一種先心病快速篩選儀的設(shè)計與實現(xiàn)

成謝鋒，張友迅

(南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院、微電子學(xué)院，江蘇 南京 210046)

0 引 言

先天性心臟病是一種最常見的先天性畸形，其發(fā)病率約占0.8%，每年中國大陸約有30萬先心病新生兒[1]。隨著二胎放開以及高齡孕婦增加、環(huán)境污染加重，先心病發(fā)病率呈逐年上升趨勢。新生兒應(yīng)盡早開展先心病篩查與診療工作，可有效降低出生缺陷率與嬰兒病死率。

為貫徹落實《母嬰保健法》，進一步提高出生人口素質(zhì)與生命質(zhì)量，降低5歲以下兒童死亡率，從2016年開始，將全面開展新生兒先天性心臟病篩查工作，如上海市硬性規(guī)定新生兒進行先心病篩查，其主要方法是：心臟聽診+脈搏血氧飽和度[2]。該方法雖然簡單、省時、準(zhǔn)確度較高，但過度依賴于醫(yī)生的主觀經(jīng)驗，且部分先心病患兒可無雜音或雜音較輕，容易造成漏診。在相對貧困地區(qū)，尚未形成完備的診斷體系，通常借助于醫(yī)生人工聽診，然而這對經(jīng)驗尚淺的醫(yī)生而言，存在較高的誤診率，不但加重了患者家屬的負(fù)擔(dān)，同時漏診的患兒也不能得到及時的治療。鑒于此，迫切需要相關(guān)輔助診斷設(shè)備。

心音能反映心血管系統(tǒng)的病理特征，在臨床上具有重要的價值，因此常用于部分疾病的診斷[3-6]。隨著電子聽診器與數(shù)字信號處理的發(fā)展，衍生出多種智能診斷器械，如丹麥Acarix公司基于心音的體外冠心病診斷儀。近年來，在國內(nèi)外研究人員的共同努力下，心音采集設(shè)備越來越多樣、預(yù)處理部分也越來越精細(xì)、特征參數(shù)提取方法越來越成熟、分析技術(shù)也越來越高效。并且心音智能診斷技術(shù)已經(jīng)逐步走向了實際應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，該團隊研發(fā)了一種先心病篩選輔助設(shè)備。該儀器由多通道心音傳感器、血氧飽和度傳感器和Exynos4412嵌入式系統(tǒng)等組成，通過Qt-C++編程實現(xiàn)四通道心音信號同步采集、預(yù)處理、血氧飽和度計算，前端交互界面動態(tài)顯示，數(shù)據(jù)存儲與傳輸、特征提取和分類識別。前期應(yīng)用結(jié)果表明，該設(shè)備設(shè)計簡潔、使用方便，診斷結(jié)果比較準(zhǔn)確，對家庭、社區(qū)和基層醫(yī)院都有推廣應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

心音是由心臟瓣膜的開閉、肌肉的舒張收縮及心血管壁振動而產(chǎn)生的一種復(fù)合音。長期臨床實踐經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，心臟雜音與心血管疾病有著緊密的相關(guān)性?？焖傧刃牟『Y選儀作為一種醫(yī)療輔助設(shè)備，針對新生兒進行初步先心病診斷，其陽性結(jié)果需進行心超檢查確認(rèn)。其創(chuàng)新之處在于一方面使用并行聽診簡化篩查過程，另一方面利用智能算法提高篩查速率，具有設(shè)計簡潔、使用方便、篩查時間短、診斷準(zhǔn)確率較高等優(yōu)點。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。篩選儀硬件系統(tǒng)主要包括四通道心音傳感器、血氧飽和度傳感器、Exynos4412嵌入式系統(tǒng)與電源管理器等。該硬件系統(tǒng)具有采集精度高、穩(wěn)定性強、制作成本較低、安全便捷等特點，有助于篩選儀后續(xù)的推廣工作。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 四通道心音傳感器

1999年，美國3M Littmann公司將電子技術(shù)應(yīng)用于聽診中，研制了一款電子聽診器，推動了智能聽診的研究與發(fā)展[7]。電子聽診器將自然心音信號轉(zhuǎn)化為計算機可識別的數(shù)字信號，是進行心音分析的前提[8]。

目前，國內(nèi)外多數(shù)心音研究尚基于單通道心音信號[9-12]。結(jié)合先心病心音信號的特點，利用四通道同步心音信號分析，能有效提高先心病的篩查效率與診斷準(zhǔn)確率[13]。四通道心音傳感器如圖2所示，前端聽診頭是由高分子振動瓣膜、諧振腔體與駐極體麥克風(fēng)等部分組成，其作用是將心音聲學(xué)信號轉(zhuǎn)換為電信號。由于新生兒各心臟聽診區(qū)分布相近，因此要求相對縮小諧振腔體的面積，這將影響傳感器的靈敏度，使得采集信號的信噪比降低，造成部分心音信號被淹沒在噪聲中。為解決此難題，在聽診頭面積不變的情況下，相對擴展震動腔體積，從物理音腔的層面提高靈敏度。四通道心音傳感器將多個前端聽診頭用支架固定成一體，諧振腔底部與駐極體麥克風(fēng)緊密連接。在支架的外圍使用屏蔽密封圈，有效防止心音信號受到外界干擾。四個諧振器腔體之間使用軟體彈性材料相互接觸，提高心音諧振的效果，并使得四路心音信號互不干擾。

在聽診過程中，四通道心音傳感器解決了需要不斷移動聽診器的難題，縮短了現(xiàn)場診斷時間，提高了先心病篩查效率，并具有檢測精度高、裝置體積小、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。目前四通道心音傳感器已獲得中國發(fā)明專利(專利號201510179382.3)。

圖2 四通道心音采集器

2.2 血氧飽和度傳感器

血氧飽和度(pulse oxygen saturation，SpO2)是氧合血紅蛋白(oxyhemoglobin，HbO2)與血紅蛋白(hemoglobin，Hb)的比重系數(shù)，是衡量血液輸送氧氣的能力的一項指標(biāo)。人體的血液中，存在血紅蛋白HbO2、氧血紅蛋白Hb、碳氧血紅蛋白COHb、鎂鐵血紅蛋白MetHb。對于大多數(shù)健康的人群而言，相對于Hb與HbO2，血液中的COHb與MetHb含量較低，所以在實際臨床中，往往將COHb與MetHb忽略不計，SpO2的公式簡化為：

(1)

2014年，趙趣鳴在研究中發(fā)現(xiàn)血氧飽和度對先心病的靈敏度可達83%[14]。江蘇省昆山市婦幼保健所的韓霞醫(yī)生結(jié)合心肺聽診與血氧飽和度，在2011年至2014間，共篩查62 000名新生兒，檢測出先心患兒共539例，靈敏度與特性均超過了90%[15]。通過上述文獻可知，血氧飽和度對新生兒先心病評估具有一定的參考價值。

光電式血氧傳感器原理：由HbO2和Hb對不同波長光線的吸收系數(shù)不同，因此設(shè)置紅光(λ1=660 nm)與紅外光(λ2=880 nm)透射手指，根據(jù)二者的透射光強度，通過采樣與轉(zhuǎn)換獲取血氧飽和度。血氧飽和度傳感器主要包括光電模塊與控制模塊。光電模塊由發(fā)射管與接收管組成，發(fā)射管分別采用660 nm與880 nm波長的發(fā)光二極管，當(dāng)波長為660 nm時，Hb的吸收系數(shù)相對HbO2較大，當(dāng)波長為880 nm則相反；計算模塊經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取兩種光束透射強度，通過計算比例系數(shù)得SpO2值?？刂颇K由數(shù)模轉(zhuǎn)換器、處理器與串口通信等部分組成。首先，數(shù)模轉(zhuǎn)換器將接收管的輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并送給處理器；其次，處理器根據(jù)上述公式計算血氧飽和度；最后，由串口通信輸出血氧飽和度。

2.3 Exynos4412核心板

嵌入式系統(tǒng)是執(zhí)行特定應(yīng)用程序的計算機系統(tǒng)，該系統(tǒng)以計算機為基礎(chǔ)，是工業(yè)與醫(yī)療器械領(lǐng)域一種極為重要的技術(shù)[16]。篩選儀選用Samsung公司研發(fā)的Exynos4412核心板。Exynos4412常被用于手持式設(shè)備、儀表與醫(yī)療等產(chǎn)品[17]，其CPU主頻可達1.6 G，運算能力16K DMIPS，能大幅度縮短算法的運行時間。核心板如圖3所示。

嵌入式系統(tǒng)包括中央處理器、電源管理模塊、顯示驅(qū)動模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、I/O接口等。中央處理器采用Cortex-A9架構(gòu)，運行Linux操作系統(tǒng)；電源管理模塊選用線性穩(wěn)壓器實現(xiàn)完備的功耗管理，電源芯片型號為S5M8767；顯示驅(qū)動模塊保證9寸電容屏的正常運行；數(shù)模轉(zhuǎn)換器支持四通道轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度與頻率分別為12 bit和2 000 Hz。

圖3 Exynos4412核心板

綜上所示，Exynos4412核心板的性能與功能均較為強大，具有體積小、功耗低、性能強等優(yōu)點，較為符合篩選儀的設(shè)計理念。

3 軟件設(shè)計

3.1 Qt介紹

Qt是由挪威TrollTech公司出品的跨平臺界面框架，其中包括了Qt的面向設(shè)備、涵蓋的編程語言、集成編譯環(huán)境、界面設(shè)計Designer、編譯組件qmake與Cmake、常用開發(fā)工具等。Qt擁有成熟、開源、豐富且穩(wěn)定的引擎庫，因此受到眾多開發(fā)者的青睞[18]。隨著用戶數(shù)量的不斷增長，其功能不斷擴展，性能逐漸優(yōu)化，達到了工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)。

Qt/Embedded是嵌入式環(huán)境下所使用的，具有以下優(yōu)勢：

工作效率高：根據(jù)特定的軟硬件應(yīng)用場景，做出相應(yīng)的調(diào)整，可有效節(jié)省系統(tǒng)資源，提高應(yīng)用程序的工作效率。Qt具有良好的封裝機制，其模塊化程度高、靈活性好，有助于用戶的程序開發(fā)。另外，其特有的Signals/Slots機制能有效降低多任務(wù)事件協(xié)同的復(fù)雜程度。

跨平臺特性：由于硬軟件新版本的迭代，有可能造成部分應(yīng)用程序無法正常運行。如果進行整個代碼重構(gòu)，必將耗費大量的資源?？缙脚_特性可良好規(guī)避此風(fēng)險，通過重新交叉編譯后即可完成環(huán)境適配。Qt支持下列主流操作系統(tǒng)：Windows、Linux、MacOs等。

API與控件庫：包括280多個Class，如Collection，I/O device，F(xiàn)ile等。用戶在設(shè)計交互界面的時候，往往能在控件庫里找到相應(yīng)的一些控件，如圖形展現(xiàn)、虛擬按鈕與界面容器等。

綜上所述，Qt/Embedded在嵌入式領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，其跨平臺特征能夠較好支持系統(tǒng)平臺升級，較符合篩選儀的功能需求與設(shè)計理念，所以采用Qt/Embedded作為界面應(yīng)用程序開發(fā)框架。

3.2 篩選儀工作流程

經(jīng)過前期與醫(yī)護人員進行反復(fù)的討論與交流，結(jié)合病患的特點以及現(xiàn)有采集設(shè)備的意見與建議，確定了篩選儀的工作流程，如圖4所示，主要包括了主界面、數(shù)據(jù)采集、算法分析、歷史查詢等界面。

圖4 篩選儀工作流程

主界面主要包括圖片和三個操作按鈕，分別用于“新增篩查記錄”、“歷史記錄查詢”與“設(shè)備待機”。輕觸“新增篩查記錄”，進入數(shù)據(jù)采集界面，如圖5所示，上方是由醫(yī)生錄入的患者住院編號、姓名、出生日期與性別等信息；左側(cè)分別是四個心臟聽診區(qū)的具體位置，有助于醫(yī)生進行心音信號采集；中部為四通道同步心音信號波形；右側(cè)的操作按鈕包括“添用戶”、“同步采集”、“存儲”、“分析”與“返回”。通過“分析”按鈕進入算法分析界面，如圖6所示，上方是患者信息與診斷時間；下方從左至右依次是心臟聽診區(qū)、心音波形、能量分布圖與診斷結(jié)果，從上至下分別對應(yīng)二尖瓣、主動脈瓣、肺動脈瓣與三尖瓣。

圖5 信號采集界面

圖6 信號分析界面

3.3 篩選儀算法流程

心音信號的特征分析較為成熟，常用包絡(luò)曲線、聲譜圖、梅爾倒譜等。篩選儀采用一種高效的頻域分析方法：小波分解+能量商。該算法主要分為三個步驟，其流程如圖7所示。

圖7 算法流程

步驟1：原始四路心音信號分別進行小波分解[19]。單路心音信號采用db10小波進行5層分解，重構(gòu)信號[h1,h2,h3]。h1信號(62.5～125 Hz)主要代表S1與S2心音成分；h2信號(125～250 Hz)代表生理性雜音；h3信號(250～500 Hz)代表病理性雜音。

步驟2：計算分解后信號的能量商[E1,E2,E3,E4]T，并融合血氧飽和度SpO2獲得特征向量[E1,E2,E3,E4,SpO2]T。文獻提出能量商作為心音特征，由于心臟雜音分為良性雜音與病理雜音，良性雜音的頻率與正常心音相近，而病理雜音頻率相對較高，因此分析心音能量商系數(shù)能夠有效判斷心臟健康狀況，其定義為[20]:

(2)

步驟3：采用支持向量機[21]對特征向量進行分類識別，獲得診斷結(jié)果[r1,r2]。

4 結(jié)束語

介紹了一種先心病快速篩選儀，并詳細(xì)闡述了傳感器的設(shè)計原理、硬件平臺的性能、軟件系統(tǒng)的搭建、算法的流程分析以及整體實現(xiàn)的效果。該儀器能較好協(xié)助醫(yī)生進行診斷，為先心病篩查提供了一種新的輔助設(shè)備，并且彌補了新生兒健康產(chǎn)業(yè)鏈的缺口。篩選儀具有設(shè)計簡潔、使用方便、篩查時間短、診斷準(zhǔn)確率較高等優(yōu)點，在臨床測驗過程中也獲得了醫(yī)生的好評，在2018年獲得全國研究生電子設(shè)計競賽二等獎，全國大學(xué)生智能互聯(lián)創(chuàng)新競賽三等獎。