隨著社會的發(fā)展,，人們的醫(yī)療保健意識越來越強，所以醫(yī)生的培訓(xùn)也就成為非常重要的環(huán)節(jié),。心電除顫技術(shù)作為醫(yī)生培訓(xùn)的一個主要方面,，若操作規(guī)范，動作熟練,，往往在緊急關(guān)頭可以救人于危難之間,，在培訓(xùn)的時候，如果能夠真實地模擬急救除顫的場景,，將會起到良好的學(xué)習(xí)效果,。因此,，在急救,、有創(chuàng)性臨床操作訓(xùn)練上，醫(yī)學(xué)模擬教學(xué)日益顯示出其成本低,、重復(fù)性高,、教學(xué)效率高以及符合醫(yī)學(xué)倫理要求等優(yōu)勢。

　　除顫模擬發(fā)生系統(tǒng)可以任意選擇34種狀態(tài)(包括成人和兒童兩大類)時也可以連接醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀,，使除顫模擬更加逼真,。學(xué)員可以進(jìn)行不同能量的除顫練習(xí)，同時這也便于老師檢驗學(xué)員的學(xué)習(xí)效果,。

　　該系統(tǒng)是根據(jù)心電圖的有關(guān)原理以及監(jiān)護(hù)儀的信號合成原理研制的,，嚴(yán)格按照醫(yī)學(xué)的相關(guān)規(guī)定，產(chǎn)生的波形達(dá)到醫(yī)學(xué)教學(xué)的目的,。在相關(guān)病態(tài)心電圖的關(guān)鍵點處達(dá)到比較逼真的效果,，當(dāng)系統(tǒng)接收到高壓除顫信號以后，根據(jù)系統(tǒng)的預(yù)設(shè)置,，進(jìn)行相應(yīng)的波形變換,。系統(tǒng)可以用于醫(yī)療培訓(xùn)機構(gòu)的培訓(xùn)工具，使學(xué)員快速掌握心電除顫的方法,。該系統(tǒng)與急救模擬人,、監(jiān)護(hù)儀配合使用，具有廣闊的市場前景,。

　　本文介紹的心電除顫模擬發(fā)生系統(tǒng)是以ARM9為控制核心,，充分利用ARM9豐富的I/O資源和強大的處理功能。它采用嵌入式的開發(fā)方案,，并綜合考慮系統(tǒng)的通用性和使用性,，系統(tǒng)輸出信號的幅度為0～5 mV可以連續(xù)輸出室性、室上性早搏型號等，還可以產(chǎn)生周期為1 s,，脈寬為100 ms,，幅度為1 mV的方波。便于對監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行校準(zhǔn),，信號均采用三導(dǎo)聯(lián)的同步信號輸出,。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計方案

　　系統(tǒng)主要包括ARM9中央處理單元、高壓除顫信號采集模塊,、D/A轉(zhuǎn)換模塊,，與監(jiān)護(hù)儀信號匹配模塊以及心電波形仿真和數(shù)據(jù)的提取，應(yīng)用程序的設(shè)計等幾個部分,。本系統(tǒng)采用ARM9嵌入式開發(fā)平臺,，以下是ARM9處理器的主要結(jié)構(gòu)及其特點。

　　(1)32 b定點RISC處理器,，改進(jìn)型ARM/Thumb代碼交織,，增強性乘法器設(shè)計，支持實時(real-TIme)調(diào)試;

　　(2)片內(nèi)指令和數(shù)據(jù)SRAM,，而且指令和數(shù)據(jù)的存儲器容量可調(diào);

　　(3)片內(nèi)指令和數(shù)據(jù)高速緩沖器(Cache)容量從4 KB～l MB：

　　(4)設(shè)置保護(hù)單元(Protoction Unit),，非常適合嵌入式應(yīng)用中對存儲器進(jìn)行分段和保護(hù);

　　(5)采用AMBA AHB總線接口，為外設(shè)提供統(tǒng)一的地址和數(shù)據(jù)總線;

　　(6)支持外部協(xié)處理器,，指令和數(shù)據(jù)總線有簡單的握手信令支持;

　　(7)支持標(biāo)準(zhǔn)基本邏輯單元掃描測試方法;

　　(8)支持BIST(Built-in-self-test);

　　(9)支持嵌入式跟蹤宏單元,，支持實時跟蹤指令和數(shù)據(jù)。

　　心電除顫模擬發(fā)生系統(tǒng)總體設(shè)計方案,，如圖1所示,。

　　2 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計

　　該部分主要分為ARM9硬件平臺、D/A轉(zhuǎn)換,、濾波電路,、高壓除顫信號的采集，其系統(tǒng)硬件連接圖如圖2所示,。系統(tǒng)在ARM9的控制下,，由D/A轉(zhuǎn)換把波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬量進(jìn)行輸出。當(dāng)接收到高壓采集信號后,，處理器就會轉(zhuǎn)換輸出另一種心電波形圖,。

　　2.1 D/A轉(zhuǎn)換和電阻衰減網(wǎng)絡(luò)

　　該部分是系統(tǒng)的核心，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和ECG信號的要求,，D/A轉(zhuǎn)換芯片采用8位并行的DAC0832芯片,，由12 V單電源供電，每個DAC有各自獨立的基準(zhǔn)輸入,，對ARM9提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換,，輸出部分采用4階巴特沃斯濾波，輸出的波形經(jīng)衰減后得到所要求的心電信號，經(jīng)有源濾波后輸出波形的峰值可達(dá)到10 V,，通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)得到0～5 mV的電壓輸出范圍,。考慮到要采用三路D/A,，如果每一路獨占8個I/O端口,，再加上若干控制端口，處理器提供的I/O端口數(shù)遠(yuǎn)不能滿足要求,，所以計劃采用共用數(shù)據(jù)端口,，外接I/O口片選的方式來實現(xiàn)，這樣可以節(jié)約16個I/O口,，也滿足了信號輸出同步性的要求,。

　　2.2 高壓信號采集電路設(shè)計

　　該部分采集除顫器上的高壓放電信號，由于高壓除顫信號具有的放電電流具有雙向性,，且放電時間只有4 ms,，瞬態(tài)電壓可達(dá)到3 000 V，所以在安全性能上要充分考慮,。該部分電路圖如圖3所示,。

　　電路中采用大功率電阻和瞬態(tài)抑制二極管對高壓放電信號進(jìn)行預(yù)處理,，將高壓信號降低到比較小的范圍,，通過整流電路把電流變?yōu)閱蜗蛄鲃樱缓笸ㄟ^光耦隔離輸入到ARM9的I/O口中,，起到保護(hù)處理器的作用,。

　　3 軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)的硬件為基本功能和擴展功能的實現(xiàn)奠定了牢固的基礎(chǔ)，軟件系統(tǒng)的設(shè)計就是要充分利用硬件平臺的資源,，實現(xiàn)軟件操作的有序運行,。

　　軟件開發(fā)工作涉及到以下兩個方面：接口驅(qū)動程序的修改和完善;應(yīng)用層軟件的開發(fā)。應(yīng)用層的程序全部用C++開發(fā)完成的,。

　　圖4是整個系統(tǒng)的軟件模塊結(jié)構(gòu)圖,。

　　3.1 D/A驅(qū)動程序和高壓信號采集驅(qū)動部分

　　設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機器硬件之間的接口。設(shè)備驅(qū)動程序為應(yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié),，這樣在應(yīng)用程序看來,，硬件設(shè)備只是一個設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣對硬件設(shè)備進(jìn)行操作,，以往在開發(fā)應(yīng)用程序時都有一個main函數(shù)作為程序的入口點,，而在驅(qū)動開發(fā)時卻沒有main函數(shù)，模塊在調(diào)用insmod命令時被加載,，此時的入口點是init module函數(shù),，通常在該函數(shù)中完成沒備的注冊。同樣，模塊在調(diào)用rmmod函數(shù)時被卸載,，此時的入口點是cleanup module函數(shù),，在該函數(shù)中完成設(shè)備的卸載。在設(shè)備完成注冊加載之后,，用戶的應(yīng)用程序就可以對該設(shè)備進(jìn)行一定的操作,，如read，write等,，而驅(qū)動程序就是用于實現(xiàn)這些操作,，在用戶應(yīng)用程序調(diào)用相應(yīng)入口函數(shù)時執(zhí)行相關(guān)的操作，init roodule入口點函數(shù)則不需要完成其他如read,，write之類功能,。

　　驅(qū)動程序主要函數(shù)如下：

　　3.2 系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計與實現(xiàn)

　　該系統(tǒng)的應(yīng)用程序是基于Qt/Embedded設(shè)計的，目前使用的嵌入式GUI系統(tǒng)存在Microwindows,，MiniGUI,，Qt/Embedded，Qt/Embedded延續(xù)了Qt的強大功能,，可以運行在多種不同的處理器上部署的嵌入式Linux操作系統(tǒng),。Qt/Embedded提供了信號和插槽的編程機制，該部分采用的Qt是一個創(chuàng)建GUI程序的C++類庫,，編寫Qt應(yīng)用程序的主要工作是基于已有的Qt類編寫用戶類,。該部分主要分為波形界面的實現(xiàn)和用戶按鍵控制的實現(xiàn)，波形顯示采用Qt的函數(shù)類庫Qpainter,，由于波形界面顯示兩路心電波形,，會產(chǎn)生延遲效果，所以引入了多線程機制協(xié)調(diào),，Qt支持多線程,，有獨立于平臺的線程類，線程安全方式的時間傳遞和一個全局Qt庫互斥量允許不同的線程調(diào)用Qt方法,。

　　4 結(jié)語

　　本系統(tǒng)設(shè)計采用三星2440嵌入式處理器作為核心搭建了硬件平臺,，并采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)并結(jié)合外圍的D/A轉(zhuǎn)換部分、與監(jiān)護(hù)儀匹配網(wǎng)絡(luò),、高壓信號采集部分,、應(yīng)用程序控制部分等實現(xiàn)了心電除顫模擬發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)計。該系統(tǒng)可以很好地模擬醫(yī)學(xué)除顫的過程,，并可以與醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀相連接,，輸出符合醫(yī)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的34種常見異常心率波形，由于系統(tǒng)使用嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng),，因此該設(shè)計具有很高的實時性,、穩(wěn)定性和可靠性,。