便攜式心肺音采集設(shè)備的研究與開發(fā)

羅狄鋒 吳賀勇 盧偉健 楊紅光

1 廣東順德西安交通大學(xué)研究院 （廣東 佛山 528300）

2 西安交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)信息工程教育部重點實驗室 （陜西 西安 710049）

3 佛山市核德隆電子有限公司 （廣東 佛山 528300）

聽診是傳統(tǒng)的診斷方式之一，但傳統(tǒng)的聽診器對患者進行聽診依賴于醫(yī)生豐富的臨床經(jīng)驗以及嫻熟的聽診技巧，對一些細微的臟器病變的聲音，傳統(tǒng)的聽診器難以捕捉，且無法將醫(yī)生所聽到的病理聲音存儲保存、播放以及顯示，阻礙了醫(yī)生之間的交流，不利于臨床教學(xué)應(yīng)用[1]。

《中國心血管病報告2016》顯示，2015年心血管病病死率仍居首位，農(nóng)村、城市心血管病分別占死因的45.01%和42.61%，即每5例死亡中就有2例死于心血管疾病[2]。心血管疾病的治療主要在于及時發(fā)現(xiàn)和平時的監(jiān)控。因此，研究一種低成本、便攜的心肺音采集設(shè)備可將醫(yī)生聽到的聲音保存下來，并可隨時調(diào)取做分析對病理追蹤、教學(xué)、遠程診斷甚至進行的智能診斷，以便醫(yī)生早期發(fā)現(xiàn)心血管疾病，并對心血管疾病患者的病情進行跟蹤。該項設(shè)備的研發(fā)具有重要的臨床意義以及市場價值。

1.心肺音采集設(shè)備設(shè)計

由于各種病理性心音及肺音所產(chǎn)生的位置及頻段各不同，因此本采集設(shè)備采用分頻段設(shè)計，即心音20～600Hz以及肺音100～1000Hz[3-5]。該設(shè)計在心肺音采集過程中能夠有效地分離心音和肺音，減少心肺音之間混疊所引起的干擾以及外部的噪音和雜音的干擾。

1.1 設(shè)備原理

心肺音采集設(shè)備原理圖如圖1所示。心肺音采集設(shè)備將聲音傳感器收到的聲音信號通過電路放大、濾波放大后，通過A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號一部分通過耳機驅(qū)動輸出到耳機，一部分存儲在機器內(nèi)部的存儲里面。數(shù)據(jù)通過藍牙傳輸模塊，把錄取到的數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)酵獠康脑O(shè)備中，實現(xiàn)采集信號同步保存、分析等功能。見圖1。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

心肺音采集設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖2所示，設(shè)備分了探頭與微處理控制兩部分。探頭部分采用了選擇單一指向性的電容式傳感器作為拾音設(shè)備，該拾音器能夠有效地對指定聲音頻率進行采集，降低采集過程中的信號干擾。見圖2。

圖1. 心肺音采集設(shè)備原理圖

圖2. 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)實物圖

1.2.1 電容式傳感器

電容式傳感器最大的優(yōu)勢在于振膜和銅片之間在高電壓低電流的情況下產(chǎn)生空間電場形成一個可變電容，容值隨外界聲音的變化而變化，微弱的聲音信號在此空間內(nèi)保證了不失真。此技術(shù)與壓電式的聲音傳感器的不同點是采集聲音的諧音更真實，特別是在低頻部份失真度更小，更加貼近心肺音頻率的要求。

1.2.2 探頭結(jié)構(gòu)

為了避免由于傳感器與體表皮膚直接接觸產(chǎn)生的摩擦引起心肺音信號被干擾，減少外界環(huán)境的噪音影響，提高信噪比，本采集器在探測頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計上及材料選擇上進行改進。

①采用具有一定程度的韌性且單面絕緣、單面導(dǎo)電的FR-4材料作為探測薄片與固定在探測器內(nèi)部的導(dǎo)電金屬板形成一個可變的傳感電容電路，且兩者的距離為在0.495mm，由此形成一個隔離腔體實現(xiàn)內(nèi)金屬導(dǎo)板與外界隔離，有效防止環(huán)境噪音引起導(dǎo)板振動而產(chǎn)生的噪音，從而實現(xiàn)了環(huán)境噪音與體音的相對分離。②利用探測器構(gòu)建一個防護電路，使探測器形成了一個具有屏蔽作用的屏蔽腔，有效防止了外界電磁信號對探測器的干擾，從而實現(xiàn)了在保障體音無損的前提下最大限度地消除了環(huán)境噪音的影響。

2.硬件電路設(shè)計

在心臟或肺部發(fā)生病變時所發(fā)生的聲音變化十分細微，由此通過傳感器所采集到的信號變化幅度就十分微弱，心音信號幅值約為十幾毫伏，肺音信號更小只有幾毫伏，為了滿足后續(xù)對心肺音信號進行編碼的要求必須對信號進行前置放大處理[6]。

圖3. 心肺音采集設(shè)備硬件電路圖設(shè)計

圖4. 控制板實物圖

同時由于設(shè)備電極極化電壓所具有的不平衡特點、運放的失調(diào)偏移和人體運動等原因造成信號干擾。這會導(dǎo)致心肺音信號在雜音中無法有效識別提取，為了獲得更好的音源信號，本設(shè)備增加了一個濾波器對低頻分量和直流分量進行去除以得到較為純粹的心肺音信號源[7]。

2.1 放大電路

前端采用三極管與運算放大器等電子元件組成前置放大電路，放大器帶寬采用0.5～2.258Hz，增益為10倍，經(jīng)過測試該參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)最佳的阻抗匹配。電路中（見圖3）電容C24具有隔直耦合作用，及防止了電容兩端直流電壓的相互影響，又能實現(xiàn)把傳感器所產(chǎn)生的微弱交流信號直接傳遞給運算放大器。

2.2 濾波電路

該濾波電路采用通頻帶為10Hz～1.5kHz的級聯(lián)型一階低通濾波器，其原因在于音頻編碼芯片中還對心肺音信號進一步的數(shù)字濾波，以滿足不同聽診模式對信號頻段的要求。采集過程中全頻段包括的聲音頻段比較廣：其中包括外界環(huán)境噪音聲，低頻段適用的心音以及高頻段適用的肺音。所以需要根據(jù)不同的頻帶調(diào)整元器件參數(shù)，通過軟件來控制不同頻率的輸出，并結(jié)合小波分解重構(gòu)等算法來消除所采集的心肺音中的環(huán)境噪聲及其他雜音[8]。

3.主控制模塊

處理器是心肺音采集設(shè)備的控制部分，主要完成模式轉(zhuǎn)換控制、音頻編碼模塊和音頻儲存模塊交換數(shù)據(jù)，心肺音采集部位以及采集順序的控制以及電源管理。

圖5. 心肺音采集設(shè)備通過藍牙與終端App連接

為了讓所采集的數(shù)據(jù)能夠進行同步傳輸及展示，在采集器中加入了藍牙模塊，外部終端與采集設(shè)備通過藍牙實現(xiàn)連接，可以通過終端的App對主控模塊發(fā)出指令，采集設(shè)備接受指令號實施數(shù)據(jù)的采集及傳輸[9,10]。見圖5。

4.產(chǎn)品性能測試

4.1 頻響特性測試

心肺音采集設(shè)備的頻響特性測試按照國家行業(yè)標準《聽診器傳聲特性測試方法（YY91077-1999）》中的逐點法進行。測試時在100～1000Hz范圍內(nèi)，每隔100Hz逐點改變聲頻信號發(fā)生器的頻率改變聲頻信號發(fā)生器頻率時，調(diào)節(jié)聲頻信號發(fā)生器輸出電壓，同時記錄相對應(yīng)的頻率在測量放大器的指示值，兩者差值即為電子聽診器對測試聲源的衰減情況。見表1。

4.2 總諧波失真測試

采用深圳市愛普泰科電子有限公司生產(chǎn)的A2型音頻分析儀在300Hz頻率下分別對市面上出售的兩款產(chǎn)品3M的3100、雅富的DS32a與本采集設(shè)備進行了諧波失真率的測試，結(jié)果顯示本采集設(shè)備的總諧波失真率遠遠低于以上兩產(chǎn)品。見表2。

表1. 頻響曲線測試結(jié)果

表2. 總諧波失對比真率測試結(jié)果

5.小結(jié)

本文所研發(fā)的產(chǎn)品不僅可以把心肺音信號進行采集，同時還能夠?qū)⑽募M行存儲、并通過藍牙把采集數(shù)據(jù)進行傳輸，為心肺疾病教學(xué)，病理探討、遠程診療、智能診療提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本產(chǎn)品通過結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化以及電路處理上的探索后，與3M公司和雅富電子的產(chǎn)品在諧波失真率進行對比中具有明顯的性能優(yōu)勢?？梢娫摦a(chǎn)品的研發(fā)具有深遠臨床意義及市場價值，產(chǎn)品的推廣必將有效地推動遠程醫(yī)療及智能診斷的應(yīng)用。

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