穿戴式多導腸鳴音記錄儀的設(shè)計和實現(xiàn)

王國靜，王衛(wèi)東，余 雷

解放軍總醫(yī)院生物醫(yī)學工程研究室，北京市，100853

穿戴式多導腸鳴音記錄儀的設(shè)計和實現(xiàn)

【作 者】王國靜，王衛(wèi)東，余 雷

解放軍總醫(yī)院生物醫(yī)學工程研究室，北京市，100853

該文實現(xiàn)了穿戴式多導腸鳴音記錄儀，可以長時間連續(xù)采集并存儲5個通道的腸鳴音信號。文中還實測人體腸鳴音信號，驗證了該記錄儀的可用性。

腸鳴音；穿戴式；多通道；存儲

0 引言

腸鳴音是指腸子蠕動時，氣體和液體在腸管內(nèi)流動，產(chǎn)生了一種斷續(xù)的氣過水聲或者咕嚕聲。不同的腸鳴音能夠反映不同的生理狀態(tài)。但是腸鳴音信號不像心電信號那樣有規(guī)律，其具有信號弱、背景噪聲強、個體差異大以及隨機性強等特點[1]，所以數(shù)據(jù)處理分析相對難度較大，加之由于腸鳴音短時間內(nèi)出現(xiàn)的個數(shù)相對較少，為了能夠反映小腸的真實狀態(tài)，長時間、準確地監(jiān)測腸鳴音是有必要的。穿戴式設(shè)備是實現(xiàn)長時間數(shù)據(jù)監(jiān)測的有效實現(xiàn)方式。

目前的研究中，腸鳴音獲取方式有單通道[2]和多通道[3]兩種方式，多通道腸鳴音記錄儀能夠全方位監(jiān)測各個部位的腸鳴音信號，能夠更加全面真實地反映胃腸蠕動情況。本設(shè)計基于STM32L系列單片機實現(xiàn)了6路通道的數(shù)據(jù)采集，其中5路通道采集腸鳴音，1路通道采集環(huán)境噪聲，共同獲得高質(zhì)量、多部位的腸鳴音信號。為了實現(xiàn)穿戴式、便攜式，腸鳴音記錄儀采用的是體積小、性能高的MeMS麥克風實現(xiàn)聲音的拾取。

1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和原理

本設(shè)計是基于意法半導體推出的STM32L151單片機實現(xiàn)的，如圖1所示，6通道的MeMS麥克風將采集到的聲音信號通過二階有源低通濾波器進行濾波，再進行信號放大，放大后的6通道模擬信號經(jīng)過STM32L151的aDc進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存在本地的Micro SD卡。

圖1 腸鳴音記錄儀實現(xiàn)框圖Fig.1 Bowel sound recorder implementation block diagram

2 硬件實現(xiàn)

2.1 單片機模塊

本設(shè)計采用意法半導體公司STM32L151[4]作為腸鳴音記錄儀的微控制器，STM32 L151芯片是一款基于aRM cortex-M3內(nèi)核的32 bit超低功耗微控制器系列，其高集成度外設(shè)、高運算效率和低成本的優(yōu)勢，已超越16 bit超低功耗McU，甚至在各模式的功耗水平上，也不遜色于16 bit系統(tǒng)[5]。此外，STM32L151劃分6種工作模式來實現(xiàn)超低功耗，使其在任何設(shè)定時間內(nèi)都能以最低的功耗完成任務(wù)，特別適合穿戴攜行設(shè)備的使用。

STM32L151提供了多種外圍設(shè)備通信接口，包括1個USB 2.0接口，3個USaRT接口，2個SPI接口和2個I2c接口。

本設(shè)計中采用STM32控制器的SPI口實現(xiàn)Micro SD卡的讀寫。SPI接口允許芯片與外部設(shè)備以全雙工或者半雙工、同步、串行方式通信，可用于多種用途，包括使用一條雙向數(shù)據(jù)線的雙線單工同步傳輸，還可使用cRc校驗的可靠通信[6]。本設(shè)計中STM32與SD卡的連接方式如圖2所示。同時，Micro SD卡中還移植文件系統(tǒng)FatFS，支持將腸鳴音數(shù)據(jù)、環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)以及相關(guān)的配置數(shù)據(jù)按照固定格式以文件形式存儲在SD卡。

圖2 單片機與SD卡電路圖Fig.2 circuit connecting McU an SD card

本設(shè)計中采用STM32控制器的USB接口實現(xiàn)腸鳴音設(shè)備的配置功能。STM32L151嵌入的USB 2.0接口可達到數(shù)據(jù)傳輸速率為12 Mbit / s，由內(nèi)部鎖相環(huán)生成USB專用的48 MHz時鐘[7]。如圖3所示是USB部分電路圖，其中USBLc6防靜電保護芯片。

圖3 USB接口連接圖Fig.3 circuit of USB interface

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊由6路MeMS麥克風及其聽診頭組成。本設(shè)計的麥克風選擇的是Knowles公司的SiSonic系貼片式麥克風，采用Knowles公司專有的微機電技術(shù)和獨特的封裝技術(shù)，使其與現(xiàn)有的電容式麥克風相比有明顯的優(yōu)勢[8]。這款芯片輕薄小巧，尺寸只有3.76 mm×3.00 mm×1.10 mm，具有69 dB高信噪比，超寬帶平坦的頻率響應(yīng)（±2dB，100～10 000 Hz）以及緊密匹配的±3 dB靈敏度。腸鳴音信號的頻率主要分布在60 Hz～1 500 Hz[9]，所以該麥克風比較適用于穿戴式腸鳴音聲音信號的提取。

傳感器模塊中的6路麥克風，其中5路采集腸鳴音信號，1路采集環(huán)境噪聲。采集腸鳴音信號的5個聽診頭分別固定于5個指定位置，分別是胸骨劍突下2～3 cm處1個，肚臍上下5 cm分別1個，回盲部1個，結(jié)腸部1個[10]，同時采集5個區(qū)域的腸鳴音信號，使得信息量更加豐富，更有利于全面了解腸蠕動情況。在拾取腸鳴音信號時，通常會受到背景噪聲信號的干擾，包括傳聲器和皮膚的摩擦音、人體的干擾信號(如呼吸音、心音)、周圍環(huán)境噪音等[11]。所以，傳感器模塊的第6路麥克風用于采集背景噪聲，為實現(xiàn)自適應(yīng)濾波提供硬件支持，濾除背景噪聲，優(yōu)化腸鳴音信號。

2.3 放大濾波模塊

放大濾波模塊對傳感器模塊采集到的腸鳴音信號進行模擬處理。放大濾波模塊分為濾波部分和放大部分，其中濾波部分采用的是二階有源低通濾波器。之所以選擇該濾波器原因如下：1）相比于無源電子低通濾波器，有源電子低通濾波器不容易受到負載變化的影響；2）二階濾波器相對于一階濾波器對削減高頻信號能起到更高的效果，相對于高階濾波器設(shè)計電路相對簡單。綜合以上兩個因素，既要得到較好的濾波效果，設(shè)計電路又不能太復雜，本設(shè)計選擇二階有源低通濾波器。在本設(shè)計中，低通濾波器的截止頻率設(shè)置為995.22 Hz，放大倍數(shù)為2倍。

放大濾波模塊的運算放大器選用的都是aD公司的aD855X芯片[12]，此放大器具有超低失調(diào)、漂移和偏置電流特性，同時有高增益、高共模抑制比和高電源抑制比。放大部分的設(shè)置的放大倍數(shù)為30倍，所以放大濾波模塊兩級一共放大60倍。

2.4 電源管理模塊

電源管理模塊實現(xiàn)了鋰電池充電和電源穩(wěn)壓功能。充電芯片選用的是TI公司的BQ24040，TI公司的BQ24040是一款應(yīng)用于面積受限的便攜式鋰離子和鋰聚合物電池線性充電芯片，在本設(shè)計中，該芯片的供電部分可以來自于USB供電，因具有高的輸入電壓供電范圍及輸入過壓保護。芯片內(nèi)部有監(jiān)測控制回路，當芯片內(nèi)部溫度超過閥值時，通過減少充電電流實現(xiàn)對整體電路的保護[13]。充電部分電路如圖4所示。

本設(shè)計中STM32L151單片機的工作電壓是3.3 V，而鋰電池的電壓在3.8～4.0 V左右，所以需要選擇芯片LP2985對整個電路的電壓進行管理。TI公司的LP2985芯片是單通道、低噪聲的線性穩(wěn)壓器，選用輸出為3.3 V的LP2985為電路提供電源，電路如圖5所示。

圖4 充電部分電路圖Fig.4 The charging circuit

圖5 穩(wěn)壓電路圖Fig.5 Voltage regulation circuit

2.5 電池電量監(jiān)測、按鍵和指示燈

本文中設(shè)計了電池電量監(jiān)測電路，用來實時監(jiān)測電池電量。電池電量監(jiān)測電路采用兩個高精度電阻平均分壓，將電池電量的一半通過STM32L151內(nèi)置的aDc轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，實現(xiàn)對電池電量的監(jiān)測。

本設(shè)計中有一個按鍵和一個雙色指示燈，都連接在STM32L151的I/o口，實現(xiàn)對腸鳴音記錄儀各種工作狀態(tài)的控制和指示功能。

3 軟件實現(xiàn)

腸鳴音記錄儀的軟件與硬件配合，實現(xiàn)腸鳴音數(shù)據(jù)的采集、存儲和傳輸。軟件功能主要包括：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，數(shù)據(jù)存儲功能和數(shù)據(jù)傳輸功能。為了實現(xiàn)功能的完整性，還有按鍵、指示燈和電池電量監(jiān)測的軟件功能。

圖6是腸鳴音記錄儀軟件的流程圖。腸鳴音記錄儀開機后，檢測Micro SD卡是否在卡槽內(nèi)。判斷有Micro SD卡后，初始化USB并判斷是否有USB插入。如果沒有USB插入，便可以通過按鍵來切換低功耗狀態(tài)和數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。整個流程中的各個狀態(tài)通過雙色指示燈來指示。下面主要對數(shù)據(jù)采集狀態(tài)中的具體功能詳細說明。

圖6 腸鳴音整體系統(tǒng)狀態(tài)機Fig.6 The overall system state machine of bower sound recorder

3.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換——ADC

STM32L151單片機集成了多個通道的12位aDc，轉(zhuǎn)換率可達到1 MHz，支持單次轉(zhuǎn)換模式和連續(xù)轉(zhuǎn)換模式。本設(shè)計中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換使用的是其內(nèi)置12位aDc的6個通道，用來轉(zhuǎn)換5個腸鳴音數(shù)據(jù)和1個環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)。使用的是多通道連續(xù)轉(zhuǎn)換模式來重復掃描每個通道，對每個通道的模擬數(shù)據(jù)進行數(shù)字轉(zhuǎn)換。本設(shè)計采集數(shù)據(jù)過程中，設(shè)置的轉(zhuǎn)換周期為48 cycles，采樣率為2 500 Hz。

3.2 數(shù)據(jù)存儲——Micro SD卡

Micro SD卡用來存儲aDc轉(zhuǎn)換后的腸鳴音數(shù)據(jù)和環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)。Micro SD卡通過SPI接口與STM32L151通信，內(nèi)部移植了FatFS文件系統(tǒng)，可以將數(shù)據(jù)以文件的形式分類存儲。FatFS是一個通用的文件系統(tǒng)模塊，用于在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn) FaT 文件系統(tǒng)，支持 FaT12、FaT16 和 FaT32，支持8.3格式的文件名[14]。FatFS包含應(yīng)用層、模塊層和底層[15]。

Micro SD卡中存儲兩個文件，其中一個數(shù)據(jù)文件，存儲的是采集到腸鳴音數(shù)據(jù)和環(huán)境噪聲干擾數(shù)據(jù)，另一個文件是配置文件，用來配置腸鳴音記錄儀的相關(guān)參數(shù)。

3.3 數(shù)據(jù)通信——USB

腸鳴音記錄儀設(shè)備通過USB與上位機連接，實現(xiàn)上位機通過USB接口對SD卡的訪問。根據(jù)STM32L提供的USB固件庫，添加SD卡底層驅(qū)動操作函數(shù)，并將底層的存儲設(shè)備配置為SD卡，便可以復制或修改SD卡中的文件。

4 實驗結(jié)果

本設(shè)計的穿戴式多導腸鳴音記錄儀采集到的數(shù)據(jù)存儲到Micro SD卡中，將記錄儀通過USB接口與上位機連接后，便可以將數(shù)據(jù)文件復制到上位機。

本設(shè)計通過Matlab實現(xiàn)對6路數(shù)據(jù)讀取和顯示，如圖7所示，前5路為采集到的腸鳴音信號，第6路為環(huán)境噪聲。

圖7 腸鳴音記錄儀6路信號顯示截圖Fig.7 Six-channel signals of bowel sound recorder

5 結(jié)論

本文實現(xiàn)了穿戴式多導腸鳴音記錄儀的設(shè)計，并實際測量了5路人體腸鳴音信號。記錄儀可以完成Micro SD卡存儲功能，能將存儲的腸鳴音數(shù)據(jù)導入到計算機顯示。本設(shè)計實現(xiàn)的穿戴式多導腸鳴音記錄儀，一方面考慮到低功耗設(shè)計，采用STM32L系列的單片機，并在固件上做了節(jié)能處理，保證電池的長時間使用。另一方面，為了實現(xiàn)穿戴式便攜，考慮小體積實現(xiàn)，麥克風采用的是MeMS封裝，其他元器件均采用表貼式封裝，實現(xiàn)體積小的同時，降低了記錄儀的成本。

本設(shè)計實現(xiàn)的穿戴式多導腸鳴音記錄儀，可以長時間采集連續(xù)的腸鳴音信號，用來評估胃腸狀態(tài)，同時，胃腸狀態(tài)的監(jiān)測與心電、呼吸等生理信息結(jié)合，能夠全面評估人體的生理狀態(tài)，具有很重要的臨床意義。

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Design and Implementation of Wearable Multi-channel Bowel Sound Recorder

【 Writers 】WANG Guojing, WANG Weidong, YU Lei
Biomedical Engineering Research Room, Chinese PLA General Hospital, Beijing, 100853

bowel sound, wearable, multi-channel, storage

R318

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.03.006

1671-7104(2016)03-0176-04

2015-12-14

國家科技支撐計劃課題（2013BaI03B04，2015BaI01B14）；國家自然科學基金面上項目（61372047）

王國靜，e-mail: msguojingwang@sina.com

王衛(wèi)東，e-mail: msguojingwang@163.com

【 Abstract 】This paper implements the wearable multi-channel bowel sound recorder which can collect fve channels bowel sound continuously for long time. This paper also measures bowel sound on real person to verify the availability of the recorder.