隨著社會(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?；谝陨犀F(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 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(yǔ)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(yǔ)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FLA SH 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(guó)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。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(yǔ)音播放

語(yǔ)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(yǔ)音數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)， 另一個(gè)是語(yǔ)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。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(yǔ)音芯片， 它既是語(yǔ)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(yǔ)音單片機(jī)和FLA SH RAM 存儲(chǔ)器集合構(gòu)成， 它既有13~ 100 s 的多段語(yǔ)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 A;

直接驅(qū)動(dòng)8 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(yǔ)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(wàn)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。

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（ Indust rial Scient if ic 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)。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：

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。

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(yǔ)

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6us。

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(guó)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。