基于現代通信技術的模擬聽診系統的設計

趙佳　昝程　許士奇　辛思源

摘要：聽診器的學習和使用是醫學生和臨床醫生的必修知識。傳統的教學方法一般采用描述法對聽診音進行講解，學生無法在課堂上感受臨床中典型的雜音。各高校或醫院引入教具模擬心肺聽診系統，但是其功能不完善、易損壞且價格昂貴。針對以上問題，結合現代通信技術與電子技術，本文擬開發出一種能夠完全模擬臨床聽診，應用于大學生臨床技能實踐教學和住院醫師崗前培訓的模擬聽診系統。通過分析現有心肺聽診系統的功能，使用單片機和射頻識別傳感器，建立模擬聽診系統模型，結合軟件程序設計，對聽診過程進行仿真。此模擬聽診系統可涉及多種醫學知識，不僅解決了傳統教學單調、抽象等問題，還解決了模擬心肺聽診系統使用的局限性，將臨床聽診技術教學模式，向數字化、虛擬化、仿真教學模式轉變。

關鍵詞：聽診器 單片機 射頻識別傳感器 程序

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0171-02

Abstract：The learning and use of the stethoscope is required knowledge of medical students and clinicians. The traditional teaching method is to explain by description， students in class cannot feel clinical typical noise. Part colleges and universities or hospitals begin to use cardiopulmonary auscultation system， but its function is not perfect， not only that， but also it is fragile and expensive. To solve the above problems， combined with the modern communication technology and electronic technology， this paper intends to develop auscultation simulation system， which can be used in college students clinical skills practice teaching and inpatient physician pre job training. Through the analysis function of the existing heart and lung auscultation system， using single chip microcomputer and radio frequency identification sensor， the paper establish auscultation simulation system model， combined with the software program， to simulate the process of auscultation. This auscultation simulation system may be involved in a variety of medical knowledge， not only improve the disadvantages of traditional teaching， but also solve the limitations of using simulation of heart and lung auscultation system. The traditional teaching mode will be changed by digital， virtual and simulation teaching model.

Key Words：Stethoscope； Single Chip Microcomputer； Radio Frequency Identification； Program

1 引言

聽診器是內外婦兒醫師最常用的診斷用具，是醫師的標志，所以聽診器的學習和使用是醫學生和臨床醫生的必修知識。傳統的教學方法一般采用描述法對胸部聽診音進行講解，學生無法在課堂上感受臨床中典型的雜音。為了使學生在實習之前就聽到真實的聲音，各高校或醫院引入各種模擬心肺聽診系統，但是由于其功能不完善、易損壞且價格昂貴，每臺基本在5000—10000元，使其在臨床上被廣泛應用受到限制。

針對以上問題，本文結合現代通信技術與電子技術，擬開發出一種能夠完全模擬臨床聽診，應用于大學生臨床技能實踐教學和住院醫師崗前培訓的模擬聽診系統。通過分析現有心肺聽診系統的功能，使用單片機和射頻識別傳感器，建立模擬聽診系統模型，結合軟件程序設計，對聽診過程進行仿真。

本系統的設計思路是：以橡膠模擬人作為“虛擬病人”，在“虛擬病人”身體不同部位安裝不同的芯片，在聽診系統的拾音部分即聽診頭中裝入射頻識別傳感器，將單片機和MP3模塊封裝在傳導部分即膠管中，從MP3模塊引出音頻信號到聽音部分即耳件中，通過軟件程序來控制單片機和各模塊的通信。學生利用此系統為“虛擬病人”聽診時，當聽診頭接近“虛擬病人”身體特定部位（如二尖瓣聽診區、肺動脈瓣聽診區、主動脈瓣聽診區等），耳件中可聽到對應的音頻信號，學生可根據相關醫學知識，對此音頻信號做出判斷，從而診斷病人病情，完成治療過程。

本文設計的基于現代通信技術的模擬聽診系統，可用在醫學相關院校的平時學習和測驗中，打破傳統聽診器的學習方式，讓學生直觀的感受病人的心跳、脈搏等信息，并根據信息進行治療。本系統可以設計成學習模式、考試模式。分為臨床實習前學生應用、臨床實習后學生應用、住院醫師崗前培訓應用以及各階段考試系統。還可以設計成考試闖關模式，提高學生的學習興趣。

2 科學意義

診斷學是臨床專業的重要學科，是基礎醫學向臨床醫學過渡的橋梁。在診斷學教學中，心臟檢查一直都是教學的重點，而心臟聽診又是其中的重點和難點[1]， 通過正確的聽診可以獲得重要信息，并作為診斷依據，因此心臟聽診是醫學生和臨床醫生必須掌握的基本實踐技能。

傳統的教學方法一般采用描述法對胸部聽診音進行講解，老師用語言描述肺部聽診音的特點，如：呼吸音是否清晰或粗糙、音調高低及強弱、吸呼時相在呼吸周期所占比例等，由于不能直觀的向學生展示聽診音，只能由學生自己體會，每個學生的能力不同，有可能造成偏差，并且這種方法不夠形象，初學者也不易掌握；同時，教學效果也受師資力量強弱的影響，尤其在臨床醫師（帶教老師）聽診基本功普遍下降的情況下[2]，也很難保證教學達到預期效果。總之，傳統的教學方法在胸部聽診教學存在一定的局限性，如：教學方法陳舊，不夠直觀、訓練機會較少、床邊教學有難度、師資力量良莠不齊、師生不能同步進行等諸多問題[3]。

如何讓學生在實習之前就能聽到真實的臨床病人聲音，提高學生對聽診學習的教學效果，是許多醫學院校都在考慮的問題。針對以上問題，本文擬開發出一種能夠完全模擬臨床聽診，應用于大學生臨床技能實踐教學和住院醫師崗前培訓的模擬聽診系統。通過分析心肺聽診系統的功能，使用單片機和射頻識別傳感器，建立模擬聽診系統模型，結合軟件程序設計，對聽診過程進行仿真。學生通過此系統，可以在理論學習中直觀的感受到聽診的過程，掌握聽診這項技能。

此模擬聽診系統可涉及多種醫學知識，不僅解決了傳統教學單調、抽象等問題，增加學生直觀的臨床診斷經驗，還解決了模擬心肺聽診系統使用的局限性，實施起來也簡單直接，綜合性強，適用于全國醫學院校的學生和住院醫師崗前培訓，將臨床聽診技術教學模式，向數字化、虛擬化、仿真教學模式轉變。此項研究如果成功，每臺虛擬仿真系統價格成本將大大降低，會減少相關單位的臨床技能教學儀器采購支出。

3 國內外研究現狀分析

電子聽診器是在20世紀80年代問世[4]，與傳統聽診器相比，具有可以存儲、同步外放、音量和回放速率可調節的優勢，另外，存儲的音頻數據還能顯示音波圖形。有研究顯示，與傳統教學方法和利用傳統聽診器教學相比，采用電子聽診器輔助胸部教學可顯著提高學生成績，顯著縮短床旁示教時間，并且提高患者的滿意度[5]。但是電子聽診器的聲音信號是經過電子合成出來的信號，其真實性與傳統聽診器相比略有差別；而且價格比較昂貴，以上都使電子聽診器在臨床上被廣泛應用受到限制。

心肺模擬聽診系統由心肺聽診模擬儀（模擬人）和微機組成。在模擬人上身外皮下的若干個聽診部位，安裝有小型揚聲器，聽診時用鼠標點擊應用程序表單上要聽診的病例項，電腦屏幕就播放人體相關部位的動畫片或視頻，學生就可以在模擬人身上用電磁聽診器進行聽診[6]。

電腦模擬人系統教學克服了傳統教學單調、抽象的問題，提高了學生自學和練習的積極性，還可以提供臨床不易見到的陽性體征，提高了大家的學習興趣[7-8]，但是模型存在的體征只能模擬局部、單一的體征，不能反應整體疾病特點，如多個瓣膜損傷情況；心肺聽診部份體征有失真現象，特別是部份心臟雜音有失真現象[9]，且堂上考核測試題庫較少，題型簡單單一[10]，加之價格比較昂貴，且體積較大，不易移動，以上都使模擬心肺聽診系統在臨床上被廣泛應用受到限制。

4 系統設計

本文擬開發出一套基于現代通信技術的模擬聽診系統。系統主要由主機單元單片機、感知單元RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別）模塊、應用單元MP3模塊組成，連同電源模塊、SD卡（Secure Digital Memory Card，安全數字存儲卡）和芯片比如IC卡（Integrated Circuit Card，集成電路卡），來共同實現模擬聽診的功能。

系統的設計思路為：以橡膠模擬人作為“虛擬病人”，在“虛擬病人”身體不同部位可安裝不同的芯片，在聽診系統的拾音部分即聽診頭中裝入RFID傳感器，將單片機和MP3模塊封裝在傳導部分即膠管中，從MP3模塊引出音頻信號到聽音部分即耳件中，通過軟件程序來控制單片機和各模塊的通信。學生利用此系統為“虛擬病人”聽診時，當聽診頭接近“虛擬病人”身體特定部位（如二尖瓣聽診區、肺動脈瓣聽診區、主動脈瓣聽診區等部分），耳件中可聽到對應的音頻信號，學生可根據相關醫學知識，對此音頻信號做出判斷，從而診斷病人病情，完成治療過程。

模擬聽診系統的工作原理為：單片機通過感知RFID模塊SIGN引腳電平值的變化來判斷是否有芯片接近。假如RFID模塊感知到芯片的存在，讀取其編號，并通過TXD引腳和RXD引腳和單片機通信，將編號發送給單片機。單片機收到消息后，按照軟件設計程序中約定好的規則，改變與MP3模塊相連的I/0端口的電平值。MP3模塊的觸發端口接收到單片機傳遞的電平值后，按照模塊設定的觸發方式，播放SD卡中的指定音頻。

5 特色與創新之處

5.1 改善了現有聽診教具的功能缺陷問題

現有模擬心肺聽診系統只能模擬局部、單一的體征，不能反應整體疾病特點，且堂上考核測試題庫較少，題型簡單單一，價格比較昂貴，每臺基本在5000—10000元，體積較大，易損壞，而此模擬聽診系統，由于音頻信息由不同芯片控制，因此只要在MP3模塊的SD卡中存儲心肺聽診音頻大全，即可讓學生接觸到幾乎是所有的臨床中可能出現的情況，而且是手持聽診系統為病人進行聽診，直觀的感受聽診過程，為以后的臨床實踐打下良好基礎。每臺系統價格成本也將降低，會大大減少臨床技能教學儀器采購支出。

5.2 改變了RFID技術的常規使用方式

日常生活中，應用RFID技術的產品有很多，其中較早較成熟的產品有公交卡、食堂餐卡、銀行卡、賓館門禁卡、二代身份證等，但是以上產品都是將RFID閱讀器固定在某一位置，標簽是移動的。而模擬聽診系統反其道而行之，將標簽固定，而閱讀器是可移動的，打破了RFID常規使用方式，推動了RFID技術在物聯網時代的應用普及。

5.3 將電子技術創新與醫學實驗相結合

對應用本系統的醫學院校來說，本系統不僅解決了聽診對象局限性的問題，還可以使學生直觀的接觸各種可能的病癥信號，且實施起來較為方便和安全，為醫學相關專業的教學改革提供了有利條件，也為教師或其他相關的科研工作者提供了科研思路，推動我國實現數字化醫療的發展。

6 結語

此文設計的模擬聽診器，具有直接的使用價值及潛在的研究價值。我國醫學院校眾多，對于臨床等相關醫學專業的學生來說，學會正確使用聽診器并且能利用聽診器進行臨床診斷是必不可少的技能，若此項目的產品成熟，可直接面向高校推廣。目前線上在售的類似產品報價都在萬元左右，而本系統的原始成本較低，實現起來也比較容易，且沒有安全隱患，所以本系統具有很大的發展空間，其成熟產品對醫學院校或者醫院具有很大的吸引力，可帶來一定的經濟效益。

本系統只是將通信技術和電子技術與醫學實驗結合的一個小產品，但是為通信技術和電子技術在醫學應用的研究打開了思路，相關科研工作者也發散思維，提出新的技術或者應用，推動我國科研的進步，從而帶來一定的社會效益。

參考文獻

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[2]Alam U，Asghar O，Khan SQ，et al.Cardiac auscultation： anessential clinical skill in dechne [J].Br J Cardiol，2010，17（1）：8-10.

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