便攜式腸鳴音監(jiān)測儀的設計與實現(xiàn)

衛(wèi)子然，張鑫，胡尊琪，姜國城，王克惠，蔡清萍

1 中國人民解放軍海軍軍醫(yī)大學 第二附屬醫(yī)院 普通外科，上海市，200003

2 寧波江豐生物信息技術有限公司，寧波市，315400

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)。胃腸道發(fā)生如果發(fā)生病變，比如出現(xiàn)胃十二指腸疾病、小腸疾病和大腸疾病，相應的腸鳴音強度或數(shù)量也會出現(xiàn)異常。另外，腸鳴音信號可以作為其他疾病的指征參數(shù)之一，近幾年的研究發(fā)現(xiàn)，腸鳴音除了可以指征胃腸狀態(tài)以外，還對敗血癥、帕金森氏癥等病癥有臨床意義[1]。與規(guī)律的心電信號不同，腸鳴音信號具有信號弱、背景噪聲強、個體差異大以及隨機性強等特點[2]，所以數(shù)據(jù)處理分析難度大，加之短時間內(nèi)腸鳴音出現(xiàn)的個數(shù)較少，為了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。

目前的研究中，腸鳴音有單通道[3]和多通道[4]兩種獲取方式，多通道指同一時刻能從多個位置記錄腸鳴音信號，單通道指同一時刻只記錄一個位置的腸鳴音信號。如基于STM32L系列單片機實現(xiàn)的6路多通道腸鳴音獲取方式，其中5路采集腸鳴音，1路采集環(huán)境噪聲，通過計算獲得多部位腸鳴音信號[5]。

本設計便攜穿戴式骨傳導單通道腸鳴音監(jiān)測儀，縮小體積、降低功耗、便攜穿戴可以同時滿足腸鳴音長時間監(jiān)測和多部位采集的需要。骨傳導特性可以在滿足有效采集腹部腸鳴音的同時，最大程度地實現(xiàn)隔絕環(huán)境噪音的需要。

1 總體框架

本設計是通過采用Dialog Semiconductor公司2018年最新推出的DA14682 SOC作為主動單元實現(xiàn)的。該芯片主要面向可穿戴應用場景，高度集成了最高96 MHz主頻的運算單元，BLE5.0、電池充電模塊、電源管理單元、內(nèi)置Flash、Quad-SPI、8通道IIS/PCM、I2C、全速USB、LED驅(qū)動等豐富的功能。采用單芯片就可以實現(xiàn)豐富的功能，在提高可靠性的同時，大大降低了整機系統(tǒng)的功耗控制。而采樣、數(shù)字濾波、增益控制、AD/DA轉(zhuǎn)換與耳機功率放大芯片采用Maxim Integrated公司主流的MAX9867芯片。該芯片同樣是一款面向可穿戴產(chǎn)品的低功耗芯片，具有非常好的聲音采樣處理能力。腸鳴音監(jiān)測儀實現(xiàn)框圖如圖1所示，骨傳導麥克風經(jīng)過模擬電路的前置放大和濾波處理，將采集到的聲音信號送入MAX9867芯片進行數(shù)字濾波和信號增益調(diào)節(jié)，并進行模擬數(shù)字AD轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過DA14682芯片IIS/PCM的DMA 8 kHz 16 bit采樣，最后通過藍牙5.0實時傳輸?shù)绞謾C應用程序，或者實時存儲于FLASH芯片中。最終采集完成后，F(xiàn)LASH存儲的數(shù)據(jù)再通過藍牙傳輸至手機應用程序。除此以外，MAX9867還具有耳機驅(qū)動能力，用戶可以直接通過MAX9867外接耳機聽到實時采集到的腸鳴音信號。

圖1 腸鳴音監(jiān)測儀實現(xiàn)框圖Fig.1 Bowel sound monitor implementation block diagram

2 模塊設計實現(xiàn)

2.1 主控模塊

本設計在主控單元芯片的選擇中，堅持選新、選高集成、選新主流的思路，最終確定了小米在做智能家居整體方案中使用的Dialog Semiconductor DA14682芯片。該芯片是Dialog Semiconductor公司推出的世界上第一款為滿足智能家居、工業(yè)和可穿戴設備的最高安全標準的單芯片解決方案，比市場已有的老的SOC有更好的功耗控制，更靈活的端口映射，更快的性能，更高的集成度。只需要一片芯片就完美解決低功耗藍牙收發(fā)、鋰電池充電、性能均衡和主要邏輯控制[5]。系統(tǒng)固件設計基于FreeRTOS進行開發(fā)，在系統(tǒng)初始化完成以后，創(chuàng)建藍牙廣播，IIS/PCM語音DMA采集，10級音量控制，LED狀態(tài)燈PWM顯示，F(xiàn)LASH存儲等多個任務，按照任務優(yōu)先級，依次調(diào)度。

本設計支持在線與離線兩種模式采集腸鳴音信號。在線模式，是指采集的腸鳴音信號通過藍牙5.0實時傳輸至手機應用程序進行實時記錄、播放和分析。離線模式，是指采集的腸鳴音信號直接寫入FLASH存儲，采集完畢后通過藍牙傳輸至手機應用程序，之后在手機端進行分析。兩種模式采集過程中，都可以通過插在便攜式腸鳴音監(jiān)測儀上的耳機實時監(jiān)聽采集到的腸鳴音。

為了降低整機功耗，避免藍牙一直保持在工作狀態(tài)，在線模式采取DMA緩存和間歇性發(fā)送藍牙數(shù)據(jù)來減少藍牙的工作時間。在腸鳴音采集過程中，從DA14682芯片內(nèi)直接開辟兩塊小內(nèi)存DMA_1和DMA_2作為連續(xù)采集數(shù)據(jù)的緩存切換，如圖2所示。采集的腸鳴音數(shù)據(jù)默認使用DMA_1作為存儲區(qū)；當DMA_1緩存區(qū)滿時，將存儲切換到DMA_2，同時打開藍牙，將DMA_1的數(shù)據(jù)通過藍牙傳輸至APP，并清空DMA_1；當DMA_2緩存區(qū)滿時，則將存儲通道切換到DMA_1，同時將DMA_2的數(shù)據(jù)通過藍牙5.0傳輸至手機，如此往復切換。藍牙收發(fā)速度是腸鳴音采集速度的3倍，所以藍牙基本有2/3的時間處于待機狀態(tài)。本設計的傳輸使用CRC校驗，確保通信可靠，數(shù)據(jù)無丟失，因藍牙傳輸速度極快，能夠保證腸鳴音的連續(xù)采集，不丟失數(shù)據(jù)。

離線模式默認使用一塊大小為128 MB的NAND FLASH芯片，可以存儲2 h的離線數(shù)據(jù)。由于不同容量的NAND FLASH的封裝接口是相同的，在不改變電路和PCB的前提下，可以非常方便地根據(jù)不同產(chǎn)品型號要求安裝不同容量大小的NAND FLASH，滿足不同的離線采集時間需求。NAND FLASH通過SPI接口與DA14682芯片進行通信，將通過雙DMA讀取內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，輪流讀取存儲。由于NAND FLASH寫入速度比較慢，速度降低設置為1/8倍SPI讀取寫入速度。為了防止反復寫入NAND FLASH的開始塊區(qū)，采用隨機寫入初始數(shù)據(jù)的文件系統(tǒng)。

圖2 腸鳴音連續(xù)采集實現(xiàn)框圖Fig.2 Bowel sound continuous acquisition implementation block diagram

2.2 電源管理模塊

本設計使用DA14682芯片自帶的綜合性電源管理功能，其充電電路簡單、節(jié)省功耗且可靠性高。同時，DA14682芯片擁有Extended Sleep、Deep Sleep、Hibernation三種睡眠模式，可以更好降低功耗。為了節(jié)省功耗，本設計使用DA14682芯片上單獨開關控制的兩路1.8 V線性電源：1V8和1V8P。1V8線性電源向MAX9867和傳感器模塊供電；而另一路1V8P，向Flash供電。這兩路電源可以單獨打開和關閉，節(jié)省整機的系統(tǒng)功耗。比如在線模式中，使用藍牙實時傳輸腸鳴音數(shù)據(jù)給移動APP，就可以將Flash供電的1V8P關閉，降低功耗。而在休眠狀態(tài)，可以把1V8供電斷掉，以節(jié)省MAX9867、模擬前置電路和骨傳導傳感器的靜待待機功耗。最終，本設計的休眠狀態(tài)電流優(yōu)化到1.2 μA。

2.3 傳感器模塊

由于腸鳴音具有信號微弱的特性，而且工作環(huán)境噪音復雜，選擇一款高靈敏度并能有效抑制環(huán)境噪音的傳感器顯得尤為重要。本設計使用寧波碩正電子有限公司的SOG-JF-15H-40A-H麥克風作為腸鳴音傳感器。SOG-JF-15H-40A-H外徑φ15±0.2 mm，厚度0.13±0.02 mm，諧振頻率4±0.5 kHz，是一款具有骨傳導特性的麥克風，能夠有效地抑制從空氣傳來的環(huán)境噪音，又能有效采集從腹部傳來的腸鳴音信號。

2.4 放大濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

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。根據(jù)國內(nèi)外文獻報道，腸鳴音信號的頻率有效范圍在50～1 500 Hz這個范圍，正常音的頻率范圍為l00～l 000 Hz[6]。

本設計使用MAX9867芯片實現(xiàn)濾波和放大，MAX9867芯片是Maxim Integrated公司的一款專為便攜式設備設計的超低功耗音頻編解碼器，尺寸為2.2 mm×2.7 mm，其數(shù)字濾波提供了一系列的陷波濾波器和高通濾波器，能夠衰減超過70 dB的能量，消除了聲音混疊[7]。采集過程中設置的采樣率為8 kHz 16 bits，經(jīng)過現(xiàn)場測試，完全能夠滿足高保真采集腸鳴音信號。

2.5 按鍵、指示燈

本設計使用有3個按鍵和2個LED指示燈，都連接在DA14682芯片的I/O口上。按鍵采取中斷讀取狀態(tài)，LED則由PWM進行控制，設計成呼吸燈效果。3個按鍵分別是電源、音量增加鍵、音量減小鍵；2個指示燈分別是電源燈和藍牙連接燈。按電源鍵開機后電源燈常亮，再按電源鍵關機則電源燈熄滅，設備藍牙與手機應用程序連接后，藍牙燈呼吸閃爍。

2.6 便攜穿戴結(jié)構(gòu)

便攜式腸鳴音監(jiān)測儀是采用四合扣和電極貼的方式來進行固定，如圖3和圖4所示，將電極貼與監(jiān)測儀下殼體用四合扣公母對扣固定，電極貼另一面是醫(yī)用粘膠，能夠長期安全有效地固定在人體皮膚上，且可以在多部位同時穿戴監(jiān)測儀設備，互不干擾，達到多部位采集腸鳴音信號的效果。

圖3 便攜式腸鳴音監(jiān)測儀背視圖Fig.3 Portable bowel sound monitor back view

圖4 腸鳴音監(jiān)測儀電極貼Fig.4 Bowel sound monitor electrode patch

3 實驗結(jié)果

本設計便攜式穿戴腸鳴音監(jiān)測儀啟動后與手機應用程序進行藍牙連接，啟動采集就將采集的腸鳴音信號通過APP記錄并播放出來。如圖5所示，采集的腸鳴音信號通過藍牙傳輸?shù)绞謾C應用程序，然后以波形呈現(xiàn)視覺效果實時播放。

圖5 實時腸鳴音波形Fig.5 Real-time bowel sound waveform

4 臨床驗證

上海長征醫(yī)院普通外科使用該監(jiān)測儀對100例正常人和20例腸梗阻患者進行了腸鳴音監(jiān)測。兩名臨床醫(yī)生對同一受試對象進行腸鳴音監(jiān)測，將聽診器和監(jiān)測儀的骨傳導拾音器平行放置，監(jiān)測受試對象一分鐘，一名醫(yī)生使用聽診器傳統(tǒng)聽診，一名醫(yī)生使用該監(jiān)測儀聽診。研究結(jié)果表明，兩名醫(yī)生可以在同一時間聽到受試對象的腸鳴音，而且腸鳴音出現(xiàn)時監(jiān)測儀上會有腸鳴音波形改變，具體波形改變的特征意義，我們將在大數(shù)據(jù)獲得后進一步分析。臨床驗證結(jié)果表明，該監(jiān)測儀可以準確記錄受試對象的腸鳴音。

5 討論

本文實現(xiàn)了便攜式腸鳴音監(jiān)測儀的設計，并實際研發(fā)和測試了腸鳴音的信號采集。該便攜式腸鳴音監(jiān)測儀能夠采集人體腸鳴音信號，通過藍牙傳輸至手機應用程序，進行記錄和播放。

本設計實現(xiàn)的便攜式腸鳴音監(jiān)測儀，相比于其他的設計，主要體現(xiàn)在以下方面的改進：一是采用骨傳導傳感器，相比于傳統(tǒng)傳感器單純使用軟件來進行環(huán)境噪音的過濾，骨傳導傳感器從源頭上就不采集從空氣中傳來的環(huán)境噪聲，提高了信噪比，也使得后續(xù)腸鳴音的算法處理優(yōu)化更加精確可靠；二是體積小，便攜穿戴，本設計因過濾了空氣中的環(huán)境噪聲，故可以使用單通道采集腸鳴音來縮小體積，且四合扣電極貼的安全可靠便攜設計，又可以滿足在不同部位采集腸鳴音信號；三是低功耗設計，本設計采用DA14682芯片單片機，利用藍牙爆發(fā)性發(fā)送，雙路電源控制，以及睡眠模式將無需工作的部件進行睡眠低功耗處理，保證了監(jiān)測儀能夠長時間實時連續(xù)采集腸鳴音，對評估胃腸狀態(tài)，具有重要的臨床意義。

我們在臨床驗證中發(fā)現(xiàn)，該監(jiān)測儀可以準確記錄和保存受試對象的腸鳴音。只要受試對象在監(jiān)測過程中不說話，監(jiān)測儀不發(fā)生移動，就不會有雜音干擾，完全不受監(jiān)測過程中環(huán)境音的影響。當然，該監(jiān)測儀只是可以高保真地記錄腸鳴音，但是記錄的腸鳴音是否正常，臨床意義何在等問題，課題組通過大樣本的采集，并在人工智能團隊的幫助下，開發(fā)了腸鳴音識別軟件，將另發(fā)文予以介紹。