基于嵌入式系統(tǒng)的多功能便攜式電子聽診器*

王毅德, 程 潔, 姚 飛, 張 浩, 徐 偉, 黃成軍

(1.中國(guó)科學(xué)院微電子研究所 健康電子研發(fā)中心,北京 100029;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 電子信息與技術(shù)學(xué)院,北京 100029; 3.湖北警官學(xué)院,湖北 武漢 430034)

0 引 言

傳統(tǒng)的機(jī)械式聽診器,將臟器的聲音通過聽筒、軟管等傳導(dǎo)到醫(yī)生的耳朵,并進(jìn)而做出診斷,該方法簡(jiǎn)便易行,但是也存在諸多局限性,如靈敏度不高、易受環(huán)境噪音干擾、可視化差、對(duì)操作手法依賴性強(qiáng)等。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,新型的電子聽診器,將傳統(tǒng)的機(jī)械式聽診器與現(xiàn)代電子信息技術(shù)相結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)心音、肺音、腸鳴音等體征信號(hào)的采集、數(shù)字化處理、分析、存儲(chǔ),能克服傳統(tǒng)聽診技術(shù)的不足,在移動(dòng)醫(yī)療、主動(dòng)健康管理等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。心音研究方面,周克良等人[1]提出一種基于小波變換的心音信號(hào)降噪算法,可以在降噪同時(shí)保留信號(hào)細(xì)節(jié)特征；馬瑩等人[2]提出利用尋峰算法監(jiān)測(cè)心率的方法,可以根據(jù)心音信號(hào)得到心率；天津大學(xué)樊容[3]設(shè)計(jì)了一種低噪聲電子聽診器,通過對(duì)前置放大電路、濾波電路和功放電路的優(yōu)化設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)心肺音的低噪提取。但是該聽診器僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)心肺音聽診和播放,不具備模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能,因此無法對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理及分析。國(guó)際上,美國(guó)3M公司開發(fā)了名為L(zhǎng)ittmann 3200的藍(lán)牙電子聽診器,該設(shè)備采用先進(jìn)的抗噪聲電路設(shè)計(jì)技術(shù),可以有效降低環(huán)境噪聲的影響,較清晰地提取心肺音信號(hào),并能最大達(dá)到24倍放大,同時(shí)具有心率顯示、藍(lán)牙通信等功能。但是該產(chǎn)品價(jià)格昂貴,超出了普通用戶的承受能力。目前國(guó)內(nèi)開發(fā)的類似產(chǎn)品,只是基本實(shí)現(xiàn)了聲音信號(hào)的電子化,其信號(hào)增益、抗噪性能及智能化水平尚有待提高。

本文擬研制一種高性能、多功能、小體積、低成本的便攜式電子聽診器,以實(shí)現(xiàn)對(duì)心音的實(shí)時(shí)聽診、存儲(chǔ)回放、音量控制、波形顯示等功能,未來有望替代傳統(tǒng)聽診器,為臨床的聽診實(shí)踐提供更加多樣化的解決方案。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體描述

電子聽診器由信號(hào)采集模塊、濾波放大模塊、主控模塊、按鍵顯示模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(anolog to digital converter,ADC)模塊、電源管理模塊等部分組成。信號(hào)采集模塊的拾音頭采集微弱心音,經(jīng)麥克風(fēng)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)后輸入數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processor,DSP)芯片進(jìn)行濾波處理,再經(jīng)放大電路放大后,信號(hào)一路接耳機(jī)輸出,另一路經(jīng)ADC模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),通過串口或藍(lán)牙發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行波形顯示及分析。主控芯片選擇STM32F103RET6微處理器,對(duì)各模塊進(jìn)行統(tǒng)一管理及調(diào)配,單片機(jī)編程語言為C語言,上位機(jī)開發(fā)環(huán)境為L(zhǎng)abVIEW。

1.2 拾音頭選取

1.2.1 麥克風(fēng)的選擇

心音信號(hào)所在頻段(20～600 Hz)在人耳能聽到的范圍內(nèi),因此可以使用麥克風(fēng)作為采聲傳感器。常見的電容式麥克風(fēng)有微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)硅麥克風(fēng)和駐極體麥克風(fēng)兩大類[4],本文研制的電子聽診器所需的采聲器件,需要具備低噪聲、高靈敏度、失真小、高信噪比、頻響曲線平坦等特性。根據(jù)這些要求,選擇了市場(chǎng)上常見的8種型號(hào)麥克風(fēng)進(jìn)行了測(cè)試與比對(duì),其中4種為MEMS硅麥克風(fēng),4種為駐極體麥克風(fēng)。實(shí)驗(yàn)中,使用聲學(xué)聽診頭采集同一測(cè)試對(duì)象的二尖瓣區(qū)心音,將麥克風(fēng)放置在傳統(tǒng)機(jī)械式聽診器的傳聲軟管出口處,替代人耳接收聲音信號(hào),使用NI公司的USB—4431采集卡將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),并在LabVIEW窗口中以波形顯示。測(cè)試指標(biāo)分別為底噪U(xiǎn)s,Un,Us與Un的比值。底噪為將麥克風(fēng)靜置于實(shí)驗(yàn)室日常環(huán)境中所得；Us為采集卡測(cè)得心音信號(hào)最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之差；Un為非心音信號(hào)部分波動(dòng)上下限之差；所有數(shù)據(jù)均測(cè)量3次取平均值。在一定程度上,Us可以反映有效心音信號(hào)的強(qiáng)弱,Un可以反映噪聲及干擾的強(qiáng)弱,Us與Un的比值可以反映麥克風(fēng)提取心音信號(hào)的能力。

按照上述測(cè)試方法對(duì)8種型號(hào)的麥克風(fēng)逐一測(cè)試,將數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。從表中可以看出,不同麥克風(fēng)在底噪、信號(hào)和噪聲等方面均有差異,作為采聲器件,需要噪聲盡可能低,同時(shí)保證信號(hào)質(zhì)量,經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn),同等條件下,型號(hào)為OB4015L的駐極體麥克風(fēng)Us與Un的比值達(dá)到了13.34,優(yōu)于其他麥克風(fēng),說明其采集到的信號(hào)質(zhì)量更高,引入干擾的可能性更低。經(jīng)查閱手冊(cè),其靈敏度、供電電壓、頻響曲線等均滿足電子聽診器設(shè)計(jì)要求,所以本文最終選擇駐極體麥克風(fēng)OB4015L作為所研制的電子聽診器的采聲器件。

表1 麥克風(fēng)對(duì)比測(cè)試結(jié)果

1.2.2 聽診頭聲腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化

聽診頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)影響聽診器的傳聲特性和采聲效果[5]。當(dāng)前市場(chǎng)上主流的膜式聽診頭主要有兩類,一種是結(jié)構(gòu)扁平、背部無孔的膜式聽頭(圖1(a)),另一種為錐形腔體、背部開孔的膜式聽頭(圖1(b))。

圖1 聽診頭內(nèi)部聲壓分布圖

為探究不同結(jié)構(gòu)采聲效果的差異,本文使用多物理場(chǎng)仿真軟件COMSOL對(duì)其聲學(xué)特性進(jìn)行了有限元分析。首先建立兩種物理結(jié)構(gòu)模型,如圖1中所示,(a)為背部無孔聽診頭,其外徑取值40 mm；(b)為背部開孔聽診頭,其外徑也為40 mm,背部小孔的直徑取值4 mm。使用壓力聲學(xué)模塊中的頻域研究進(jìn)行仿真,以腔體內(nèi)部的空氣作為實(shí)體,設(shè)置硬聲場(chǎng)邊界,入射波選擇平面波輻射,入射聲場(chǎng)壓強(qiáng)設(shè)為2 Pa,頻率設(shè)為50～1 000 Hz。

兩種聽診頭腔體內(nèi)各位置聲壓分布圖如圖 1(c),圖 1(d) 所示。不同頻率下的兩種結(jié)構(gòu)的最大聲壓對(duì)比如圖1(e)所示。從仿真結(jié)果可知,背部無孔結(jié)構(gòu)中聲壓分布較為均勻,整個(gè)平面范圍內(nèi),在不同的頻率范圍內(nèi)聲壓的變化為4～3.982 Pa,隨著頻率的增加,最大聲壓稍有減小,如圖1(e)曲線所示。相較而言,背部開孔的聽診頭結(jié)構(gòu),在下方圓柱和圓錐腔體部分聲壓分布較均勻,約4 Pa,但在末端小孔處得到增強(qiáng),小孔出口處聲壓最大,最強(qiáng)可達(dá)4.125 Pa,隨著頻率的增加,最大聲壓逐漸增加,表示高頻下采聲效果有較大提升。與無孔結(jié)構(gòu)相比,仿真頻段內(nèi)采聲效果最大可增強(qiáng)3.6 %。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)可以判斷在電子聽診器設(shè)計(jì)中,如果將采音麥克風(fēng)放置于圖1(b) 結(jié)構(gòu)的小孔處,聲音采集效果比圖1(a)的扁平式聽診頭效果更好。

1.3 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路系統(tǒng)框圖如圖2所示,以信號(hào)處理和主控模塊為核心,在其周圍分別搭建供電電路、外設(shè)模塊以及引出數(shù)據(jù)接口。為減小體積,將這些模塊分別置于三塊印制電路板上,從下到上依次為供電板、主控板、外設(shè)板,板與板之間通過1.54 mm插排進(jìn)行連接,共同構(gòu)成硬件系統(tǒng)。

圖2 硬件電路系統(tǒng)框圖

1.3.1 采集濾波模塊

電子聽診器前端采用背部開孔的膜式聽診頭,將OB4015L駐極體麥克風(fēng)置于小孔處采集心音信號(hào),采用DSP數(shù)字濾波芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理,設(shè)置為低通濾波器,截止頻率600 Hz,輸出為兩路模擬信號(hào),再利用放大電路進(jìn)行放大。

1.3.2 放大電路設(shè)計(jì)

放大芯片選擇德州儀器公司的高性能、低功耗芯片TPA6100,放大電路為雙輸入雙輸出,放大倍數(shù)通過輸入電阻器與反饋電阻器調(diào)整。一路信號(hào)經(jīng)放大后接3.5 mm接口輸出,另一路信號(hào)放大后輸出到單片機(jī)的ADC輸入引腳進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

1.3.3 主控及ADC模塊

主控芯片選擇STM32F103RET6微處理器,除了完成對(duì)顯示屏、按鍵等模塊的控制,其自帶的ADC模塊精度為12位,采樣率最高可達(dá)0.9 MHz,完全滿足心音信號(hào)的處理要求,因此，無需使用額外的ADC芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

1.3.4 電源模塊

電源充電芯片選擇德州儀器公司的TP4056,充電接口為Micro USB接口,5 V供電,芯片輸出端為恒壓4.2 V,用于給鋰電池充電,同時(shí)可接LED用作充電狀態(tài)指示燈。

1.4 系統(tǒng)PCB設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)小體積、便攜性的目標(biāo),將不同電路模塊分別置于三塊直徑為6 cm的圓形PCB上,板與板之間通過排插進(jìn)行電氣連接,元件均采用貼片封裝、雙面布局以提高集成度。供電板放置電源管理模塊,包括鋰電池、TP4056充電芯片等；主控板放置微處理器、DSP數(shù)字濾波芯片、TPA6100功放芯片及其外圍電路等；外設(shè)板放置1.3寸OLED顯示屏、四枚開關(guān)按鍵以及LED工作狀態(tài)指示燈。PCB板如圖3(a)所示,根據(jù)PCB板尺寸利用Solidworks軟件設(shè)計(jì)外殼結(jié)構(gòu),使用環(huán)氧樹脂3D打印外殼,將PCB板封裝入外殼做成一體化設(shè)備,如圖3(b)所示,該設(shè)備直徑6.5 cm,高度4 cm,重量?jī)H為122 g,達(dá)到了便攜性的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

本系統(tǒng)為數(shù)?；旌想娐?因此在PCB設(shè)計(jì)過程中,有必要將模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)進(jìn)行隔離,以免相互干擾。在供電板中,引出兩路電源為數(shù)字部分和模擬部分分別供電,數(shù)字地和模擬地各自獨(dú)立走線,單點(diǎn)接地。在主控板的地層中,數(shù)字部分和模擬部分分區(qū)域覆銅作為地平面,最大程度保證信號(hào)質(zhì)量。

圖3 PCB與實(shí)物圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境為Keil uVision 5,編程語言為C語言。單片機(jī)主控程序由主函數(shù)、OLED模塊、按鍵模塊、ADC模塊、串口模塊等組成。

開機(jī)后,首先運(yùn)行各模塊初始化函數(shù),然后進(jìn)入待機(jī)界面,主函數(shù)中始終循環(huán)運(yùn)行按鍵檢測(cè)函數(shù),若檢測(cè)到按下模式鍵,則進(jìn)入模式顯示函數(shù),根據(jù)按鍵的次數(shù)顯示不同模式界面；若檢測(cè)到按下音量鍵,則顯示音量加減界面；若檢測(cè)到按下串口鍵,則開啟A/D轉(zhuǎn)換器,采樣率設(shè)置為94 240 Hz,每采100個(gè)點(diǎn)取平均值,將平均值存入長(zhǎng)度為1 600的一維數(shù)組,然后將此數(shù)組以字符串形式通過串口協(xié)議發(fā)送至上位機(jī)。

3 結(jié)果測(cè)試與對(duì)比

3.1 硬件電路測(cè)試

3.1.1 信噪比測(cè)試

使用函數(shù)發(fā)生器在電路輸入端輸入頻率為200 Hz的正弦波,用示波器測(cè)量電路輸出端,當(dāng)達(dá)到最大不失真輸出時(shí),輸出幅值1.65 V,頻率200 Hz的正弦波,輸出電壓有效值U1=1.167 V。關(guān)閉輸入,此時(shí)測(cè)得輸出端噪聲電壓有效值U2=3.2 mV,據(jù)此計(jì)算得到電路信噪比,SNR=20lg(U1/U2)=51 dB。

3.1.2 系統(tǒng)頻響測(cè)試

除本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的電子聽診器外,另外選取國(guó)外3M公司Littmann 3200電子聽診器和某國(guó)產(chǎn)電子聽診器進(jìn)行參照對(duì)比。搭建測(cè)試平臺(tái)對(duì)幾種電子聽診器分別進(jìn)行頻率響應(yīng)測(cè)試。測(cè)試過程如下：將揚(yáng)聲器置于耦合腔中,播放單一頻率聲音,頻率從20 Hz取到1 000 Hz,700 Hz以下每隔20 Hz取一個(gè)點(diǎn),700 Hz以上每隔50 Hz取一個(gè)點(diǎn)。將電子聽診器的聽診頭置于耦合腔固定部位,測(cè)量輸出信號(hào)的幅值。同樣取300 Hz頻率作為參考,作出三種電子聽診器頻響曲線如圖4所示。

圖4 不同電子聽診器頻響曲線

從頻響曲線可知,幾種電子聽診器在低頻段和700 Hz以上的頻段增益較弱,在200～600 Hz頻段曲線較平坦,從圖中虛線框部分可以看出,某國(guó)外電子聽診器采用的是數(shù)字濾波器,對(duì)240 Hz和560 Hz附近的頻點(diǎn)做了特定強(qiáng)化以改善聽診效果。

3.2 人體心音信號(hào)測(cè)試

按照硬件設(shè)計(jì)搭建電子聽診器系統(tǒng),將主控程序燒錄至單片機(jī)。經(jīng)測(cè)試,該電子聽診器各功能及指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,在耳機(jī)中可聽到清晰心音,同時(shí),心音信號(hào)經(jīng)數(shù)字化后可以通過串口或藍(lán)牙發(fā)送至上位機(jī),進(jìn)而得到心音波形圖。

最后,將本文研制的電子聽診器,與2 種常見的市售電子聽診器進(jìn)行對(duì)比。受測(cè)者為同一對(duì)象,采取坐姿,分別采用三種聽診器,采集受測(cè)者靜息狀態(tài)下二尖瓣區(qū)的心音信號(hào),利用LabVIEW聲卡采集程序?qū)⑿囊魧?dǎo)入上位機(jī),測(cè)試結(jié)果如圖5所示。其中(a)美國(guó)3M公司的電子聽診器,(b)為某國(guó)內(nèi)市售的電子聽診器,(c)為本文研制的電子聽診器。

圖5 不同電子聽診器測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果可以看出,幾種電子聽診器都清晰反映出第一心音、第二心音。第一心音振幅大于第二心音,無第三、第四心音。同時(shí)從時(shí)域波形圖可見,在增益相近的條件下,本文研制的電子聽診器在檢測(cè)心音的同時(shí)對(duì)噪聲的抑制效果更加明顯。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并制作了基于STM32嵌入式系統(tǒng)的便攜式多功能電子聽診器,兼具模擬和數(shù)字音頻輸出接口,心音信號(hào)既可以實(shí)時(shí)通過人耳聽診,又能夠以多種方式儲(chǔ)存至上位機(jī),進(jìn)行心音信號(hào)的顯示與分析。同時(shí),通過對(duì)PCB布局優(yōu)化、采用貼片封裝等方式實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的高集成度、小型化與便攜性。與市面上同類產(chǎn)品相比,本系統(tǒng)在性能和成本方面具有一定優(yōu)勢(shì),為心音檢測(cè)提供了新途徑。