基于MSP430心肺聽診技能訓練系統的設計

田大軍,張子明,蘇文娟,吳巖

摘 要：基于MSP430心肺聽診技能訓練系統針對現代醫學模擬教學的發展，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環境。以低功耗的MSP430為核心，并在模型人上安裝27個專用設備來模擬人體的共118種心肺聽診的疾病聲音。另外還可以用遙控器設置模型人的疾病類型，通過聽診器來識別模型人位置點發出的聲音來辨別疾病。再現臨床醫學的工作場景，為學習者提供一個無風險的學習臨床知識和技能的條件與環境。此外還添加了上位機教學系統，上位機根據收到的位置信號來控制上位機軟件界面的顯示，可以顯示聽診的位置、聲音特點、與呼吸的關系以及聲音的波形信息，還可以外接揚聲器放大播放所聽到的心肺聲音，達到醫學教學的目的。

關鍵詞：MSP430； 心肺聽診； 上位機軟件; 醫學教學

中圖分類號：TN87-34

文獻標識碼：A

文章編號：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

近年來基于醫療的嚴峻現狀，醫學院的教學性能不斷削弱；醫院對醫生的要求又不斷提高，學校教育與醫院要求出現脫節。社會的發展，醫療體制的改革，媒體的宣傳，民眾的法律意識大大加強，一系列醫療法規的出臺，進一步明確了病人的各項權益。病人，這一以往傳統醫學教學的主體更多的選擇拒絕配合教學工作。而近年來醫療糾紛的增多與醫患關系的緊張，出于自身利益的考慮，醫院的教學性能不斷削弱。醫學院校在臨床醫學教育中的常規模式是：理論教學+單項技能訓練——見習——臨床實習。但由于種種原因，見習不能有效開展，從而導致“理論教學+單項技能訓練”這一教學模式的形成。基于以上現實情況，醫學院校內教學的尷尬局面迫切需要改變。將“模擬教學”引入校內教學流程，形成“理論教學+單項技能訓練——模擬教學——臨床實習”新型的臨床醫學教學模式。該系統結構簡單，通過模型人的方式再現臨床醫學的工作場景，為學習者提供了一個無風險學習臨床知識和技能的條件和環境［1］。

1 系統結構組成

從結構方面看，該系統可以分成模型人和遙控器兩部分。模型人主要有內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、鍵盤以及相關說明。考核者可以很方便地向模型人內部的無線接收裝置發出指令信號，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應該發出什么聲音，當聽診器接觸到模型人身上相應的位置點時，相應的裝置會給控制單元一個位置信號，然后控制單元將這個信號通過多路模擬開關控制相應的喇叭閉合發出所在點的心肺聽診音，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，從而達到教學和培訓的目的。

2 系統的功能組成

從功能方面，該系統又可分為語音播放單元、多路模擬開關、位置識別開關、無線通信單元和電源及低功耗設計單元六個部分。其中模型人內部系統框圖如圖1所示。

圖1 模型人內部結構圖

遙控器的系統框圖如圖2所示。

圖2 遙控器系統框圖

2.1 主控制器芯片的選擇

主控制器是整個系統的核心部分，主控制器芯片的選擇關系到整個系統功能的實現與否。本系統要實現語音播放、無線收發、多路模擬開關、電源低功耗、上位機教學等功能，所以就要求該芯片具有較高的運算速度，較大的RAM和FLASH空間，具有可擴展的IO口(比如I2C，SPI等)兼容一些外部芯片(如帶有SPI的FLASH存儲器或者一些其他芯片)，并且功耗較低，調試方便等。綜合上述因素，主控制芯片用美國德克薩斯(TI)公司生產的MSP430，因為該系統是便攜式心肺聽診系統，采用電池供電的方式，所以要求必須超低功耗，這樣才能滿足醫學教學的要求，而該芯片最大的特點就是低功耗，電壓準備工作模式是3.3 V，正常工作時電流在幾毫安，完全滿足系統要求［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：標準模式1.3 mA，RAM保持關閉時為0.1 mA；

低電流：7 mA在32 kHz，2.2 V，250 mA在1 MHz，2.2 V；

5種節點模式和6 ms內從等待模式喚醒；

16位RISC指令結構和125 ns指令周期；

12位A/D轉換和內部參考電壓、采樣保持、自動掃描特性；

16位定時器并帶有映射寄存器的7路捕獲、比較寄存器，定時器B；16位定時器并帶有3路捕獲/比較寄存器，定時器A；片內比較器；

串行在線編程，無須外部編程電壓，安全熔絲保護程序代碼；

內含60 KB閃存，2 KB隨機存儲器。

2.2 語音播放

語音播放是本系統一個重要組成功能之一。在這里有兩個問題需要解決，一個是語音數據的存儲，另一個是語音的編解碼和播放。由于ＷＡＶ波形數據占用的空間較大，所以有必要先對原始數據進行壓縮編碼［4-5］。因此該系統選用中青世紀科技公司開發的PM50智能語音芯片，它既是語音播放電路，也是智能單片機，其音質水平，價格都要略優于著名的ISD電路，同時也有21 kHz的高保真音質。該芯片由專用的語音單片機和FLASH RAM存儲器集合構成，它既有13~100 s的多段語音播放功能，也有單片機可編程的智能特性，該芯片具有如下特點：

可存儲聲音長度：13~100 s；

寬范圍工作電壓：DC 3~6 V；

工作電流50 mA，靜態電流1 μA；

直接驅動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個輸入端口，9個輸出端口，功能均可由用戶自定義；

FLASH RAM結構，可以反復擦寫錄入，壽命在1萬次以上；

兩種封裝形式：COB28和COB16；

開發用的電腦軟件系超智能傻瓜圖形設計，外行也能使用；

配合編程軟件可以開發出并行、串行、智能型等多種控制模式；

最小系統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多個時間檔次可選；

完成開發和試驗生產后，直接用源文件投產掩膜，音質效果、功能性能不變。

2.3 多路模擬開關

多路模擬開關主要是用來選擇播放位置點喇叭聲音的，因為PM50芯片只能連接一路揚聲器，所以只能通過多路模擬開關來選擇各路喇叭接通，而MAX306CPI芯片是十六位多路選擇開關，可以將兩片芯片擴展起來形成32路選擇開關，芯片電壓在4.5~30 V之間，功耗非常小，且不影響喇叭的發音，完全滿足要求。并且聽診器探頭可以輕易地觸動模型人皮下的專用位置，所以采用這種技術對本系統來說是一個很好的選擇［5］。

2.4 無線模塊的設計

無線模塊的設計包括兩個部分：硬件設計和軟件設計。硬件設計主要包括PCB圖的布局走線和天線設計兩方面，軟件設計主要是通信協議的定義。

無線模塊工作在ISM(Industrial Scientific Medical)超高頻段，因而對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，這樣可以在PCB板的另外一側進行大面積的敷銅以減少干擾。軟件方面，良好的通信協議也是無線模塊穩定工作的重要保障之一。通信協議除了規定應答關系之外，檢錯也是一個重要環節［7-8］。目前比較常用的檢錯方法是循環冗余校驗(CRC校驗)，其特征是信息字段和長度字段的長度可以任意選定。CRC碼集的選擇原則是：若設碼字長度為N，信息字段長度為K，校驗字段長度為R，其中N=K+R，則對于CRC碼集中的任一碼字，當且存在一個R次的多項式g(x)，使得:

V(x)=A(x)?g(x)=x琑?m(x)+r(x)

式中:m(x)為K次信息多項式;r(x)為R-1次校驗多項式;g(x)為生成多項式。發送方通過生成g(x)來產生CRC碼字，接收方將接收到的碼字多項式與生成多項式g(x)相除，若能除盡，則說明接收正確［9］。

2.5 電源模塊

在便攜式產品的設計中，為避免頻繁更換電池，延長產品的一次使用時間，低功耗設計一直是重中之重。電源模塊主要用于對電池組的管理，并給系統的其他模塊供電。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。本系統采用的是兩節電池供電的方式，具有升降壓功能的DC/DC電源芯片。良好的電源模塊設計可以有效提高電池的利用效率，維持穩定的電壓，減少電源紋波，增大輸出電流。

2.6 低功耗設計

由于本系統采用的是兩節干電池供電的方式，對系統功耗要求比較高。為了延長電池的使用壽命，避免頻繁地更換電池，在系統設計的各個環節都要考慮到低功耗的設計要求。低功耗設計就是要降低系統時鐘頻率、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。如果某個功能模塊工作的空閑時間較長時，可以暫時將其關閉或者使其處于低功耗狀態，然后通過定時喚醒來檢測應答信號，只有當接收到應答信號時模塊才進入工作狀態。通過間斷喚醒的方式可以極大地降低系統的功耗。

3 上位機教學軟件

主控制器通過I/O口將模型人的位置信息傳到上位機，上位機根據收到的位置信號來控制上位機軟件界面的顯示，可以顯示聽診的位置、聲音特點、與呼吸的關系以及聲音的波形信息，另外還可以外接揚聲器放大播放所聽到的心肺聲音，達到醫學教學的目的。上位機界面的設計框圖如圖3所示。

圖3 上位機界面框圖

4 結 語

MSP430系列單片機的迅速發展和應用范圍的不斷擴大，主要取決于以下特點：強大的處理能力；采用了精簡指令集(RISC)結構；具有豐富的尋址方式；簡潔的27條內核指令以及片內數據存儲器都可以參加多重運算；高效的查表處理指令;較高的處理速度，在8 MHz晶體驅動下指令周期為125 ns。這些特點保證編制出高效率的源程序。另外MSP430系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當系統處于省電的備用狀態時，用中斷請求將它喚醒只用6 μs［10］。

本系統的優點是由于系統利用MSP430超低功耗性能，因此設計具有很高的實用性和穩定性，并且該芯片具有較高的運算速度，較大的RAM和FLASH空間，具有可擴展的I/O口,兼容一些外部芯片，調試方便等優點。系統用普通聽診器去測試心肺音，更能逼真模仿真實的臨床環境，因而相關技術產品的研究和開發，不僅對于提高現階段我國醫學模擬教學的水平具有重要的現實意義，同時也具有良好的市場前景。

參考文獻

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［9］張利娜，郭文成.CRC校驗在單片機多機通訊系統中的應用［J］.儀器儀表用戶，2006，13(4)：82-84.

［10］沈建華，楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008.

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