基于聽診音頻譜分析的數(shù)字聽診系統(tǒng)設(shè)計*

曹 楊，徐子軒，張佳斌，虞致國，顧曉峰

(輕工過程先進控制教育部重點實驗室，江南大學電子工程系，江蘇無錫214122)

聽診是醫(yī)學診療中的一種重要檢測方法，一般使用聽診器放大聽診音。但傳統(tǒng)聽診過程中存在環(huán)境噪聲的影響，且主觀經(jīng)驗依賴度高，無法直觀精確地給出定量化的聽診結(jié)果。隨著現(xiàn)代醫(yī)療器械技術(shù)的發(fā)展，患者對傳統(tǒng)聽診的效果逐漸失去信心，醫(yī)患雙方往往更傾向于借助各種大型精密醫(yī)療設(shè)備來輔助診治［1］。

文中提出一種基于聽診音頻譜分析的數(shù)字聽診系統(tǒng)，在結(jié)合聲音傳感器和電子技術(shù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對聽診音頻譜的精確定量分析，可為科學直觀地聽診預判提供幫助［2］。與其他大型醫(yī)療診斷輔助工具相比，基于本聽診系統(tǒng)的數(shù)字聽診器具有體積小、價格低、可靠性高等優(yōu)勢，并可為實現(xiàn)遠距在宅聽診、遠距多方會診、建立全民人體器官音頻頻譜庫等智能醫(yī)療解決方案提供幫助。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

設(shè)計的數(shù)字聽診系統(tǒng)首先通過基于微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制作的硅麥克風傳感器接收來自人體器官的聲音，然后對信號進行放大、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并進行處理，最后生成詳細精確的音頻譜分析報告［3］。其中，針對不同器官的聽診需配置合適的濾波參數(shù)，去除環(huán)境及其他器官音頻的干擾。醫(yī)生通過一個可插入耳機孔的數(shù)模轉(zhuǎn)換器聽取患者器官的聲音，該轉(zhuǎn)換器將聲音模擬信號轉(zhuǎn)換成可供軟件處理的數(shù)字數(shù)據(jù)，傳入計算機相應(yīng)軟件，完成聽診音的分析與診斷。

基于上述流程，數(shù)字聽診系統(tǒng)設(shè)計如下:首先進行聽診音信息采集，利用內(nèi)置硅麥克風傳感器的聽診頭獲取人體器官的音頻信號［4］;其次，通過模擬濾波放大電路對采集的音頻小信號進行放大及濾波處理，將濾波后的信號通過A/D轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字信號，并傳送至專用集成電路(ASIC)芯片進行處理;考慮到不同器官病變時音頻頻譜發(fā)生的變化，設(shè)計了一個可判斷聽診音是否正常的算法，提取相應(yīng)的特征頻譜并保存于最后一級的隨機存儲單元(RAM)中;最后，輸出或顯示保存在RAM中的特征頻譜數(shù)據(jù)供定量分析。

圖1為設(shè)計的數(shù)字聽診系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。音頻信號采樣模塊采集音頻小信號，將體積小、靈敏度高的硅麥克風傳感器連接到后續(xù)模擬電路。模擬信號處理模塊連接音頻信號采樣端，經(jīng)運算放大和低通濾波電路處理后，將音頻信號通過ADC模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)字信號處理(DSP)單元采用ASIC實現(xiàn)［5］，根據(jù)人體不同部位的聽診音頻信號靈活配置濾波系數(shù)，輔以音頻頻譜分析技術(shù)，生成數(shù)據(jù)文件并通過終端設(shè)備輸出。

圖1 數(shù)字聽診系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 模擬信號處理模塊設(shè)計

圖2為數(shù)字聽診系統(tǒng)中模擬信號處理模塊的電路圖。其中，硅麥克風(Microphone)傳感器的1腳和電容C1相連，用以去除傳感器輸出的直流偏置;運算放大器的負輸入端接參考電壓，可靈活配置運放的輸出直流偏置電壓;電阻Rf和R1構(gòu)成運放閉環(huán)反饋電路，放大倍數(shù)為-Rf/R1;為實現(xiàn)ADC的抗混疊特性(根據(jù)奈奎斯特定律采樣頻率至少是原始數(shù)據(jù)最大頻率的兩倍)，R2、C2組成無源低通濾波電路，其截止頻率f1=1/2π(R2C2);最后經(jīng)R2將模擬信號送至德州儀器(TI)公司的8 bit半閃速結(jié)構(gòu)ADC TLC5510，生成對應(yīng)的8 bit數(shù)字信號［6］。TLC5510采用CMOS工藝制造，可提供最小20 Msample/s的采樣率，參考電壓為0.6 V～2.6 V，電源電壓為5 V。

圖2 模擬信號處理電路圖

3 數(shù)字信號處理模塊設(shè)計

數(shù)字信號處理模塊采用ASIC實現(xiàn)，包括數(shù)字聽診系統(tǒng)的模式選擇模塊、頻譜數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、系統(tǒng)主狀態(tài)控制模塊、快速傅里葉變換(FFT)核心運算模塊、頻譜篩選核心運算模塊及Flash存儲器等功能模塊。

3.1 模式選擇模塊

人體器官(心、肺、腸等)發(fā)出的音頻范圍大部分均在人耳能分辨的中低頻段，但不同器官的音頻范圍不同，如心音為0～600 Hz，肺音為100 Hz～1 500 Hz，腸音為20 Hz～1 500 Hz。模式選擇模塊可根據(jù)不同輸入模式(MOD管腳)生成相應(yīng)的數(shù)字濾波器帶通/低通濾波系數(shù)。根據(jù)線性系統(tǒng)理論，在某種適度條件下輸入到線性系統(tǒng)的某個沖擊可完全表征系統(tǒng)，在有限離散數(shù)據(jù)的處理中，線性系統(tǒng)響應(yīng)同樣有限［7］。當線性系統(tǒng)只是一個空間濾波器時，通過觀察它對沖擊的響應(yīng)，就可確定對應(yīng)的有限沖擊響應(yīng)(Finite Impulse Response，F(xiàn)IR)濾波器［8］。本設(shè)計中的Fir_v模塊可通過不同的模式選擇模塊配置相應(yīng)的FIR濾波系數(shù)，靈活處理輸入數(shù)據(jù)，提高抗干擾和精確分析的能力。

以腸音為例，在MATLAB中生成帶通10階FIR數(shù)字濾波器，帶通截止頻率fp=1 500 Hz，采樣頻率fs=5 000 Hz，采樣點數(shù)N=10，截止頻率Wn=fp/5 000 ×2，系數(shù)向量b=fir1(N，Wn)，離散系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性由函數(shù) freqz(b，1，256，fs)得到［9］。

模式選擇模塊的理想FIR幅頻、相頻響應(yīng)如圖3所示?？梢钥闯?，2 000 Hz處頻率響應(yīng)為-22 dB，生成的濾波系數(shù)如下:0.0000 1.6254 -3.1746-8.1648 35.3303 76.7674 35.3303 -8.1648 -3.1746 1.6254 0.0000。系統(tǒng)開機后，將濾波系數(shù)存于Flash模塊中，根據(jù)模式選擇調(diào)用不同的濾波系數(shù)。

3.2 FFT核心運算模塊

FFT核心運算模塊中的數(shù)據(jù)通過radix4_256點FFT單元，對由前級Fir_v模塊濾波處理過的數(shù)字音頻信號作傅里葉變換，進行頻譜特性分析［10］。圖4給出了FFT和頻譜篩選核心運算模塊的原理圖。將CLK與ADC的采樣時鐘頻率匹配，確保數(shù)據(jù)正確連接，實部輸入引腳與Fir_v的輸出相連，虛部輸入引腳接地(因為采樣的時序音頻信號并無虛部)，其他控制端口同系統(tǒng)主狀態(tài)控制模塊相連。FFT虛部(Iout)、實部(Qout)和FFT輸出使能信號(Outen)分別連到信號提取(Extract)模塊進行求幅值運算:

圖3 模式選擇模塊的理想FIR特性

得到時序信號對應(yīng)頻域中的頻率幅值，其中，DOI、DOR分別表示FFT變換結(jié)果的虛部和實部。當Extract模塊開始輸出結(jié)果時，通過輸出使能信號Dout_en控制頻譜篩選核心運算模塊的寫入。

圖4 FFT和頻譜篩選核心運算模塊原理圖

3.3 頻譜篩選核心運算模塊

頻譜篩選核心運算(Core Process)模塊為系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)輸入端同Extract模塊的數(shù)據(jù)輸出端相連，寫控制端口同樣連至Extract模塊的讀有效端口。在該模塊中，設(shè)置最大幅值(Qmax)、最大頻率(F)、特征頻段頻譜功率(P)、特征頻譜中四等分頻譜區(qū)間(Q1～Q4)等參考變量，輔助頻譜篩選程序決定是否將當前頻譜保存至下一級存儲單元中［11］。

在特征參數(shù)篩選算法中，由于FFT為256點算法，系統(tǒng)采樣頻率fs=5 000 Hz，頻譜的步進M=5 000/256≈19.5，系統(tǒng)重點關(guān)心的100 Hz～1 500 Hz頻率對應(yīng)的十進制地址為5～77。當?shù)刂返扔?時，將當前頻譜中P、fx、max 3個參數(shù)清零而保留全局參數(shù)F;為避免噪聲及無采樣信號時對系統(tǒng)篩選的影響，設(shè)定頻域數(shù)據(jù)最小有效閾值為16。該模塊在Verilog中的實現(xiàn)如下:

4 測試結(jié)果

對ASIC進行時序仿真，結(jié)果如圖5所示。nOE為低電平狀態(tài)，此時時域數(shù)據(jù)從ADC送至ASIC，function_en跳變?yōu)榈碗娖綘顟B(tài)，系統(tǒng)處于process狀態(tài);當時間處于150 ms時，fft_outen跳變?yōu)楦唠娖?，此時FFT開始向core_process模塊寫頻域數(shù)據(jù)，同時ampt_dout輸出頻譜擺幅;當時間至300 ms時，function_en跳變?yōu)楦唠娖剑到y(tǒng)處于發(fā)送狀態(tài)，nOE跳變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)，ADC停止輸出8 bit數(shù)字信號，read_en跳變?yōu)楦唠娖?，傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)，Qout開始密集發(fā)送串口數(shù)據(jù)，整個過程符合電路的設(shè)計要求。

圖5 ASIC時序仿真

采用輸入諧波為500 Hz和2 000 Hz的正弦波作測試信號進行功能驗證。系統(tǒng)通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至PC機，并通過MATLAB繪制數(shù)字聽診系統(tǒng)輸出的頻譜特性圖。系統(tǒng)實時信號測得的頻譜分析結(jié)果示于圖6?？梢钥闯?，當f=500 Hz時，幅度(n)驟升至100 dB左右，當f=2 000 Hz時，n并未出現(xiàn)明顯的跳變，表明系統(tǒng)正確識別了500 Hz的音頻信號，同時濾除了2 000 Hz的信號(衰減-22 dB)，符合數(shù)字聽診系統(tǒng)的設(shè)計要求。

圖6 數(shù)字聽診系統(tǒng)輸出的頻譜分析結(jié)果

文中設(shè)計的數(shù)字聽診器不僅操作簡單，而且很好地保持了傳統(tǒng)聽診器的外觀和感覺，易于上手;價格上雖然比傳統(tǒng)的聽診器略高，但相比使用其他大型精密器械進行診斷，大大降低了患者的醫(yī)療費用;同時很大程度地提高醫(yī)生對聽診音的檢測能力，并提供直觀科學的數(shù)據(jù)，顯示在外設(shè)顯示器上，也可保留聽診數(shù)據(jù)及圖表等供進一步的科學研究。數(shù)字聽診器的應(yīng)用增強了聽診結(jié)果的準確性及科學性，同時打消了患者心中的疑慮。

5 結(jié)論

基于聽診音頻譜分析設(shè)計并實現(xiàn)了一種精度高、噪聲小的數(shù)字聽診系統(tǒng)。音頻信號由硅麥克風接收，經(jīng)過信號放大、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，由ASIC芯片進行處理并生成定量的音頻譜分析報告?？舍槍θ梭w不同部位的聽診音頻信號進行了獨立的數(shù)字濾波去噪，提高了聽診系統(tǒng)抗干擾的能力。和傳統(tǒng)聽診主要依靠聽覺和經(jīng)驗進行診斷的方式相比，基于數(shù)字聽診系統(tǒng)輸出的聽診音頻譜分析結(jié)果更直觀精確，可為科學聽診預判提供幫助。

［1］曾昭耆.聽診的重要性［J］.中華全科醫(yī)師雜志，2011，10(10):766-768.

［2］杜金榜，王躍科.儀器儀表技術(shù)的發(fā)展趨向［J］.儀器儀表學報，2002，23(z3):228-230，236.

［3］韋建敏，楊永明，郭巧惠，等.基于FPGA的實時心電信號處理系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子器件，2005，28(3):581-583，588.

［4］Lee J，Je C H，Yang W S，et al.Thin MEMS Microphone Based on Package-Integrated Fabrication Process［J］.Electronics Letters，2012，48(14):866-867.

［5］Emmanuel B S.A Review of Signal Processing Techniques for Heart Sound Analysis in Clinical Diagnosis［J］.Journal of Medical Engineering and Technology，2012，36(5/6):303-307.

［6］丁英濤，李博，王竹萍，等.邊界層分離點實時數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.北京理工大學學報，2011，31(11):1332-1336.

［7］楊擁民，黎湘.離散線性系統(tǒng)部分可觀測性測試配置［J］.國防科技大學學報，2012，34(1):63-66

［8］謝海霞，孫志雄.可編程FIR濾波器的FPGA實現(xiàn)［J］.電子器件，2012，35(2):232-235.

［9］Tsao Y C，Choi K.Area-Efficient Parallel FIR Digital Filter Structures for Symmetric Convolutions Based on Fast FIR Algorithm［J］.IEEE Transactions on Very Large Scale Integration(VLSI)Systems，2012，20(2):366-371.

［10］陳智，王貴鋒，柳鶯，等.一種基于IP Core實現(xiàn)FFT變換的新方法［J］.自動化與儀器儀表，2012(2):163-164.

［11］馬俊，陳學煌.基于DSP的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2007，33(12):79-81，85.