新型多功能智能聽診器的設(shè)計(jì)

臨沂大學(xué)汽車學(xué)院 馬西賀 王春梅 付 曉 李兆備

引言

為獲取人體或動(dòng)物體內(nèi)的重要的生物音，聽診器不失是一種科學(xué)有效的醫(yī)學(xué)儀器。自1816年法國醫(yī)生雷納克所發(fā)明以來，聽診器便普遍運(yùn)用于醫(yī)學(xué)方面，對心臟、腸胃等方面疾病的判斷與治療有顯著成果。聽診器可分為聲學(xué)聽診器與數(shù)字聽診器，兩種聽診器的主要功能都是為得到心臟和肺部的有效聲音信號。據(jù)了解，聲學(xué)聽診器自1816年誕生以來已被廣泛應(yīng)用，而近期開發(fā)出來的新型設(shè)備——數(shù)字聽診器因其優(yōu)良的性能也漸漸被人熟知。筆者設(shè)計(jì)的數(shù)字聽診器在使用中不僅保留了聲學(xué)聽診器的原有優(yōu)點(diǎn)，而且極大的提高了對微弱聲音信號檢測的能力。在反復(fù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上筆者還開發(fā)了供多人監(jiān)診并能準(zhǔn)確高效的記錄、儲存、顯示和進(jìn)行縱向與橫向客觀比較功能。

該聽診器具有如下特色：（1）可以輕易捕捉到人體內(nèi)部器官發(fā)出的一些非常重要的聲音，如在醫(yī)學(xué)上通常用來聽診人體的心臟，脈搏等器官發(fā)出的微弱聲音；（2）在監(jiān)測基本的身體特征方面更為廣泛使用。例如在進(jìn)行血壓測量時(shí)放大脈搏跳動(dòng)發(fā)出的聲音，極利于醫(yī)生的準(zhǔn)確診斷；（3）在心血管方面，不僅用來聽成人的心率，心音，血管雜音，也可以用來聽診胎兒發(fā)出的微弱心音。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路如圖1所示，智能聽診器探頭將人體的心音、呼吸音等生理聲信號準(zhǔn)確采集出來，通過轉(zhuǎn)換電路模塊變成原始的電信號。將原始信號經(jīng)初級放大后輸入到濾波模塊，以便可以得到清晰的心音效果。經(jīng)過濾波模塊對信號進(jìn)行濾波和去噪聲處理后，微弱心音信號將被進(jìn)一步送入主放大模塊進(jìn)行放大處理。在主放大模塊中，模擬信號分兩路，一路送入功率放大模塊，處理后的信號將用于驅(qū)動(dòng)耳機(jī)或音響。另一路則送入主控模塊，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路模塊處理后轉(zhuǎn)換為易懂的數(shù)字信號，并且經(jīng)過單片機(jī)送入液晶模塊進(jìn)行波形顯示，電源由電池組以及穩(wěn)壓電路構(gòu)成，負(fù)責(zé)對各個(gè)模塊提供電能。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

2 電子聽診器硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 拾音頭的制作

最終決定本智能電子聽診器信號鏈路是否滿足實(shí)用要求的關(guān)鍵是聲學(xué)傳感器能否將聲音轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號。這要求拾音器 MIC 的制作要盡量的簡單可靠，筆者在對國內(nèi)外眾多拾音頭進(jìn)行測試后，決定采用在普通的老式聽診器的基礎(chǔ)上加裝超小型駐極體話筒的方式對心音進(jìn)行提取。具體做法如下：將一只傳統(tǒng)聽診器的聽管取下并向橡皮管擠壓入一只1/4英寸直徑的超小型駐極體話筒。考慮到駐極體話筒產(chǎn)生的微弱信號易受到外界噪聲的干擾我們可選用屏蔽電纜接到電路中的MIC處。由于話筒封裝在膠管中，此振動(dòng)通過在密閉空間的空氣可以不受外界干擾地傳到話筒，心音不易失真，靈敏度較高。

圖2 拾音頭

2.2 心音模擬電路的設(shè)計(jì)

2.2.1 μA741構(gòu)成的心音前置放大電路

圖3中SENSOR是駐極體電容式傳聲器，+9V電源經(jīng)過 10k限流電阻和470pf去耦電容和給駐極體提供電能；為避免電路中直流噪聲的影響，同時(shí)為耦合拾音頭產(chǎn)生的交流小信號以便傳送給后面的運(yùn)算放大器進(jìn)行電壓放大，需要在電路中串連一個(gè)473pf的電容[2]；其中要改變交流信號的放大倍數(shù)只需改變R5和R6的比值可參式3-1；詳細(xì)心音前置放大電路如圖3所示。

圖3 前置放大電路圖

2.2.2 濾波電路

考慮到聽診器實(shí)際應(yīng)用的環(huán)境拾音器檢測出的心音信號必然會含有很多噪聲。為了得到比較純正的心音信號，必須設(shè)法去除這些噪聲，以保證心音最大程度的不失真。經(jīng)過對大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，我們發(fā)現(xiàn)心音的有效頻帶主要集中在20Hz自400Hz之間，肺音的有效頻帶集中在100Hz至1200Hz。因此數(shù)字聽診器只需對心音和呼吸音的有效頻帶保持較高的靈敏度即可。而在信號放大的同時(shí)可將頻率將頻率較高的噪聲信號直接濾除，從而提高系統(tǒng)的抗干擾的能力。本設(shè)計(jì)中采用集成運(yùn)放μA741構(gòu)成低通濾波器構(gòu)成合適的濾波電路[3]。

為給出實(shí)際心音的濾波電路，我們將先闡述構(gòu)造低通濾波器的原理。

其歸一化的傳輸函數(shù)：

通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)：

濾波器的截止角頻率：

圖4 低通濾波電路

我們將主放大電路置于低通濾波電路之后主要考慮到這時(shí)的信號雖然較為純潔但并不滿足功放要求，因此需進(jìn)一步放大。同時(shí)也盡可能地減小了噪聲對信號的影響[4]所用芯片依然為μA741。

圖5 主放大電路

2.2.3 功率放大電路

為更好地實(shí)現(xiàn)對心音的聽診的目的，以幫助醫(yī)生快速準(zhǔn)確的診斷病人病情。心音可視智能電子聽診器還必須具備心音外放的功能，然而心音信號經(jīng)過主放大模塊后電壓幅值雖然已經(jīng)得到較大幅度的提升，但它的功率對驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器仍然較小。為此我們又設(shè)計(jì)了功率放大電路，如圖6所示。

因?yàn)長M386的輸入信號中不可以有直流分量所以我們必須要加一個(gè)隔直電容，如圖電容C23；調(diào)節(jié)音量的大小可通過對變電阻680K的改變來實(shí)現(xiàn)。

圖6 功率放大電路

2.3 波形顯示電路

多數(shù)數(shù)字聽診器配置的顯示器大多較小，而筆者設(shè)計(jì)的新型聽診器為向醫(yī)生提供較清晰地圖像信息而選用12864液晶作為顯示器；這款顯示器操作簡單，易于通過單片機(jī)對圖像進(jìn)行控制。在單片機(jī)的編程過程中只要利用簡單的位操作命令對它置位就可實(shí)現(xiàn)繪點(diǎn)。

3 電子聽診器系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本章主要介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的軟件設(shè)計(jì)部分。ARM Cortex—M4處理器是由ARM公司專門開發(fā)的用于信號控制市場的嵌入式處理器，滿足了對于效率，易用以及控制和信號混合特性的應(yīng)用需求。作為一款高性能處理器[5]，Cor t ex—M4為開發(fā)者提供諸多好處。

本系統(tǒng)中的程序設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工作流程圖如圖7所示：

圖7 系統(tǒng)工作流程圖

4 結(jié)論

這種新型多功能電子聽診器雖然選用常規(guī)器件，但實(shí)現(xiàn)了保持聲學(xué)聽診器的外觀和感覺的基本目標(biāo)，發(fā)揮出數(shù)字聽診器對微弱聲音信號的檢測能力。筆者設(shè)計(jì)的這款數(shù)字聽診器還結(jié)合實(shí)際的醫(yī)務(wù)應(yīng)用需要設(shè)計(jì)了一些新功能，例如：可對聲音信號進(jìn)行錄音和回放。并在反復(fù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上開發(fā)了供多人監(jiān)診并能準(zhǔn)確高效的記錄、儲存、顯示和進(jìn)行縱向與橫向客觀比較功能。

[1]郭穎.簡易電子聽診器.西南科技大學(xué)學(xué)報(bào)[J].四川:2003.18(1):35-38.

[2]籍順心.一種可用于強(qiáng)噪聲環(huán)境的有源聽診器.聲學(xué)學(xué)報(bào)[J].北京:2007(4):382-384.

[3]華成英,童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2001(3):243-266.

[4]沈雷鳴.新型電子聽診器.護(hù)理學(xué)雜志[J].北京:2005.4.20(8):13-15.

[5]裴仁清,黃偉,程志華.濾波電路原理.自動(dòng)化儀表[J].北京:2001(10):165-181.