李宏恩， 石春花， 郝文延(長(zhǎng)治醫(yī)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程系， 山西 長(zhǎng)治 046000)

0 引 言

人體生理信號(hào)是臨床診斷疾病的重要指標(biāo)，當(dāng)監(jiān)測(cè)值與正常范圍差異較大時(shí)，很有可能已經(jīng)有病變，聽診器是一種傳統(tǒng)的生理信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備，它通過監(jiān)測(cè)人體胸腔的聲信號(hào)以診斷疾病。

傳統(tǒng)聽診器主要由聽診頭、聽音橡皮管和耳塞所組成，聽診頭表面的薄膜接觸到人體后將聲音轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)，再通過密閉的橡皮管傳到醫(yī)生的雙耳，從而清晰地聽到患者體內(nèi)的聲音。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單、使用便捷，但由于這種方法更依賴于醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)無法對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀顯示和保存，對(duì)周圍診療環(huán)境要求較高，受連接件限制而無法實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本文基于藍(lán)牙技術(shù)和手機(jī)軟件應(yīng)用，設(shè)計(jì)出一款針對(duì)人體心音進(jìn)行采集處理、心音圖顯示的電子聽診器，從而實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確、更遠(yuǎn)距離采集和顯示心音信號(hào)，大大提高臨床使用聽診器的診斷效果[1-2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

無線電子聽診器的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由心音采集及前置放大、信號(hào)調(diào)理、主控制器、藍(lán)牙傳輸、上位機(jī)等組成[3]。

該系統(tǒng)采用壓電薄膜型心音傳感器獲取人體心音信號(hào)，將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，由于振動(dòng)較弱，所轉(zhuǎn)換后的模擬電信號(hào)需要進(jìn)行前置放大；以心音信號(hào)頻率為截止頻率設(shè)計(jì)濾波器濾除噪聲，后級(jí)放大主要實(shí)現(xiàn)將信號(hào)幅值放大到模數(shù)轉(zhuǎn)換電壓范圍[4]；主控制器不但實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理，還起到控制藍(lán)牙無線傳輸?shù)淖饔?，最終將心音波形顯示并保存在開發(fā)的心音監(jiān)測(cè)手機(jī)軟件。

圖1 無線電子聽診器結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)各硬件設(shè)計(jì)

2.1 心音采集及前置放大

心音的產(chǎn)生及構(gòu)成：① 血流對(duì)心臟瓣膜和大血管沖擊形成的振動(dòng)；② 血流在心臟內(nèi)加速與減速形成湍流與渦流，其對(duì)心臟瓣膜、心室壁、心房的作用所產(chǎn)生的振動(dòng)；③ 心肌在周期性的心血活動(dòng)作用下其剛性的迅速增加和減少形成的振動(dòng)，這些振動(dòng)經(jīng)過心胸傳導(dǎo)系統(tǒng)到達(dá)體表形成了體表心音[5]。由于心音信號(hào)較弱，易受干擾，采集傳感器需具有靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用華科電子HKY-06B 型傳感器，其供電電壓為3.6～6 V，頻率響應(yīng)為1～1 500 Hz，靈敏度為4 mV/Pa。

前置放大將微弱的采集信號(hào)進(jìn)行放大，以配合后續(xù)的信號(hào)調(diào)理和后級(jí)放大電路要求。考慮到生物電特性要求，設(shè)計(jì)電路和選用元件時(shí)應(yīng)滿足：輸入阻抗和共模抑制比高、噪聲和溫度漂移低，本系統(tǒng)選用TI公司的OPA2335為放大芯片，OPA2335是單電源CMOS雙運(yùn)算放大器，工作電壓范圍2.7～5.5 V，最大漂移僅為0.05 μV/ ℃。電路結(jié)構(gòu)采用同相放大，通過調(diào)整電阻阻值可以改變電壓增益，因心音信號(hào)幅值僅為幾十mV，考慮到后級(jí)放大為主放大部分，這里將增益設(shè)置為7，同時(shí)，設(shè)計(jì)中在心音信號(hào)放大前利用電容隔離直流信號(hào)，并對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行必要的直流偏置。

2.2 信號(hào)調(diào)理

由于采集到的心音信號(hào)常伴隨心內(nèi)噪音、呼吸噪音、體表噪音和心胸系統(tǒng)傳播過程中產(chǎn)生的噪音，這些噪聲信號(hào)對(duì)于心音信號(hào)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)有很大影響。通過采用濾波電路進(jìn)行有用信號(hào)和無用信號(hào)分離，因心音信號(hào)頻率為20～600 Hz，而上述噪聲信號(hào)頻率多高于600 Hz，所以可采用低通濾波器濾除噪聲干擾。本系統(tǒng)采用二階巴特沃思低通濾波器，巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。濾波電路的芯片采用ADI公司生產(chǎn)的低功耗、低噪聲CMOS運(yùn)算放大器AD8603[6-7]。

為了達(dá)到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的輸入電壓范圍，需要進(jìn)行后級(jí)放大，電路結(jié)構(gòu)與前置放大相同，因OPA2335為雙運(yùn)放，前置放大與后級(jí)放大可同時(shí)在同一片OPA2335中實(shí)現(xiàn)，這樣可以減少元件數(shù)量與電路復(fù)雜性，該系統(tǒng)中后級(jí)放大增益設(shè)置為10，且電路中的電阻可以適當(dāng)調(diào)整增益。系統(tǒng)模擬前端電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)模擬前端電路圖

2.3 主控制器

本系統(tǒng)主控制器采用TI公司的MSP430G2452，MSP430是一種16位單片機(jī)，超低功耗、強(qiáng)大的處理能力、高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、方便高效的開發(fā)環(huán)境。MSP430G2452集成了10位，200 kS/s 采樣率的ADC，可方便地對(duì)后級(jí)放大輸出進(jìn)行采樣和數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換；其包含有3種超低功耗模式：活動(dòng)模式(220 μA at 1 MHz, 2.2 V)、待機(jī)模式(0.5 μA)、關(guān)機(jī)模式(0.1 μA)；超快響應(yīng)速度：從待機(jī)模式喚醒到活動(dòng)模式小于1 μs；內(nèi)置的通用串行接口支持串行外設(shè)接口(SPI)，便于與藍(lán)牙等外設(shè)模塊的連接[8]。MSP430G2452內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖見圖3。

2.4 藍(lán)牙傳輸

采用上海移摩公司研發(fā)的FBT06，F(xiàn)BT06 是目前市面上功能強(qiáng)大的串口藍(lán)牙模塊，該模塊采用 Bluetooth2.1、支持主從模式、支持軟/硬件設(shè)置主從模式、輸出功率為Class2 (15 m左右)、串口波特率支持1 200～1 382 400，可與藍(lán)牙筆記本電腦、臺(tái)式 PC(加藍(lán)牙適配器)、PDA、Android 智能手機(jī)完美通信。與單片機(jī)通信時(shí)，由于單片機(jī)一般也為CMOS電平(兼容3.3V和5 V)，故可以直接與其UART相連。具有成本低、體積小、收發(fā)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[9-11]。

圖3 MSP430G2452內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 主控制器程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

圖4 主控制器設(shè)計(jì)流程圖

首先將MSP430G2452 主控制芯片初始化配置為L(zhǎng)PM3睡眠模式，并配置看門狗定時(shí)器為間隔定時(shí)器模式。當(dāng)間隔期滿(約1 s)時(shí)，內(nèi)置的ADC被觸發(fā)為單通道轉(zhuǎn)換。隨著心音信號(hào)的不斷采集調(diào)理，采樣輸出電壓與基準(zhǔn)進(jìn)行比較以決定是否通信。如果沒有通信，MSP430G2452 將返回到LPM3睡眠模式；若通信正常，睡眠模式將切換為L(zhǎng)PM0，并且看門狗定時(shí)器間隔頻率調(diào)整為60 Hz。因此，ADC將實(shí)現(xiàn)每16 ms采樣一次前端模擬輸出信號(hào)，采樣期間檢測(cè)電路還將每3 s檢測(cè)通信是否正常，如果連續(xù)檢測(cè)到通信中斷，前端模擬電路將暫停工作，并使得MSP430G2452 再次返回到LPM3睡眠模式[8]。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[9-10]

3.2.1軟件設(shè)計(jì)環(huán)境

android studio 1.5(Android 開發(fā)工具)，JRE 1.8.0_64 b17 amd64(Java運(yùn)行環(huán)境)，Android 5.1.1(智能手機(jī)系統(tǒng))。

3.2.2軟件設(shè)計(jì)流程

(1) 數(shù)據(jù)通信流程。

① 打開本地藍(lán)牙設(shè)備，并設(shè)置本地藍(lán)牙設(shè)備為可見；

② 用戶選擇相應(yīng)的藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行配對(duì)，配對(duì)成功后將本地藍(lán)牙設(shè)備對(duì)象(BluetoothAdapter對(duì)象)和配對(duì)的藍(lán)牙設(shè)備對(duì)象(BluetoothDevice對(duì)象)傳入BluetoothThread，初始化藍(lán)牙數(shù)據(jù)通信線程；

③ 獲取socket的InputStream對(duì)象，每隔100 ms從server端接收一組數(shù)據(jù)；

④ 前端在UI線程更新數(shù)據(jù)，繪制數(shù)據(jù)圖表。

(2) 數(shù)據(jù)保存流程。

① 獲取當(dāng)前傳輸過的歷史數(shù)據(jù)；

② 打開當(dāng)前應(yīng)用下的文件history.txt，以append的模式將數(shù)據(jù)添加到文件getActivity().openFileOutput("history.txt",Context.MODE_APPEND)。

(3) 圖表繪制流程。圖表繪制主要考慮如下要素：數(shù)據(jù)集，整體圖表屬性，單個(gè)折線屬性。

① 初始化XYMultipleSeriesDataset對(duì)象，用于保存需要繪制的數(shù)據(jù)；

② 初始化XYMultipleSeriesRenderer對(duì)象，用于設(shè)置曲線屬性，包括設(shè)置圖表中曲線本身的樣式，顏色、點(diǎn)的大小以及線的粗細(xì)；

③ 設(shè)置圖表屬性，包括圖表標(biāo)題，x、y軸的分度，顏色，標(biāo)題等；

④ 接收藍(lán)牙模塊傳入的數(shù)據(jù)，通過view.postInvalide()更新圖表數(shù)據(jù)，完成整個(gè)圖表的繪制。

4 系統(tǒng)臨床測(cè)試及結(jié)果分析

臨床診斷中的主要聽診內(nèi)容包括心率、心率和心音等指標(biāo)，其中心率正常范圍：成人為60～100次/min，典型值為80次/min，女性稍快，老人偏慢，兒童偏快，而超出或低于這個(gè)范圍的稱為竇性心動(dòng)過速或心動(dòng)過緩，該指標(biāo)是診斷多種疾病的重要參考；心律是指心臟跳動(dòng)的節(jié)律，常見的心律失常有心律不齊、期前收縮、脈搏短絀；心音主要指第一和第二心音，臨床中常通過心音強(qiáng)度與性質(zhì)的改變、心音分裂等來初步診斷疾病[11-13]。

利用所設(shè)計(jì)的電子聽診器系統(tǒng)，項(xiàng)目組對(duì)10例本校健康大學(xué)生和10例附屬醫(yī)院的冠心病患者的心音信號(hào)進(jìn)行臨床采集研究[14]，通過自行開發(fā)的手機(jī)Android軟件獲取到的心音圖，如圖5所示。

(a) 健康人(b) 冠心病患者

從圖5(a)中可以清晰地識(shí)別第一和第二心音，測(cè)算的波形周期約為700 ms，通過計(jì)算得到被測(cè)者心率為85次/min，處于正常心率范圍。從圖5(b)中可以測(cè)算波形周期約為1 300 ms，換算成心率為46次/min[15]，結(jié)合被測(cè)者實(shí)際狀況，應(yīng)屬于冠心病引發(fā)的竇性心動(dòng)過緩，通常病人會(huì)出現(xiàn)精神不安、頭暈、血壓下降等癥狀，解決辦法主要應(yīng)針對(duì)冠心病本身進(jìn)行治療。

5 結(jié) 語

經(jīng)過臨床試驗(yàn)研究，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。本系統(tǒng)采用集成化、緊湊性設(shè)計(jì)，功耗低，采樣精度高，能夠滿足測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用的要求。壓電式心音傳感器將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，而藍(lán)牙無線技術(shù)和手機(jī)Android軟件開發(fā)使得無線聽診監(jiān)護(hù)成為現(xiàn)實(shí)。采用Android軟件可以方便地保存、回放以前的采集數(shù)據(jù)，從而便于對(duì)患者的病情發(fā)展做具體分析；藍(lán)牙配對(duì)技術(shù)可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，避免了其他信號(hào)的干擾，為心音信號(hào)的無線精準(zhǔn)傳輸提供技術(shù)保障。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為冠心病等心血管系統(tǒng)疾病患者的心音分析和疾病診斷提供重要依據(jù)。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 武 麗,李 翔.新型多功能電子聽診器的結(jié)構(gòu)及工作原理[J].西南科技大學(xué)學(xué)報(bào),2003,18(1):35-38.

[2] 徐誠斌.心音圖學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社,1982:14-26.

[3] 周立青,胡 爽,瞿修遠(yuǎn)，等.心音采集電子綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2015,34(2):155-159.

[4] 湯 洋.藍(lán)牙電子聽診器設(shè)計(jì)[D].上海：華東師范大學(xué),2011：54-64.

[5] Pavlopoulos S A, Stasis A C, Loukis E N. A decision tree-based method for the differential diagnosis of Aortic Stenosis from Mitral Regurgitation using heart sounds[J].Biomedical Engineering Online, 2004, 3(1):1-15.

[6] 侯宏花,陳樹越.人體心電心音信號(hào)同步檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].山西電子技術(shù),2010(1):24-25,34.

[7] 王柏祥,戴燕云,施劍鋒，等.基于藍(lán)牙的心音、呼吸音無線電子聽診監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[J].國防科技大學(xué)學(xué)報(bào),2006,28(6):134-138.

[8] 沈建華,楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)實(shí)踐與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005 :1-20.

[9] Nordbotten N A, Skeie T, Aakvaag N D. Methods for service discovery in Bluetooth scatternets[J]. Computer Communications, 2004, 27,11:1087-1096.

[10] 李宏恩,鮑申杰,高曉航，等.壓電式步態(tài)分析系統(tǒng)在足底壓力監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].醫(yī)用生物力學(xué),2017,32(3):288-292.

[11] 陳天華,韓力群,鄭 彧，等.基于HKY06C傳感器的心音信號(hào)檢測(cè)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2009,25(16):167-168,161.

[12] Nordbotten N A, Skeie T, Aakvaag N D. Methods for service discovery in Bluetooth scatternets[J]. Computer Communications, 2004, 27(11):1087-1096.

[13] 敖一鷺.便攜式電子心肺音聽診器的研制[D].重慶：重慶大學(xué),2016：11-26.

[14] Huang A S． Rudolph L， Bluetooth Essentials for Programmers[M]. Cambridge Univ Press，2007．

[15] Tang Y, Cao G, Li H,etal. The design of electronic heart sound stethoscope based on bluetooth[C]// Bioinformatics and Biomedical Engineering (iCBBE), 2010 4th International Conference on. IEEE, 2010:1-4.