1 引言
医学模拟教学是指运用医学教学模型、多媒体仿真病人、标准化病人等模拟教学方式对医学生进行医学基本技能训练。
最早的医学模拟教学源于解剖学，经过长时间的发展，从传统的基础解剖模型和局部功能训练模型，逐渐发展到现在的计算机辅助训练模型、虚拟显示和触觉感知模型以及生理驱动模拟系统等。现代医学模拟教学改变了传统的教学模式，提供了一个安全的教学环境，培养敏捷、正确的临床思维，从而减少在临床实践中发生的医疗事故和纠纷。
2 系统概述
本系统的任务是对于母体分娩过程中的医学参数进行量化，针对不同的病理特征或不同的参量改变，实现波形显示的随动。通过本套医学模拟系统，提高医学学生临床观察能力和急救能力。本系统具备软硬件结合的特点，硬件方面，可通过医学模型模拟实现母体分娩至婴儿产生的全过程；软件方面，依靠上位机的显示界面，完成胎儿心率FHR 和子宫动脉UA 的实时显示。
整套软硬件系统是由模拟母体模型、模拟婴儿模型、模拟电子分娩系统及上位机同步教学演示软件构成的综合性模拟教学训练平台。模拟母体模型和模拟婴儿模型由厂家提供实体模型；模拟电子分娩系统是由硬件电路系统，包括腹腔内滑道及推动电机等，上位机同步教学演示软件的功能是将模拟人体内各个数据通过传感器采集，传递到上位机进行数据处理，通过上位机上的软件界面，完成一系列的分娩及急救模拟训练。在此将主要对硬件系统结构的开发进行阐述。
3 系统组成
3.1 系统结构
本系统所开发的整体系统———智能网络分娩及急救教学系统，应用于医学模拟教学当中，是一个软硬件结合的系统，临床应用性非常强。从系统结构上主要分为模型人、控制箱和上位机端3 部分。
系统整体结构图如图1 所示。

图1 硬件结构框图
3.2 模型人
模型人是客户进行实验操作的平台，是由专门的生产医学模型的厂家来设计完成的。在本套硬件设备中，模型病人主要包括3 个人型个体：产妇模拟人、模拟胎儿、模拟婴儿，如图2 所示。

图2 医学模型病人
产妇模拟人是真实临产妇女的模型，其腹腔是可以打开的，在内部可以放置模拟胎儿，并且从其腹腔到产道有一套由控制箱控制的模拟分娩滑轨，其结构由滑轨、传动电机、数据传输控制接口组成。
当上位机端用户发出分娩命令时，通过控制箱中的凌阳微控制器SPCE061A 形成具体指令，再由控制箱与模拟产妇的连接接口将控制指令传送给模拟产妇，此时，在产妇模拟人腹腔内的模拟分娩滑轨就由其具体结构中的传动电机带动，完成整个分娩过程的演示。在分娩演示过程中，产妇模拟人自身的体征参数以及由各种病变可能产生的参数变化，可以从上位机端的数据库中导入，或由上位机端的参数控制界面输入，便于医学临床观察和模拟教学，实现了分娩教学和急救教学等功能。
产妇模拟人的胸、腹部安置了各种传感器来表征其生理信号，这些生理信号主要分为开关量信号、胎儿分娩控制信号、CPR 模拟量信号、声音信号等。其传感设计如图3 所示。

图3 模拟人的生理传感信号设计
模拟胎儿主要是配合产妇模拟人来使用的，共同完成分娩教学的演示及临床操作任务。
在分娩教学的演示任务中，模拟胎儿由产妇模拟人腹腔放入产妇体内，在上位机传送分娩命令，并由控制箱发出具体指令后，在模拟分娩滑道的作用下，按照医学生理状况逐步被推送出产妇模拟人的产道，完成整个分娩操作。
在临床操作上，分娩过程中的模拟胎儿也会有各种生理状况和由各种病变导致的体征参数变化，这些变化同样可以从上位机端的数据库中导入，或由上位机端的参数控制界面输入。
模拟婴儿是指分娩过程完成以后，模拟胎儿的各种体征的基本参数变化，形成新的模拟人个体，其监护状况同样在分娩教学研究范围内。
在智能网络版分娩及急救系统的教学是本套系统的一个重点，也是重要的临床医学学习过程之一。模拟临床分娩的操作过程中，监控的参数有很多，如呼吸、体温、血压等等。
在模拟临床分娩教学过程中所监控的众多参数中的其中两个，即母体子宫的宫缩（UA， Uterine Artery） 以及胎儿心率（FHR，Fetal Heart Rate）。在上位机端的虚拟胎儿监护仪模块中，这两个参数的波形是必须要实时观察的，这也是临床分娩手术要观察的重要波形。虚拟胎儿监护仪系统，就是将硬件中的这两个参数进行重点观察，除了波形显示之外，还能够通过病例载入或参数界面的调整，模拟出各种不同的病理状态，可以导致对应的波形变化，使医学教学或培训内容更加丰富，完善了医学临床教学。
3.3 控制箱
控制箱即负责采集模型人生理体征信号进行初级的处理后通过USB （或串口RS3232） 发送至PC 机上，同时也负责接受PC 机发送的请求来对模型人的生理体征进行控制。如图4 所示即为控制箱的实物图。

图4 控制箱
控制箱不仅是沟通上位机与模拟人的桥梁，而且它具备了丰富的硬件功能。控制箱与上位机之间的数据传输采用串口和USB 两种方式。对于串口数据通信来说，使用基于RS232 的常见串口设备进行传输；USB 电路主要用于PC 机接收器与上位机之间的数据传输。
在本系统中，采用16 位μ’nSPTM 微控制器SPCE061A作为主控制器。负责处理上位机发来的操作请求，同时也负责处理模拟人的各类生理信号的传输与控制。这些生理信号通过MPX2010 压力传感器的模拟量采集，如图5 所示为主要设计电路。

图5 生理信号采集电路图
该款凌阳单片机SPCE061A 同时还负责模拟人的开关数字量采集，如图6 所示即为开关数字量采集电路基本结构。

图6 开关数字量采集电路结构
在智能网络版分娩及急救系统中，控制箱处于模拟人与上位机之间，负责通信、模拟量数字量采集以及数据处理等功能。虚拟胎儿监护仪的生理特征现场信号采集就是通过控制箱与模拟人的通信接口获得的，这样在上位机的界面中，波形显示及变化才能贴近实际，模拟临床分娩才能让人感觉更真实、更易于操作。

图7 上位机功能框图
3.4 虚拟胎儿监护仪模块
上位机软件设计是整个系统的核心部分，上位机软件系统不仅负责对模型人生命体征的采集和参数控制处理，还负责拟合人体生命特征信号动态曲线、设计人体生命体征监护仪、设计胎儿监护仪、设置人体生命体征、管理人体生命体征库、编辑急救仿真过程、编辑胎儿分娩仿真过程、对CPR仿真进行监测评估、心脏复苏术仿真以及网络互动教学的多种功能。图7 所示即为上位机界面控制下的各个功能模块。
虚拟胎儿监护仪部分，从属于上位机端，是上位机端的重要模块，通过现场数据量的采集，或参数控制界面、病例输入，控制FHR 和UA 波形进行随动变化。
虚拟胎儿监护仪部分的主要工作是软件程序设计和界面开发，以及在此基础上的波形拟合方法。虚拟胎儿监护仪模块涉及到的功能模块还有体征编辑模块、模拟病程模块、记录与治疗功能模块等。通过网络功能模块，还可以实现多台系统连成的交互式课堂型教学网络，更加便于现代医学教学应用。

图8 树形网络临床医学教学
3.5 上位机网络功能模块
上位机网络功能树形结构如图8 所示。
网络教学作为现代信息技术与教学实践科学结合的一种新的教学形态，不仅从手段和形式上改变了传统教学，更从观念、过程、方法以及师生角色诸多深层方面赋予教学以新的含义。对于本系统来说，鉴于IPX/SPX 协议的落伍，使用基于IPv4 协议下的TCP/IP 协议实现上位机的网络功能。通过教师机与多台学生机的联网，对于上位机各模块的临床操作方法，教师都可以通过广播的形式加以演示，并且可以随时与学生沟通。本系统增加的上位机网络功能模块，提高了教学的互动性，以及学生学习临床知识的积极性，激发了学习兴趣。对于研发医学模拟教学的功能拓展，也是一次非常有意义的尝试。
4 结语
硬件系统是整套智能分娩及急救教学系统的基础，也是虚拟胎儿监护仪的设备根本形式。本套硬件系统包括模型人、控制箱、上位机、通信接口设计、单片机核心电路以及电磁兼容性设计等问题。对于医学模拟教学的发展，有着积极的现实意义。