聲音傳感器在醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用研究

陜西省西安市周至縣中醫(yī)醫(yī)院 栗 峰

輸液速度要根據(jù)不同的體質(zhì)及年齡的人群而定，不能夠整齊劃一、千篇一律。例如，如果安排的輸液速度過快，會(huì)導(dǎo)致有心臟病的群體無法承受快速的滴注所帶來的靜脈回流、心臟負(fù)荷加大等現(xiàn)象的產(chǎn)生，增加心臟的工作負(fù)擔(dān)，進(jìn)而導(dǎo)致心衰，因此，安排病人輸液的過程中，要嚴(yán)格控制滴速，以獲得較好輸液效果。新型的輸液器有著較多的優(yōu)勢(shì)，如體積小、耗電量少、便于攜帶等，并且具有安全性能高、自動(dòng)化程度高、較為適應(yīng)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展需求等特色，具體而言，能夠做到以下幾點(diǎn)：

(1)以LED作為顯示器，方便實(shí)時(shí)查看輸液速度，并作更改；

(2)能夠在設(shè)備運(yùn)行的過程中，實(shí)時(shí)停止輸液過程，對(duì)于原有的參數(shù)做出修改；

(3)安裝了自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警裝置，如若輸液過程結(jié)束或出現(xiàn)輸液異常的現(xiàn)象，能夠自動(dòng)報(bào)警提示。

1.聲音傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 聲音傳感器數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)

傳感器網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于獲取各種物理環(huán)境數(shù)據(jù)，例如圖像、聲音、溫濕度等，而物理數(shù)據(jù)的獲得，主要是經(jīng)由數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)的。傳感器技術(shù)組成了主要的數(shù)據(jù)采集模塊，通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行連接。聲音傳感器的構(gòu)成較為簡(jiǎn)單，它主要是由聲音采集器和聲音放大器這兩個(gè)主要的部件構(gòu)成的，因而，聲音傳感器的本質(zhì)就是一個(gè)擴(kuò)音器。在進(jìn)行聲音傳感器的設(shè)計(jì)過程中，要考慮到傳感器的節(jié)能效果和節(jié)點(diǎn)的大小，一般會(huì)選擇使用低功耗的、小型的麥克，如WM-62A。所采集到的只是模擬信號(hào)，必須將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，而這一過程是經(jīng)由A/D將電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的。

1.2 數(shù)據(jù)處理和計(jì)算模塊的設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)的核心部分是數(shù)據(jù)處理模塊，它通常包括了內(nèi)存和微處理器及嵌入式操作系統(tǒng)。在微處理器的選型方面，會(huì)考慮到使用三星S3C2410XRISC，它主要使用了203MHzd的主頻、ARM920T的內(nèi)核，并且內(nèi)含有全部性能、便于攜帶的、性能優(yōu)良及低功耗的內(nèi)存處理單元（MMU），支持多系統(tǒng)運(yùn)行模式。

在傳感器的網(wǎng)路設(shè)計(jì)中，路由協(xié)議方面會(huì)選擇使用多層聚類算法。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)是處于不同的層的，所處的層越高，則覆蓋面積越廣。在一個(gè)工作周期內(nèi)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己的狀態(tài)信息，包括了所在層次、儲(chǔ)蓄能量、聚頭ID等，以等待狀態(tài)形成相互了解信息的渠道。

1.3 無線通信模塊的設(shè)計(jì)

傳感器的信息接收，是通過無線通信完成的，而數(shù)據(jù)的收集與接收，需要通過多個(gè)節(jié)點(diǎn)來共同完成，而不是僅僅依靠單個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的，因而，選擇合適的無線通訊收發(fā)器是很重要的。

一般會(huì)采用CHIPCON公司研發(fā)的CCI000型號(hào)，具有FSK調(diào)制解調(diào)功能、PLL合成功能、可編程控制功能等，它設(shè)計(jì)應(yīng)用了可編程的RF收發(fā)芯片，能夠在300-1000MHz左右的頻段工作。

CCI000采用了鎖相環(huán)技術(shù)，通過內(nèi)部的頻率合成來完成300-1000MHz范圍內(nèi)的發(fā)射頻率的配置，該設(shè)備的發(fā)射頻率是通過內(nèi)部的頻率合成器來完成的，一般會(huì)有20個(gè)左右的頻點(diǎn)。該芯片具有較強(qiáng)的靈敏度，因而，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn)，保證通信速率達(dá)到78.6Kbps.

1.4 能源管理模塊

傳感器設(shè)計(jì)中的一大核心技術(shù)就是節(jié)能問題的處理，將節(jié)能問題處理好之后，就會(huì)使得傳感器擁有更長的工作壽命。通常情況下，傳感器所使用的電池都是鋰電池，但是，電池有使用壽命的限制，一旦電池內(nèi)部的電能耗盡，就必須及時(shí)的更換新的電池，但傳感器中的電池更換不太可能，因而，電池用完之后，就會(huì)發(fā)生節(jié)點(diǎn)失效的現(xiàn)象，影響到傳感器的工作質(zhì)量，因而，在進(jìn)行傳感器的設(shè)計(jì)過程中，必須將能源管理模塊的設(shè)計(jì)作為一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮方向。

在進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)的過程中，要遵循一定的基本原則，才能夠?qū)崿F(xiàn)高效的、高質(zhì)量的節(jié)能設(shè)計(jì)。如，要保證微處理器是以最快的速度完成任務(wù)的，并且在任務(wù)完成之后，迅速進(jìn)入到節(jié)能省電模式狀態(tài)。在節(jié)能狀態(tài)下，能夠?qū)崿F(xiàn)無線射頻模塊、微處理器、硬件看門狗等器件之外的多余器件的耗電功能的切斷，只保留了微處理器、硬件看門狗的串口中斷邏輯及無線射頻模塊的耗電功能，實(shí)現(xiàn)了最大程度的節(jié)能降耗。

在啟動(dòng)了節(jié)點(diǎn)，完成任務(wù)之后，就會(huì)進(jìn)入到節(jié)能模式，在該模式下，監(jiān)控中心訪問節(jié)點(diǎn)，必須經(jīng)過無線射頻模塊激起節(jié)點(diǎn)中的微處理器，使其進(jìn)入到工作模式狀態(tài)。

2.聲音傳感器的硬件設(shè)計(jì)

ATMEL公司所生產(chǎn)的CMOS系列中的AT89C52是一個(gè)FLASH只讀程序存儲(chǔ)器，它內(nèi)含了256字節(jié)的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，8位單片機(jī)片，32個(gè)I/O，3個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。AT89C52包含一個(gè)全雙工串行通信口，一個(gè)6向量的兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路等。AT89C52可以實(shí)現(xiàn)0Hz的靜態(tài)邏輯操作，支持兩種以上軟件的低電量操作模式。在電腦不工作的狀態(tài)下，僅僅允許RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作，而自動(dòng)停止CPU處理器的工作，實(shí)現(xiàn)了低功耗。

2.1 顯示模塊

在顯示設(shè)備方面，選用LCD 1602字符的液晶顯示模塊，該種型號(hào)是一種具有5*7點(diǎn)陣模塊的字符顯示器，它可以實(shí)現(xiàn)2行16字符的圖像顯示。如在第一行顯示出“設(shè)計(jì)滴數(shù)/分鐘：* * *”，而在第二行可以顯示出“實(shí)時(shí)滴數(shù)/分鐘：* * *”，實(shí)時(shí)滴數(shù)的參數(shù)是由按鍵輸入的。

2.2 按鍵模塊

按鍵模塊所具有的功能主要在于使用快捷鍵盤達(dá)到快速發(fā)出指令并操作處理的目的。分別用一個(gè)按鍵設(shè)定啟動(dòng)和暫停功能，使用兩個(gè)按鍵進(jìn)行滴速的設(shè)計(jì)。若I/O口資源豐富，可以把4個(gè)按鍵直接設(shè)計(jì)安裝在單片機(jī)I/O口徑上面。

2.3 泵驅(qū)動(dòng)模塊

之所以要選用泵驅(qū)動(dòng)模塊，是由于輸液需要準(zhǔn)確、可靠的操作過程，而步進(jìn)電機(jī)則恰好滿足了這一需求，它可以實(shí)現(xiàn)電脈沖信號(hào)的角位移性轉(zhuǎn)換。脈沖的數(shù)量和頻率決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)速和停止的位置，因而，電機(jī)的準(zhǔn)確定位，可以通過對(duì)于脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行控制的方式來實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。

泵動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)方案能夠根據(jù)按鍵的設(shè)定進(jìn)行滴數(shù)/分鐘的設(shè)定，將參數(shù)范圍設(shè)定為30-40，40-50，50-60，60-70滴/分鐘，在這個(gè)大的范圍值內(nèi)，根據(jù)所屬范圍控制脈沖的個(gè)數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角位移的控制。

2.4 聲音監(jiān)測(cè)模塊

LM393芯片組成了該模塊的集成電路重要構(gòu)建，并與駐極體話筒共同構(gòu)成了該模塊的核心成分，是由單路信號(hào)輸出指示系統(tǒng)完成的。聲音監(jiān)測(cè)模塊的額定工作電壓是直流電4-6v，由于在有效輸出信號(hào)端口所使用的是低電平，因而可以將其直接與單片機(jī)的PI`O端口相連接。在啟動(dòng)定時(shí)器時(shí)，可以檢測(cè)出一分鐘內(nèi)的滴速和液滴數(shù)量，由顯示模塊中的顯示屏輸出所得的數(shù)據(jù)。在有聲音的情況下，輸出低電平，模塊的指示燈發(fā)亮。該模塊具有功耗低、體積小、使用方便的優(yōu)勢(shì)。

3.結(jié)語

單片機(jī)的使用，實(shí)現(xiàn)了毛菲式滴管輸液的人性化設(shè)計(jì)，在很大程度上降低了工作人員的任務(wù)量，節(jié)約了人力資源成本，并且該設(shè)備本身具有體積小、造價(jià)低廉、易于操作的優(yōu)勢(shì)，因而，得到了廣泛的應(yīng)用和普及。單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)實(shí)施的輸液速度的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)輸液過程的精確化和自動(dòng)化，因而在臨床應(yīng)用方面具有光明的發(fā)展前景。

[1]代慶瑜,季振洲.聲音傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2006(13).

[2]趙琦,陳佳品,陳凱,宋葉波.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的聲音識(shí)別與定位[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2010(07).

[3]丁玉寶,孫加會(huì).計(jì)算機(jī)在醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用[J].中國醫(yī)療前沿,2009(06).

[4]張明,于雯斐,許乃文.聲音傳感器在醫(yī)療設(shè)備中的創(chuàng)新性應(yīng)用[J].科技與企業(yè),2011(09).

[5]郝華麗.光纖觸覺傳感器的研究[D].大連理工大學(xué),2012.

[6]趙廣濤,程蔭杭.基于超聲波傳感器的測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2005,1:129-130.