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随着社会的发展，人们的医疗保健意识越来越强，所以医生的培训也就成为非常重要的环节。心电除颤技术作为医生培训的一个主要方面，若操作规范，动作熟练，往往在紧急关头可以救人于危难之间，在培训的时候，如果能够真实地模拟急救除颤的场景，将会起到良好的学习效果。因此，在急救、有创性临床操作训练上，医学模拟教学日益显示出其成本低、重复性高、教学效率高以及符合医学伦理要求等优势。
除颤模拟发生系统可以任意选择34种状态(包括成人和儿童两大类)时也可以连接医用监护仪，使除颤模拟更加逼真。学员可以进行不同能量的除颤练习，同时这也便于老师检验学员的学习效果。 该系统是根据心电图的有关原理以及监护仪的信号合成原理研制的，严格按照医学的相关规定，产生的波形达到医学教学的目的。在相关病态心电图的关键点处达到比较逼真的效果，当系统接收到高压除颤信号以后，根据系统的预设置，进行相应的波形变换。系统可以用于医疗培训机构的培训工具，使学员快速掌握心电除颤的方法。该系统与急救模拟人、监护仪配合使用，具有广阔的市场前景。 本文介绍的心电除颤模拟发生系统是以ARM9为控制核心，充分利用ARM9丰富的I／O资源和强大的处理功能。它采用嵌入式的开发方案，并综合考虑系统的通用性和使用性，系统输出信号的幅度为0～5 mV可以连续输出室性、室上性早搏型号等，还可以产生周期为1 s，脉宽为100 ms，幅度为1 mV的方波。便于对监护仪进行校准，信号均采用三导联的同步信号输出。 
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1 系统结构和设计方案
系统主要包括ARM9中央处理单元、高压除颤信号采集模块、D／A转换模块，与监护仪信号匹配模块以及心电波形仿真和数据的提取，应用程序的设计等几个部分。本系统采用ARM9嵌入式开发平台，以下是ARM9处理器的主要结构及其特点。 (1)32 b定点RISC处理器，改进型ARM／Thumb代码交织，增强性乘法器设计，支持实时(real-time)调试； (2)片内指令和数据SRAM，而且指令和数据的存储器容量可调； (3)片内指令和数据高速缓冲器(Cache)容量从4 KB～l MB： (4)设置保护单元(Protoction Unit)，非常适合嵌入式应用中对存储器进行分段和保护； (5)采用AMBA AHB总线接口，为外设提供统一的地址和数据总线； (6)支持外部协处理器，指令和数据总线有简单的握手信令支持； (7)支持标准基本逻辑单元扫描测试方法； (8)支持BIST(Built-in-self-test)； (9)支持嵌入式跟踪宏单元，支持实时跟踪指令和数据。 心电除颤模拟发生系统总体设计方案，如图1所示。 |
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2 系统硬件部分设计
该部分主要分为ARM9硬件平台、D／A转换、滤波威廉希尔官方网站 、高压除颤信号的采集，其系统硬件连接图如图2所示。系统在ARM9的控制下，由D／A转换把波形数据转换为模拟量进行输出。当接收到高压采集信号后，处理器就会转换输出另一种心电波形图。 2．1 D／A转换和电阻衰减网络 该部分是系统的核心，为了保证系统的稳定和ECG信号的要求，D／A转换芯片采用8位并行的DAC0832芯片，由12 V单电源供电，每个DAC有各自独立的基准输入，对ARM9提供的数据进行变换，输出部分采用4阶巴特沃斯滤波，输出的波形经衰减后得到所要求的心电信号，经有源滤波后输出波形的峰值可达到10 V，通过电阻分压网络得到0～5 mV的电压输出范围。考虑到要采用三路D／A，如果每一路独占8个I／O端口，再加上若干控制端口，处理器提供的I／O端口数远不能满足要求，所以计划采用共用数据端口，外接I／O口片选的方式来实现，这样可以节约16个I／O口，也满足了信号输出同步性的要求。 2．2 高压信号采集威廉希尔官方网站 设计 该部分采集除颤器上的高压放电信号，由于高压除颤信号具有的放电电流具有双向性，且放电时间只有4 ms，瞬态电压可达到3 000 V，所以在安全性能上要充分考虑。该部分威廉希尔官方网站 图如图3所示。 威廉希尔官方网站 中采用大功率电阻和瞬态抑制二极管对高压放电信号进行预处理，将高压信号降低到比较小的范围，通过整流威廉希尔官方网站 把电流变为单向流动，然后通过光耦隔离输入到ARM9的I／O口中，起到保护处理器的作用。 3 软件设计 系统的硬件为基本功能和扩展功能的实现奠定了牢固的基础，软件系统的设计就是要充分利用硬件平台的资源，实现软件操作的有序运行。 软件开发工作涉及到以下两个方面：接口驱动程序的修改和完善；应用层软件的开发。应用层的程序全部用C++开发完成的。 图4是整个系统的软件模块结构图。 3．1 D／A驱动程序和高压信号采集驱动部分 设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口。设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节，这样在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作，以往在开发应用程序时都有一个main函数作为程序的入口点，而在驱动开发时却没有main函数，模块在调用insmod命令时被加载，此时的入口点是init module函数，通常在该函数中完成没备的注册。同样，模块在调用rmmod函数时被卸载，此时的入口点是cleanup module函数，在该函数中完成设备的卸载。在设备完成注册加载之后，用户的应用程序就可以对该设备进行一定的操作，如read，write等，而驱动程序就是用于实现这些操作，在用户应用程序调用相应入口函数时执行相关的操作，init roodule入口点函数则不需要完成其他如read，write之类功能。 驱动程序主要函数如下： 3．2 系统应用程序设计与实现 该系统的应用程序是基于Qt／Embedded设计的，目前使用的嵌入式GUI系统存在Microwindows，MiniGUI，Qt／Embedded，Qt／Embedded延续了Qt的强大功能，可以运行在多种不同的处理器上部署的嵌入式Linux操作系统。Qt／Embedded提供了信号和插槽的编程机制，该部分采用的Qt是一个创建GUI程序的C++类库，编写Qt应用程序的主要工作是基于已有的Qt类编写用户类。该部分主要分为波形界面的实现和用户按键控制的实现，波形显示采用Qt的函数类库Qpainter，由于波形界面显示两路心电波形，会产生延迟效果，所以引入了多线程机制协调，Qt支持多线程，有独立于平台的线程类，线程安全方式的时间传递和一个全局Qt库互斥量允许不同的线程调用Qt方法。 |
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4 结语
本系统设计采用三星2440嵌入式处理器作为核心搭建了硬件平台，并采用嵌入式Linux操作系统并结合外围的D／A转换部分、与监护仪匹配网络、高压信号采集部分、应用程序控制部分等实现了心电除颤模拟发生系统的设计。该系统可以很好地模拟医学除颤的过程，并可以与医用监护仪相连接，输出符合医学标准的34种常见异常心率波形，由于系统使用嵌入式实时多任务操作系统，因此该设计具有很高的实时性、稳定性和可靠性。 |
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