苑 韜，徐靜波，張海英

(1.中國(guó)科學(xué)院微電子研究所 健康電子研發(fā)中心，北京 100029；2.中國(guó)科學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心，江蘇 無(wú)錫 214135；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 微電子學(xué)院，北京 100049)

人體作為一個(gè)復(fù)雜非線性動(dòng)力系統(tǒng)，各種臟器可能會(huì)產(chǎn)生多種聲音信息，心音、肺音、腸鳴音等人體聲音包含大量的生理信息、病理信息，具有重要的臨床診斷價(jià)值。

傳統(tǒng)聽診器需要使用人耳現(xiàn)場(chǎng)聽取，易受環(huán)境影響，故難以準(zhǔn)確檢測(cè)人體中的微弱聲音與短時(shí)特征，對(duì)使用者的經(jīng)驗(yàn)要求比較高。與傳統(tǒng)聽診器相比，電子聽診器利用高靈敏度聲音傳感器，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)、存儲(chǔ)聲音信號(hào)，可以反復(fù)聽取和分析聲音數(shù)據(jù)，且可以針對(duì)不同部位聽診采用不同工作模式。

心音信號(hào)的頻率分布主要在20～400 Hz之間[1]，其中在多數(shù)情況下都可聽到，響度最大，最重要的第一心音，第二心音的頻率主要集中在20～100 Hz[2]，肺音信號(hào)的頻率分布主要在50～3 000 Hz[3]，腸鳴音的信號(hào)頻率主要分布在60～1 200 Hz[4].

本文設(shè)計(jì)了一款多模電子聽診器，根據(jù)人體心音、肺音、腸鳴音聲音的頻率分布，設(shè)計(jì)了3種相應(yīng)的帶通頻率范圍，實(shí)現(xiàn)多模工作方式。其信號(hào)增益達(dá)35 dB，信噪比達(dá)44 dB，噪聲系數(shù)1.8 dB.

1 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 電路整體設(shè)計(jì)

電子聽診器由電子聽診頭、前置放大電路、數(shù)字信號(hào)處理芯片、濾波電路、后置放大電路、電源等幾部分組成。由麥克風(fēng)進(jìn)行聲音采集，信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大電路放大，輸入DSP后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并進(jìn)行噪音抑制，經(jīng)過(guò)濾波后由差分方式經(jīng)過(guò)后置放大電路輸出。輸出模式和音量放大倍數(shù)由開關(guān)調(diào)節(jié)。電子聽診器的工作原理如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)工作原理Fig.1 Operational principle of the hardware system

1.2 聽診頭設(shè)計(jì)

聽診頭內(nèi)使用麥克風(fēng)作為信號(hào)輸入傳感器，經(jīng)研究，微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical systems,MEMS)麥克風(fēng)相比傳統(tǒng)駐極體麥克風(fēng)，具有耐高溫、穩(wěn)定性好、一致性高、輸出阻抗低、抗沖擊等優(yōu)點(diǎn)。具體對(duì)比參數(shù)如表1所示。

表1 駐極體麥克風(fēng)與MEMS麥克風(fēng)對(duì)比[6]Table 1 Contrast between the MEMS microphone and the electret microphone

為滿足電子聽診器多模工作要求，麥克風(fēng)應(yīng)該覆蓋心音、肺音、腸鳴音的頻率范圍，且麥克風(fēng)是主要的噪音源，其噪聲性能對(duì)整體聽診效果至關(guān)重要。本文選擇了頻帶響應(yīng)為20 Hz～20 kHz，信噪比59 dB的MEMS麥克風(fēng)作為電子聽診器的聲音采集元件。將MEMS麥克風(fēng)及其配套電路嵌入普通聽診頭的外殼中，作為電子聽診器的聽診頭部分。

1.3 輸入/前置放大電路設(shè)計(jì)

麥克風(fēng)采集到的聲音信號(hào)，由前置放大電路放大后輸入DSP，前置放大電路增益可調(diào)，增益調(diào)節(jié)共30檔，工作時(shí)初始增益為12 dB，輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍為10～100 mV.為降低直流干擾，在輸入端串聯(lián)隔直電容，濾除20 Hz以下的低頻聲音信號(hào)，差分輸出電路如圖2所示。

圖2 差分輸出級(jí)電路Fig.2 Circuit of differential output level

1.4 輸出/后端放大電路設(shè)計(jì)

由于工作模式的不同，為了能夠?qū)捪薅ㄔ趯?duì)應(yīng)模式所需頻率內(nèi)，并對(duì)其他頻段的聲音產(chǎn)生一定程度的屏蔽，所以在DSP片上搭載了數(shù)字低通濾波，可通過(guò)按鈕改變上截止頻率，從而根據(jù)不同的通頻帶將工作模式分為心音模式、肺音模式和腸鳴音模式，后端放大級(jí)電路如圖3所示。

圖3 后端放大級(jí)電路Fig.3 Circuit of back-end amplifier

聲音信號(hào)進(jìn)入后端放大電路，將兩路差分輸入放大后，經(jīng)后級(jí)音頻端口，傳輸至數(shù)據(jù)終端。其中R6，R7是上拉電阻，R12，R15與前級(jí)的R8，R9分別組成分壓，其比值為放大倍數(shù)。C24，C25分別為濾波電容防止干擾。C30，C31為直接連接3.5 mm耳機(jī)口的輸出級(jí)的鉭電容，為了驅(qū)動(dòng)耳機(jī)類型的小電阻負(fù)載，故應(yīng)取較大電容值。C5為低通濾波電容，用于濾除電源雜音。

1.5 供電電路設(shè)計(jì)

聽診器工作電壓為3.0 V.為了降低電路受到來(lái)自電源的噪聲干擾，采用了電源紋波抑制比較高，低噪聲低功耗的低壓線性穩(wěn)壓器(low drop regulator,LDO)來(lái)為DSP，音頻放大芯片和MEMS麥克風(fēng)等元件供電。通過(guò)LDO的穩(wěn)壓效果可以穩(wěn)定工作點(diǎn)。同時(shí)在各模塊內(nèi)加入多組容值相差100倍的濾波電容，既可以較好的濾除高頻干擾和低頻干擾，又可以抵消大電容帶來(lái)的分布電感，較好的改善了信號(hào)的抗噪特性。

1.6 降噪設(shè)計(jì)

為了降低整體輸出噪聲，需要從降低輸入噪聲、降低信號(hào)傳輸與放大過(guò)程中的失真、減少電路自身產(chǎn)生的噪聲等三方面入手。采用差分方式設(shè)計(jì)電路，有效抑制了共模干擾信號(hào)，提高了信噪比。其性能主要基于電路的共模抑制比，為了提高共模信噪比，必須要求達(dá)到兩路輸出回路電路布局的高度對(duì)稱。兩路輸出從布線方向，周圍過(guò)孔布置，器件布置，器件值等都保持了高度對(duì)稱，較好的抑制了共模信號(hào)。

考慮到人體聲音信號(hào)在傳輸過(guò)程中易受噪聲干擾產(chǎn)生失真，互耦和大信號(hào)串?dāng)_也會(huì)影響輸入信號(hào)，在電路PCB布線時(shí)，保證輸入端電路與輸出端電路、電源電路等大信號(hào)傳輸部分間保持足夠距離分隔。

2 Labview聲音錄制程序

基于Labview環(huán)境，編寫了聲音采集管理平臺(tái)軟件，可用于采集、記錄、存儲(chǔ)、管理受測(cè)者的心音、肺音和腸鳴音數(shù)據(jù)。

測(cè)試者可以根據(jù)部位提示圖，依次將聽診頭置于受測(cè)者的對(duì)應(yīng)部位，錄制10 s左右的聲音并顯示初次信號(hào)處理后的波形，測(cè)試者可以通過(guò)觀測(cè)波形判斷本次錄音是否準(zhǔn)確，決定是否重測(cè)。錄制完成后軟件可以依據(jù)時(shí)間與受測(cè)者姓名分類儲(chǔ)存其聲音信息，以便后續(xù)診斷中調(diào)用與分析，軟件工作原理圖如圖4所示。

圖4 軟件工作原理圖Fig.4 Operational principle of the software system

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 電路測(cè)試

對(duì)該聽診器的幾項(xiàng)重要指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，主要包括輸入輸出阻抗與電壓、采樣率、信噪比和放大系數(shù)等。本文以實(shí)測(cè)心肺音與腸鳴音為樣本，測(cè)試系統(tǒng)性能。

使用安捷倫33250A函數(shù)發(fā)生器作為信源測(cè)試該聽診器的噪聲系數(shù)，可由下式得到噪聲系數(shù)NF：

(1)

式中：Psi為輸入信號(hào)功率；Pni為輸入噪聲功率；Pso為輸出信號(hào)功率；Pno為輸出噪聲功率。

根據(jù)測(cè)試，輸入信噪比與輸出信噪比之比，信源靜態(tài)噪聲為1.3 mV，使用輸入100 mV，100 Hz標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)時(shí)，可測(cè)得最大不失真輸出為1.43 V，靜態(tài)噪聲33 mV，噪聲系數(shù)為1.8 dB.

向聽診器輸入穩(wěn)壓正弦信號(hào)，電壓10 mV，測(cè)試輸入信號(hào)的頻率不同時(shí)的輸出電壓，可得到不同工作模式的通頻帶寬，具體通帶如圖5所示。

圖5 各個(gè)模式通頻帶帶寬Fig.5 Widths of transmission bands in every mode

本聽診器對(duì)比多個(gè)其他公司生產(chǎn)的電子聽診器產(chǎn)品，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，其信號(hào)增益高、信噪比高、對(duì)微弱信號(hào)的辨識(shí)和準(zhǔn)確度更好的特點(diǎn)。經(jīng)測(cè)試，本聽診器信噪比為44 dB，類比國(guó)內(nèi)與國(guó)外同期產(chǎn)品，Hanbyul Meditech公司的SP-S2型聽診器信噪比為41.92 dB，Contec CMS-VE的心音精度為2%，信噪比為33.97 dB[7].同時(shí)本聽診器具有多種工作模式，可對(duì)應(yīng)不同的測(cè)試部位。其具體參數(shù)如表2所示。

表2 電子聽診器各項(xiàng)參數(shù)Table 2 Figures of the stethoscope

3.2 人體聲音測(cè)試

若要對(duì)臟器進(jìn)行準(zhǔn)確的臨床診斷，需要聽取多個(gè)位置的聲音綜合判斷，例如心音的聽診區(qū)分為左右心室聽診區(qū)，左右心房聽診區(qū)，主動(dòng)脈瓣區(qū)和肺動(dòng)脈瓣區(qū)等位置，不同的位置第一、第二心音強(qiáng)度也不同。故將所需聽診的心音部位分為二尖瓣聽診區(qū)M，主動(dòng)脈聽診區(qū)A1，A2，肺動(dòng)脈聽診區(qū)P，三尖瓣區(qū)T，可以全面的聽到心臟可能產(chǎn)生的各種雜音。同樣的，肺音選取了軀干前后共8個(gè)部位，腸音選取人右下腹部位進(jìn)行錄制。

讓受測(cè)者取坐位，測(cè)試者手持聽診頭測(cè)試其心臟各個(gè)聽診區(qū)的心音，聽取了多位受測(cè)者的心臟音，對(duì)于辨識(shí)其第一、第二心音及分辨出雜音的存在效果較好。

使用該聽診器在于某軍區(qū)測(cè)試并獲得了若干健康心音實(shí)例。如圖6所示，從所得心音庫(kù)中抽取一例進(jìn)行譜變換與示波，可見其S1，S2心音清晰可見，S1振幅大于S2，無(wú)S3，S4心音，S1振幅大于噪聲振幅30倍以上，其聲音能量分布主要在20～150 Hz之間，在其他頻域能量很小，符合心音的分布狀況，可較好的反應(yīng)測(cè)試者的心臟狀態(tài)。

圖6 一例健康受測(cè)者心音波形：(a)時(shí)域；(b)頻域；(c)功率譜Fig.6 A healthy heart sound

從測(cè)試肺音中抽取一例進(jìn)行示波與譜變換，如圖7所示，其波形較好的反映了在8 s內(nèi)的肺部運(yùn)動(dòng)，在0～1.5 s，3.9～5.9 s內(nèi)共有2個(gè)呼氣相，在1.6～3.6 s，6～8 s內(nèi)共有2個(gè)吸氣相。其頻率和能量分布主要在100～500 Hz之間。

隨機(jī)從測(cè)試腸鳴音中抽取一例進(jìn)行示波與譜變換，如圖8所示，在錄制的30 s內(nèi)，腸道活動(dòng)產(chǎn)生的聲音其頻率和能量分布主要在50～450 Hz.腸鳴音分為正常音，金屬音和高調(diào)音。金屬音和高調(diào)音2種腸鳴音頻率分布在500～1 000 Hz，常見于腸梗阻患者等病人。于該例中可觀測(cè)到受測(cè)者不存在金屬音和高調(diào)音，500 Hz以上基本無(wú)能量分布。

圖7 一例實(shí)測(cè)肺音波形：(a)時(shí)域；(b)頻域；(c)功率譜Fig.7 A lung sound

圖8 一例實(shí)測(cè)腸鳴音波形：(a)時(shí)域；(b)頻域；(c)功率譜Fig.8 A bowel sound

如圖9所示，從采集的患有心肌缺血的患者中取一例時(shí)域波形，可見其相較圖7中的健康心音，其第一、第二心音振幅不夠顯著，且沒有明顯的振幅差別，互相難以區(qū)分。同時(shí)存在諸多疑似第三、第四心音的雜音，故該聽診器錄制的心音對(duì)于判斷出患者可能存在的病癥有重要的輔助診斷作用。

圖9 一例患病受測(cè)者心音波形的時(shí)域波形圖Fig.9 Time-domain, frequency-domain and the power spectrum of an illness heart sound

4 結(jié)束語(yǔ)

本文中設(shè)計(jì)了一款低噪聲多模電子聽診器，用于客觀化的采集心肺音與腸鳴音，對(duì)聲音進(jìn)行初步信號(hào)處理后轉(zhuǎn)換為可視化圖像用與診斷，并將其儲(chǔ)存以便日后調(diào)用。傳統(tǒng)聽診方式中，判斷聲音特征對(duì)測(cè)試者的經(jīng)驗(yàn)要求較高，具有強(qiáng)烈的主觀性，且一些振幅較小的聲音可能難以聽見，同時(shí)當(dāng)場(chǎng)采集的聲音無(wú)法儲(chǔ)存，無(wú)法重復(fù)調(diào)用與診斷。使用該電子聽診器能夠準(zhǔn)確檢測(cè)、記錄、存儲(chǔ)、分析人體心音、肺音、腸鳴音等聲音數(shù)據(jù)，為臨床診斷提供了客觀化輔助參考依據(jù)。

：

[1] O'FLAHERTY N,FENELON L.The stethoscope and healthcare-associated infection: a snake in the grass or innocent bystander[J].Journal of Hospital Infection,2015,91(1):1-7.

[2] 李丕丁,周翔宇.便攜式無(wú)線電子聽診器的研制[J].微計(jì)算機(jī)信息,2010,26(35):15-16.

LI P D,ZHOU X Y.Wireless electronic stethoscope[J].Microcomputer Information,2010,26(35):15-16.

[3] 辛?xí)苑?殷凱生,黃小平.肺音錄取和頻譜分析系統(tǒng)的建立及其應(yīng)用[J].中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào),2000,19(2):236-239.

XIN X F,YING K S,HUANG X P.Establishment and application of a lung sounds recording and spectral analysis system[J].Chinese Journal of Biomedical Engineering,2000,19(2):236-239.

[4] 胡勇,劉文輝,葉霆,等.腸鳴音的采集與分析[J].中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào),1995,14(3):266-275.

HU Y,LIU W H,YE T,et al.Gathering and analyzing of intestinal sounds[J].Chinese Journal of Biomedical Engineering,1995,14(3):266-275.

[5] ROSSINI M J,PACKARD T J.Stethoscope chestpiece having two suspended diaphragms:US5945640[P].1999.

[6] ROLAND H.MEMS麥克風(fēng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)加速取代傳統(tǒng)駐極體麥克風(fēng)[J].電子與電腦,2008(3):26-29.

[7] 徐禮勝,呂文龍,薄紅瑞,等.基于智能移動(dòng)終端的低成本心音采集系統(tǒng)[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2016,31(9):24-28.

XU L S,LYU W L,BO H R,et al.Low-cost heart sound acquisition system based on intelligent mobile terminal[J].China Medical Devices,2016,31(9):24-28.

[8] BARAKE W,JOHRI A M.An early diagnosis of endocarditis facilitated by the electronic stethoscope[J].Open Journal of Clinical Diagnostics,2014,4(2):101-104.

[9] BRAU A C S,WHEELER C T,HEDLUND L W,et al.Fiber-optic stethoscope:a cardiac monitoring and gating system for magnetic resonance microscopy[J].Magnetic Resonance in Medicine,2002,47(2):314-321.

[10] IVERSEN K,S?GAARD TEISNER A,DALSGAARD M,et al.Effect of teaching and type of stethoscope on cardiac auscultatory performance[J].American Heart Journal,2006,152(1):85-81.

[11] MINING T J M,PACKARD M C.Stethoscope with floating diaphragm:EP0119870A2[P].1984.

[12] LIU C,GRIFFITHS C,MURRAY A,et al.Comparison of stethoscope bell and diaphragm,and of stethoscope tube length,for clinical blood pressure measurement[J].Blood Press Monit,2016,21(3):178-183.