基于RFID的模拟听诊系统设计与研究

来源:用户上传      作者:

　　摘要：心肺听诊是临床医生和医学相关专业学生必须掌握的基本实践技能。传统的描述讲授法，不够直观。各高校或医院引入的模擬听诊教具，使用起来有局限性、易损坏且价格昂贵。针对以上问题，本文设计并开发出基于RFID的模拟听诊系统，使用单片机和射频识别传感器，结合程序设计，对听诊过程进行仿真，将临床听诊技术教学模式，向虚拟仿真教学模式转变。
　　关键词：听诊;51单片机;RFID
　　中图分类号：TP391.44 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）07-0143-03
　　0 引言
　　心肺听诊是医学相关专业学生的必修内容，也是临床大夫的必备技能。在医学院校的诊断学课程中，心脏检查和心脏听诊是教学中的重点和难点[1]，关于听诊教学，如果教师授课时仅通过语言来描述听诊音，有可能存在一系列问题，教师语言描述不够直观、学生训练机会较少、师生不能同步进行等[2]。采用电子听诊器辅助教学可提高学生成绩，缩短床旁示教时间[3]，但是声音信号的真实性还有待提高。为了提高教学质量，教学部门会购置心肺听诊相关教具，如电脑模拟人系统，学生可用电磁听诊器进行听诊[4]，提高了学生自学和练习的积极性。而且电脑模拟人系统还可提供阳性特征，此体征在临床中不常见到，这样提高了学生的学习兴趣[5-6]，但是电脑模拟人系统的心肺听诊部份声音信号有失真现象[7]，且功能有限，价格昂贵，故难以广泛应用。
　　针对以上问题，本文使用单片机、射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）传感器、MP3、SD卡（Secure Digital Memory Card，安全数字存储卡）和IC卡（Integrated Circuit Card，集成电路卡），结合c语言程序设计，开发了一种模拟听诊系统。在医学高等院校的临床技能实践教学中[8]，使用本系统，可以使学生直观的感受到听诊的过程，还可反复训练，从而掌握听诊这项技能。
　　基于RFID的模拟听诊系统是在橡胶模拟人身体的听诊区部分（如肺动脉瓣听诊区）安装不同编号的芯片，在听诊系统的传导部分装入MP3模块和单片机，在听诊系统的拾音部分装入RFID传感器，在听诊系统的听音部分装入音频信号，通过程序来控制各模块之间的通信。使用此系统听诊时，当系统的拾音部分靠近模拟人身体的听诊区时，在听音部分可以听到相应的音频信号，使用者根据所学的理论知识，对刚才的听诊过程进行判断，从而得出结论，完成治疗过程。
　　1 系统设计
　　基于RFID的模拟听诊系统主要由四部分组成，分别是主机单元、感知单元、应用单元和扩展单元。其中主机单元为51单片机，感知单元为RFID模块，应用单元包括MP3模块，SD卡（Secure Digital Memory Card，安全数字存储卡）和IC卡（Integrated Circuit Card，集成电路卡），扩展单元为电源模块。
　　系统中的51单片机模块采用+5v电源供电，使用异步串行通讯模式，通过TXD脚向RFID模块发送消息，通过RXD引脚接收来自RFID模块的信息，通过通用输入输出端口（I/0端口）的电平值的变化来改变与MP3模块相连的直接触发端口的电平值。
　　RFID模块采用+5v电源供电，通过TXD引脚和RXD引脚和单片机进行通信，设定为自动寻卡，读卡范围在6cm左右，当卡片接近到天线区，SIGN引脚会呈现低电平。
　　MP3模块采用+5v电源供电，喇叭参数为0-2瓦4-8欧（音量可调），支持最大内存为16G。此模块的A1-A9这9根排针是9个直接触发端口。模块有单键触发和编码触发两种触发模式，在单键触发模式下，9个端口同时对应9个音频新号，先放入SD卡的为第一个，接下来放入的是第二个，以此类推。模块触发方式为，只要向触发端口提供1个低电平，即播放该端口对应的音频新号，例如A1口，如果向A1口输入1个低电平，则MP3立刻播放第一个放入的音频新号。在编码触发模式可触发31个音频新号。具体触发方式为：在给模块上电之前，先把A10接地，这样在上电后就切换为编码模式。其中A1-A5为编码端口，为二进制编码方式，A1为第一位。例如当A1A2A3A4A5对应电平为01111时，播放第一个音频新号。本系统中采用单键触发模式。
　　主机单元的51单片机是通过感知单元RFID模块来判断IC卡的接近情况。若有IC卡接近，RFID模块SIGN引脚的电平值会发生变化，然后RFID模块读取IC卡的编号，并通过TXD引脚向单片机发送消息，通过RXD引脚将接收单片机发来的信息。单片机收到RFID模块发送的消息后，改变I/0端口的电平值，由于I/0端口与MP3模块相连，则MP3模块接收到单片机传递的数据，按照MP3模块之前设定的触发方式，播放安装在MP3模块中的SD卡指定的音频信号。各模块的通信及数据传输由软件程序完成。
　　2 系统实施
　　基于RFID的模拟听诊系统，单片机、RFID模块和MP3模块连接如图1所示。
　　单片机首先进行初始化，设置波特率、通信模式等参数，开启总中断，并将与MP3模块相连的各引脚设为高电平。然后通过监测与RFID模块相连的P0.0引脚的值，来感知是否有卡接近，若无卡接近，继续监测，若有卡接近，则SIGN引脚出现低电平，告知单片机IC卡的存在，并将IC卡的内容发送给单片机，单片机判断此IC卡的编号，并通过I/0端口给MP3模块的对应触发端口提供一个低电平，MP3模块根据单片机提供的电平信号和设定好的触发方式，判断需要播放音频的编号，并播放SD卡中的指定编号的音频。
　　系统测试：我们在MP3模块的SD卡中存入若干个心音和心脏杂音的信号，如第一个是正常心音，第二个是窦性心律不齐。然后准备两张IC卡，第一张编号为1，对应正常心音信号，第二张编号为2，对应窦性心律不齐信号。接下来开始系统测试，拿第一张卡接近RFID模块，则在听音部分能听到正常心音。IC卡移出RFID的读卡范围后，声音信号消失。用第二张卡接近RFID模块时，在听音部分能听到窦性心律不齐的信号。IC卡移走，声音信号消失。此时证明系统基本功能实现。
　　3 结语
　　基于RFID的模拟听诊系统能够模拟基本的心肺听诊过程，实施起来简单直接，可应用于医学高等院校的临床技能实践教学中，不仅解决了传统教学模式中出现的语言描述不直观、学生训练机会少等问题，还解决了通用教具使用的局限性问题，将临床听诊技术教学模式，向虚拟仿真教学模式转变。此系统应用于教学时，既可用于平时实验课程教学，方便学生直观体验听诊过程，也可用于阶段测试，判断学生能否根据所学得出正确结论。系统成本较低，可减少教学部门采购支出，也可让学生反复训练，通过重复性操作加深理解，从而掌握听诊这项技能。
　　本系统只是将通信技术和计算机技术与医学实验结合的一个小想法，目前还不成熟，有很多不足之处，今后还会继续完善，后续会考虑缩小RFID和IC卡体积，扩充心音和杂音信号种类，提高信号的真实性，解决不同部位信号不同等问题。希望能为相关科研工作者抛砖引玉，助力医学科技创新，推进健康中国建设。
　　参考文献
　　[1] 杨鹏.如何提高临床医学专业心脏听诊的教学[C].临床心身疾病杂志学术研讨会综合刊，2014.
　　[2] 王贵松，高炜.心脏听诊教学中存在的问题及对策[J].中华医学教育杂志，2012，32（5）：757-759.
　　[3] 马艳良，高占成，谭星宇，等.电子听诊器在肺部听诊教学中的作用[J].中华医学教育杂志，2014，32（2）：258-260.
　　[4] 孟祥顺.微型机控制的心肺听诊模拟仪[J].信息技术，2011（3）：162-164.
　　[5] 张雅丽，李卫萍.电脑模拟人在心肺听诊教学中作用的探索与评价[J].中国医药指南，2014（8）：234-235.
　　[6] 古赛，冯梅，王丕龙.采用电脑模拟人以促进诊断学教学改革[J].医学教育探索，2009，（6）：703-705.
　　[7] 余国龙，杨天伦，张冬梅，等.心肺、腹电脑模拟人在诊断学教学中的优势与不足[J].中国高等医学教育，2007（10）：92-96.
　　[8] 赵佳，昝程，许士奇，等.基于现代通信技术的模拟听诊系统的设计[J].数字技术与应用，2016（9）：171-172.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15297124.htm