基于藍牙的無線聽診器及應(yīng)用APP設(shè)計

吳軒逸 陳偉 嚴克華

摘? 要：傳統(tǒng)聽診器在面對新冠病毒感染等傳染病時有著很大的缺陷，為此設(shè)計一款無線聽診系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由聽診器裝置和安卓應(yīng)用程序兩部分組成，能夠?qū)崿F(xiàn)無線監(jiān)聽用戶心音，并集繪制心音圖、數(shù)據(jù)存儲和共享等功能于一體。該系統(tǒng)成本低、實用性強，適用于醫(yī)院、家庭等多種場合，解決遠程采集患者心音數(shù)據(jù)的難題，提高了醫(yī)療便捷性，并且有利于無線聽診和移動醫(yī)療的推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無線聽診；移動醫(yī)療；心音；移動端應(yīng)用程序

中圖分類號：TP311；TH776? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）03-0155-05

Design of Wireless Stethoscope Based on Bluetooth and Application APP

WU Xuanyi， CHEN Wei， YAN Kehua

（Electronic Information School， Wuhan University， Wuhan? 430072， China）

Abstract： The traditional stethoscope has great defects in the face of COVID-19 infection and other infectious diseases， so a wireless stethoscope system is designed. The system is mainly composed of stethoscope device and android application， which can realize wireless monitoring of user's heart sound， and integrates the functions of drawing heart sound map， data storage and sharing. The system has low cost and strong practicability. It is suitable for many occasions such as hospitals and families. It solves the difficulty of remote collection of patient's heart sound data， improves the medical convenience， and is conducive to the promotion and application of wireless auscultation and mobile medical.

Keywords： wireless auscultation; mobile medical; heart sound; mobile terminal application

0? 引? 言

心血管疾病已成為威脅我國居民生命和健康的重大公共衛(wèi)生問題，每年死亡人數(shù)達400萬例以上，是城鄉(xiāng)居民死亡的首位原因[1，2]。雖然心血管疾病的診斷越來越多地依賴于先進的檢查設(shè)備，但聽診仍然是臨床醫(yī)生不可缺少的常規(guī)檢查手段[3]。使用傳統(tǒng)聲學(xué)聽診儀進行心臟聽診，存在著無法調(diào)節(jié)音量、容易受噪聲干擾等缺點，依賴于醫(yī)生有豐富的臨床經(jīng)驗及熟練的聽診技能[4-6]。同時，人們對于健康的日益重視，使得對于無線聽診產(chǎn)品的需求日益上升[7]。

自2019年新冠疫情開始，到如今全球疫情情況的嚴峻，在評估肺炎患者的健康狀況時，評估肺和心臟狀態(tài)是至關(guān)重要的[8]。根據(jù)胸部CT圖像、PET/CT獲取的臨床大數(shù)據(jù)和人工智能輔助診斷，可發(fā)現(xiàn)患者早期肺部隱患。心肺CT、超聲心電圖和心臟磁共振成像可顯示患者的心臟損傷，但是這些方法都受到了儀器設(shè)備、專業(yè)人員復(fù)雜的操作流程的限制，以及一定程度上射線輻射會對患者健康造成損傷；再加上有些診斷方式需要醫(yī)務(wù)人員和肺炎患者直接接觸，不斷有醫(yī)務(wù)人員被感染，這都增加了抗擊疫情的難度。

本文設(shè)計了一套基于藍牙的無線聽診系統(tǒng)，在上位機APP端實現(xiàn)了心音數(shù)據(jù)的可視化顯示、心音數(shù)據(jù)的存儲以及共享。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本文設(shè)計并開發(fā)了一款能夠遠程實時監(jiān)聽用戶心肺音，并集繪制心音圖、存儲和分析數(shù)據(jù)等功能于一體的無線聽診系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要由兩個部分組成，即聽診器裝置和其配套的APP。系統(tǒng)總體實現(xiàn)方案如圖1所示，心音傳感器用來采集用戶的心肺音并將其通過藍牙傳輸?shù)绞謾C端。選擇合適的聽診頻段對臨床鑒別診斷有著重要的意義，其中有效心音頻段通常在30～500 Hz，肺音頻段在100～1 000 Hz[9]，因此，本設(shè)計主要收集處理的頻段控制在30～1000 Hz之間。而APP接收到來自聽診器裝置的數(shù)據(jù)后，可以供使用者實時播放，并繪制相對應(yīng)的心音圖，得到用戶的心率等信息，每次記錄的結(jié)果還可以存儲起來供后續(xù)分析。

2? 無線聽診器硬件電路及功能

2.1? 心音傳感器模塊

本系統(tǒng)的心音傳感器采用CM-01B接觸式傳聲器，主要分為兩個部分，前部分是一個靈敏度高且穩(wěn)定性好的壓電薄膜，后部分是一個用于將壓電薄膜產(chǎn)生的電荷信號放大為可測量電壓信號的低噪聲電荷放大電路。同時前端壓電薄膜處為一絕緣橡膠墊，可避免在接觸人體時產(chǎn)生50 Hz工頻干擾。

2.2? 前端放大電路

前端放大電路選用了LM358放大模塊，該模塊為交流電壓信號放大；放大信號同時可供功率輸出驅(qū)動使用，支持輸出直接接到喇叭或耳機。該模塊的內(nèi)部系統(tǒng)框圖如圖2所示。

經(jīng)過測試，該模塊放大后的信號波形如圖3所示，這個模塊能夠在放大心音信號的同時，最大可能的抑制噪聲的產(chǎn)生并放大心音信號的功率，使得最后所得的放大信號波形最接近真實心音信號，能夠完全滿足后續(xù)采樣和分析的需要。相比于其他的幾種放大電路，這個模塊所得到的效果最好，也成為本系統(tǒng)放大電路的最終選擇。

2.3? 中央處理器

為了實現(xiàn)將采集到的心音數(shù)據(jù)傳給上位機軟件APP，需要有一個中央處理器，其主要工作是對調(diào)理電路預(yù)處理過的模擬信號進行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后利用藍牙模塊將數(shù)據(jù)上傳至手機。STM32 MCU具有低電壓、低功耗、高性能的優(yōu)勢，同時相對于市面上其他單片機，STM32集成度更高且開發(fā)更加簡易。配套的開發(fā)軟件以及豐富的系統(tǒng)生態(tài)使得STM32成為市面上最主流的單片機之一，本設(shè)計計劃采用STM32F103C8T6芯片，作為市面上非常主流的一款處理器，STM32F103C8T6在本系統(tǒng)中負責(zé)實現(xiàn)心音數(shù)據(jù)的ADC轉(zhuǎn)換和藍牙傳輸，具有成本低、系統(tǒng)功耗低、引腳數(shù)目少等特點[10]。由此，我們選用該芯片作為本系統(tǒng)的中央處理器。

2.4? 藍牙模塊

在綜合對比了如藍牙、ZigBee、Wi-Fi和NFC等當(dāng)前主流的一些無線短距離通信方式后，本系統(tǒng)決定采用藍牙作為下位機與上位機的通信方式[11]。本系統(tǒng)采用的藍牙模塊為正點原子的ATK-HC05主從一體藍牙串口透傳模塊，其功耗低，傳輸速度快，尺寸較小僅為16 mm×32 mm，傳輸距離約為10 m，模塊內(nèi)置了2.4 GHz天線，是本系統(tǒng)所需藍牙模塊的最佳選擇[12]。并且其功能都是通過AT指令集控制，通過該指令集可以設(shè)置模塊的波特率、切換主從狀態(tài)等，使得編程方便快捷。HC-05支持從4 800～1 382 400 bit/s間的標(biāo)準(zhǔn)波特率，由于手機上的很多藍牙助手都是采用的9 600 bit/s的波特率進行傳輸，故本系統(tǒng)中波特率設(shè)置為9 600 bit/s。

3? 軟件設(shè)計及功能

3.1? STM32代碼設(shè)計

3.1.1? ADC采樣

要實現(xiàn)心音數(shù)據(jù)的存儲及共享，就需要將電壓形式的心音模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這就需要進行ADC轉(zhuǎn)換。根據(jù)本系統(tǒng)的需求，由于只需要采集唯一一個心音傳感器的電壓信號然后傳輸給上位機，因而可以采用單通道單次模式。由于本系統(tǒng)只采用一個轉(zhuǎn)換通道即可，所以采用規(guī)則組[13]。

由于心音信號頻率為20～800 Hz（周期為1.25～

50 ms），本系統(tǒng)規(guī)定1周期62個采樣點，則每2個采樣點最小間隔為1.25 ms/62=20 μs。此處ADC可編程的通道采樣時間選擇239.5周期：ADC_SampleTime_239Cycles5，則ADC采樣周期一周期大小為20 μs/239.5，由此算得ADC時鐘頻率約為12 MHz。而在本系統(tǒng)中所配置的STM32F103C8T6的系統(tǒng)時鐘頻率為72 MHz，所以采用PCLK2 6分頻作為ADC的時鐘：RCC_PCLK2_Div6。

ADC采樣流程設(shè)計如圖4所示。

3.1.2 藍牙傳輸代碼設(shè)計

本系統(tǒng)采用的正點原子的ATK-HC05藍牙模塊，該模塊作為一款常用的主從一體的藍牙串口模塊，受到了很多電子開發(fā)者的青睞，在使用時先將藍牙模塊與STM32進行串口連接，即交叉連接其Rx和Tx引腳，當(dāng)HC05藍牙模塊與上位機藍牙配對連接成功，STM32可直接將藍牙當(dāng)作串口用，當(dāng)STM32向該串口發(fā)送數(shù)據(jù)，藍牙模塊將自動獲取該數(shù)據(jù)并發(fā)送至匹配好的上位機APP端，從而實現(xiàn)心音數(shù)據(jù)的藍牙傳輸，基于這樣的思想，我們設(shè)計了本系統(tǒng)藍牙傳輸部分的代碼。

藍牙串口通信流程如圖5所示。

3.2? 手機APP的實現(xiàn)

設(shè)計的系統(tǒng)APP實現(xiàn)流程如圖6所示，本系統(tǒng)將醫(yī)生端和患者端共同設(shè)計在一個應(yīng)用程序中?；颊叨送ㄟ^藍牙來接收聽診器采集處理后的數(shù)據(jù)，在頁面中將數(shù)據(jù)定位在坐標(biāo)軸中，并通過折線連接形成可見的動態(tài)的心音波形圖。心音數(shù)據(jù)可以通過APP保存在本地，和傳至醫(yī)生端的APP中顯示。在醫(yī)生端可以打開患者的心音數(shù)據(jù)，將其以心音波形的形式展示，醫(yī)生可以根據(jù)心音波形圖對患者進行診斷，并給出合適的診斷意見。程序APP功能主要有注冊登錄模塊、心音波形模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、藍牙傳輸模塊、評價信息模塊。

3.2.1? 注冊登錄模塊

APP的用戶注冊登錄界面如圖7所示，當(dāng)用戶打開醫(yī)患心音診斷APP時首先進入登錄頁面，用戶首次使用需要先注冊個人信息并選擇用戶類別醫(yī)生或患者。根據(jù)用戶類別不同展示的頁面將有所差異，輸入用戶名和密碼后系統(tǒng)將在數(shù)據(jù)庫中進行匹配，若匹配成功即可成功登錄進入軟件主頁面。系統(tǒng)還提供了保存用戶名和密碼的功能，方面用戶之后的登錄。

3.2.2? 心音波形模塊

手機APP端的心音波形模塊實現(xiàn)了將心音信號數(shù)據(jù)實時顯示為波形，為醫(yī)生提供可視化的心音信息波形參考。通過這種直觀的方法察覺患者的心音的狀態(tài)，醫(yī)生可以更快更準(zhǔn)的進行診斷。

這一模塊的功能是患者端和醫(yī)生端共有。心音波形是根據(jù)數(shù)據(jù)形成一個個點連成折線進行繪制的。在患者端，藍牙連接無線聽診器設(shè)備后，即刻開始錄制心音數(shù)據(jù)，實時顯示波形。因為心音數(shù)據(jù)來源是從藍牙不斷接收到的，所以心音波形將在每次數(shù)據(jù)到來進行刷新的動態(tài)顯示，如圖8（a）所示。而在醫(yī)生端，用戶點擊查看文件即可直接查看完整的心音波形。因為心音數(shù)據(jù)來源是數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)是完整的、靜態(tài)的，所以心音波形也將靜態(tài)的進行顯示，如圖8（b）所示。

3.2.3? 藍牙通信模塊

在Android Studio開發(fā)工具中引入android.bluetooth的工具包，之后可以調(diào)用這個包中的藍牙通信相關(guān)的API接口函數(shù)。其中BluetoothAdapter類代表藍牙適配器，通過使用這個類和相關(guān)的接口函數(shù)可以實現(xiàn)發(fā)現(xiàn)藍牙設(shè)備、開啟藍牙權(quán)限、實例化藍牙設(shè)備、查詢綁定設(shè)備等功能[14]。

在上傳心音數(shù)據(jù)頁面有一個連接按鈕。當(dāng)點擊該按鈕后首先進行藍牙權(quán)限的獲取如圖9（a）所示，接著打開藍牙、查詢藍牙是否連接、查詢藍牙設(shè)備的操作。在查詢到藍牙設(shè)備后，選擇無線聽診器設(shè)備進行連接即可，如圖9（b）所示。

3.2.4? 數(shù)據(jù)存儲模塊

手機端APP接收到心音數(shù)據(jù)后，用戶可點擊結(jié)束，然后心音數(shù)據(jù)將會上傳至數(shù)據(jù)庫?；颊呖呻S時查看到上傳的歷史心音數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了心音數(shù)據(jù)的存儲功能。此外醫(yī)生可查看到患者上傳的心音數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了心音數(shù)據(jù)的共享功能。存儲和共享功能使得聽診擺脫了實時性的限制，便于用戶日后咨詢其他醫(yī)生及線上問診，這將有助于提高心肺診斷的準(zhǔn)確性，且有利于“互聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療”的發(fā)展。

在Android Studio開發(fā)工具中利用SQLiteOpenHelper類來管理數(shù)據(jù)庫。它的方法getWritableDatabase（）可以創(chuàng)建或打開一個現(xiàn)在的數(shù)據(jù)庫[15]。對構(gòu)造方法重寫可以建立自己的數(shù)據(jù)庫。建庫后可以通過執(zhí)行SQL語句進行建表、插入數(shù)據(jù)、查詢數(shù)據(jù)的操作。根據(jù)項目需要建立三張表提供數(shù)據(jù)支持，分別為用戶信息表、醫(yī)生評價表和心音數(shù)據(jù)表。

用戶信息表中保存有以下信息：用戶名、姓名、密碼、編號、電話、性別、地址、類別（0患者1醫(yī)生）。用戶信息表負責(zé)管理用戶注冊登錄的相關(guān)信息，在進行注冊和登錄的操作時監(jiān)護插入用戶信息以及查詢用戶信息。

醫(yī)生評價表保存的信息有：編號、心音編號、評價內(nèi)容、評價人、評價時間。醫(yī)生評價表負責(zé)管理醫(yī)生對于患者的診斷意見，在醫(yī)生填寫診斷意見時，向表中插入數(shù)據(jù)；在患者查看自身心音數(shù)據(jù)文件時，向數(shù)據(jù)庫的表中查詢數(shù)據(jù)。

心音數(shù)據(jù)表保存的信息有：編號、患者用戶名、心音數(shù)據(jù)、上傳時間、是否評價（0否1是）。心音數(shù)據(jù)表負責(zé)管理患者的心音數(shù)據(jù)，在患者記錄心音時，向表中插入數(shù)據(jù)；在患者查看自身心音數(shù)據(jù)文件時，向數(shù)據(jù)庫查詢數(shù)據(jù)，若有評價還要根據(jù)心音數(shù)據(jù)在評價表中查詢評價；在醫(yī)生查看患者心音數(shù)據(jù)時，向數(shù)據(jù)庫查詢數(shù)據(jù)。

3.2.5? 評價信息模塊

該模塊的功能是借助于數(shù)據(jù)存儲模塊實現(xiàn)的評價信息存儲功能和心音波形模塊實現(xiàn)的心音波形繪制功能共同實現(xiàn)的。

醫(yī)生端在患者將錄制的心音數(shù)據(jù)保存上傳之后，可以在頁面上查看到患者的心音數(shù)據(jù)文件，點開后將進入評價信息頁面。該頁面展示的是患者的心音波形，這個波形的展示是根據(jù)查詢心音數(shù)據(jù)表得到的數(shù)據(jù)再借以心音繪制功能將心音圖像繪制出來，呈現(xiàn)給醫(yī)生一個靜態(tài)完整的心音數(shù)據(jù)。醫(yī)生根據(jù)該圖像對患者進行診斷，將診斷信息寫入評價欄目框后保存，如圖10（a）所示。相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫在評價信息表中插入一欄數(shù)據(jù)進行記錄存儲。

患者端根據(jù)用戶信息查訓(xùn)心音數(shù)據(jù)表和評價信息表，并將心音數(shù)據(jù)借以心音繪制功能將心音圖像繪制出來，呈現(xiàn)給患者一個靜態(tài)完整的心音數(shù)據(jù)。若該份文件被醫(yī)生診斷過，診斷信息也將會在頁面中顯示，如圖10（b）所示。

4? 結(jié)? 論

本文的無線聽診系統(tǒng)實現(xiàn)了實現(xiàn)心音信號的可視化，以及數(shù)據(jù)的存儲和共享。在實際應(yīng)用時，患者端持聽診裝置，上傳自己的心音數(shù)據(jù)，就可在手機上等待自己的診斷結(jié)果，而醫(yī)生無需靠近病人，就可以在手機上對病人進行診斷并給出意見。這種遠程聽診方式將傳統(tǒng)的線下聽診轉(zhuǎn)移到線上，一方面在現(xiàn)行防疫政策下可以降低一定的人流量，另一方面提高了患者看病的便利性和及時性，對于新冠感染的防治有重要的作用。同時，無線聽診的實現(xiàn)對于心血管疾病的預(yù)防和治療也能起到一定作用。今后將進一步優(yōu)化聽診模塊和手機APP的功能，發(fā)揮出更大的社會和經(jīng)濟價值。

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作者簡介：吳軒逸（2001.04—），男，漢族，江西撫州人，本科在讀，研究方向：通信工程；陳偉（2000.10—），男，土家族，重慶酉陽人，本科在讀，研究方向：信息安全；嚴克華（2002.10—），男，漢族，重慶秀山人，本科在讀，研究方向：電子信息工程。

收稿日期：2022-09-13

基金項目：省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（S202210486172）