便攜式四通道肺音采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

萇飛霸，尹　軍，何慶華，畢玉田，劉　濤，田逢春（.第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所醫(yī)學(xué)工程科，重慶40004；.第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所創(chuàng)傷燒傷復(fù)合傷國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶40004；.重慶大學(xué)通信學(xué)院，重慶400044）

便攜式四通道肺音采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

萇飛霸1，尹軍1，何慶華2，畢玉田2，劉濤3，田逢春3
（1.第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所醫(yī)學(xué)工程科，重慶400042；2.第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所創(chuàng)傷燒傷復(fù)合傷國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400042；3.重慶大學(xué)通信學(xué)院，重慶400044）

首先完成對肺音信號的放大、濾波等預(yù)處理；然后對預(yù)處理的肺音信號進(jìn)行外部A/D采樣，并將采集肺音信號保存為.WAV音頻文件存儲于SD卡中；利用短時(shí)傅立葉變換完成了對肺音信號的時(shí)頻域分析。通過該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地檢測到病人的肺音信號，并且利用立體聲耳機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對病人的同步聽診。關(guān)鍵詞：便攜式；肺音采集；短時(shí)傅立葉變換；時(shí)頻域分析

0　引言

肺音是反映肺部生理和病理特性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，肺音信號分析、識別技術(shù)即借助計(jì)算機(jī)與數(shù)字信號處理技術(shù)綜合患者的肺音醫(yī)學(xué)信息，研究肺音與肺部疾病的內(nèi)在聯(lián)系，通過肺音信號的異常來檢測病人肺部器官的器質(zhì)和功能性病變［1～3］。肺音信息可以對肺部急性病診斷提供重要依據(jù)。所以，肺音信號分析、識別在臨床上具有重要的研究價(jià)值。

傳統(tǒng)的聽診器等檢測工具具有分辨率低、頻率響應(yīng)范圍窄，同時(shí)受到醫(yī)生區(qū)分不同的肺音模式的經(jīng)驗(yàn)和能力等影響，且無法定量測量造成不易記錄、存儲，更不可以對肺音進(jìn)行縱向和橫向客觀比較，長期監(jiān)測肺音與其他生理信號的相關(guān)性也很困難。數(shù)字化肺音采集與分析識別方法克服了許多簡單聽診器的局限性，不但可以量化肺音的變化，而且測量結(jié)果可以永久記錄和實(shí)時(shí)圖形表示，以此幫助醫(yī)生診斷和管理患者的胸部疾病，所以，近年來關(guān)于肺音數(shù)字化采集與分析研究明顯增加［4，5］。但是，目前對于肺音分析應(yīng)用于臨床還缺乏實(shí)踐指導(dǎo)，所以，數(shù)字化肺音分析技術(shù)有著重要的臨床研究意義［6，7］。

本文設(shè)計(jì)一種便攜式四通道肺音系統(tǒng)，該系統(tǒng)的功能較為豐富，數(shù)據(jù)存儲量大，使用方便。

1　肺音采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括肺音信號處理模塊、A/D采樣模塊及電源管理模塊與數(shù)據(jù)存儲模塊等，其總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)包括四路肺音信號采集，其中，聲電轉(zhuǎn)換傳感器采用的是駐極體電容式傳聲器，經(jīng)傳感器采集的肺音信號送入肺音信號處理模塊進(jìn)行放大、濾波等處理。且該系統(tǒng)通過液晶和按鍵模塊進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)肺音信號的實(shí)時(shí)采集、存儲，并可利用立體聲耳機(jī)同步聽診功能。

圖1　肺音采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig 1　Overall design block diagram of lung sound acquisition system

肺音信號處理模塊主要是完成對聲電轉(zhuǎn)換傳感器采集的肺音信號進(jìn)行放大濾波預(yù)處理；經(jīng)過肺音信號處理模塊處理的肺音信號可以直接驅(qū)動耳機(jī)，或者由微處理器STM32控制外部A/D采樣芯片對預(yù)處理的肺音信號進(jìn)行A/D采樣并將采樣的數(shù)字肺音信號保存為.WAV音頻文件存儲于SD卡中。同時(shí)微處理器控制和協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作。本系統(tǒng)擬可采用USB接口直接供電或者18650充電鋰電池供電，鋰電充電電路基于TP4054電源管理芯片設(shè)計(jì)。兩塊TPS73733芯片可提供兩路3.3V直流電壓，分別供系統(tǒng)的數(shù)字和模擬電路部分使用。

2　肺音采集系統(tǒng)各個(gè)模塊設(shè)計(jì)

2.1肺音信號處理模塊

由于肺音信號疊加著心音、肌肉及皮膚噪聲等干擾信號，而在各種干擾信號中，心音的干擾對肺音的采集系統(tǒng)影響較大，因此，如何去除心音信號的干擾是肺音信號處理模塊設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)［8～12］。所以，信號處理電路主要功能是對聽診器輸入微弱的肺音信號進(jìn)行濾波、放大。本文系統(tǒng)由于需要四路肺音信號同時(shí)采集，故設(shè)計(jì)了四路結(jié)構(gòu)完全相同信號處理電路。以其中第一通道為例進(jìn)行介紹，如圖2所示，肺音處理電路采用的核心部件為OPA1664低噪聲運(yùn)放，結(jié)構(gòu)上可以分為二階有源高通濾波電路、二階有源低通濾波電路、差分信號產(chǎn)生及放大電路等三個(gè)部分。

首先由于肺音信號是微弱的信號，通過胸壁無創(chuàng)地提取較困難，而本文設(shè)計(jì)采用的是靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)的駐極體電容式聲電轉(zhuǎn)換傳感器，其中，P1為聲電轉(zhuǎn)換傳感器接口，首先傳感器將肺音信號轉(zhuǎn)換為一微弱的電壓信號并通過上拉電阻器R150將微弱電壓信號進(jìn)行電壓抬升。

然后為了濾除心音等低頻信號的干擾，系統(tǒng)利用運(yùn)放U31C構(gòu)成二階有源高通濾波器。該二階有源高通濾波器的截止頻率為式（1）所示

式中R151=R152=R153=R154，C150=C151，fH為截止頻率。同時(shí)為了減小系統(tǒng)噪聲影響，該二階高通濾波的放大倍數(shù)不宜過大。

同時(shí)為了濾除系統(tǒng)的高頻信號干擾，經(jīng)高通電路輸出的信號進(jìn)入由運(yùn)放U31D構(gòu)成的二階有源低通濾波器。該二階有源低通濾波器的截止頻率為式（2）所示

式中R160=R161，C154=C155，fL為截止頻率。系統(tǒng)中高通濾波器與低通濾波器級聯(lián)構(gòu)成了頻率較寬的帶通濾波器，濾除了各種高低頻率的干擾信號，保證有效的肺音信號通過。

為了保證進(jìn)入AD采樣量程不失真，所以，利用運(yùn)放U31D用于組成同相比例放大電路對肺音采集系統(tǒng)采集的肺音信號進(jìn)行放大。同時(shí)為了得到一組差分肺音信號，利用運(yùn)放U31B構(gòu)成放大倍數(shù)為-1反向比例運(yùn)算電路輸出一組差分信號，即IN1+，IN1-。

2.2肺音信號A/D模塊

采用片外A/D采樣，模塊ADS8344芯片，ADS8344是帶有SPI串行接口的8通道16bitA/D轉(zhuǎn)換器，且在A/D采樣時(shí)其功耗低，同時(shí)SPI串行接口通信方式可為制作低成本遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供方便。其具體電路如圖3所示。

為減小進(jìn)入ADC的噪聲，本設(shè)計(jì)中采取了差分取樣的方式，即經(jīng)過肺音信號處理模塊得到的差分信號IN1+、IN1-對應(yīng)于ADC1+，ADC1-分別進(jìn)行A/D采樣。所以，每一路模擬信號占用2個(gè)ADC通道，則8通道可實(shí)現(xiàn)4路肺音信號的采集。LM4040A30為高精度電壓基準(zhǔn)源，可為ADS8344的工作提供穩(wěn)定的 VREF。其中，引腳 DOUT，DIN，CS和DCLK與微處理器器STM32F103Z的SPI1接口相連進(jìn)行通信，將采集的肺音信號傳至處理器STM32F103Z進(jìn)行分析處理。

3　肺音信號時(shí)頻域分析

將采集的肺音信號保存為.WAV格式文件，通過Matlab數(shù)據(jù)采集箱中提供的語音信號分析的函數(shù)命令wavread 和plot（）函數(shù)即可顯示肺音信號的時(shí)域波形如圖4所示。

單純的時(shí)域分析不能充分反映肺音信號的特征，所以，需要對肺音信號進(jìn)行頻譜分析。由于傳統(tǒng)傅立葉變換適用于平穩(wěn)的連續(xù)信號，所以，只能得到肺音信號整個(gè)時(shí)間段的頻率分布特征，而肺音信號由多頻率成分構(gòu)成并呈現(xiàn)明顯的周期性波動，所以，對于分析斷續(xù)性異常肺音存在不足，不能對肺音進(jìn)行動態(tài)分析。短時(shí)傅立葉變換克服了傳統(tǒng)傅立葉變換對肺音信號需要整個(gè)時(shí)間段的頻率分布特征的缺點(diǎn)，且降低了對肺音信號的平穩(wěn)性要求，所以，短時(shí)傅立葉變換可以對肺音信號進(jìn)行動態(tài)的時(shí)頻域研究，短時(shí)傅立葉變換肺音信號時(shí)頻譜圖如圖5所示。

圖2　肺音信號處理電路Fig 2　Processing circuit of lung sound signal

圖3　肺音信號A/D電路Fig 3　A/D circuit of lung sound signal

圖4　肺音信號時(shí)域波形圖Fig 4　Time domain waveform of lung sound signal

圖5　肺音信號時(shí)頻譜圖Fig 5　Time and frequency domain waveform of lung sound signal

肺音信號時(shí)頻譜圖反映肺音信號能量空間分布，肺音信號的能量空間分布的改變意味著肺音信號的特征發(fā)生改變，所以，信號各頻率成分能量的不同可以體現(xiàn)不同被測肺音信號的特征，利用短時(shí)傅立葉變換提取肺音信號變化的特征，從而可以判斷肺音是否正常及可以得到肺音疾病分類結(jié)果［13，14］。

4　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的便攜式四通道肺音采集系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)連續(xù)地檢測到被檢測者的肺音信號。采集的肺音信息可以通過耳機(jī)接口實(shí)時(shí)播放，或通過存儲于SD卡的肺音信息上傳到PC終端顯示、處理及存檔等。同時(shí)，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)經(jīng)過測試可以最大限度地降低系統(tǒng)功耗，硬件體積也最大限度地降低，可以滿足較好的便攜性和移動性。

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何慶華，通訊作者，E—mail：1013094081@qq.com。

Design of portable four-channel lung sound acquisition system*

CHANG Fei-ba1，YIN Jun1，HE Qing-hua2，BI Yu-tian2，LIU Tao3，TIAN Feng-chun3
（1.Department of Medical Engineering，Institute of Surgery Research，Daping Hospital，The Third Military Medical University，Chongqing 400042，China；2.State Key Laboratory of Trauma，Burns and Combined Injury，Daping Hospital，Surgery Institute of the Third Military Medical University，Chongqing 400042，China；3.College of Communication Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

Firstly，system complete preprocessing including amplification，filtering，etc.of lung sound signal，external A/D sampling is carried out on preprocessed lung sound signal，and the acquired lung sound signals are saved as.WAV audio file stored in SD card，and using short time Fourier transform（STFT）to complete the timefrequency domain analysis on lung sound signals.Through the system，patient's lung sound signals can be accurately detected，and using stereo headphones，synchronous auscultation of patient can be realized.

portable；lung sound acquisition；short time Fourier transform（STFT）；time-frequency domain analysis

R318.6

A

1000—9787（2016）06—0096—03

10.13873/J.1000—9787（2016）06—0096—03

2015—09—24

重慶市科委國際科技合作項(xiàng)目（CSTC2012GG—GJHZ0023）

萇飛霸（1985-），男，安徽宿州人，碩士，主要研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)信號檢測、傳輸及信息編碼技術(shù)。