楊海寧,劉 佳,楊慧寧,霍 江,楊淞友
(1.武警青海省總隊醫(yī)院,西寧810007;2.解放軍總醫(yī)院第五醫(yī)學中心輸血科,北京100039;3.解放軍總醫(yī)院第三醫(yī)學中心疾病預防控制科,北京100039)
聽診是醫(yī)學上監(jiān)測、評估心肺功能,診斷心肺疾病的重要方法,特別是面對新型冠狀病毒肺炎(以下簡稱“新冠肺炎”)患者等病情變化快,需要醫(yī)生實時、及時作出判斷的傳染病患者,聽診具備超聲、影像檢查等無法比擬的優(yōu)勢。目前臨床上采用的聽診器以傳統(tǒng)聲學聽診器為主,其優(yōu)點在于成本較低、操作簡單,但針對傳染病患者,卻暴露出許多不容忽視的缺陷,例如:無法調整音量強弱、受環(huán)境噪聲干擾大,影響臨床診斷;膠管長度有限,限制了聽診距離,無法實現(xiàn)遠程聽診,增加了醫(yī)護人員暴露感染的風險;僅供單人使用,無法共享,難以滿足臨床會診需求等[1-2]。特別是在突如其來的新冠肺炎疫情中,上述缺陷更為凸顯,在醫(yī)務人員“全副武裝”的情況下,傳統(tǒng)聽診器完全無用武之地。
近年來,隨著電子科技的發(fā)展,電子聽診器應運而生,并且得到了較快發(fā)展。如張雷等[3]研制了一套便攜式一體化遠程檢診箱,箱內有一款藍牙電子聽診器,但由于其操作較為復雜,不適合普及使用[4]。駱懿等[5]設計的電子聽診器主要是將聽診音通過藍牙技術傳到上位機軟件,實現(xiàn)實時顯示、保存與回放等功能,但此類電子聽診器大多依賴上位機軟件,可移植性存在欠缺,同時電量消耗也相對較多,不便于攜帶與使用[6]。另外,從目前市場上看,真正能夠普遍應用到臨床的電子聽診器仍較為稀少,且價格昂貴,不適用于常規(guī)聽診[7]。比如3MTM Littmann 3200型電子聽診器價格就高達8800元,一般品牌的電子聽診器最低價格也高至上千元,超出傳統(tǒng)聲學聽診器價格的幾十倍甚至上百倍,較大限制了電子聽診器的臨床應用[8]。
針對上述問題,本文設計了一種基于藍牙技術的簡易分體式電子聽診器,其具備操作簡單、功耗低、體積小、價格低等優(yōu)點,旨在推動電子聽診器在遠程醫(yī)療、聯(lián)合會診等臨床實踐中廣泛應用,切實解決防護、隔離狀態(tài)下傳染病患者的聽診難題。
該電子聽診器應當具備以下功能:
(1)遠程聽診。遠程作為非接觸式診療方式,是疫情期間廣泛應用的救援手段。要真正解決防護、隔離狀態(tài)下傳染病患者的聽診難題,遠程是關鍵。故電子聽診器應采用分體設計,利用藍牙等無線傳輸技術實現(xiàn)遠程聽診功能。
(2)多人聽診。會診是醫(yī)療中為解決特殊、疑難病癥診斷、治療問題的一種重要的診療工作方式,尤其對于致病機理不明、病情變化復雜的新發(fā)傳染病,其作用更為凸顯。電子聽診器設計應納入多人聽診功能,以滿足會診需要。
(3)聽診實時性。聽診的實時性是傳統(tǒng)聲學聽診器的特征與優(yōu)勢,也是影響聽診診斷質量的關鍵因素,在電子聽診器研究設計過程中應予以著重考慮。所研制的電子聽診器需對聽診音信號進行實時采集傳輸,保證在遠程聽診過程中信號不延遲。
(4)音量可調性。聽診音量的大小也是影響聽診診斷質量的重要因素之一,聽診音過大,易損害醫(yī)務人員的聽力,過小則易遺漏關鍵聽診信息。傳統(tǒng)聽診器基本無法實現(xiàn)聽診音量的調節(jié),因而電子聽診器應將音量可調性作為主要功能之一納入設計考慮,以滿足不同人員對聽診音量的選擇需求。
1.2.1 技術指標
(1)環(huán)境適應性:工作環(huán)境溫度范圍在10~40℃;
(2)采集方式:收音組件,包括拾音器和聲電信號轉化裝置;
(3)傳感器頻率選擇:根據(jù)中心音主要頻段(20~600 Hz)及心肺音主要頻段(50~2000 Hz)選擇傳感器頻率覆蓋范圍為20~2000 Hz;
(4)終端接收方式:藍牙耳機;
(5)終端接收頻率范圍:20~25000 Hz;
(6)電源:USB充電電池,容量不小于800 mAh。
1.2.2 設計要求
(1)高標準性能。聽診是輔助醫(yī)生診斷心腦血管、呼吸系統(tǒng)疾病的重要方法,必須保證心肺音的采集與傳輸質量,減小環(huán)境噪聲及其他醫(yī)療設備儀器的電磁干擾。
(2)超簡易操作。電子聽診器中所涉及的儀器按鍵布局應當合理、便于操作并符合一般醫(yī)務人員的使用習慣,同時在設計中還應滿足醫(yī)療儀器相關標識的使用要求。
(3)價格低廉。價格昂貴是限制電子聽診器在臨床廣泛應用的重要因素,低成本設計、摒棄上位機軟件等高成本要素,有利于提高其市場競爭能力。
(4)耗能低。聽診器是醫(yī)務人員常用的儀器之一,如若使用中需要頻繁充電或者更換電池,易引起醫(yī)務人員反感。因此在設計過程中應首選低功耗元器件作為硬件。
(5)便于整體消毒。近年來,聽診器作為醫(yī)院感染潛在傳播媒介逐漸受到重視[9]。電子聽診器的消毒設計是不容忽視的重要方面,整體消毒的設計要求可以有效避免交叉感染。
電子聽診器采用分體式設計,包括聽診器手持端和無線藍牙耳機兩部分,如圖1(a)、(b)所示,并設計有聽診器收納盒,用于聽診器和藍牙耳機的存放與充電,如圖1(c)所示。
圖1 電子聽診器結構示意圖
按照便于醫(yī)務人員使用習慣的操作方式,設計了其硬件主要包括拾音模塊、主控模塊、藍牙模塊及電源模塊。其中拾音模塊主要由傳感器組成,采集聽診音信號并將其轉換為模擬電信號。模擬電信號經(jīng)音頻解碼器處理后送入主控模塊,數(shù)模轉換后驅動耳機實現(xiàn)實時聽診,通過藍牙模塊完成聽診音信號的無線傳輸。電源模塊負責對上述各模塊進行供電保障。
2.2.1 拾音模塊
拾音模塊由拾音器和聲電信號轉化裝置組成,是聽診器的關鍵部件。根據(jù)靈敏度、頻率響應、信噪比、指向性等性能指標,本設計中選擇單一指向性的電容式傳聲器作為傳感器[2],靈敏度為20 mV/Pa,頻響范圍為20~20000 Hz,信噪比在58 dB以上,與體表之間采用直接耦合方式,有效地覆蓋了20~2000 Hz心肺聽診音的主要頻段,滿足了技術指標要求。
2.2.2 主控模塊
主控模塊為電子聽診器的核心控制模塊,即信號傳導解析手柄(包括粗、細中空導管及硬橡膠手柄)內的核心部件,主要實現(xiàn)傳感器、音頻編/解碼器、藍牙之間的數(shù)據(jù)交換以及相關按鍵的響應等。本設計中主控芯片選用STM32F405R GT6,其最高運行頻率可達168 MHz,性能優(yōu)越。同時STM32F405RGT6運行功耗僅為238μA/MHz,且提供了睡眠、停止、待機3種不同的低功耗模式,具有低功耗的特點,滿足設計要求[2,8]。
2.2.3 藍牙模塊
藍牙模塊是實現(xiàn)高質量遠程信號傳輸?shù)募夹g基礎。本設計通過藍牙傳輸、接收模塊與無線藍牙耳機進行藍牙配對,實現(xiàn)聲電信號實時、保真?zhèn)鬏敗V饕x擇藍牙高級音頻模塊,型號為SJR-BTN05E,數(shù)據(jù)傳輸速率可達2.1 Mbit/s,待機模式下電流僅2 mA,因此,具有功耗低、封裝尺寸小、成本低、數(shù)據(jù)傳輸速率高等優(yōu)勢。該模塊自帶天線,具備良好的射頻距離,能夠穿透隔離服,滿足設計要求[1]。
2.2.4 電源模塊
電源的穩(wěn)定性對于電子聽診器的抗干擾能力具有不可忽略的影響。本設計主要采用3.7 V的鋰電池供電,電池容量為1000 mAh,充電選用單節(jié)鋰電池充電芯片,芯片的尺寸較小,所需的外圍元件較少,電路簡單,具備恒壓與恒流2種充電模式,適合USB接口充電,滿足設計要求。
本設計對手持式聽診器和分體式無線耳機加以組合,使手持式聽診器不受距離限制,耳機可直接佩戴在隔離防護服內,通過觸摸方式開關機,無需醫(yī)生反復摘取,最大限度地降低了醫(yī)護人員的暴露風險。
由于采用分體式設計,聽診器部分不與耳機直接連接,醫(yī)護人員可以手持聽診器手柄部分進行聽診操作,盡可能地避免了與患者的直接肢體接觸。聽診器和耳機均可耐受酒精或消毒液的噴灑或擦拭,可在每次聽診后及時消毒,從而有效避免交叉感染。
本設計可通過藍牙配對多個耳機,在需要多人會診或教學查房時可由1人操作聽診,多人共享聽診心肺音,有效縮短了聽診的操作時間,提高了會診、教學查房的效果。
本研究設計的簡易分體式電子聽診器具有遠程聽診、多人聽診、操作簡便、成本適宜等特征,基本能夠滿足傳染病患者的日常聽診與會診需求。與傳統(tǒng)聲學聽診器相比,本設計基本解決了傳染病患者無法適用的種種弊端,同時也通過簡易、廉價的設計考慮,在一定程度上改善了當前市場上電子聽診器價格昂貴的現(xiàn)象,對促使此類電子聽診器在臨床中推廣使用起到了積極作用。目前本設計仍處于初步階段,在追求簡易、廉價的同時必然會導致功能上略顯單一、技術上略顯單薄,比如沒有設計聲音儲存功能、聲波記錄功能及計算機輔助診斷功能等。雖然這些功能技術不可或缺,但不是現(xiàn)階段應該關注的重點,只有電子聽診器能夠真正推廣應用,這些附加的功能才會顯得更有意義。相信隨著人工智能醫(yī)學的不斷發(fā)展、醫(yī)學電子技術的不斷成熟,在嚴格控制成本的前提下,電子聽診器的性能也將會不斷改良與完善,在臨床診療中發(fā)揮更大的作用。