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)生的培訓也就成為非常重要的環(huán)節(jié),。心電除顫技術作為醫(yī)生培訓的一個主要方面,，若操作規(guī)范，動作熟練,，往往在緊急關頭可以救人于危難之間,，在培訓的時候，如果能夠真實地模擬急救除顫的場景,，將會起到良好的學習效果,。因此，在急救,、有創(chuàng)性臨床操作訓練上,，醫(yī)學模擬教學日益顯示出其成本低、重復性高,、教學效率高以及符合醫(yī)學倫理要求等優(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)護儀，使除顫模擬更加逼真,。學員可以進行不同能量的除顫練習,，同時這也便于老師檢驗學員的學習效果。
該系統(tǒng)是根據(jù)心電圖的有關原理以及監(jiān)護儀的信號合成原理研制的,，嚴格按照醫(yī)學的相關規(guī)定,，產(chǎn)生的波形達到醫(yī)學教學的目的。在相關病態(tài)心電圖的關鍵點處達到比較逼真的效果,，當系統(tǒng)接收到高壓除顫信號以后,，根據(jù)系統(tǒng)的預設置，進行相應的波形變換,。系統(tǒng)可以用于醫(yī)療培訓機構的培訓工具,，使學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)護儀進行校準,，信號均采用三導聯(lián)的同步信號輸出,。
1 系統(tǒng)結構和設計方案
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轉換模塊,，與監(jiān)護儀信號匹配模塊以及心電波形仿真和數(shù)據(jù)的提取，應用程序的設計等幾個部分,。本系統(tǒng)采用ARM9嵌入式開發(fā)平臺,，以下是ARM9處理器的主要結構及其特點。
(1)32 b定點RISC處理器,，改進型ARM／Thumb代碼交織,，增強性乘法器設計，支持實時(real-time)調試,；
(2)片內指令和數(shù)據(jù)SRAM,，而且指令和數(shù)據(jù)的存儲器容量可調；
(3)片內指令和數(shù)據(jù)高速緩沖器(Cache)容量從4 KB～l MB：
(4)設置保護單元(Protoction Unit),，非常適合嵌入式應用中對存儲器進行分段和保護,；
(5)采用AMBA AHB總線接口，為外設提供統(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)支持標準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)總體設計方案,，如圖1所示。
2 系統(tǒng)硬件部分設計
該部分主要分為ARM9硬件平臺,、D／A轉換,、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轉換把波形數(shù)據(jù)轉換為模擬量進行輸出,。當接收到高壓采集信號后,，處理器就會轉換輸出另一種心電波形圖。
2．1 D／A轉換和電阻衰減網(wǎng)絡
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有各自獨立的基準輸入,，對ARM9提供的數(shù)據(jù)進行變換,，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到10 V,，通過電阻分壓網(wǎng)絡得到0～5 mV的電壓輸出范圍?？紤]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行預處理,，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,，起到保護處理器的作用,。
3 軟件設計
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，軟件系統(tǒng)的設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：接口驅動程序的修改和完善；應用層軟件的開發(fā),。應用層的程序全部用C++開發(fā)完成的,。
圖4是整個系統(tǒng)的軟件模塊結構圖。
3．1 D／A驅動程序和高壓信號采集驅動部分
設備驅動程序是操作系統(tǒng)內核和機器硬件之間的接口,。設備驅動程序為應用程序屏蔽了硬件的細節(jié),，這樣在應用程序看來,，硬件設備只是一個設備文件，應用程序可以像操作普通文件一樣對硬件設備進行操作,，以往在開發(fā)應用程序時都有一個main函數(shù)作為程序的入口點,，而在驅動開發(fā)時卻沒有main函數(shù)，模塊在調 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)中完成設備的卸載,。在設備完成注冊加載之后，用戶的應用程序就可以對該設備進行一定的操作,，如read,，write等，而驅動 程序就是用于實現(xiàn)這些操作,，在用戶應用程序調用相應入口函數(shù)時執(zhí)行相關的操作,，init roodule入口點函數(shù)則不需要完成其他如read，write之類功能,。
驅動程序主要函數(shù)如下：
3．2 系統(tǒng)應用程序設計與實現(xiàn)
該系統(tǒng)的應用程序是基于Qt／Embedded設計的,，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，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用Qt方法。
4 結語
本系統(tǒng)設計采用三星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)并結合外圍的D／A轉換部分,、與監(jiān)護儀匹配網(wǎng)絡,、高壓信號采集部分、應用程序控制部分等實現(xiàn)了心電除顫模擬發(fā)生系統(tǒng)的設計,。該系統(tǒng)可以很好地模擬醫(yī)學除顫的過程,，并可以與醫(yī)用監(jiān)護儀相連接，輸出符合醫(yī)學標 準的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操作系統(tǒng),，因此該設計具有很高的實時性、穩(wěn)定性和可靠性,。
