袁靚 周于浩 秦顧正 肖彥 陳穎 張圣清

摘要：聽診器是醫(yī)療行業(yè)的重要器械。隨著通信行業(yè)的不斷發(fā)展，無線電子聽診器也應(yīng)運(yùn)而生。在對數(shù)個(gè)無線電子聽診器的了解基礎(chǔ)上，我們提出自己的設(shè)計(jì)方案。本文介紹了國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)的發(fā)展概況以及本次設(shè)計(jì)的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：電子聽診器；模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換；無線傳輸

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）11-0233-02

Wireless Electronic Stethoscope

YUAN Liang ，ZHOU Yu-hao， QIN Gu-zheng， XIAO Yan， CHEN Ying

（School of Information Science and Technology， Southeast University， Nanjing， 211189 Chia）

Abstract：The stethoscope is an important instrument of the medical industry. With the continuous development of the communications industry， wireless electronic stethoscope also emerged. Researching a number of wireless electronic stethoscope cases， we propose their own design. This paper introduces the development of related industries at home and abroad as well as technical support in this design.

Key words：Electronic Stethoscope；Analog to digital， digital to analog conversion；Wireless transmission

1 緒論

據(jù)調(diào)查了解，我國國內(nèi)和國外的醫(yī)療機(jī)構(gòu)對心臟、肺部的聽診及醫(yī)療教學(xué)方面使用的大多是傳統(tǒng)的普通聽診器，這種聽診器已經(jīng)存在了近100多年，由于傳統(tǒng)聽診器在醫(yī)療、會(huì)診、教學(xué)等方面存在諸多不便，迫切需要加以改進(jìn)，用高新技術(shù)替代傳統(tǒng)產(chǎn)品，據(jù)有關(guān)專家預(yù)言，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，未來聽診器的工作將會(huì)發(fā)生根本改變，數(shù)字技術(shù)或數(shù)字工藝將大大提高診斷質(zhì)量。因此，研制新型傳感器已成為當(dāng)務(wù)之急。

電子聽診器是利用電子技術(shù)放大身體的聲音，克服了聲學(xué)聽診器噪音高的缺點(diǎn)。電子聽診器需要將心音轉(zhuǎn)換為電信號，然后放大和處理，以獲得最佳聆聽。與聲學(xué)聽診器相比，它們都是基于相同的物理原理。電子聽診器也可與計(jì)算機(jī)輔助聽診計(jì)劃的分析所記錄的心的聲音病理或無辜的心臟雜音。而無線電子聽診器將心音信號有效、無線、遠(yuǎn)距離傳送至各診斷設(shè)備中，從而有效地避免了雙方近距離接觸可能產(chǎn)生的交叉感染，保護(hù)了醫(yī)生、患者和廣大公民的合法權(quán)利。目前國內(nèi)對無線電子聽診器的潛在需求量巨大，主要應(yīng)用的領(lǐng)域?yàn)椋横t(yī)療、衛(wèi)生、教學(xué)、臨床行業(yè)，在臨床教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、病理監(jiān)護(hù)、病案會(huì)診、健康體檢、預(yù)防傳染等方面，是重大創(chuàng)新性的產(chǎn)品，具有重要的實(shí)用價(jià)值。

2 設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)

在前期對一些項(xiàng)目的研究基礎(chǔ)上，我們做出了一定的改進(jìn)并設(shè)計(jì)出自己的實(shí)現(xiàn)方案。流程圖見圖1：

圖1

通過HKY-06B心音采集器采集的心音信號，用MSP430單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換， 再用一對cc2530無線收發(fā)模塊進(jìn)行無線傳輸，最后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換的心音信號用耳機(jī)接收。

2.1心音傳感器

2.1.1傳感器HKY-06B

人體心臟在正常情況下的心音頻率為1～800Hz。而人對40～400Hz的頻帶聽覺比較敏感。傳統(tǒng)聽診器由共振片，聲音共振腔，和傳導(dǎo)聲音的導(dǎo)管組成，有一些明顯的缺點(diǎn)。但心音信號對于醫(yī)生聽診有重要的意義，心音強(qiáng)度、頻率在一定程度上可以反映人體心瓣膜、心臟內(nèi)血流和心肌功能的狀況。

HKY-06B型心音傳感器的優(yōu)勢是采用了由新型高分子聚合材料制成的微音傳感元件。傳感器能夠準(zhǔn)確采集心音＼腸音等體表動(dòng)脈搏動(dòng)信號，再經(jīng)過信號處理電路處理后，最終輸出低阻抗的音頻信號。模塊化設(shè)計(jì)，PCB插件方式封閉，可廣泛應(yīng)用于各類心音采集設(shè)備。主要特點(diǎn)：靈敏度高，外形小巧，抗干擾能力強(qiáng)。此外，HKY-06B型心音傳感器可通過適配器完成對心跳的實(shí)時(shí)錄音，可供后續(xù)延時(shí)處理。

2.1.2心音信號采集

使用雙音頻插座與心音傳感器相接，傳感器的GND、VCC與OUT端通過插座引出，從而采集到模擬的心音信號。

采集的心音信號樣圖如圖2（時(shí)域），圖3（頻域）。

圖2 圖3

2.2數(shù)字信號處理

2.2.1單片機(jī)MSP430f169

MSP430系列單片機(jī)是德州儀器開發(fā)的一種16位超低功耗的微處理器。我們選用的是MSP430f169，這是因?yàn)樗哂泻芏鄡?yōu)勢：（1）功耗很低：不足1μA的待機(jī)電流，RAM數(shù)據(jù)保持和活動(dòng)模式下工作電流僅為0.1μA、250μA 。（2）處理能力極強(qiáng)：采用了RISC（精簡指令集結(jié)構(gòu)），執(zhí)行1條指令只需1個(gè)時(shí)鐘周期。此外，MSP430f149還具有 60kB 閃存、2048B RAM、12 位 ADC、雙 DAC、2個(gè)USART、I2C、HW 乘法器和 DMA，還增加了DA轉(zhuǎn)換的接口、I2C的硬件接口以及直接的存儲(chǔ)通道DMA。

在本項(xiàng)目中，主要使用單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換功能，對模擬的音頻信號進(jìn)行處理。

2.2.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊

在MSP430的應(yīng)用領(lǐng)域中，控制和測量的對象往往是模擬變量，也就是連續(xù)變化的變量，經(jīng)常涉及的變量有聲音、壓力、溫度等等。項(xiàng)目中，我們首先利用傳感器HKY-06B 把心音轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的電信號，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換變成可以被單片機(jī)處理和控制的數(shù)字信號。

為了節(jié)省資源，本項(xiàng)目采用的是f169內(nèi)嵌的12位A/D轉(zhuǎn)換器，其最大采樣速率為200ksps，內(nèi)部還配置采樣保持電路和8路模擬輸入通道。此外，內(nèi)部的16組轉(zhuǎn)換寄存器可供存放采樣通道號、參考電壓選擇、序列標(biāo)及轉(zhuǎn)換結(jié)果。

ADC12的轉(zhuǎn)換結(jié)果是12bit的并行數(shù)據(jù)，存放在一個(gè)12位的寄存器中。考慮到UART的工作方式，應(yīng)將這12位數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分，即移位處理。先將高8位移位至串口寄存器發(fā)送，再將低4位移至串口寄存器發(fā)送（后四位是補(bǔ)上的0）。反之，在無線接收端也可以恢復(fù)出12位數(shù)據(jù)，供后面的DAC進(jìn)行處理。

2.3無線傳輸

2.3.1無線模塊cc2530

CC2530是應(yīng)用于IEEE802.15.4應(yīng)用的片上系統(tǒng)解決方案，處于2.4GHz頻段。經(jīng)過近些年技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在通過其建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只需要較低的成本。我們選擇CC2530，有以下幾點(diǎn)原因：CPU采用8051型，符合業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)；在性能方面更是遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的RF收發(fā)器，此外，還有可編程閃存8KB RAM和許多其他功能。CC2530使用了德州儀器公司技術(shù)領(lǐng)先的ZigBee協(xié)議棧，這也就意味著提供了一個(gè)十分完整的解決方案?，F(xiàn)在市面上CC2530有不同容量的閃存版本，可以根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量調(diào)整。同時(shí)，因?yàn)镃C2530具有不同的運(yùn)行模式，在不同要求的情況下選擇不同模式，大大降低了功耗，能夠長時(shí)間綠色環(huán)保運(yùn)行。

在本項(xiàng)目中CC2530使用的的軟件開發(fā)環(huán)境為IAR 8.10 Evaluation for 8051。使用的協(xié)議棧為TI公司的ZStaek-CC2530-2.3.0-1.4.0。協(xié)議棧定義通信硬件和軟件在不同級如何協(xié)調(diào)工作。整個(gè)Z-Stack協(xié)議棧分為多層的軟件結(jié)構(gòu)，雖然沒有完全開源，主要是操作系統(tǒng)抽象層OSAL和硬件抽象層（HAL）。硬件抽象層（HAL）提供了各種硬件模塊需要的驅(qū)動(dòng)，包括定時(shí)器，模數(shù)轉(zhuǎn)換使用的應(yīng)用程序接口API，通用I/O口，通用異步收發(fā)傳輸器UART，以及提供各種服務(wù)的擴(kuò)展集等。

2.3.2無線模塊設(shè)計(jì)

本小組主要使用兩個(gè)基于ZigBee協(xié)議的cc2530無線傳輸模塊。，一端將單片機(jī)單元處理轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號即時(shí)無線傳輸?shù)搅硪欢?，另一端接收后再將其輸出給另一個(gè)單片機(jī)，后續(xù)模塊處理后還原為原信號供聽診。

我們考慮到MSP430f1系列的超低功耗特點(diǎn)，CC2530使用串行通信UART模式與單片機(jī)相連接。在聽診器處于待機(jī)不工作狀態(tài)時(shí)，CC2530不需要接收數(shù)據(jù)，為了節(jié)省電量延長使用時(shí)間，我們可以將MSP430f169和CC2530均設(shè)置為休眠狀態(tài)；當(dāng)開機(jī)工作時(shí)，可以先喚醒單片機(jī)和CC2530，CC2530首先接收從發(fā)送端或路由端的CC2530傳送過來的數(shù)據(jù)，再實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)通過串口通信傳輸給單片機(jī)，之后單片機(jī)對接收的數(shù)據(jù)會(huì)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換等處理，接著傳遞給耳機(jī)供醫(yī)生聽診分析；若長時(shí)間不使用不接收相關(guān)數(shù)據(jù)，則兩者又進(jìn)入休眠狀態(tài)。

3 總結(jié)與展望

我們的設(shè)計(jì)是針對于心音的監(jiān)測。首先，在之后的發(fā)展中，在選有合適的傳感器的情況下，可以對腸音、肺音進(jìn)行檢測；更進(jìn)一步，對第一心音、第二心音、第三心音進(jìn)行檢測。其次，可以通過錄音記錄心音以及心電波的顯示，繼而達(dá)到更好的診療效果。

無線電子聽診器將會(huì)是聽診器的開發(fā)潮流，在當(dāng)今生活水平、醫(yī)療水平、科技水平不斷提高，醫(yī)療與科技相結(jié)合、科技嵌入生活的點(diǎn)點(diǎn)滴滴的大背景下，無線電子聽診器必將顯示出其巨大的市場價(jià)值。

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