以及波 形显示模块。 6 第2 章系统功能描述 模型人是客户进行实验操作的平台，模型人身上有大量的传感器用来感应 用户的操作过程。 图2 2 系统结构框图 毒 f i g u r e2 2t h es 衄l c t 瑚屯d i a g 舢lo f t h es y s t 锄 控制箱即负责采集模型人生理体征信号进行初级的处理后通过u s b ( 或串 口r s 2 3 2 ) 发送至p c 机上，同时也负责接受p c 机发送的请求来对模型人的生 理体征进行控制。 上位机软件设计是整个系统的核心部分，上位机软件系统不仅负责对模型 人生命体征的采集和控制，还负责拟合人体生命特征信号态曲线、设计人体生 命体征监护仪、设计胎儿监护仪、设置人体生命体征、管理人体生命体征库、 编辑急救仿真过程、编辑胎儿分娩仿真过程、对c p r 仿真进行监测评估、心脏 复苏术仿真以及网络互动教学。 上位机软件采用了双屏显示的方法来实现用户操作界面和虚拟监护仪界面 分屏显示，使急救场景更加逼真。虚拟监护显示采用了o p 饥g l 接口对界面以 及曲线设计，使人体生理体征曲线更加光滑流畅，使界面更加美观。同时，还 节约了对计算机c p u 时间的占用率。 系统的功能强大，基本的操作过程如下：教师通过上位机软件控制界面进 行急救场景的设计，学生通过模拟监护仪的显示的信息对模型人进行急救，根 据学生急救措施，系统进行分析评定并使模型人生命体征做出相应的改变。 7 北京t 业人学硕l 学j j 论文 2 2 模型人的结构 模型人包含特定的生理信号采集点以及生理功能仿真模块。模型共有信号 的采集点有e c g 心电图、血压图、c p r 、静脉注射、气管插管、起搏器、除颤 器等，模拟病人的听诊位置分布如图2 。3 所示。 图2 3 成人模型人传感器分布图 f i g i l r e2 3n e s e n s o rd i s t r i b u t i o no f h u m 趾a d u l tm o d e l 其信号形式有开关信号和模拟信号两种，开关信号包括e c g 心电图、血压 图、气管插管、静脉注射、除颤器以及起搏器信号，模拟信号包括c p r 仿真信 号。模型人特有的生理信号采集点以及生理功能仿真模块在婴儿模型中有紫绀 信号生理功能仿真，在孕妇模型中有胎儿分娩模拟模块以及对宫缩和胎心率采 集的信号点。孕妇和婴儿的模型人示意图如图2 4 所示。 图2 _ 4 模型人示意图 f i g i 】鹏2 4 r r h es c h e m 撕co fm em a n i l ( i l l 8 第2 章系统功能描述 模型人是由专门生产医学模型的厂家来设计完成的。系统适用于成人模型、 婴儿模型和孕妇模型。 2 3 控制箱的功能单元 控制箱主要由通信模块、电源模块、信号采集模块、胎儿分娩装置以及调 试模块构成，控制箱功能模块图如图2 5 所示。 图2 5 控制箱功能框图 f i 舒n e2 5t h es 旬n l c t u r ed i a g 姗o fm ec 彻仃d lb o xf h n c t i o n a l 图2 5 中，通信模块采用的是u s b 和r s 2 3 2 两种的串行通信方式完成同上 位机的通信的功能。电源模块提供1 2 v 、5 v 和3 3 v 的电压提供给个个功能模 块。胎儿分娩模块主要用于孕妇模型人进行对分娩过程中的母亲宫缩、胎儿位 置、胎心音控制。信息采集模块主要采集人体生理特征信号适用于各种模型人。 控制箱任务是进行信息采集、处理和传递。控制箱有多路数据采集器和控 制器与模型人相连并与计算机进行交互。控制箱的信息采集包括气管插管、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。控 制箱控制包括对孕妇模型人分娩过程中的母亲宫缩、胎儿位置、胎心音控制以 及对婴儿模型人紫绀的控制。控制箱采用1 6 嵌入式位芯片作为信息处理器。其 核心任务是对被测对象拾取必要的原始参量信号，并能进行简单的处理后传送 给p c 机进行数据处理，同时还能接受p c 机发送的控制命令并做出相应的响应。 2 4 上位机的功能单元 算机软件的开发平台是s u a lc + + 2 0 0 5 ，采用m f c 、g d i 、g d i + 以及 o p 朗g l 作为图形界面开发工具，达到了良好的视觉效果。上位机软件界面采 用了双屏显示的方法分来实现控制平台和人体生命体征监护仪分屏显示以达到 9 1 、生命体征状态设置和保存模块：生命体征就是用来判断病人的病情轻重 和危急程度的指征。主要有心率、脉搏、血压、呼吸、瞳孔和角膜反射的改变 等等。合理设置生命体征是进行急救场景仿真的基础。系统在分娩模式下给出 的生命体征有呼吸系统、循环系统、胎心率、宫缩和体温几个方面。在新生儿 模式下给出的生命体征有呼吸系统、循环系统、外貌特征和体温几个方面。设 和保存模块中根据医学上要求对生命体征数据做了相应限定，使设置参数更 科学合理。 1 0 第2 辛系统功能描述 2 、生命体征数据管理模块：生命体征数据管理模块功能主要包括生命体征 数据的查看、删除、编辑、运行和排序等功能。 3 、模拟病程模块：模拟病程是系统最重要的功能之一，模块设计中加入了 智能判断系统，模拟病程使整个系统协同工作起来。由老师设置好模拟病程， 学生根据监护仪所显示出来的数据给“病人”进行急救。这里包括了“人工心 肺复苏”、“心脏除颤监护”、“创伤急救 、给药等功能的实施。 4 、模拟分娩模块：模拟分娩过程充分体现了人机交互的功能。模拟胎儿分 娩过程由计算机通过信息采集箱进行控制。分娩过程中有模拟宫缩、模拟胎音、 控制婴儿出生方式、控制婴儿出生的速率等。 5 、心肺复苏模块：心肺复苏术就是对呼吸和心跳停止的病人进行及时抢救， 即实施口对口人工呼吸、人工胸外挤压术，目的是迅速建立有效的人工循环， 给脑组织及其它重要脏器提供氧合血液，使其得到保护。其主要措施包括有畅 通气道、口对口人工呼吸和人工胸外挤压术，被简称为a b c 三步曲。本模块功 能心肺复苏术训练和心肺复苏术考核。 6 、病史模块：病史是对病人过往的身体状况和现在病情的记录，病史对给 医生治疗是一个很重要的环节，根据病史不同治疗方法也会不同。 7 、治疗和记录模块：治疗过程是根据模型人的生命体征状况做出相应措施 的过程，记录过程是记录了模型人的生命体征变化以及治疗的过程。 8 、网络功能模块：实现网络教学和查询学生操作记录，实现远距离对学生 学习的监控。 计算机从显示器界面是人体生命体征监护仪，它包括生命体征监护仪、胎 儿监护仪以及心脏复苏仪构成。上位机从显示器界面功能框图如图2 8 所示。 图2 8 上位机从显示器界面功能框图 f i g u r e2 8 孔es 咖c t i 鹏d i a g r a mo f m es e c o n d a 巧d i s p l a y 缸l c t i o n a l l 、生命体征监护仪：可以动态显示心电图、血压图、呼吸图、呼吸c 0 2 图、体温等，以及波形图的显示和调节。生命体征曲线主要包括心电图曲线、 血压图曲线、呼吸图曲线、呼吸c 0 2 图曲线的合成。曲线由周期波形，非周期 波形，特殊波形组成。拟合的波形具有实时变频，拟合速率快，波形数量大的 特点。 北京t 业人学砀! l 。学f 论文 2 、胎儿监护仪：模拟胎儿监护仪模块是由胎儿心跳波形曲线和孕妇的宫缩 波形曲线组成。 3 、心脏复苏仪：心脏复苏术常用到心脏复苏机、心脏除颤仪和心脏起搏器 等设备，这些是心脏引发紧急情况救助的常用设备。 本章小结 本章首先对多功能医疗模型人训练系统的用途、功能以及科技含量等进行 了整体的论述。其次对系统整体结构框架进行描述，详细阐述了系统的结构组 成以及工作原理，最后对各个功能模块进行了详细的叙述。在下面的章节中对 系统各个功能的具体实现方法将进行更加深入细致的探讨。 1 2 3 1 下位机的功能描述 系统下位机即控制箱，它即负责采集模型人生理体征信号进行初级处理后 通过u s b ( 或串口) 发送至上位机，同时也负责接受上位机发送的请求来对模 型人生理体征进行控制。系统最新控制箱实物图如图3 1 所示。 图3 - l 控制箱实物图 f i g u r e3 - lt h ep i l y s i c a lp h o t oo f tc o n 仃o lb o x 下位机主要实现的功能如下： l 、模拟人体生命体征监护仪信息采集器：此功能用来确认人体生命体征监 护仪导联线是否正确连接。通过导联线连接模型人体内预埋位置传感器实现。 培训学员掌握人体生命体征监护仪导联线的正确连接位置。人体生命体征监护 仪采用了三导联方式。 2 、模拟胎儿监护仪信息采集器：此功能用来确认胎儿监护仪导联线是否正 确连接。通过导联线连接模型人体内预埋位置传感器实现。培训学员掌握胎儿 监护仪导联线的确连接方法。 3 、模拟血压仪信息采集器：体循环动脉血压简称血压( b 1 0 0 dp r e s s u r e ，b p ) ， 血压是血液在血管内流动时，作用于血管壁的压力，它是推动血液在血管内流 动的动力【1 2 1 。血压是人体重要的生命体征，系统采用了模拟血压仪，用血压袖 带连接模型人，正确连接后，上位机的模拟人体生命体征监护仪上会出现有创 1 3 北京t 、i p 人掌硕l 学i 。论丈 血压值。 4 、模拟脉搏氧饱和度信息采集器：血氧饱和度就是指血液中氧气的最大溶 解度。正常人体动脉血的血氧饱和度为9 8 静脉血为7 5 【1 3 】。系统采用模拟 脉搏血氧饱和度( s p 0 2 ) 监护仪来持续无创监测，采用模拟探头指套来表示连接 信息。 5 、模拟体外除颤与起搏信息采集器：心脏复苏机是一种全自动心脏除颤仪， 英文名称a e d 用于心脏的治疗、急救装置体积比较小，可以随身携带。心脏 除颤仪有同步除颤和非同步除颤两种方式可以对急救病人进行除颤心脏起搏器 就是一个人为的“司令部”，它能替代心脏的起搏点，使心脏有节律地跳动起来 此系统采用了信息采集点的形式仿真了三种仪器的所有功能，形象的完成了对 心脏病人抢救的过程仿真。 6 、人工呼吸及胸外心脏按压信息采集器：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。人工呼吸功能的实现也是预定通过气流压力传感器测量心肺式气 囊内压力的变化来实现。 7 、模拟气管插管术信息采集器：此功能实现方法是在模型人咽喉部预埋光 控传感器。 8 、模拟静脉给药信息采集器：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、用药原则、用药部位、进针角度等内容，分析了各种用药方 法的优缺点。实现此功能的方法是在模型人手臂预埋感应开关。 9 、胎儿分娩的控制：胎儿分娩过程中要协调控制胎儿分娩推进装置、胎心 音模拟发生装置和胎儿分娩过程中模拟孕妇宫缩装置。胎儿分娩推进装置是“孕 妇 分娩胎儿过程需要的动力系统，胎儿分娩推进装置是由胎儿推动器和胎儿 位置传感组成。胎心音的模拟采用了专用音频模块完成的。宫缩模拟是由控制 箱驱动模型人腹部变化来完成的。 1 0 、新生儿紫绀的控制：血液中还原血红蛋白增多所致皮肤粘膜呈青紫的 现象。通常毛细血管血液中还原血红蛋白超过5 0 克升就可形成紫绀。本模块 采用控制蓝色的发光二极管的方式来实现控制紫绀的程度。 1 1 、实现和上位机之间的通信：实现模型人和计算机之间的交互，系统采 用了u s b 和串口两种通信方式，解决了现在大多数计算机不放外置串口设备的 情况。 3 2 下位机硬件电路设计 硬件电路设计包含两部分内容：一是系统扩展，即m c u 内部的功能单元， 1 4 第3 帚系统f 位 j 【砹i f 及实现 如r o m 、洲、i o 、定时器计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时， 必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统的配置， 即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、凡，d 、d a 转 换器等，要设计合适的接口电路【h 】。此系统下位机硬件电路设计以模块形式进 行的，分为通信模块、电源模块、信号采集模块、胎儿分娩装置、新生儿紫绀 控制模块以及调试模块几部分。下面对每个模块进行详细介绍。 3 2 1 单片机最小系统 单片机最小系统是系统的控制核心部分，主控制器芯片的选择关系到整个 系统功能的实现与否。在系统中，要同时实现信号采集、胎儿分娩控制、新生 儿紫绀控制以及上下位机通信等功能，所以就要求该芯片具有较高的运算速度， 具有可扩展功能的g p i o ，模数转换( a d c ) 功能等，同时由于开发周期比较 短，也要求该芯片具有丰富的开发资源，齐全的调试工具和稳定的调试环境等。 基于上述考虑，系统采用1 6 位u n s p t m 微控制器s p c e 0 6 1 a 作为主控制器。 3 2 1 1s p c e 0 6 l a 性能简介 s p c e 0 6 l a 的主要性能指标如下所示： 工作电压( c p u ) v d d 为2 4 3 6 v ，( i o ) v d d h 为2 4 5 5 v ； c p u 时钟：o 3 2 m h z 4 9 1 5 2 m h z ； 内置2 k 字s r a m ，3 2 kf l a s h ； ； 可编程音频处理； 系统处于备用状态下( 时钟处于停止状态) ，耗电仅为2 u a 3 6 v ； 2 个1 6 位可编程定时器计数器( 可自动预置初始计数值) ； 2 个1 0 位d a c ( 数模转换) 输出通道； 3 2 位通用可编程输入输出端口； 1 4 个中断源可来自定时器a b ，时基，2 个外部时钟源输入； 3 2 7 6 8 h z 实时时钟； 7 通道1 0 位电压模数转换器( a d c ) 和单通道声音模数转换器； 声音模数转换输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制( a g c ) 功 能； 具备串行设备接口； 具有低电压复位( l 、佩) 功能和低电压监测( l 、仍) 功能； 内置在线仿真电路i c e ( h 1 c i r c u i te m u l a t o r ) 接口。 从上述芯片性能指标可以看出，最高4 9 1 5 2 m h z 的c p u 时钟、2 k 字的 1 5 北京t q p 入学硕l 学 j 论文 s r a m 、可编程音频处理、a d c 通道、具备串行设备接口、低电压检测以及i c e 接口基本满足我们的设计要求，但由于处理器要进行大量及时的信息处理，应 用可编程音频处理单元将占用m c u 的c p u 将近5 0 ，可能会造成系统通信不 稳定，