計算機(jī)輔助診斷的新型電子聽診器系統(tǒng)

黃 梅，劉洪英,，皮喜田,，敖一鷺，王 孜

1 重慶大學(xué)生物工程學(xué)院，重慶市， 400030

2 重慶市醫(yī)療電子工程技術(shù)研究中心, 重慶市，400030

3 重慶大學(xué)新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實驗室， 重慶市，400030

計算機(jī)輔助診斷的新型電子聽診器系統(tǒng)

【作 者】黃 梅1，劉洪英1,2，皮喜田1,3，敖一鷺1，王 孜1

1 重慶大學(xué)生物工程學(xué)院，重慶市， 400030

2 重慶市醫(yī)療電子工程技術(shù)研究中心, 重慶市，400030

3 重慶大學(xué)新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實驗室， 重慶市，400030

聽診是心血管疾病、呼吸系統(tǒng)疾病早期診斷的重要手段。該文提出了計算機(jī)輔助診斷的新型電子聽診系統(tǒng)，研制了基于電容式傳聲器的電子聽診器及相應(yīng)的智能分析軟件。該電子聽診器結(jié)合了Bluetooth、OLED、SD卡存儲等技術(shù)實現(xiàn)了三種模式下的實時聽診、錄音存儲及回放、聽診音量調(diào)節(jié)及無線傳輸?shù)裙δ??；赑C上位機(jī)的智能分析軟件以C#為編程語言，SQL Server為后臺數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了聽診音的播放及波形顯示，通過計算心率、提取相關(guān)特征參數(shù)T1、 T2、T12、T11分析心音是否正常，生成診斷報告，并可通過郵件將聽診音及診斷報告發(fā)送到其他醫(yī)生郵箱，從而可以進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷。整個系統(tǒng)功能完善、便攜性高、用戶體驗良好，有利于推動電子聽診器在醫(yī)院的使用，同時該系統(tǒng)也適用于聽診教學(xué)等多種場合。

計算機(jī)輔助診斷；電子聽診器；智能分析

0 引言

心血管疾病已成為全球頭號死因，據(jù)世界衛(wèi)生組織估計，2012年有1 750萬人死于心血管疾病，占全球死亡總數(shù)的31%，有400萬人死于呼吸系統(tǒng)疾病，位于全球死亡率的第三位[1]，所以對心血管疾病、呼吸系統(tǒng)疾病的早期預(yù)防和診斷極為重要。聽診是醫(yī)學(xué)上最常用的診斷心血管疾病、呼吸系統(tǒng)疾病的方法，目前各大醫(yī)院普遍使用的聽診工具仍是傳統(tǒng)的聲學(xué)聽診器。雖然傳統(tǒng)聲學(xué)聽診器成本低、操作簡單，但仍存在一些不可忽視的缺陷[2]。例如：要求醫(yī)生要有豐富的臨床經(jīng)驗及熟練的聽診技能[3]；聽診音無法共享保存，阻礙醫(yī)生交流，同時也不利于聽診教學(xué)[4]；受環(huán)境噪聲干擾大，對微弱心音辨識度低[5]等。

隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，電子技術(shù)及數(shù)字化技術(shù)為聽診器帶來了新的革命和突破，電子聽診器應(yīng)運(yùn)而生，開辟了計算機(jī)輔助聽診的新領(lǐng)域[6]。駱懿等[7]研制的可視化電子聽診器在聽診的同時可通過藍(lán)牙將聽診音傳輸?shù)交贚abView的上位機(jī)軟件實時顯示，并可以保存、回放聽診音；Olga Szymanowska等[8]研制的電子聽診器是在傳統(tǒng)聲學(xué)聽診器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，聽診的同時可通過麥克風(fēng)采集聽診音，通過計算機(jī)聲卡輸入到基于LabView的分析軟件，可對聽診音進(jìn)行分析和回放。在國內(nèi)外，這些類似的研究頗多，很大程度上促進(jìn)了電子聽診器的發(fā)展，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)聲學(xué)聽診器的主要缺陷。但仍存在功能設(shè)計不全、電子及環(huán)境噪聲、人體工程設(shè)計不足等缺陷[9]，以至于國內(nèi)電子聽診器產(chǎn)品稀缺、無法滿足臨床聽診的要求。為解決以上問題，本文在傳感器、功能分析、外觀設(shè)計及相關(guān)技術(shù)方面開展了相應(yīng)的研究工作，設(shè)計出計算機(jī)輔助診斷的基于電容式傳感器的電子聽診器系統(tǒng)，該系統(tǒng)有利于心血管疾病及呼吸系統(tǒng)疾病的早期診斷，具有很好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本文研制的新型電子聽診器與基于C#的上位機(jī)軟件相輔相成，形成了一套多功能的聽診系統(tǒng)，如圖1所示。在電子聽診器功能設(shè)計方面，實時聽診是聽診器的基本功能。由于醫(yī)生的聽力有所差異，通過音量調(diào)節(jié)可保證醫(yī)生聽到清晰的心肺音。由于在鑒別診斷中，最重要的心音頻段在70 Hz~120 Hz，肺音頻段在200 Hz~600 Hz[10]，因此聽診頻段的調(diào)節(jié)在臨床上意義重大。實際設(shè)計中，分20 Hz~200 Hz、200 Hz~600 Hz及20 Hz~1500 Hz三個頻段，20 Hz~200 Hz最適合心音診斷，200 Hz~600 Hz最適合肺音診斷。錄音回放則有利于醫(yī)生臨床會診及聽診教學(xué)，盡量減少醫(yī)生在診斷過程中的主觀因素。電子聽診器與PC端通過藍(lán)牙或者存儲介質(zhì)SD卡，實現(xiàn)聽診音的傳輸。PC端上位機(jī)軟件利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)對用戶的個人信息、聲音數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，方便對病人的健康狀況進(jìn)行跟蹤研究。同時上位機(jī)軟件還實現(xiàn)了聽診音的播放及波形顯示，通過計算心率、提取相關(guān)特征參數(shù)T1、T2、T12、T11分析聽診音是否正常，自動生成診斷報告，并可通過郵件將聽診音及診斷報告發(fā)送到其他醫(yī)生郵箱，從而可以進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷。

圖1 聽診系統(tǒng)示意圖Fig.1 Scheme of auscultation system

2 電子聽診器硬件設(shè)計

根據(jù)該電子聽診器的功能需求，確定其硬件電路的技術(shù)方案，如圖2所示，主要包括拾音模塊、主控模塊、音頻編解碼模塊、液晶顯示模塊、存儲模塊以及藍(lán)牙模塊，其中拾音模塊由傳感器和信號調(diào)理電路組成。拾音模塊采集心肺音信號并將其轉(zhuǎn)換為模擬電信號后進(jìn)行放大濾波處理。信號經(jīng)過處理后送入編解碼模塊，編解碼模塊對其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，可將數(shù)字信號送入主控模塊中進(jìn)行存儲處理，以實現(xiàn)心肺音存儲功能，或數(shù)模轉(zhuǎn)換后驅(qū)動耳機(jī)進(jìn)行實時聽診，并可利用藍(lán)牙模塊實現(xiàn)心肺音信號的無線傳輸。顯示模塊對當(dāng)前聽診器信息進(jìn)行實時顯示。除此之外，還包括電源模塊，負(fù)責(zé)對上述各模塊進(jìn)行供電。

圖2 電子聽診器硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 The hardware scheme of electronic stethoscope

傳感器是拾音模塊乃至整個電子聽診器的關(guān)鍵部件，本設(shè)計中根據(jù)靈敏度、頻率響應(yīng)、信噪比、指向性等性能指標(biāo)選擇單一指向性的電容式傳聲器作為傳感器。為了避免傳聲器與體表的直接接觸，防止心肺音信號被傳聲器與皮膚所產(chǎn)生的摩擦干擾，提高信噪比，傳聲器與體表之間采用空氣耦合方式。另外，在本設(shè)計中創(chuàng)新性的在腔體前端加入了懸浮式可調(diào)振動膜，這種技術(shù)可以把不同頻段的聽診模式結(jié)合在同一聽診頭上，通過改變聽診頭施力的大小，聽取到不同頻率的音源，而無需翻轉(zhuǎn)聽診頭。

主控模塊是該電子聽診器的核心控制模塊，在本設(shè)計中采用STM32F405RGT6為主控芯片，該芯片具有低功耗的特點(diǎn)，其性能及封裝尺寸滿足系統(tǒng)要求。音頻編解碼模塊采用TLV320AIC3254芯片，該芯片提供具有100 dB信噪比的立體聲DAC和具有93 dB信噪比的立體聲ADC，包括兩路完全不同的輸出和兩個輸出驅(qū)動器，可直接驅(qū)動耳機(jī)[11]，同時具有兩個完全可編程的miniDSP內(nèi)核：miniDSP A和miniDSP D，利用miniDSP可實現(xiàn)對聲音信號的數(shù)字濾波，以實現(xiàn)不同聽診模式的選擇。

顯示模塊采用0.96英寸的OLED作為顯示屏，具有自發(fā)光、廣視角、高亮度、低功耗、極高反應(yīng)速度等優(yōu)勢。存儲模塊選用Micro SD卡作為存儲設(shè)備，并在SD卡中建立文件系統(tǒng)，方便心肺音音頻文件的管理。由于藍(lán)牙模塊需實現(xiàn)高質(zhì)量的音頻傳輸，所以在本系統(tǒng)中采用基于藍(lán)牙高級音頻分發(fā)協(xié)議（Advanced Audio Distribution Profile，A2DP）STR-BTMOSE的模塊。A2DP是SIG組織為了使用藍(lán)牙技術(shù)的異步鏈路來傳輸高質(zhì)量的單聲道以及立體聲音頻數(shù)據(jù)而發(fā)布的，定義了點(diǎn)對點(diǎn)的音頻傳輸[12]。電源模塊采用7號可充電式電池供電，電池額定電壓為3.7 V，電池容量為1 100 mA.h。外置充電器可對電池充電，因而電路中無需設(shè)計充電模塊，有利于節(jié)省PCB空間，增加便攜性。

圖3 波形顯示程序流程圖Fig.3 Waveform display program fl ow chart

3 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)軟件設(shè)計目的主要在于完善電子聽診器的功能，通過波形繪制、音頻播放及時域分析使醫(yī)生得出更加客觀的診斷結(jié)果，采用信息化技術(shù)對病人的聽診信息進(jìn)行管理，與醫(yī)院信息系統(tǒng)接軌，完善個人的健康檔案，同時也有利于遠(yuǎn)程會診及聽診教學(xué)。軟件開發(fā)平臺采用Visual Studio2010，利用C#語言完成，并采用ADO.NET技術(shù)與服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接。

3.1 波形顯示

波形顯示利用.NET基類集組成的GDI+實現(xiàn)[13]。首先對心肺音WAV文件進(jìn)行解析，將音頻數(shù)據(jù)讀入緩存中。程序根據(jù)心肺音音頻數(shù)據(jù)的幅值，并按其時間順序在顯示區(qū)域進(jìn)行繪制，其程序流程如圖3所示。將心肺音音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)點(diǎn)時，需要進(jìn)行幅值坐標(biāo)（Y軸）和時間坐標(biāo)（X軸）的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換時需要考慮幅值放大系數(shù)AmpFactor和每像素包含樣本數(shù)SamplesPerPixel，AmpFactor決定了幅值顯示比例，SamplerPerPixel決定了顯示區(qū)域所能顯示的心動周期或呼吸周期個數(shù)。AmpFacter和SamplesPerPixel可通過放大和縮小按鍵控制。

3.2 時域分析

本軟件中時域分析目前只針對心音，通過提取其時域特征參數(shù)第一心音時寬（T1）、第二心音時寬（T2）、第一心音和第二心音時間間隔（T12）、第一心音和相鄰的下一個第一心音時間間隔（T11）以及心率來實現(xiàn)。對于特征參數(shù)T1、T2、T12、T11以及心率的提取，采用基于短時能量求取心音包絡(luò)的算法，定位好第一心音起始位置S1start、第一心音終止位置S2end、第二心音起始位置S2start、第二心音終止位置S2end后，根據(jù)表1中計算方法計算T1、T2、T12、T11以及心率。

表1 心音特征參數(shù)意義及其計算方法Tab.1 Heart sounds characteristic parameter meaning and calculated method

短時能量表示一段時間內(nèi)語音信號的短時平均能量，其計算公式為：

公式中w表示窗函數(shù)，N表示窗函數(shù)的長度。當(dāng)選擇矩形窗為窗函數(shù)時，短時能量公式則為：

為了減少噪聲抖動引起的可能誤判，提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性，在求心音信號短時能量包絡(luò)前，采用滑動平均濾波器進(jìn)行濾波，這種濾波器算法簡便，計算量較小，可節(jié)省微處理器的緩沖空間，在抑制噪聲的同時保留了信號的陡峭邊沿，非常適合實時處理心音信號，其計算公式為：

公式中M代表滑動平均濾波器的階數(shù)，階數(shù)越高對信號的平滑作用越大，有利于去除頻繁的隨機(jī)誤差，但也將一些高頻信號虛弱。利用Matlab對不同的滑動平均濾波器階數(shù)對采集到的心音信號進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)5階濾波器最符合要求。

求取心音信號的短時能量包絡(luò)后，獲取包絡(luò)的峰值。根據(jù)包絡(luò)的峰值，采用自適應(yīng)方法設(shè)定一個閾值，閾值設(shè)定為心音包絡(luò)峰值的0.3倍。閾值與短時能量包絡(luò)的相交點(diǎn)初步判斷S1start、S1end、S2start、S2end。一般而言，S1的持續(xù)時間約為0.1 s，S2的持續(xù)時間約為0.08 s，即使S1幅度峰值大于S2幅度峰值，則S1的短時能量總是大于S2的短時能量，因而可以判斷S1和S2的位置。初步定位S1和S2后，再根據(jù)心音S1和S2的間隔距離對心音段進(jìn)行去除和合并，以修正S1和S2位置。 確定S1和S2的位置后，將其代入公式求出心率。

公式中N為心音數(shù)據(jù)所檢測到的心動周期數(shù)。nS1starti代表下一個心動周期的第一心音起始位置，S1starti為當(dāng)前心動周期第一心音起始位置。

4 測試與討論

4.1 硬件測試

該電子聽診器樣機(jī)如圖4所示，外殼采用了塑料材質(zhì)，其長度僅為90 mm，聽診頭直徑為45 mm，重量僅約為50 g，整個儀器相當(dāng)便攜。該電子聽診器按鍵設(shè)計為五維按鍵，即上下左中右，中間按鍵為開關(guān)機(jī)/菜單鍵，長按時開關(guān)機(jī)；上下鍵用于調(diào)節(jié)音量及切換菜單，音量12檔可調(diào)；左右鍵用于切換聽診模式，心音模式（20 Hz~200 Hz）、肺音模式（200 Hz~600 Hz）以及寬頻模式（20 Hz~1 500 Hz）。OLED液晶顯示位于按鍵上方，顯示音量、電量、狀態(tài)、菜單等基本信息。

圖4 電子聽診器樣機(jī)實物圖Fig.4 Physical map of electronic stethoscope

為了驗證該電子聽診器設(shè)計的有效性，用該電子聽診器采集正常人的心音及呼吸音，并將示波器探頭連接在電子聽診器耳機(jī)接口處，利用示波器觀察所聽到的聽診音波形。在測試過程中，應(yīng)盡量保證環(huán)境安靜，且不要隨意抖動電子心肺音聽診器，以減少手與聽診器之間的摩擦。首先在人的二尖瓣區(qū)采集心音，如圖5所示，其次在左肺中部區(qū)采集肺泡呼吸音，如圖6所示。測試結(jié)果說明了該電子聽診器能夠有效地采集心肺音信號且噪聲干擾小，對其進(jìn)行編解碼后，驅(qū)動耳機(jī)進(jìn)行實時播放。

圖5 正常心音Fig.5 Normal heart sound

圖6 正常肺泡呼吸音Fig.6 Normal vesicular breath sound

圖7 軟件主界面圖Fig.7 The main page of software

4.2 軟件測試

上位機(jī)軟件較為系統(tǒng)，用戶成功登錄系統(tǒng)后，將會進(jìn)入主界面，如圖7所示。主界面主要起到了導(dǎo)航和顯示病人心肺音信息的作用。界面上方顯示了軟件的工具欄以及快捷鍵，右半部分顯示了病人的基本信息以及病人的心肺音列表，用戶可直接輸入病人的ID或姓名進(jìn)行信息查詢。界面中間部分用于顯示心肺音的波形，下方顯示了心肺音的基本信息，如檢查日期、體檢部位、體檢結(jié)果等。同時上位機(jī)軟件可打印病人報告，并將病人報告、心肺音音頻文件作為Email附件發(fā)送到指定的Email用戶上，實現(xiàn)心肺音信息的共享。

目前，該電子聽診器已采集到正常心音五十多例，異常心音15例。利用藍(lán)牙或SD卡將這些聽診音傳輸?shù)缴衔粰C(jī)軟件進(jìn)行時域分析。分析結(jié)果如表2所示，其中選擇了一例正常心音、一例竇性心動過速的異常心音、一例二尖瓣關(guān)閉不全的異常心音的分析結(jié)果，其中竇性心動過速的異常心音軟件分析界面如圖8所示。 軟件提供了所提取特征參數(shù)的參考值，當(dāng)特征參數(shù)不在參考值范圍內(nèi)時，說明心音可能異常。

圖8 心音時域分析Fig.8 Heart sounds time domain analysis

從表2可以看出，不同的心音其對應(yīng)的時域特征參數(shù)有很大的不同。對竇性心動過速進(jìn)行分析，得到的心率參數(shù)明顯高于正常心音；二尖瓣關(guān)閉不全所產(chǎn)生的心音，T1明顯小于正常心音。一般而言，當(dāng)T1>0.12 s時，表明第一心音肥厚，當(dāng)T1<0.08 s時，表明第一心音狹窄；當(dāng)T2>0.12 s時，表明第二心音肥厚，當(dāng)T2<0.08 s時，表明第二心音狹窄；當(dāng)T12>0.5 s或T12<0.3 s時，表明第一二心音間隔異常；當(dāng)T11 >0.9 s或T12<0.7 s時，表明心動周期間隔異常；在安靜狀態(tài)下，當(dāng)心率大于100 次/min時，表明心率過快，當(dāng)心率小于50 次/min時，表明心率過慢。由此可見，時域分析能夠判別正常和異常心音，有一定的診斷價值。

5 結(jié)論

本文提出的計算機(jī)輔助診斷的新型電子聽診器系統(tǒng)，包括便攜式電子聽診器和上位機(jī)軟件，這兩部分相輔相成。與傳統(tǒng)聲學(xué)聽診儀相比，該電子聽診器采用普通耳機(jī)聽診，不會產(chǎn)生不適感；增加了錄音回放、波形顯示、無線傳輸功能，有利于臨床會診及教學(xué)；增加了音量及頻段調(diào)整功能，使聽診結(jié)果更具準(zhǔn)確性。與其它電子聽診器的產(chǎn)品相比，該電子聽診器功能更加全面，外觀設(shè)計更加美觀，方便攜帶。智能分析軟件系統(tǒng)地結(jié)合了相關(guān)分析軟件的功能，站在醫(yī)療信息化的角度對其中涉及的信息進(jìn)行管理。但在智能分析方面，該軟件只對心音進(jìn)行了時域分析，但算法的準(zhǔn)確率還未驗證。為了提高判別的準(zhǔn)確率，后續(xù)將開展心肺音的頻域分析工作以及算法驗證工作，使該系統(tǒng)更加完善。

[1] The top 10 causes of death. http://www.who.int/mediacentre/ factsheets/fs310/en/index2.html. Accessed 30 Mar2015.

[2] 王志堅, 周曉光, 陳戲墨, 等. 兩種主動降噪聽診器的比較[J]. 國際醫(yī)藥衛(wèi)生導(dǎo)報, 2009, 15(14):1-3.

[3] Shi W Y, Mays J, Chiao J C. Wireless stethoscope for recording heart and lung sound[C]// IEEE Topical Conference on Biomedical Wireless Technologies, Networks, and Sensing Systems. IEEE, 2016: 14.

[4] Tavel M E. Cardiac auscultation: a glorious past--and it does have a future! [J]. Circulation, 2006, 113(9):1255-1259.

[5] Iskandar A S, Prihatmanto A S, Rangkuti S. Design of electronic stethoscope to prevent error analysis of heart patients circumstances[C]// IEEE, International Conference on System Engineering and Technology. IEEE, 2014: 1-4.

[6] Shuang L, Ru S T, Kevin Tshu C C, et al. The electronic stethoscope [J]. BioMedical Engineering OnLine, 2015, 14(1): 53-56.

[7] 駱懿, 吳穎. 便攜式藍(lán)牙電子聽診器的研究[J]. 杭州電子科技大學(xué)學(xué)報, 2010, 30(4):142-145.

[8] Szymanowska O, Zagrodny B, Ludwicki M, et al. Development of an electronic stethoscope[M]//Mechatronics: ideas, challenges, solutions and applications. Springer International Publishing, 2016.

[9] Grenier M C, Katerie Gagnon I D, Jacques Genest M, et al. Clinical comparison of acoustic and electronic stethoscopes and design of a new electronic stethoscope[J]. Am J Cardiol, 1998, 81(5):653-656.

[10] Bankaitis A U. Amplif i ed stethoscope options for professionals with hearing loss[J]. Audiology Online, http://www.audiologyonline. com/articles/amplified-stethoscope-options-for-professionals-860, 2010-04-05/2016-07-20.

[11] Unno T. Method and system for voice activity detection: US, US20110125497[P]. 2011.

[12] Nordbotten N A, Skeie T, Aakvaag N D. Methods for service discovery in Bluetooth scatternets[J]. Comput Commun, 2004, 27, 11: 1087-1096.

[13] 閆宇晗, 常鑫. 在C#中用GDI+實現(xiàn)圖形動態(tài)顯示[J]. 計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展, 2006, 12: 117-118, 232.

Computer-aided Diagnosis and New Electronic Stethoscope

【Key words 】HUANG Mei1, LIU Hongying1,2, PI Xitian1,3, AO Yilu1, WANG Zi1
1 College of Biological Engineering Chongqing University, Chongqing, 400030
2 Chongqing Engineering Research Center of Medical Electronics, Chongqing, 400030
3 Key Laboratories for National Defense Science and Technology of Innovative Micro-nano Devices and System Technology, Chongqing, 400030

computer-aided diagnosis, electronic stethoscope, intelligent analysis

TH776

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.03.002

1671-7104(2017)03-0161-05

2016-09-29

國家支撐計劃課題（2013BAI03B04；2015BAI01B14）

皮喜田，E-mail: pixitian@163.com

【 Abstract 】Auscultation is an important method in early-diagnosis of cardiovascular disease and respiratory system disease. This paper presents a computer-aided diagnosis of new electronic auscultation system. It has developed an electronic stethoscope based on condenser microphone and the relevant intelligent analysis software. It has implemented many functions that combined with Bluetooth, OLED, SD card storage technologies, such as real-time heart and lung sounds auscultation in three modes, recording and playback, auscultation volume control, wireless transmission. The intelligent analysis software based on PC computer utilizes C# programming language and adopts SQL Server as the background database. It has realized play and waveform display of the auscultation sound. By calculating the heart rate, extracting the characteristic parameters of T1, T2, T12, T11, it can analyze whether the heart sound is normal, and then generate diagnosis report. Finally the auscultation sound and diagnosis report can be sent to mailbox of other doctors, which can carry out remote diagnosis. The whole system has features of fully function, high portability, good user experience, and it is bene fi cial to promote the use of electronic stethoscope in the hospital, at the same time, the system can also be applied to auscultate teaching and other occasions.