基于RFID的模擬聽診系統(tǒng)設計與研究

趙佳 昝程 李立 李玉紅

摘要：心肺聽診是臨床醫(yī)生和醫(yī)學相關專業(yè)學生必須掌握的基本實踐技能。傳統(tǒng)的描述講授法，不夠直觀。各高?；蜥t(yī)院引入的模擬聽診教具，使用起來有局限性、易損壞且價格昂貴。針對以上問題，本文設計并開發(fā)出基于RFID的模擬聽診系統(tǒng)，使用單片機和射頻識別傳感器，結合程序設計，對聽診過程進行仿真，將臨床聽診技術教學模式，向虛擬仿真教學模式轉變。

關鍵詞：聽診;51單片機;RFID

中圖分類號：TP391.44 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）07-0143-03

0 引言

心肺聽診是醫(yī)學相關專業(yè)學生的必修內(nèi)容，也是臨床大夫的必備技能。在醫(yī)學院校的診斷學課程中，心臟檢查和心臟聽診是教學中的重點和難點[1]，關于聽診教學，如果教師授課時僅通過語言來描述聽診音，有可能存在一系列問題，教師語言描述不夠直觀、學生訓練機會較少、師生不能同步進行等[2]。采用電子聽診器輔助教學可提高學生成績，縮短床旁示教時間[3]，但是聲音信號的真實性還有待提高。為了提高教學質量，教學部門會購置心肺聽診相關教具，如電腦模擬人系統(tǒng)，學生可用電磁聽診器進行聽診[4]，提高了學生自學和練習的積極性。而且電腦模擬人系統(tǒng)還可提供陽性特征，此體征在臨床中不常見到，這樣提高了學生的學習興趣[5-6]，但是電腦模擬人系統(tǒng)的心肺聽診部份聲音信號有失真現(xiàn)象[7]，且功能有限，價格昂貴，故難以廣泛應用。

針對以上問題，本文使用單片機、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）傳感器、MP3、SD卡（Secure Digital Memory Card，安全數(shù)字存儲卡）和IC卡（Integrated Circuit Card，集成電路卡），結合c語言程序設計，開發(fā)了一種模擬聽診系統(tǒng)。在醫(yī)學高等院校的臨床技能實踐教學中[8]，使用本系統(tǒng)，可以使學生直觀的感受到聽診的過程，還可反復訓練，從而掌握聽診這項技能。

基于RFID的模擬聽診系統(tǒng)是在橡膠模擬人身體的聽診區(qū)部分（如肺動脈瓣聽診區(qū)）安裝不同編號的芯片，在聽診系統(tǒng)的傳導部分裝入MP3模塊和單片機，在聽診系統(tǒng)的拾音部分裝入RFID傳感器，在聽診系統(tǒng)的聽音部分裝入音頻信號，通過程序來控制各模塊之間的通信。使用此系統(tǒng)聽診時，當系統(tǒng)的拾音部分靠近模擬人身體的聽診區(qū)時，在聽音部分可以聽到相應的音頻信號，使用者根據(jù)所學的理論知識，對剛才的聽診過程進行判斷，從而得出結論，完成治療過程。

1 系統(tǒng)設計

基于RFID的模擬聽診系統(tǒng)主要由四部分組成，分別是主機單元、感知單元、應用單元和擴展單元。其中主機單元為51單片機，感知單元為RFID模塊，應用單元包括MP3模塊，SD卡（Secure Digital Memory Card，安全數(shù)字存儲卡）和IC卡（Integrated Circuit Card，集成電路卡），擴展單元為電源模塊。

系統(tǒng)中的51單片機模塊采用+5v電源供電，使用異步串行通訊模式，通過TXD腳向RFID模塊發(fā)送消息，通過RXD引腳接收來自RFID模塊的信息，通過通用輸入輸出端口（I/0端口）的電平值的變化來改變與MP3模塊相連的直接觸發(fā)端口的電平值。

RFID模塊采用+5v電源供電，通過TXD引腳和RXD引腳和單片機進行通信，設定為自動尋卡，讀卡范圍在6cm左右，當卡片接近到天線區(qū)，SIGN引腳會呈現(xiàn)低電平。

MP3模塊采用+5v電源供電，喇叭參數(shù)為0-2瓦4-8歐（音量可調(diào)），支持最大內(nèi)存為16G。此模塊的A1-A9這9根排針是9個直接觸發(fā)端口。模塊有單鍵觸發(fā)和編碼觸發(fā)兩種觸發(fā)模式，在單鍵觸發(fā)模式下，9個端口同時對應9個音頻新號，先放入SD卡的為第一個，接下來放入的是第二個，以此類推。模塊觸發(fā)方式為，只要向觸發(fā)端口提供1個低電平，即播放該端口對應的音頻新號，例如A1口，如果向A1口輸入1個低電平，則MP3立刻播放第一個放入的音頻新號。在編碼觸發(fā)模式可觸發(fā)31個音頻新號。具體觸發(fā)方式為：在給模塊上電之前，先把A10接地，這樣在上電后就切換為編碼模式。其中A1-A5為編碼端口，為二進制編碼方式，A1為第一位。例如當A1A2A3A4A5對應電平為01111時，播放第一個音頻新號。本系統(tǒng)中采用單鍵觸發(fā)模式。

主機單元的51單片機是通過感知單元RFID模塊來判斷IC卡的接近情況。若有IC卡接近，RFID模塊SIGN引腳的電平值會發(fā)生變化，然后RFID模塊讀取IC卡的編號，并通過TXD引腳向單片機發(fā)送消息，通過RXD引腳將接收單片機發(fā)來的信息。單片機收到RFID模塊發(fā)送的消息后，改變I/0端口的電平值，由于I/0端口與MP3模塊相連，則MP3模塊接收到單片機傳遞的數(shù)據(jù)，按照MP3模塊之前設定的觸發(fā)方式，播放安裝在MP3模塊中的SD卡指定的音頻信號。各模塊的通信及數(shù)據(jù)傳輸由軟件程序完成。

2 系統(tǒng)實施

基于RFID的模擬聽診系統(tǒng)，單片機、RFID模塊和MP3模塊連接如圖1所示。

單片機首先進行初始化，設置波特率、通信模式等參數(shù)，開啟總中斷，并將與MP3模塊相連的各引腳設為高電平。然后通過監(jiān)測與RFID模塊相連的P0.0引腳的值，來感知是否有卡接近，若無卡接近，繼續(xù)監(jiān)測，若有卡接近，則SIGN引腳出現(xiàn)低電平，告知單片機IC卡的存在，并將IC卡的內(nèi)容發(fā)送給單片機，單片機判斷此IC卡的編號，并通過I/0端口給MP3模塊的對應觸發(fā)端口提供一個低電平，MP3模塊根據(jù)單片機提供的電平信號和設定好的觸發(fā)方式，判斷需要播放音頻的編號，并播放SD卡中的指定編號的音頻。

系統(tǒng)測試：我們在MP3模塊的SD卡中存入若干個心音和心臟雜音的信號，如第一個是正常心音，第二個是竇性心律不齊。然后準備兩張IC卡，第一張編號為1，對應正常心音信號，第二張編號為2，對應竇性心律不齊信號。接下來開始系統(tǒng)測試，拿第一張卡接近RFID模塊，則在聽音部分能聽到正常心音。IC卡移出RFID的讀卡范圍后，聲音信號消失。用第二張卡接近RFID模塊時，在聽音部分能聽到竇性心律不齊的信號。IC卡移走，聲音信號消失。此時證明系統(tǒng)基本功能實現(xiàn)。

3 結語

基于RFID的模擬聽診系統(tǒng)能夠模擬基本的心肺聽診過程，實施起來簡單直接，可應用于醫(yī)學高等院校的臨床技能實踐教學中，不僅解決了傳統(tǒng)教學模式中出現(xiàn)的語言描述不直觀、學生訓練機會少等問題，還解決了通用教具使用的局限性問題，將臨床聽診技術教學模式，向虛擬仿真教學模式轉變。此系統(tǒng)應用于教學時，既可用于平時實驗課程教學，方便學生直觀體驗聽診過程，也可用于階段測試，判斷學生能否根據(jù)所學得出正確結論。系統(tǒng)成本較低，可減少教學部門采購支出，也可讓學生反復訓練，通過重復性操作加深理解，從而掌握聽診這項技能。

本系統(tǒng)只是將通信技術和計算機技術與醫(yī)學實驗結合的一個小想法，目前還不成熟，有很多不足之處，今后還會繼續(xù)完善，后續(xù)會考慮縮小RFID和IC卡體積，擴充心音和雜音信號種類，提高信號的真實性，解決不同部位信號不同等問題。希望能為相關科研工作者拋磚引玉，助力醫(yī)學科技創(chuàng)新，推進健康中國建設。

參考文獻

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