便攜式低功耗電子聽診器設(shè)計(jì)*

黃 梅， 劉洪英,2， 皮喜田,3， 敖一鷺， 王 孜

(1.重慶大學(xué) 生物工程學(xué)院,重慶 400030；2.重慶市醫(yī)療電子工程技術(shù)研究中心,重慶 400030；3.重慶大學(xué) 新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,重慶 400030)

便攜式低功耗電子聽診器設(shè)計(jì)*

黃 梅1， 劉洪英1,2， 皮喜田1,3， 敖一鷺1， 王 孜1

(1.重慶大學(xué)生物工程學(xué)院,重慶400030；2.重慶市醫(yī)療電子工程技術(shù)研究中心,重慶400030；3.重慶大學(xué)新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,重慶400030)

設(shè)計(jì)基于電容式傳感器，采用STM32F405RGT6作為主控芯片，結(jié)合了Bluetooth，OLED，SD卡存儲(chǔ)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在心音、肺音、寬頻模式下的實(shí)時(shí)聽診、錄音存儲(chǔ)及回放、聽診音量調(diào)節(jié)及無線傳輸?shù)裙δ?。系統(tǒng)功能完善、便攜性高、低功耗，有利于推動(dòng)電子聽診器醫(yī)用，同時(shí)也適用于聽診教學(xué)等多種場(chǎng)合。

便攜式； 低功耗； 電子聽診器

0 引 言

傳統(tǒng)聲學(xué)聽診器的優(yōu)勢(shì)在于成本低、操作簡(jiǎn)單，但仍存在一些不可忽視的缺陷[1]。例如：要求醫(yī)生要有豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)及熟練的聽診技能[2]；聽診音無法共享保存，阻礙醫(yī)生交流，同時(shí)也不利于聽診教學(xué)[3]；受環(huán)境噪聲干擾大，對(duì)微弱心音辨識(shí)度低[4]等。電子技術(shù)及數(shù)據(jù)化技術(shù)為聽診器帶來了新的革命和突破，電子聽診器應(yīng)運(yùn)而生，開辟了計(jì)算機(jī)輔助聽診的新領(lǐng)域。

駱懿等人研制的可視化電子聽診器在聽診的同時(shí)可通過藍(lán)牙將聽診音傳輸?shù)交贚abVIEW的上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)顯示，并可以保存、回放聽診音[5]； Szymanowska O等人研制的電子聽診器在傳統(tǒng)聲學(xué)聽診器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，聽診的同時(shí)可通過麥克風(fēng)采集聽診音，通過計(jì)算機(jī)聲卡輸入到基于LabVIEW的分析軟件，可對(duì)聽診音進(jìn)行分析和回放[6]。在國內(nèi)外，類似的研究頗多，很大程度上促進(jìn)了電子聽診器的發(fā)展，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)聲學(xué)聽診器的主要缺陷。但由于大多數(shù)電子聽診器依賴于上位機(jī)軟件，可移植度不高，需消耗相對(duì)多的電量[7]，不方便攜帶且硬件部分功能設(shè)計(jì)不全。在臨床應(yīng)用方面，Philip J H等人的研究表明,與傳統(tǒng)的聲學(xué)聽診器相比，電子聽診器可以更好地應(yīng)用于麻醉監(jiān)測(cè)[8]。

本文在傳感器、功能設(shè)計(jì)、元器件選擇及相關(guān)技術(shù)方面開展了相關(guān)的研究工作，旨在設(shè)計(jì)一種基于電容式傳感器的便攜式、低功耗、多功能的電子聽診器，有利于促進(jìn)電子聽診器的臨床應(yīng)用，具有很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

電子聽診器系統(tǒng)，如圖1所示，采用耳機(jī)聽診，通過SD卡存儲(chǔ)介質(zhì)可以將聽診音轉(zhuǎn)存到手機(jī)或電腦上進(jìn)行管理，通過藍(lán)牙可將聽診音傳輸?shù)剿{(lán)牙音響、藍(lán)牙耳機(jī)播放，有利于醫(yī)生臨床會(huì)診及聽診教學(xué)。在功能設(shè)計(jì)方面，實(shí)時(shí)聽診為基本功能。通過音量調(diào)節(jié)可保證醫(yī)生聽到清晰的心肺音等。由最重要的心音頻段在70～120Hz，肺音頻段在200～600Hz[9]，因此，聽診頻段的調(diào)節(jié)在臨床鑒別診斷意義重大。實(shí)際設(shè)計(jì)中，分20～200Hz，200～600Hz及20～1500Hz3個(gè)頻段，20～200Hz最適合心音診斷，200～600Hz最適合肺音診斷。通過錄音回放，可以盡量減少醫(yī)生在診斷過程中的主觀因素。

圖1 聽診系統(tǒng)示意

2 電子聽診器硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)該電子聽診器的功能需求以及醫(yī)療儀器數(shù)字化、模塊化、小型化的發(fā)展趨勢(shì)[10]，確定硬件電路的技術(shù)方案，如圖2所示，主要包括拾音模塊、主控模塊、音頻編解碼模塊、液晶顯示模塊、存儲(chǔ)模塊以及藍(lán)牙模塊，其中拾音模塊由傳感器和放大濾波電路組成。傳感器采集心肺音信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，此時(shí)的電信號(hào)仍為十分微弱的電信號(hào)，需對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大濾波調(diào)理，方可進(jìn)行編碼。音頻編解碼模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)模/數(shù)轉(zhuǎn)換，并將數(shù)字信號(hào)送至主控模塊中進(jìn)行存儲(chǔ)處理，以實(shí)現(xiàn)心肺音存儲(chǔ)功能，或數(shù)/模轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)耳機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)聽診，并可利用藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的無線傳輸。顯示模塊對(duì)當(dāng)前聽診器信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。電源模塊為上述各模塊提供工作電壓。

圖2 電子聽診器結(jié)構(gòu)框圖

2.1 拾音模塊

醫(yī)用傳感器是一種測(cè)量裝置，它能把人體中某些物理化學(xué)信息轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的電信息，從而提供表征人體生理狀態(tài)的可靠依據(jù)[11]，所以，醫(yī)用傳感器是拾音模塊乃至整個(gè)電子聽診器的關(guān)鍵部件。設(shè)計(jì)中根據(jù)靈敏度、頻率響應(yīng)、信噪比、指向性等性能指標(biāo)選擇單一指向性的電容式傳聲器作為傳感器。利用電容式傳聲器采集心肺音等信號(hào)時(shí)，除了其性能直接影響信號(hào)質(zhì)量外，傳聲器與體表的耦合方式也是影響信號(hào)質(zhì)量的重要因素。

聲耦合大致可分為兩種：直接耦合和空氣耦合[12]。由于空氣耦合方式避免傳聲器與體表的直接接觸，防止了心肺音信號(hào)被傳聲器與皮膚所產(chǎn)生的摩擦干擾，提高了信噪比。因而，設(shè)計(jì)中，傳聲器與體表之間采用空氣耦合方式。

為了以一種腔體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)20～1500Hz頻率段信號(hào)進(jìn)行有效采集，避免腔體形狀對(duì)信號(hào)的影響，設(shè)計(jì)中創(chuàng)新性地在腔體前端采用了具有懸浮式可調(diào)振動(dòng)膜技術(shù)，將不同頻段的聽診模式結(jié)合在同一聽診頭上，通過改變對(duì)聽診頭施力的大小，聽取到不同頻率的音源，而無需翻轉(zhuǎn)聽診頭。

2.2 音頻編解碼及主控模塊

主控模塊為電子聽診器的核心控制模塊，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示模塊的控制、與音頻編解碼模塊和存儲(chǔ)模塊交換數(shù)據(jù)、對(duì)按鍵進(jìn)行響應(yīng)等。采用STM32F405RGT6為主控芯片，具有低功耗的特點(diǎn)，性能及封裝尺寸滿足系統(tǒng)要求。音頻編解碼模塊采用TLV320AIC3254為音頻編解碼芯片，具有高性能、低功耗的特性，其封裝尺寸僅為5mm×5mm，提供了具有100dB信噪比的立體聲DAC和具有93dB信噪比的立體聲ADC，包括兩路完全不同的輸出和兩個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器，可直接驅(qū)動(dòng)耳機(jī)，同時(shí)具有兩個(gè)完全可編程的miniDSP內(nèi)核：miniDSP A和miniDSP D，利用miniDSP可實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音信號(hào)的數(shù)字濾波，以實(shí)現(xiàn)不同的聽診模式的選擇。

兩個(gè)模塊相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了心肺音等信號(hào)的存儲(chǔ)與回放，如圖3所示。當(dāng)需要存儲(chǔ)心肺音時(shí)，TLV320AIC3254將采集到的心肺音轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過I2S總線發(fā)送至STM32F405RGT6微處理器，STM32F405RGT6將心肺音數(shù)字信號(hào)以.WAV文件格式寫入SD卡中進(jìn)行存儲(chǔ)?；胤判姆我魰r(shí)，STM32F405RGT6從SD卡中讀取心肺音.WAV文件，將心肺音數(shù)據(jù)通過I2S發(fā)送至TLV320AIC3254，經(jīng)過DAC轉(zhuǎn)換后，驅(qū)動(dòng)耳機(jī)回放心肺音。由于心肺音的采樣率為8kHz，量化位數(shù)為16位，數(shù)據(jù)量較大，為了減輕CPU負(fù)擔(dān)，充分發(fā)揮STM32F405RGT6微處理器的性能優(yōu)勢(shì)，心肺音數(shù)據(jù)在STM32F405RGT6內(nèi)通過DMA通道實(shí)現(xiàn)傳輸。

圖3 心肺音存儲(chǔ)與回放

2.3 其他模塊

1)藍(lán)牙模塊：為了使電子聽診器很好地應(yīng)用于聽診教學(xué)及臨床會(huì)診中，設(shè)計(jì)通過藍(lán)牙與藍(lán)牙音響、耳機(jī)等藍(lán)牙音頻設(shè)備連接實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的音頻傳輸，采用了基于藍(lán)牙高級(jí)音頻分發(fā)協(xié)議[13](A2DP，advanced audio distribution protocol)的模塊,型號(hào)為SJR-BTM05E,具有功耗低、封裝尺寸小、數(shù)據(jù)傳輸速率高等優(yōu)勢(shì)，滿足系統(tǒng)要求。

2)顯示模塊：采用了0.96in(1in=2.54cm)的OLED作為顯示屏，具有自發(fā)光、廣視角、幾乎無窮高的對(duì)比度、較低耗電、極高反應(yīng)速度等優(yōu)勢(shì)。

3)存儲(chǔ)模塊：選用了Micro SD卡作為存儲(chǔ)設(shè)備，并在SD卡中建立文件系統(tǒng)，方便心肺音音頻文件的管理，采用SDIO接口方式與STM32F405RGT6微處理器通信。

4)電源模塊：采用7號(hào)可充電式電池供電，電池額定電壓為3.7V，電池容量為1100mAh。外置充電器可對(duì)電池充電，電路中無需設(shè)計(jì)充電模塊，節(jié)省PCB空間，易便攜。

3 樣機(jī)設(shè)計(jì)

在硬件PCB設(shè)計(jì)制作和基于STM32微處理器軟件調(diào)試后，對(duì)電子聽診器樣機(jī)進(jìn)行了外觀設(shè)計(jì)，其Solidworks設(shè)計(jì)如圖4所示。在聽診器底部設(shè)計(jì)了SD卡接口和耳機(jī)接口，方便插拔SD卡和耳機(jī)?？筛鶕?jù)自身需求更換SD卡和耳機(jī)。

圖4 電子聽診器樣機(jī)設(shè)計(jì)

4 結(jié)果與討論

電子聽診器樣機(jī)如圖5所示，外殼采用了塑料材質(zhì)，其長(zhǎng)度僅為90mm，聽診頭直徑為45mm，重量?jī)H約為50g，滿足便攜需求。按鍵設(shè)計(jì)為五維按鍵，即上、下、左、右、中，中間按鍵為開關(guān)機(jī)/菜單鍵，長(zhǎng)按時(shí)開關(guān)機(jī)；上、下鍵用于調(diào)節(jié)音量及切換菜單，音量12擋可調(diào)；左、右鍵用于切換聽診模式，心音模式(20～200Hz)、肺音模式(200～600Hz)以及寬頻模式(20～1500Hz)。OLED液晶顯示位于按鍵上方，顯示音量、電量、狀態(tài)、菜單等基本信息。

圖5 電子聽診器樣機(jī)實(shí)物

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性，采用該電子聽診器采集正常的心音及呼吸音，并將示波器探頭連接于電子聽診器耳機(jī)接口處，觀察聽診音波形。在測(cè)試過程中，應(yīng)盡量保證環(huán)境安靜，且不要隨意抖動(dòng)電子心肺音聽診器，以減少手與聽診器之間的摩擦。首先在二尖瓣區(qū)采集心音，如圖6(a)所示，其次在左肺中部區(qū)采集肺泡呼吸音，如圖6(b)所示。測(cè)試結(jié)果說明了該電子聽診器能夠有效地采集心肺音信號(hào)且噪聲干擾小，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行編解碼后，驅(qū)動(dòng)耳機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)播放。

圖6 正常心音和肺泡呼吸音

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)的基于電容式傳感器的電子聽診器具有便攜和低功耗的特征，可以應(yīng)用于醫(yī)生的日常聽診、臨床會(huì)診及聽診教學(xué)等場(chǎng)合。與傳統(tǒng)聲學(xué)聽診器相比，該電子聽診器采用普通耳機(jī)聽診，減輕了以往聽診時(shí)由金屬管道對(duì)耳道的壓力產(chǎn)生的不適感；(*)增加了錄音回放、波形顯示、無線傳輸功能，有利于醫(yī)生間交流同時(shí)也有利于在聽診教學(xué)中老師與學(xué)生之間的交流；增加了音量及頻段調(diào)節(jié)功能，使聽診音細(xì)節(jié)更加豐富，得出的診斷結(jié)果更加客觀。與其它電子聽診器的產(chǎn)品相比，該電子聽診器的功能更加全面且不需要依賴PC端的分析軟件，同時(shí)又可以借助PC端的分析軟件對(duì)心肺音進(jìn)行進(jìn)一步的分析。儀器外觀設(shè)計(jì)更加美觀，所采用的主控芯片、音頻編解碼芯片、藍(lán)牙音頻芯片等既滿足性能需求又滿足封裝尺寸小及低功耗的要求。設(shè)計(jì)對(duì)國內(nèi)聽診器產(chǎn)品的研發(fā)有一定的指導(dǎo)意義，可促進(jìn)電子聽診器的臨床應(yīng)用。

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Designofportableandlowpowerconsumptionelectronicstethoscope*

HUANG Mei1, LIU Hong-ying1,2, PI Xi-tian1,3, AO Yi-lu1, WANG Zi1

(1.CollegeofBiologicalEngineering,ChongqingUniversity，Chongqing400030，China;2.ChongqingEngineeringResearchCenterofMedicalElectronics,Chongqing400030，China;3.KeyLaboratoriesforNationalDefenseScienceandTechnologyofInnovativeMicro-nanoDevicesandSystemTechnology,ChongqingUniversity,Chongqing400030，China)

On the basis of analyzing on traditional stethoscope limitations and the related research on electronic stethoscope,design a portable and low power consumption electronic stethoscope.This design is based on capacitive type sensor and use STM32F405RGT6as master control chip.It implements many functions such as real-time heart and lung sounds auscultation in three modes,recording and playback,auscultation volume control,wireless transmission,combined with Bluetooth,OLED,SD card storage technologies.The whole system has characteristics of fully functional,high portability,lower power consumption,and it is beneficial to promote the use of electronic stethoscope in hospital,at the same time,the system can also be applied to auscultate teaching and other occasions.

portable; low power consumption; electronic stethoscope

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0077—03

2016—10—22

國家支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013BAI03B04,2015BAI01B14)

R 197

B

1000—9787(2017)10—0077—03

黃 梅(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娮勇犜\器。皮喜田(1976-)，男，通訊作者，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事新型醫(yī)療儀器設(shè)備，醫(yī)療信息化與健康物聯(lián)網(wǎng)研究工作，E—mail: pixitian@163.com。