基于LABVIEW的遠(yuǎn)程電子聽診器研制

徐文慧 周藝 趙子疊 戴歡

摘 ?要：設(shè)計(jì)制作了一種基于LabVIEW的遠(yuǎn)程電子聽診器，以NI MyDAQ數(shù)據(jù)采集模塊和LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)作為基礎(chǔ)，由服務(wù)端和客戶端兩部分組成。利用NI MyDAQ數(shù)據(jù)采集卡采集經(jīng)由調(diào)理電路濾波放大后的聲音信號(hào)，服務(wù)端利用LabVIEW顯示出聲音的波形，用DataSocket實(shí)現(xiàn)了客戶端與服務(wù)端之間的通信，客戶端接收采集到的聲音信號(hào)，實(shí)時(shí)顯示出波形并播放和保存音頻。相較于傳統(tǒng)聽診器，可遠(yuǎn)程聽診，音頻存儲(chǔ)回放。適用于隔離病房、遠(yuǎn)程會(huì)診、社區(qū)診療等場(chǎng)景。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可傳輸、顯示和播放心音。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程電子聽診器;LabVIEW;DataSocket;心音

一、緒論

中國(guó)在1999年便進(jìn)入了社會(huì)老齡化階段，60歲以上人口占到總?cè)丝诘?0%以上。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2020年中國(guó)人口60歲以上占比17.3%，預(yù)計(jì)2050年占比上升至34.6%，現(xiàn)已成為世界上老年人口最多的國(guó)家，也是人口老齡化發(fā)展速度最快的國(guó)家之一。我國(guó)心血管疾病患者已經(jīng)超過2.7億人，每年死于心血管疾病近300萬(wàn)人，占我國(guó)每年總死亡病因的51%。很顯然，在中國(guó)人口老齡化的大趨勢(shì)下，心血管疾病必定會(huì)是最普遍的疾病之一。對(duì)于心血管疾病，聽診是一種最基本、最常用的臨床診斷的方法，盡管新的、高端的醫(yī)療器械不斷涌現(xiàn)，聽診器依舊是必不可少的基本診斷用具。

聽診器是重要的診斷工具之一，醫(yī)護(hù)人員診斷病患時(shí)，與患者密切接觸，感染風(fēng)險(xiǎn)很大，若能使用遠(yuǎn)程聽診設(shè)備則可以大大降低醫(yī)生感染的風(fēng)險(xiǎn)。最重要的是：在聽診過程中很多有價(jià)值的聲音一閃而過，醫(yī)生無法反復(fù)聽診，也無法分享。這不利于醫(yī)生之間的交流，也不便于醫(yī)學(xué)生的學(xué)習(xí)。目前隨著醫(yī)療資源分布不均勻問題的凸顯和人民健康意識(shí)逐步的提高，遠(yuǎn)程醫(yī)療、移動(dòng)醫(yī)療、互聯(lián)網(wǎng)健康管理已成為熱點(diǎn)，而傳統(tǒng)的聽診器更是需要跟隨時(shí)代發(fā)展，借助現(xiàn)代通信、傳感技術(shù)發(fā)揮出更重要的作用。

遠(yuǎn)程電子聽診器相較于傳統(tǒng)聽診器有很多優(yōu)勢(shì)：一是采集的患者信息，例如心肺音等可被收集儲(chǔ)存，有利于病人長(zhǎng)期診斷對(duì)比治愈進(jìn)度;二是遠(yuǎn)程聽診能在診斷傳染性強(qiáng)的疾病時(shí)避免醫(yī)生直接接觸患者，降低醫(yī)生受感染的風(fēng)險(xiǎn);三是基于DataSocket數(shù)據(jù)傳輸，可以做到延遲小，且能保證較長(zhǎng)距離的實(shí)時(shí)診斷。

綜上所述，遠(yuǎn)程電子聽診器具有重要的研究?jī)r(jià)值和實(shí)用價(jià)值，適用于隔離病房、遠(yuǎn)程診斷、社區(qū)診療等場(chǎng)景，為醫(yī)生裝上“順風(fēng)耳”，解決患者數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集困難的問題，提高遠(yuǎn)程醫(yī)療的便利性，降低患者隨診成本，在高傳染性的疾病診斷中保護(hù)醫(yī)生的生命安全。

二、總體設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)目標(biāo)

1.設(shè)計(jì)聽診器音頻采集電路，能夠?qū)⒒颊咝姆我粜盘?hào)通過壓電薄膜傳感器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，通過帶通濾波及陷波電路，過濾出干擾信號(hào)保留心音，最后將數(shù)據(jù)傳輸至患者端PC機(jī)準(zhǔn)備進(jìn)行軟件濾波處理及數(shù)據(jù)發(fā)送;

2.在患者所在的PC機(jī)開發(fā)服務(wù)端程序，能夠直接采集心肺音信號(hào)并進(jìn)行四階巴特沃斯濾波處理，將信號(hào)波形實(shí)時(shí)顯示并通過DataSocket技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳;

3.在醫(yī)生所在的PC機(jī)開發(fā)客戶端程序，能夠?qū)崟r(shí)讀取DataSocket傳輸數(shù)據(jù)并通過揚(yáng)聲器進(jìn)行心肺音播放，同時(shí)生成音頻文件。

（二）系統(tǒng)方案及實(shí)現(xiàn)原理

“遠(yuǎn)程電子聽診系統(tǒng)”采用如圖1所示的方案框圖。系統(tǒng)以NI MyDAQ數(shù)據(jù)采集模塊和LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)作為基礎(chǔ)，由服務(wù)端和客戶端兩部分組成。

技術(shù)流程是通過壓電薄膜傳感器獲得病人的心肺音數(shù)據(jù)，使用調(diào)理電路和音頻放大器放大信號(hào)，經(jīng)過軟件濾波，快捷準(zhǔn)確的將病人的心肺音數(shù)據(jù)采集并存儲(chǔ)下來。使用DataSocket技術(shù)可實(shí)現(xiàn)心肺音數(shù)據(jù)的傳輸，從而完成遠(yuǎn)程聽診。該項(xiàng)目適用于收治強(qiáng)感染性傳染病醫(yī)院、邊遠(yuǎn)地區(qū)巡回診療、世界衛(wèi)生組織專項(xiàng)醫(yī)療活動(dòng)等場(chǎng)合。

1.患者發(fā)送端

由一臺(tái)筆記本、NI MyDAQ模塊、MAX9814音頻放大模塊、聽診頭等組成。具體功能有：

（1）筆記本電腦通過NI MyDAQ數(shù)據(jù)采集模塊采集MAX9814放大后的心音信號(hào)，并進(jìn)行濾波處理，構(gòu)成虛擬檢驗(yàn)儀器;

（2） 在筆記本電腦顯示操作界面，患者可實(shí)時(shí)觀察到自己的心肺音波形數(shù)據(jù);

2.醫(yī)生接收端

由在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的多臺(tái)電腦和醫(yī)生工作站等組成。具體功能有：

（1）在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，不在患者身邊的醫(yī)務(wù)人員可通過DataSocket遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)獲得病人心肺音波形和音頻文件，及時(shí)進(jìn)行診斷和處理。

（2）醫(yī)生在實(shí)時(shí)播放心肺音波形和播放音頻的同時(shí)，可將病人的心肺音數(shù)據(jù)以音頻文件形式進(jìn)行存儲(chǔ)，便于后續(xù)的復(fù)查診斷。

三、 技術(shù)方案

（一）硬件設(shè)計(jì)

1.聽診頭：采用壓電薄膜傳感器及心音信號(hào)調(diào)理電路，將心音收集并作簡(jiǎn)易濾波處理輸出模擬信號(hào)。

心音可聽頻段主要集中在20-600Hz。本設(shè)計(jì)利用壓電薄膜傳感器，將心肌收縮，心臟瓣膜關(guān)閉和血液撞擊心室壁大動(dòng)脈壁等引起的振動(dòng)，轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)，便于后面的放大、濾波等處理。本設(shè)計(jì)中采用CM-01接觸式傳感器，由靈敏度好，性能穩(wěn)定的壓電薄膜結(jié)合一個(gè)低噪音的前置放大器電路組成，能以緩沖輸出的方式提供唯一的聲音和振動(dòng)信號(hào)的拾取。在產(chǎn)品性能上，此傳感器在10HZ以上的頻率響應(yīng)非常平穩(wěn)。在頻率特性和靈敏度等特點(diǎn)上，此傳感器都能滿足要求。

心音是人體的一種微弱的生物特征信號(hào)，在檢測(cè)過程中可能會(huì)引入電磁干擾、呼吸音等，導(dǎo)致壓電心音傳感器輸出信號(hào)的阻抗較大、信號(hào)幅度較弱、混入噪聲與雜波，不利于后續(xù)信號(hào)的采集與處理。 因此需要設(shè)計(jì)相關(guān)的信號(hào)調(diào)理電路對(duì)壓電薄膜傳感器輸出的心音信號(hào)進(jìn)行處理。

心音信號(hào)調(diào)理電路主要使用緩沖電路、帶通濾波電路、陷波電路、放大電路等對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

帶通濾波器是由電阻、電容組成的濾波電路，它可以有效過濾某特定頻率或某特定頻率以外的信號(hào)，從而獲得需要的某個(gè)特定頻率或過濾某個(gè)特定頻率以后的信號(hào)。由于心音信號(hào)的主要成分集中在20—600Hz以內(nèi)，因此本項(xiàng)目設(shè)計(jì)通頻帶為20—600Hz的帶通濾波器對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行濾波，帶通濾波器由低通濾波器與高通濾波器級(jí)聯(lián)組成。Sallen-Key型濾波器是一種常用的二階有源濾波電路，它的電路模型由運(yùn)算放大器、電阻、電容組成，本電路基于Sallen-Key型濾波器設(shè)計(jì)低通濾波電路與高通濾波電路，再通過級(jí)聯(lián)的方式構(gòu)成帶通濾波電路。

50Hz工頻干擾是心音信號(hào)的主要干擾源，雖然前面的帶通濾波電路使用了對(duì)共模干擾信號(hào)有較強(qiáng)抑制作用的NE5532運(yùn)放IC，但仍有部分干擾以差模信號(hào)的形式留在電路中，其頻率位于心音信號(hào)主要成分的頻率范圍之內(nèi)。

2.MAX9814音頻放大模塊：具有AGC和低噪聲麥克風(fēng)偏置電路的麥克風(fēng)放大器。該器件集成低噪聲前置放大器、可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA）、輸出放大器、麥克風(fēng)偏壓發(fā)生器以及AGC控制電路，可將聽診頭輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大便于采集卡采集。

3.NI MyDAQ數(shù)據(jù)采集卡：數(shù)據(jù)采集是指設(shè)備對(duì)被測(cè)的模擬或數(shù)字信號(hào)，連續(xù)采集并送到上位機(jī)中進(jìn)行分析處理。NI MyDAQ數(shù)據(jù)采集卡通過USB將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上通過軟件編程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理。

（二）軟件設(shè)計(jì)

1.服務(wù)端LabVIEW編程

在服務(wù)端（即患者發(fā)送端）編寫數(shù)據(jù)采集、文件存儲(chǔ)及上傳程序，同時(shí)編寫程序簡(jiǎn)要記錄患者個(gè)人信息并接收診斷結(jié)果顯示。

數(shù)據(jù)采集功能的實(shí)現(xiàn)是通過使用DAQ助手，該控件可方便快捷地從接口獲取MyDAQ采集的模擬電壓信號(hào)。數(shù)據(jù)流經(jīng)四階巴特沃斯濾波器接入波形圖表，可以實(shí)時(shí)顯示濾波完成的清晰心跳波形。

文件存儲(chǔ)功能的實(shí)現(xiàn)是通過使用聲音文件控件，通過輸入地址，打開文件，寫入數(shù)據(jù)操作實(shí)現(xiàn)。

數(shù)據(jù)上傳功能的實(shí)現(xiàn)是通過在波形圖表中進(jìn)行數(shù)據(jù)綁定，并通過DataSocket進(jìn)行傳輸，具體設(shè)置是在服務(wù)端設(shè)置波形圖的屬性進(jìn)行數(shù)據(jù)綁定，數(shù)據(jù)綁定選擇：DataSocket，訪問類型：只寫，路徑選擇DSTP服務(wù)器—DataSocket Sever—wave，URL：dstp：//localhost/wave。

2.客戶端LabVIEW編程

在客戶端（即醫(yī)生接收端）編寫數(shù)據(jù)接收及音頻播放程序。LabVIEW程序前面板包含患者個(gè)人信息顯示、心率波形顯示、診斷結(jié)果輸入及回傳。

音頻播放功能的實(shí)現(xiàn)是通過使用聲音輸出控件，通過配置音頻格式，采樣率及采樣方式，再將波形數(shù)據(jù)寫入聲音輸出并進(jìn)行播放，從而實(shí)現(xiàn)傳輸音頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)播放。

數(shù)據(jù)接收功能的實(shí)現(xiàn)是通過在波形圖表中進(jìn)行數(shù)據(jù)綁定，并通過DataSocket進(jìn)行接收，具體設(shè)置是通過波形圖設(shè)置屬性進(jìn)行數(shù)據(jù)綁定，數(shù)據(jù)綁定選擇DataSocket，訪問類型：只讀，路徑設(shè)置為dstp：// 192.168.43.161 /wave（服務(wù)端PC機(jī)IP地址）。

3.DataSocket技術(shù)

DataSocket是LabVIEW網(wǎng)絡(luò)編程的主要技術(shù)，用于共享傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。它支持多種通信協(xié)議，通過統(tǒng)一的標(biāo)識(shí)符URL確定通信地址和所遵循的通信協(xié)議。它基于Microsoft中Active X和COM技術(shù)，對(duì)TCP/IP協(xié)議高度封裝，用戶不需要掌握TCP/IP的底層編程技術(shù)就可以進(jìn)行高層程序開發(fā)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，從而簡(jiǎn)化通信程序的編寫過程，提高編程效率。通過DataSocket技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，更方便的對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和處理，獲得及時(shí)的信息與結(jié)果。利用DataSocket實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸。URL是DataSocket訪問目標(biāo)的唯一地址，DSTP協(xié)議所對(duì)應(yīng)的URL格式為：dstp：//severname/dataitem。

工作原理是通過本機(jī)的IP地址將采集到的心音信號(hào)寫入到DataSocket中，然后通過對(duì)方的IP將寫入到DataSocket中的音頻按照給定的格式輸出，從而實(shí)現(xiàn)本機(jī)的音頻采集和對(duì)方的音頻輸出。

四、結(jié)果測(cè)試

（一）實(shí)現(xiàn)步驟

1.硬件連接

將聽診頭連接至放大電路，接通調(diào)理電路電源，輸出端連接至MyDAQ數(shù)據(jù)采集卡的0+端，0-端接地，實(shí)現(xiàn)差分采集。MyDAQ的USB接入服務(wù)端PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)客戶端。

2.網(wǎng)絡(luò)連接

將服務(wù)端與客戶端兩個(gè)終端PC機(jī)接入互聯(lián)網(wǎng)。

3.配置DataSocket：

配置DataSocket Sever Manger，添加自定義變量，本系統(tǒng)中需建立一個(gè)波形圖的數(shù)據(jù)項(xiàng)，通過Perdefined Data Items—New Item，在右側(cè)Name改為WAVE，選擇Initial Value（初始值）為數(shù)值。

DataSocket Sever負(fù)責(zé)監(jiān)管Manger中所設(shè)定的具有各種權(quán)限的用戶組和客戶端程序之間的數(shù)據(jù)交換。DataSocket Sever不會(huì)占用測(cè)控計(jì)算機(jī)CPU的工作時(shí)間，因此測(cè)控應(yīng)用程序可以運(yùn)行的更快。Processes Connected顯示的是連接端的個(gè)數(shù)，這里為服務(wù)端與客戶端各兩個(gè)。Packets Received為接收數(shù)據(jù)量，Packets Sent為發(fā)送數(shù)據(jù)量。

（二）波形測(cè)試

運(yùn)行服務(wù)端程序，觀察波形圖表，若采集波形連續(xù)且形狀較好則波形采集成功。觀察波形圖表右上角的信號(hào)提示，若為綠色則表示DataSocket連接成功，連接建立，數(shù)據(jù)傳輸開始，服務(wù)端程序運(yùn)行時(shí)前面板如圖2所示：

同時(shí)運(yùn)行客戶端程序，首先觀察波形圖表右上角的信號(hào)提示是否為綠色，若為綠色則表示DataSocket連接成功。再次觀察客戶端波形圖表，若采集波形連續(xù)且形狀較好則數(shù)據(jù)傳輸成功。在測(cè)試中，觀察到客戶端與服務(wù)端波形基本同步且延遲較短，說明本裝置同步率較好，傳輸信息丟失率低。客戶端程序運(yùn)行時(shí)前面板如圖3所示：

五、總結(jié)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)利用NI MyDAQ數(shù)據(jù)采集卡采集聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化的電壓信號(hào)，服務(wù)端利用LabVIEW顯示出聲音的波形，用DataSocket傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)了客戶端與服務(wù)端之間的通信，客戶端接收采集到的聲音信號(hào)，并實(shí)時(shí)播放和保存。相較于傳統(tǒng)聽診器，可遠(yuǎn)程聽診，音頻存儲(chǔ)回放。具備較強(qiáng)的實(shí)用性和創(chuàng)新性。

通過使用基于LABVIEW的遠(yuǎn)程電子聽診器，醫(yī)生能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)獲得患者的心肺音，綜合其他數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷，尤其在傳染病的治療中，能夠一定程度上保護(hù)醫(yī)護(hù)人員的生命安全;音頻的儲(chǔ)存回放功能也打破了傳統(tǒng)聽診的局限，有利于比較診斷、多人同時(shí)聽診;由于能夠調(diào)節(jié)音量大小，本項(xiàng)目研制的電子聽診器能夠減少因主觀因素導(dǎo)致的誤診，提高診斷的準(zhǔn)確性。

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