臨沂大學(xué)汽車學(xué)院 馬西賀 王春梅 付 曉 李兆備

引言

為獲取人體或動(dòng)物體內(nèi)的重要的生物音，聽診器不失是一種科學(xué)有效的醫(yī)學(xué)儀器。自1816年法國(guó)醫(yī)生雷納克所發(fā)明以來，聽診器便普遍運(yùn)用于醫(yī)學(xué)方面，對(duì)心臟、腸胃等方面疾病的判斷與治療有顯著成果。聽診器可分為聲學(xué)聽診器與數(shù)字聽診器，兩種聽診器的主要功能都是為得到心臟和肺部的有效聲音信號(hào)。據(jù)了解，聲學(xué)聽診器自1816年誕生以來已被廣泛應(yīng)用，而近期開發(fā)出來的新型設(shè)備——數(shù)字聽診器因其優(yōu)良的性能也漸漸被人熟知。筆者設(shè)計(jì)的數(shù)字聽診器在使用中不僅保留了聲學(xué)聽診器的原有優(yōu)點(diǎn)，而且極大的提高了對(duì)微弱聲音信號(hào)檢測(cè)的能力。在反復(fù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上筆者還開發(fā)了供多人監(jiān)診并能準(zhǔn)確高效的記錄、儲(chǔ)存、顯示和進(jìn)行縱向與橫向客觀比較功能。

該聽診器具有如下特色：（1）可以輕易捕捉到人體內(nèi)部器官發(fā)出的一些非常重要的聲音，如在醫(yī)學(xué)上通常用來聽診人體的心臟，脈搏等器官發(fā)出的微弱聲音；（2）在監(jiān)測(cè)基本的身體特征方面更為廣泛使用。例如在進(jìn)行血壓測(cè)量時(shí)放大脈搏跳動(dòng)發(fā)出的聲音，極利于醫(yī)生的準(zhǔn)確診斷；（3）在心血管方面，不僅用來聽成人的心率，心音，血管雜音，也可以用來聽診胎兒發(fā)出的微弱心音。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路如圖1所示，智能聽診器探頭將人體的心音、呼吸音等生理聲信號(hào)準(zhǔn)確采集出來，通過轉(zhuǎn)換電路模塊變成原始的電信號(hào)。將原始信號(hào)經(jīng)初級(jí)放大后輸入到濾波模塊，以便可以得到清晰的心音效果。經(jīng)過濾波模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和去噪聲處理后，微弱心音信號(hào)將被進(jìn)一步送入主放大模塊進(jìn)行放大處理。在主放大模塊中，模擬信號(hào)分兩路，一路送入功率放大模塊，處理后的信號(hào)將用于驅(qū)動(dòng)耳機(jī)或音響。另一路則送入主控模塊，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路模塊處理后轉(zhuǎn)換為易懂的數(shù)字信號(hào)，并且經(jīng)過單片機(jī)送入液晶模塊進(jìn)行波形顯示，電源由電池組以及穩(wěn)壓電路構(gòu)成，負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)模塊提供電能。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

2 電子聽診器硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 拾音頭的制作

最終決定本智能電子聽診器信號(hào)鏈路是否滿足實(shí)用要求的關(guān)鍵是聲學(xué)傳感器能否將聲音轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)。這要求拾音器 MIC 的制作要盡量的簡(jiǎn)單可靠，筆者在對(duì)國(guó)內(nèi)外眾多拾音頭進(jìn)行測(cè)試后，決定采用在普通的老式聽診器的基礎(chǔ)上加裝超小型駐極體話筒的方式對(duì)心音進(jìn)行提取。具體做法如下：將一只傳統(tǒng)聽診器的聽管取下并向橡皮管擠壓入一只1/4英寸直徑的超小型駐極體話筒?？紤]到駐極體話筒產(chǎn)生的微弱信號(hào)易受到外界噪聲的干擾我們可選用屏蔽電纜接到電路中的MIC處。由于話筒封裝在膠管中，此振動(dòng)通過在密閉空間的空氣可以不受外界干擾地傳到話筒，心音不易失真，靈敏度較高。

圖2 拾音頭

2.2 心音模擬電路的設(shè)計(jì)

2.2.1 μA741構(gòu)成的心音前置放大電路

圖3中SENSOR是駐極體電容式傳聲器，+9V電源經(jīng)過 10k限流電阻和470pf去耦電容和給駐極體提供電能；為避免電路中直流噪聲的影響，同時(shí)為耦合拾音頭產(chǎn)生的交流小信號(hào)以便傳送給后面的運(yùn)算放大器進(jìn)行電壓放大，需要在電路中串連一個(gè)473pf的電容[2]；其中要改變交流信號(hào)的放大倍數(shù)只需改變R5和R6的比值可參式3-1；詳細(xì)心音前置放大電路如圖3所示。

圖3 前置放大電路圖

2.2.2 濾波電路

考慮到聽診器實(shí)際應(yīng)用的環(huán)境拾音器檢測(cè)出的心音信號(hào)必然會(huì)含有很多噪聲。為了得到比較純正的心音信號(hào)，必須設(shè)法去除這些噪聲，以保證心音最大程度的不失真。經(jīng)過對(duì)大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，我們發(fā)現(xiàn)心音的有效頻帶主要集中在20Hz自400Hz之間，肺音的有效頻帶集中在100Hz至1200Hz。因此數(shù)字聽診器只需對(duì)心音和呼吸音的有效頻帶保持較高的靈敏度即可。而在信號(hào)放大的同時(shí)可將頻率將頻率較高的噪聲信號(hào)直接濾除，從而提高系統(tǒng)的抗干擾的能力。本設(shè)計(jì)中采用集成運(yùn)放μA741構(gòu)成低通濾波器構(gòu)成合適的濾波電路[3]。

為給出實(shí)際心音的濾波電路，我們將先闡述構(gòu)造低通濾波器的原理。

其歸一化的傳輸函數(shù)：

通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)：

濾波器的截止角頻率：

圖4 低通濾波電路

我們將主放大電路置于低通濾波電路之后主要考慮到這時(shí)的信號(hào)雖然較為純潔但并不滿足功放要求，因此需進(jìn)一步放大。同時(shí)也盡可能地減小了噪聲對(duì)信號(hào)的影響[4]所用芯片依然為μA741。

圖5 主放大電路

2.2.3 功率放大電路

為更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)心音的聽診的目的，以幫助醫(yī)生快速準(zhǔn)確的診斷病人病情。心音可視智能電子聽診器還必須具備心音外放的功能，然而心音信號(hào)經(jīng)過主放大模塊后電壓幅值雖然已經(jīng)得到較大幅度的提升，但它的功率對(duì)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器仍然較小。為此我們又設(shè)計(jì)了功率放大電路，如圖6所示。

因?yàn)長(zhǎng)M386的輸入信號(hào)中不可以有直流分量所以我們必須要加一個(gè)隔直電容，如圖電容C23；調(diào)節(jié)音量的大小可通過對(duì)變電阻680K的改變來實(shí)現(xiàn)。

圖6 功率放大電路

2.3 波形顯示電路

多數(shù)數(shù)字聽診器配置的顯示器大多較小，而筆者設(shè)計(jì)的新型聽診器為向醫(yī)生提供較清晰地圖像信息而選用12864液晶作為顯示器；這款顯示器操作簡(jiǎn)單，易于通過單片機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行控制。在單片機(jī)的編程過程中只要利用簡(jiǎn)單的位操作命令對(duì)它置位就可實(shí)現(xiàn)繪點(diǎn)。

3 電子聽診器系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本章主要介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的軟件設(shè)計(jì)部分。ARM Cortex—M4處理器是由ARM公司專門開發(fā)的用于信號(hào)控制市場(chǎng)的嵌入式處理器，滿足了對(duì)于效率，易用以及控制和信號(hào)混合特性的應(yīng)用需求。作為一款高性能處理器[5]，Cor t ex—M4為開發(fā)者提供諸多好處。

本系統(tǒng)中的程序設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工作流程圖如圖7所示：

圖7 系統(tǒng)工作流程圖

4 結(jié)論

這種新型多功能電子聽診器雖然選用常規(guī)器件，但實(shí)現(xiàn)了保持聲學(xué)聽診器的外觀和感覺的基本目標(biāo)，發(fā)揮出數(shù)字聽診器對(duì)微弱聲音信號(hào)的檢測(cè)能力。筆者設(shè)計(jì)的這款數(shù)字聽診器還結(jié)合實(shí)際的醫(yī)務(wù)應(yīng)用需要設(shè)計(jì)了一些新功能，例如：可對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行錄音和回放。并在反復(fù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上開發(fā)了供多人監(jiān)診并能準(zhǔn)確高效的記錄、儲(chǔ)存、顯示和進(jìn)行縱向與橫向客觀比較功能。

[1]郭穎.簡(jiǎn)易電子聽診器.西南科技大學(xué)學(xué)報(bào)[J].四川:2003.18(1):35-38.

[2]籍順心.一種可用于強(qiáng)噪聲環(huán)境的有源聽診器.聲學(xué)學(xué)報(bào)[J].北京:2007(4):382-384.

[3]華成英,童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2001(3):243-266.

[4]沈雷鳴.新型電子聽診器.護(hù)理學(xué)雜志[J].北京:2005.4.20(8):13-15.

[5]裴仁清,黃偉,程志華.濾波電路原理.自動(dòng)化儀表[J].北京:2001(10):165-181.