孫陳杰 楊澄 朱智超

0 引言

心音是反映心臟狀況的重要生理參數(shù)，對心音的聽診是診斷心血管疾病的一種重要方法。目前臨床上采用的傳統(tǒng)聲學(xué)聽診器的結(jié)構(gòu)主要由聽頭、膠管、金屬架、耳塞組成。其工作原理是心音通過聽頭的膜片振動，由連接的膠管將心音傳到耳塞上。其存在的缺點主要有：攜帶不便，聽診過程中無法調(diào)整音量強弱且存在噪聲，影響臨床診斷；膠管的長度限制了聽診距離，而無法實現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療，增加了醫(yī)護人員暴露感染的風(fēng)險；只能供一人使用，無法共享，不利于臨床會診和教學(xué)。此外,診斷主要依賴醫(yī)生的個人經(jīng)驗，不能進(jìn)行聲音信號的保存和客觀評價，存在較大的主觀性和隨意性[1-2]。

由于傳統(tǒng)聽診器存在以上缺點，近年來，國內(nèi)外都出現(xiàn)了對電子聽診器的研究，基于藍(lán)牙技術(shù)的聽診器技術(shù)就是電子聽診器的一種。目前市面上藍(lán)牙聽診器大致可以分為兩大類:一是利用藍(lán)牙取代傳統(tǒng)聽診器的膠管，將心音信號數(shù)字化通過藍(lán)牙模塊傳輸?shù)剿{(lán)牙耳機上[3]；另一種形式如3M Littmann 藍(lán)牙電子聽診器，即將心音信號記錄下來再通過藍(lán)牙模塊將其傳輸?shù)诫娔X上，以便做進(jìn)一步處理[4]。上述聽診器中都是通過藍(lán)牙技術(shù)替代傳統(tǒng)聽診器的部分功能，藍(lán)牙模塊實現(xiàn)的功能相對單一，沒有考慮將聽診和心音信號可視化同步，以及產(chǎn)品化后的工藝因素。

本文旨在設(shè)計一種基于藍(lán)牙技術(shù)的無線電子聽診器，實現(xiàn)聽診與心音信號可視化同步，為信息共享、專家會診、醫(yī)院教學(xué)等工作提供支持。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

分體式藍(lán)牙無線聽診器采用藍(lán)牙技術(shù)，實現(xiàn)在藍(lán)牙耳機中直接聽診心音，同時可以從上位機軟件中觀察到實時心音波形圖，為今后的診斷提供解決方案。

本系統(tǒng)如圖1所示，硬件包括心音傳感器、主電路板、帶藍(lán)牙接收功能及音頻解碼功能的收音設(shè)備(如藍(lán)牙耳機、藍(lán)牙音箱)、上位機(如手機或電腦)、心音信號處理軟件。主電路板中包括兩個藍(lán)牙模塊，其中一個是與藍(lán)牙耳機配合使用的音頻編碼和信號發(fā)射模塊，另一個是配合上位機使用的發(fā)射及接收模塊。通過音量調(diào)節(jié)可保證醫(yī)生聽到清晰的心、肺音等。選擇合適的聽診頻段對臨床鑒別診斷有著重要的意義，其中有效心音頻段通常在30～500 Hz，肺音頻段在100～1000 Hz[5]，因此，本設(shè)計主要收集處理的頻段控制在30～1000 Hz之間。

圖1 分體式藍(lán)牙無線聽診器系統(tǒng)

2 分體式無線聽診器硬件電路及其功能

根據(jù)本智能聽診器的功能需求以及醫(yī)療儀器數(shù)字化、模塊化、智能化的發(fā)展趨勢[6]，確定硬件電路的技術(shù)方案。圖2為聽診器硬件電路結(jié)構(gòu)示意，其構(gòu)成包括壓電傳感器1、信號處理模塊2、第一藍(lán)牙模塊3以及第二藍(lán)牙模塊4。

圖2 聽診器硬件電路結(jié)構(gòu)

信號處理模塊2包括放大/濾波電路21、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路22、音頻編碼電路23、和串口通信電路24。壓電傳感器1的主要功能是采集患者的心音信號，并將其轉(zhuǎn)換成模擬音頻信號。當(dāng)信號處理模塊2與壓電傳感器1連接后，通過放大/濾波電路21對信號進(jìn)行放大和濾波，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路22將放大濾波后的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字音頻信號。該數(shù)字音頻信號可以同時被音頻編碼電路23和串口通信電路24采集，并根據(jù)需要各自處理，最后通過第一藍(lán)牙模塊3以及第二藍(lán)牙模塊4分別發(fā)送給外部的接聽設(shè)備如藍(lán)牙耳機/音響5和具有藍(lán)牙接收功能的計算機6。

在其他的具體實施方式中，還可以根據(jù)需要設(shè)置多種藍(lán)牙模塊，對模數(shù)轉(zhuǎn)換電路22產(chǎn)生的數(shù)字音頻信號進(jìn)行處理后發(fā)送至不同的終端。

2.1 心音傳感器模塊

心音傳感器的作用是把人體中某些物理化學(xué)信息轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的電信息，從而以電信號方式表征人體生理狀態(tài)[7]，所以心音傳感器是整個藍(lán)牙無線聽診器的關(guān)鍵部件。本設(shè)計根據(jù)靈敏度、頻率響應(yīng)、信噪比、指向性等性能指標(biāo)需求選擇單一指向性強的壓電薄膜傳感器[8]。采用新型高分子聚合材料PVDF壓電薄膜作為敏感元件，直接采集心臟搏動產(chǎn)生的振動信號，傳感器表面形狀設(shè)計成圓柱形，支承PVDF壓電膜的方式采用梁式硬質(zhì)基底支承[9]。設(shè)計中心音傳感器與體表之間采用直接耦合方式，實現(xiàn)對20～1500 Hz信號進(jìn)行有效采集(輸出電壓1.5 V)。同時，在其輸出端連接射極跟隨器以增加傳感器的負(fù)載能力。

2.2 主控采集轉(zhuǎn)換模塊

主控模塊為電子聽診器的核心控制模塊，主要實現(xiàn)傳感器模塊、音頻編解碼模塊和藍(lán)牙模塊之間的交換數(shù)據(jù)，以及對按鍵進(jìn)行響應(yīng)等。采用TMS320VC5416為主控芯片，其具有低功耗的特點，性能及封裝尺寸滿足要求[10]。處理速度最高可達(dá)160 mips。音頻采集轉(zhuǎn)換模塊采用CM8608，其具有溫度范圍廣(-40～80℃)、抗干擾能力強、低功耗的特性，且封裝尺寸小，厚度僅為1mm，可直接驅(qū)動耳機。采用16bit的AD7705作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其具有兩個全差分輸入通道、可編程增益前端、增益范圍1～128、出色的抗噪聲能力和功耗僅為1 mW等優(yōu)點，通過MS320VC5416串行接口進(jìn)行通信。

2.3 藍(lán)牙模塊

為了既能實現(xiàn)無線聽診、多人會診教學(xué)，又能實現(xiàn)上位機數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，采用兩個藍(lán)牙模塊，從而實現(xiàn)聽診與上位機同步工作。為實現(xiàn)高質(zhì)量的信號傳輸，采用基于藍(lán)牙高級音頻分發(fā)協(xié)議的模塊，型號為 SJR-BTN05E，具有功耗低、封裝尺寸小、數(shù)據(jù)傳輸速率高等優(yōu)勢，滿足系統(tǒng)要求。上位機數(shù)據(jù)傳輸藍(lán)牙模塊采用CSR藍(lán)牙芯片BC417143。該芯片采用Blue4.0，支持主或從模式、AT命令集、波特率2 400～1 382 400 bps，可以實現(xiàn)無線傳輸，并適用于嵌入式系統(tǒng)。

2.4 電源模塊

醫(yī)用設(shè)備電源的穩(wěn)定性對于系統(tǒng)的抗干擾能力擁有不可忽略的影響。電源的噪聲會疊加在需要處理的信號上造成信號失真，突發(fā)的、不可預(yù)知的電源瞬時波動也會對MCU造成較大的干擾，往往會造成芯片工作不正常、程序跑飛等嚴(yán)重后果[11]。系統(tǒng)采用3.7 V的鋰電池供電，設(shè)計選用Texas Instruments 公司的低噪聲、低壓差線性穩(wěn)壓器 LP2985AIM5。鋰電池充電電路選用單節(jié)鋰電池充電芯片TP4056，該芯片尺寸小、外圍配置元件少、電路設(shè)計簡單，可對充電進(jìn)程進(jìn)行自動管理。TP4056具有恒流充電、恒壓充電兩種充電模式，適合USB電源和適配器電源工作。

2.5 心音信號處理

在心音信號的獲取過程中，由于外界的各種干擾，很容易使其識別度受到嚴(yán)重影響，因此需要對心音信號進(jìn)行處理，并且對后續(xù)的心音分析過程具有重要的意義。心音信號的處理過程主要包括心音信號的分幀、端點檢測以及去除心音信號的噪聲因子[12-14]。本設(shè)計采用小波分析法對心音信號進(jìn)行處理。

假設(shè)心音信號如下：

F(t)=f(t)+τn(t)

(1)

式中：f(t)為原始心音信號;τ為噪聲強度；n(t)為噪聲。

對此心音信號進(jìn)行離散小波變換：

(2)

式中：N為一幀心音信號的采樣點數(shù)。對F(n)進(jìn)行多次小波變換，可以得到一組小波系數(shù)，利用這些小波系數(shù)即可對原信號進(jìn)行重構(gòu)[15]。

3 上位機軟件設(shè)計與功能實現(xiàn)

上位機軟件可實現(xiàn)記錄并可視化藍(lán)牙聽診器傳輸?shù)男囊粜盘?。首先和藍(lán)牙無線聽診器配對，然后上位機虛擬出一個異步串行通口，心音數(shù)據(jù)都通過藍(lán)牙無線電協(xié)議發(fā)送至此串口上，從而與上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。上位機軟件從虛擬出來的串行通信口接收聽診器發(fā)送的心、肺音數(shù)據(jù)，并依時間先后顯示在屏幕上，形成一條心音實時曲線[16]。為了快速高效設(shè)計出初代上位機，選擇美國國家儀器公司的可視化虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW作為上位機軟件。上位機軟件的界面如圖3所示。

圖3 上位機軟件界面

系統(tǒng)工作流程如圖4所示。在查找到藍(lán)牙聽診器之后，發(fā)送開始采樣代碼進(jìn)入采樣循環(huán)。采樣子程序如圖5所示，采樣時由定時器控制，每隔一段時間從接收緩沖區(qū)拷貝出所有數(shù)據(jù)，拷貝出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理后顯示在圖表中。在查找到設(shè)備之后，發(fā)送開始采樣代碼進(jìn)入采樣循環(huán)。采樣時由定時器控制，每隔一段時間從接收緩沖區(qū)拷貝出所有數(shù)據(jù)，并進(jìn)行均值處理，然后顯示在圖表中。

圖4 上位機主程序流程

圖5 上位機子程序流程

4 分體式藍(lán)牙無線聽診器外觀設(shè)計

分體式藍(lán)牙無線聽診器外觀設(shè)計主要從以下三方面考慮。

(1)聽診器的收音效果。聽診器頭部采用密度較高的如鈦合金、不銹鋼等金屬材料[17]會更佳，但如果手持端也采用金屬材質(zhì)則會影響藍(lán)牙發(fā)射，導(dǎo)致信號不穩(wěn)定。

(2)使用舒適度。如果全身采用金屬材質(zhì)，聽診器偏重，便攜性差。

(3)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝和維護檢修等問題。

綜合上述三方面，聽診器采用分體式設(shè)計，分為頭部和手持端兩個部分。頭部采用鈦合金或不銹鋼材質(zhì)；手持端采用ABS材料。其Solidworks設(shè)計如圖6所示。

圖6 聽診器外觀設(shè)計

聽診器頭部結(jié)構(gòu)包括頭部本體、防寒圈、蓋子、聽診膜，如圖7所示。

圖7 聽診器頭部設(shè)計

5 聽診器樣機

分體式藍(lán)牙無線聽診器樣機如圖8所示，其長度約為180 mm，頭部端直徑為60 mm；總重量約為100 g，如換為金屬頭，總重量約為350 g，與一部智能手機重量相當(dāng)，滿足便攜需求。

圖8 聽診器樣機

6 驗證

打開上位機軟件，啟動藍(lán)牙與上位機連接，驗證設(shè)計的有效性。該電子聽診器采集的正常心音信號波形在上位機軟件中的顯示如圖9所示。通過該聽診器可以實現(xiàn)對心音波形的實施動態(tài)監(jiān)控。

圖9 心音信號波形

7 討論

與目前市面上已有的電子聽診器如3M Littmann 藍(lán)牙電子聽診器進(jìn)行比較，分體式藍(lán)牙無線聽診器在使用過程中，既可以從收音設(shè)備中聽到心音，也可以在上位機中看到同步的實時心音波形圖。其應(yīng)用了雙藍(lán)牙模塊實現(xiàn)音頻信號與波形信號同步發(fā)送，而其他聽診器均未同時實現(xiàn)這兩個功能。

另外，分體式藍(lán)牙無線聽診器的頭部端與手持端采取了分離設(shè)計，給工藝生產(chǎn)與售后維修帶來了便利，這是目前其他研究中沒有體現(xiàn)的。并且只要符合壓電傳感器和信號處理模塊之間的通信標(biāo)準(zhǔn)，以及兩個端部的機械結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，任何第三方都可以開發(fā)獨立的頭部端與手持端，給本產(chǎn)品的后續(xù)擴展帶來了非常多的可能。

8 結(jié)論

分體式藍(lán)牙無線聽診器實現(xiàn)了聽診與心音信號可視化同步，為信息共享、專家會診、醫(yī)院教學(xué)等工作提供支持。在應(yīng)用場景中，醫(yī)生可以持有分體式藍(lán)牙無線聽診器，護士、患者等也可以持有，并可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程診療，尤其在對如新冠肺炎等對被隔離的感染病患者進(jìn)行診療時，醫(yī)生可以不進(jìn)入隔離區(qū)，有效實現(xiàn)了醫(yī)患隔離。當(dāng)配合藍(lán)牙音響使用時，可以實現(xiàn)同一時間多人聽診，從而有助于臨床會診及醫(yī)學(xué)教學(xué)工作。今后將進(jìn)一步提升現(xiàn)有上位機的功能，提供更多的智能化模塊，進(jìn)一步發(fā)揮出經(jīng)濟和社會效益。