基于DSP的數(shù)字聽診器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

張石 李昂 袁粵林 于秀

摘要：設(shè)計了一種數(shù)字化的基于DSP的聽診器，該聽診器采用Tl公司低功耗DSP處理芯片TM5320C5515作為核心處理芯片，系統(tǒng)集電源部分、外部存儲部分、顯示部分、前端音頻采集處理部分、藍(lán)牙傳輸部分于一身。與傳統(tǒng)聽診器相比，本設(shè)計能夠?qū)π姆我粜盘栠M(jìn)行了實(shí)時FIR濾波處理、心率計算，且通過藍(lán)牙將聲音信號傳給用戶，有更高的醫(yī)學(xué)診斷價值。

關(guān)鍵詞：DSP；心音信號；實(shí)時聽診；FlR濾波；藍(lán)牙技術(shù)

O 引言

聽診器作為醫(yī)生常用的醫(yī)療工具，是診斷心血管系統(tǒng)疾病、呼吸系統(tǒng)疾病的重要手段之一。但在車禍等事故現(xiàn)場的特殊環(huán)境、臨床診斷以及醫(yī)學(xué)教學(xué)中迫切需要一種體積小、成本低、具有良好抗干擾能力，并能實(shí)現(xiàn)多人同時聽診的數(shù)字聽診器。因此，在目前的醫(yī)療環(huán)境下，數(shù)字聽診器具有很大的市場、經(jīng)濟(jì)以及應(yīng)用價值。

文獻(xiàn)[1]提出了一種利用DSP芯片設(shè)計數(shù)字聽診器的參考設(shè)計方案，文獻(xiàn)[2]提出了利用希爾伯特黃變換對聲音信號進(jìn)行包絡(luò)提取，并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模式識別的辦法。文獻(xiàn)[3-7]提出了各種基于不同平臺的數(shù)字聽診器，為本文的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)整體方案

整個系統(tǒng)的方案框圖如圖1所示，當(dāng)模擬前端（AFE）采集到聲音信號后，該聲音信號經(jīng)過模擬的放大、濾波、AD轉(zhuǎn)換后通過12S總線傳給DSP芯片。

DSP芯片在高速外部存儲的協(xié)助下處理大量的聲音數(shù)據(jù)，并最終將所需信息顯示在LCD上。

在這個過程中DSP芯片主要進(jìn)行的工作有數(shù)字濾波、心率檢測及波形顯示等，DSP芯片的應(yīng)用使得廉價、高性能的數(shù)字聽診器的實(shí)現(xiàn)成為可能。

2 硬件方案

本方案模擬前端采用低漂移、高共模抑制比的OPA335對麥克風(fēng)輸出的毫伏范圍內(nèi)的信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?、濾波，并包含可變增益部分以提高信噪比。

DSP芯片采用TI公司低功耗處理芯片TMS320C5515，內(nèi)部含有4個DMA通道和4個l2S總線，且對于FFT有硬件加速，功耗低、處理能力強(qiáng)，非常適合用在此處。

選用Tl公司可編程控制輸入輸出的TLV320AIC3254作為編解碼芯片。CPU通過l2S總線與音頻編解碼器交換數(shù)據(jù)信號，通過I2C總線發(fā)送控制信號對編解碼器進(jìn)行配置。

本系統(tǒng)所采用的SDRAM容量為256 Mb，型號為MT48LC16M16A2，利用DSP芯片內(nèi)部DMA的ping-pong機(jī)制配合外部高速RAM能夠?qū)崿F(xiàn)在下一幀數(shù)據(jù)到來之前完成數(shù)據(jù)的處理，從而保證系統(tǒng)的實(shí)時性?？紤]到程序存儲問題，本系統(tǒng)選擇外擴(kuò)FLASH，型號為PC28F128P30885。

聲音最后通過藍(lán)牙模塊傳輸至藍(lán)牙耳機(jī)，實(shí)現(xiàn)無線聽診。藍(lán)牙模塊采用SHION-M60藍(lán)牙模塊，該模塊內(nèi)部集成CSR8670藍(lán)牙芯片，是業(yè)界保真度最高的芯片之一，該模塊可直接將解碼之后的模擬聲音信號傳輸給藍(lán)牙耳機(jī)。

本系統(tǒng)采用外部5V DC輸入，電源芯片采用TPS70302，該芯片可將5V左右輸入轉(zhuǎn)化為3.3V和1.8V，供給DSP及外設(shè)，此外，DSP芯片的LDOI引腳供3.3 V電壓，從而使DSP芯片自身輸出1.3 V給內(nèi)核供電。整體框圖如圖2所示。

3 軟件方案

程序整體的思路：首先通過DSP對前端編解碼芯片TLV320AlC3254配置來啟動采集，然后DSP對采集的信號進(jìn)行相應(yīng)的處理，再通過l2S傳輸給編解碼器，通過藍(lán)牙耳機(jī)將心音實(shí)時播放出來，從而實(shí)現(xiàn)無線聽診以及多人同時聽診。在數(shù)據(jù)傳輸方面采用DMA，使DSP芯片主要工作集中在數(shù)字信號的處理上。并且用戶可通過按鍵進(jìn)行聽診模式選擇，包括心音、肺音等（通過改變FIR濾波器參數(shù)），音量調(diào)節(jié)，是否保存等操作。軟件系統(tǒng)的架構(gòu)如圖3所示。

為了實(shí)現(xiàn)心音實(shí)時的顯示，需要對輸入緩存與輸出緩存進(jìn)行一些處理，在輸入端采用Ping-Pong Buffer模式，將數(shù)據(jù)的采集以及處理分開來，避免數(shù)據(jù)處理期間聲音信號的丟失。在輸出端將輸出緩存分為四個小的緩存，將數(shù)據(jù)進(jìn)出緩存區(qū)相互錯開，解決了數(shù)據(jù)之間的沖突問題。圖4為程序整體的流程圖。

4 DSP濾波

前文已經(jīng)提到DSP芯片的主要工作是進(jìn)行數(shù)字濾波以及心率計算。由于傳統(tǒng)的聽診頭有膜型聽診頭和鐘型聽診頭兩種，鐘型聽診頭對于低頻的聲音較敏感，而膜型聽診頭會濾除一部分低頻的聲音對高頻的聲音較敏感，在此我們通過數(shù)字濾波來實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)更高的運(yùn)行效率，我們調(diào)用TMS320C5515DSP庫中的FIR函數(shù)，這樣我們只需要計算出滿足我們要求的FIR濾波器系數(shù)和階數(shù)傳遞給FIR函數(shù)即可。

鐘模式的頻率范圍20～220Hz，膜模式的范圍為50～600 Hz。使用MATLAB中FDATOOL來進(jìn)行濾波器的設(shè)計，然后對濾波器的系數(shù)量化后導(dǎo)出即可。在設(shè)計過程中，首先需要保證在通帶內(nèi)為線性相位防止相位失真，然后階數(shù)要適合在DSP的計算速度允許的情況下保證足夠的阻帶衰減。所以這里使用窗函數(shù)設(shè)計方法，窗函數(shù)為哈明窗，階數(shù)為161階。當(dāng)頻率范圍為20～220 Hz時，縮放x軸后濾波器幅頻與相頻響應(yīng)如圖5所示。

當(dāng)頻率范圍為50～600 Hz時，縮放x軸后濾波器幅頻與相頻響應(yīng)如圖6所示。

圖7是一段采樣心音信號等間隔抽取后得到的圖形，可以看出這段信用被干擾是比較嚴(yán)重的，尤其是第二心音，根據(jù)頻譜可以發(fā)現(xiàn)高頻的噪聲成分是比較多的。對以上信號使用所設(shè)計的FIR濾波器進(jìn)行濾波得到圖9。

濾波后信號從頻域圖中可以看出高頻信號得到了很好的抑制，基本能夠滿足設(shè)計需求。

5 心率算法

對于心率的計算，本方案采用的是自適應(yīng)心率求取。傳統(tǒng)的心率求取方法主要有兩種，一種是頻域的方法，即求出頻域尖峰間隔△f，△f說明了信號的周期性，以此來求取心率，但是通過對采集的信號進(jìn)行頻域分析時發(fā)現(xiàn)，噪聲干擾對心率的求取影響很大，計算的心率波動大、準(zhǔn)確率低。在此采用第二種時域的方法，在已知的時間間隔△f內(nèi)計算心音信號的峰值數(shù)量n，則心率為n/△t，實(shí)現(xiàn)簡單且不失準(zhǔn)確性。由于不同的情況下人的心跳信號的強(qiáng)度會不一樣，所以要想求取準(zhǔn)確的心率對于峰值閥值TH的選取很重要。由于心音強(qiáng)度的變化，固定的閥值在強(qiáng)度過高或過低時不能滿足準(zhǔn)確性的要求，所以這里選擇自適應(yīng)閥值。在每次求取心率之前，對采集的一段信號先進(jìn)行分析，求出信號的峰值MAX（i），然后將這個峰值的0.7信作為心率計算的閥值即TH（i）=0.7MAX（i）、每次在新閥值的基礎(chǔ)上進(jìn)行計算，當(dāng)采樣值從x[n]TH（i）時，峰值數(shù)n加1，最后心率h=n/△t。這樣的自適應(yīng)閥值適應(yīng)了心音強(qiáng)度的變化，保證了心率的準(zhǔn)確性。當(dāng)然這需要穩(wěn)定低噪的模擬電路作為前提。

6 結(jié)論

本文從硬件設(shè)計部分、軟件編寫部分以及整體實(shí)現(xiàn)對數(shù)字聽診系統(tǒng)進(jìn)行了具體的闡述。本系統(tǒng)是一套完整的基于DSP的數(shù)字聽診器，集心音的采集、處理以及藍(lán)牙傳輸與一體，實(shí)現(xiàn)了心音的現(xiàn)代聽診。心音信息更加完整的再現(xiàn)、心音實(shí)時的回放以及通過藍(lán)牙傳輸是本系統(tǒng)的特點(diǎn)。有了藍(lán)牙聽診，本系統(tǒng)可以使用在醫(yī)學(xué)的教學(xué)當(dāng)中，醫(yī)師與學(xué)生同時聽診，實(shí)時指導(dǎo)，讓教學(xué)更加高效與方便。

當(dāng)然本系統(tǒng)還有需要提升的地方。未來數(shù)字聽診器一定會取代傳統(tǒng)聽診器，我們需要它發(fā)揮更加重要的作用，這就需要更加小的體積和非常強(qiáng)的抗干擾能力，且功耗和成本也需要合理控制。此外，隨著時代的發(fā)展，人工智能也將是大勢所趨，故本系統(tǒng)也需要進(jìn)一步完善，下一步打算根據(jù)希爾伯特黃變換取出的包絡(luò)進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別，從而實(shí)現(xiàn)適應(yīng)于時代發(fā)展的智能聽診。

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