基于電子聽(tīng)診器的心音分類(lèi)系統(tǒng)

劉煒燁，戴嘉梵

（天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，天津 300387）

0 引言

聽(tīng)診器作為醫(yī)生最常使用的醫(yī)療器械[1]，在心腦血管疾病的初診中意義重大。但傳統(tǒng)的聽(tīng)診器又存在許多局限性，例如：聽(tīng)診頻段無(wú)法選擇，抗干擾能力差；傳統(tǒng)聽(tīng)診器需要醫(yī)師保持敏銳的聽(tīng)覺(jué)，人體中的微弱聲音和短時(shí)特征不易被聽(tīng)到[2]；傳統(tǒng)聽(tīng)診器的舒適性差[3]；傳統(tǒng)聽(tīng)診器不可同時(shí)供多人使用，為教學(xué)和會(huì)診帶來(lái)不便[4]。更重要的是，聽(tīng)診的診斷通常依靠醫(yī)師的臨床經(jīng)驗(yàn)，具有一定的主觀性[5]。

本文旨在設(shè)計(jì)一款電子聽(tīng)診器，其外型基于傳統(tǒng)聽(tīng)診器進(jìn)行改進(jìn)，并配套輔助診斷軟件，有利于解決傳統(tǒng)聽(tīng)診器的局限，可以幫助醫(yī)師更客觀、準(zhǔn)確地進(jìn)行聽(tīng)診。

圖1 電子聽(tīng)診器的總體設(shè)計(jì)Fig.1 Overall design of electronic stethoscope

圖2 電子聽(tīng)診器實(shí)物圖Fig.2 Physical diagram of electronic stethoscope

圖3 電子聽(tīng)診器內(nèi)部電路圖Fig.3 Internal circuit diagram of electronic stethoscope

1 電子聽(tīng)診器的總體設(shè)計(jì)

電子聽(tīng)診器硬件電路需具備心肺音信號(hào)的采集、傳輸和分離等功能，設(shè)計(jì)其總體設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。

該電子聽(tīng)診器以SPH0645麥克風(fēng)為前端拾音器，TLV320AIC3254為音頻編碼解碼芯片，STM32F103為主控核心。同時(shí)，該電子聽(tīng)診器可根據(jù)醫(yī)療工作者的實(shí)際需求在心、肺音間切換，調(diào)節(jié)0～10dB的音量增益。在無(wú)線通信上，該電子聽(tīng)診器支持藍(lán)牙4.0協(xié)議進(jìn)行音頻信號(hào)的傳輸，TCP/IP協(xié)議進(jìn)行心音ADC數(shù)據(jù)傳輸。

電子聽(tīng)診器硬件電路由主控模塊、拾音模塊、音頻編解碼模塊、藍(lán)牙模塊、OLED顯示模塊、WiFi模塊組成，其實(shí)物外觀，如圖2所示，其內(nèi)部電路，如圖3所示。

1.1 拾音模塊

拾音模塊需采集微弱的心肺音信號(hào)，并避免干擾。因此，在本設(shè)計(jì)中選用SPH0645麥克風(fēng)。其信號(hào)輸出采用I2S輸出，主要作用是將采集的音頻模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，能夠有效避免傳輸過(guò)程中的各種干擾。

該模塊基于傳統(tǒng)聽(tīng)診器的鋁膜作為振動(dòng)元件，聽(tīng)頭腔內(nèi)嵌入自主設(shè)計(jì)的雙聲道SPH0645麥克風(fēng)模塊，直接采集人體生理音，如圖4所示。該前端拾音模塊與傳統(tǒng)聽(tīng)診器結(jié)合，可獨(dú)立工作在電子模式或傳統(tǒng)聽(tīng)診模式下，符合醫(yī)療工作者的工作習(xí)慣，可以獲得更加靈活、舒適的體驗(yàn)感。

1.2 音頻編解碼模塊

圖4 基于SPH0645麥克風(fēng)的拾音器Fig.4 Pickup based on SPH0645 microphone

該模塊基于TLV320AIC3254音頻編解碼器，無(wú)需額外的功放電路就可直接驅(qū)動(dòng)耳機(jī)輸出音頻信號(hào)。由于心音最重要的頻段集中在20Hz～100Hz[6]，肺音的主要頻段集中在100Hz～1500Hz[7]。該芯片有可編程的mini DSP內(nèi)核，因而通過(guò)二階IIR巴特沃斯濾波器，設(shè)置帶通頻率，可對(duì)拾音模塊采集到的心肺音信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，實(shí)現(xiàn)心肺音的分離。通過(guò)按鍵設(shè)置，可切換全頻帶、心音和肺音模式。

1.3 藍(lán)牙模塊

為實(shí)現(xiàn)多人聽(tīng)診，通過(guò)音頻編解碼芯片，輸入數(shù)字音頻信號(hào)，可轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號(hào)并輸出。經(jīng)單端差分轉(zhuǎn)換電路，將兩路模擬輸出信號(hào)轉(zhuǎn)為左右聲道的差分，傳輸至CSR8670模塊的采集引腳。CSR8670模塊可將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)去噪處理后，以藍(lán)牙4.0的協(xié)議與其他藍(lán)牙設(shè)備配對(duì)連接并發(fā)送音頻數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

電子聽(tīng)診器核心主控為STM32F103芯片，主程序執(zhí)行各項(xiàng)初始化、TLV320AIC3254配置和按鍵掃描。通過(guò)不斷響應(yīng)按鍵狀態(tài)，單片機(jī)執(zhí)行不同的功能并更新OLED顯示內(nèi)容。其軟件流程如圖5所示。

2.2 心音分類(lèi)軟件設(shè)計(jì)

隨著機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)的發(fā)展，研究心音信號(hào)的智能分類(lèi)，實(shí)現(xiàn)異常心音判別，在心臟疾病診斷方面具有重要意義，有利于提高醫(yī)療工作者診斷的準(zhǔn)確率和工作效率。心音的分析流程如圖6所示。

圖5 單片機(jī)程序框圖Fig.5 Program block diagram of single chip microcomputer

圖6 心音的分析流程Fig.6 Analysis flow of cardiac sound

圖7 上位機(jī)心音分類(lèi)界面Fig.7 Cardiac sound classification interface of upper computer

表1 雙聲道SPH0645麥克風(fēng)的參數(shù)Table 1 Parameters of dual-channel SPH0645 microphone

為保證心音分類(lèi)的準(zhǔn)確性，本文采用決策樹(shù)模型對(duì)心音進(jìn)行分類(lèi)，并使用5折交叉驗(yàn)證，以獲得準(zhǔn)確的結(jié)果

2.2.1 心音特征抽取

由于訓(xùn)練模型需要大量的數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，該模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)來(lái)源于MIT-BIH庫(kù)。本文收集9000個(gè)心音錄音，構(gòu)成原始數(shù)據(jù)集，拆分為訓(xùn)練數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)，分別用于訓(xùn)練和評(píng)估。心音錄音數(shù)字化后，計(jì)算小波系數(shù)、香農(nóng)熵值、梅爾頻率倒譜系數(shù)、均值、R波峰值等10個(gè)特征值，構(gòu)成心音特征。

2.2.2 心音分類(lèi)界面

通過(guò)WiFi模塊，電子聽(tīng)診器與基于MATLAB GUI界面的上位機(jī)構(gòu)成局域網(wǎng)，通過(guò)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行心音數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)決策樹(shù)模型，實(shí)現(xiàn)心音數(shù)據(jù)的異常判別。其界面如圖7所示。

3 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

3.1 電子聽(tīng)診器硬件系統(tǒng)參數(shù)

3.1.1 雙聲道SPH0645麥克風(fēng)參數(shù)

SPH0645麥克風(fēng)的主要參數(shù)為頻帶范圍、信噪比及靈敏度，其主要參數(shù)如表1所示。

表2 電子聽(tīng)診器各狀態(tài)功耗Table 2 Power consumption in each state of the electronic stethoscope

因此，SPH0645麥克風(fēng)具有頻帶廣、失真度小、靈敏度高的特點(diǎn)。

3.1.2 電子聽(tīng)診器功耗

電子聽(tīng)診器的功耗以電流消耗來(lái)衡量指標(biāo)，其采用鋰離子電池供電。在測(cè)量功耗時(shí)，在電池和電子聽(tīng)診器硬件之間串聯(lián)一個(gè)電流表，以記錄電流大小。通過(guò)改變電子聽(tīng)診器的工作狀態(tài)，分別測(cè)試待機(jī)狀態(tài)、實(shí)時(shí)聽(tīng)診、藍(lán)牙配對(duì)狀態(tài)下的電流消耗。每種狀態(tài)下電流消耗分別測(cè)量5次，再取其平均值作為測(cè)試結(jié)果。

因此，電子聽(tīng)診器硬件系統(tǒng)具有功耗低的特點(diǎn)。

3.2 心音采集效果測(cè)試

電子聽(tīng)診器聽(tīng)頭采集正常人的心音數(shù)據(jù)，經(jīng)離散傅里葉變化，可得其頻域波形。聽(tīng)頭采集的原始數(shù)據(jù)和濾波后的時(shí)域、頻域數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8 心音數(shù)據(jù)時(shí)域和頻域圖Fig.8 Heartbeat data time domain and frequency domain diagram

表3 準(zhǔn)確性評(píng)估Table 3 Accuracy assessment

表4 靈敏度評(píng)估Table 4 Sensitivity assessment

由于第一心音的持續(xù)時(shí)間，大約為80ms～135ms；第二心音的持續(xù)時(shí)間，大約為70ms～80ms[8]。經(jīng)計(jì)算，第一心音約100ms，第二心音約70ms，均在正常情況下心音理論范圍中。

從圖8中可以看出，電子聽(tīng)診器引入噪聲較少，第一心音和第二心音顯示明顯。因此，電子聽(tīng)診器采集效果良好。

3.3 分類(lèi)模型的評(píng)估

3.3.1 準(zhǔn)確性

準(zhǔn)確性是模型的重要指標(biāo)。根據(jù)分類(lèi)情況，該模型的結(jié)果分為4種：

◇ 正常類(lèi)（Tt）：實(shí)際結(jié)果及預(yù)測(cè)結(jié)果均正常。

◇ 假正類(lèi)（Tf）：實(shí)際結(jié)果正常、預(yù)測(cè)結(jié)果異常。

◇ 假異類(lèi)（Ft）：實(shí)際結(jié)果異常、預(yù)測(cè)結(jié)果正常。

◇ 異常類(lèi)（Ff）：實(shí)際結(jié)果及預(yù)測(cè)結(jié)果均異常。

利用測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)該模型準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)估，將模型預(yù)測(cè)結(jié)果帶入公式（1），評(píng)估結(jié)果如表3所示，準(zhǔn)確率平均91.24%。

3.3.2 靈敏度

靈敏度也是該模型的另一重要指標(biāo)。使用自主設(shè)計(jì)的電子聽(tīng)診器采集50名健康志愿者（Healthy Volunteer,H）的心音，對(duì)該模型靈敏度進(jìn)行評(píng)估，將模型預(yù)測(cè)結(jié)果帶入公式（2），評(píng)估結(jié)果如表4所示，靈敏度為98%。

因此，本系統(tǒng)構(gòu)建的基于決策樹(shù)的心音分類(lèi)系模型，具有準(zhǔn)確率高、靈敏度高的特點(diǎn)。

4 結(jié)論

相比于傳統(tǒng)聽(tīng)診器，本文所設(shè)計(jì)的電子聽(tīng)診器可選擇聽(tīng)診頻段、靈活調(diào)整聲音大小、佩戴感舒適、功耗低。本系統(tǒng)通過(guò)設(shè)計(jì)電子聽(tīng)診器，并搭建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，進(jìn)行異常心音的判斷并與用戶實(shí)時(shí)交互，心音判別的準(zhǔn)確率、靈敏度高，為遠(yuǎn)程問(wèn)診系統(tǒng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。