王毅德, 程 潔, 姚 飛, 張 浩, 徐 偉, 黃成軍

(1.中國科學(xué)院微電子研究所 健康電子研發(fā)中心,北京 100029;2.中國科學(xué)院大學(xué) 電子信息與技術(shù)學(xué)院,北京 100029; 3.湖北警官學(xué)院,湖北 武漢 430034)

0 引 言

傳統(tǒng)的機械式聽診器,將臟器的聲音通過聽筒、軟管等傳導(dǎo)到醫(yī)生的耳朵,并進而做出診斷,該方法簡便易行,但是也存在諸多局限性,如靈敏度不高、易受環(huán)境噪音干擾、可視化差、對操作手法依賴性強等。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,新型的電子聽診器,將傳統(tǒng)的機械式聽診器與現(xiàn)代電子信息技術(shù)相結(jié)合,可以實現(xiàn)對傳統(tǒng)心音、肺音、腸鳴音等體征信號的采集、數(shù)字化處理、分析、存儲,能克服傳統(tǒng)聽診技術(shù)的不足,在移動醫(yī)療、主動健康管理等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。心音研究方面,周克良等人[1]提出一種基于小波變換的心音信號降噪算法,可以在降噪同時保留信號細(xì)節(jié)特征；馬瑩等人[2]提出利用尋峰算法監(jiān)測心率的方法,可以根據(jù)心音信號得到心率；天津大學(xué)樊容[3]設(shè)計了一種低噪聲電子聽診器,通過對前置放大電路、濾波電路和功放電路的優(yōu)化設(shè)計,可以實現(xiàn)對心肺音的低噪提取。但是該聽診器僅可以實現(xiàn)對心肺音聽診和播放,不具備模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能,因此無法對信號進行數(shù)字化處理及分析。國際上,美國3M公司開發(fā)了名為Littmann 3200的藍(lán)牙電子聽診器,該設(shè)備采用先進的抗噪聲電路設(shè)計技術(shù),可以有效降低環(huán)境噪聲的影響,較清晰地提取心肺音信號,并能最大達(dá)到24倍放大,同時具有心率顯示、藍(lán)牙通信等功能。但是該產(chǎn)品價格昂貴,超出了普通用戶的承受能力。目前國內(nèi)開發(fā)的類似產(chǎn)品,只是基本實現(xiàn)了聲音信號的電子化,其信號增益、抗噪性能及智能化水平尚有待提高。

本文擬研制一種高性能、多功能、小體積、低成本的便攜式電子聽診器,以實現(xiàn)對心音的實時聽診、存儲回放、音量控制、波形顯示等功能,未來有望替代傳統(tǒng)聽診器,為臨床的聽診實踐提供更加多樣化的解決方案。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體描述

電子聽診器由信號采集模塊、濾波放大模塊、主控模塊、按鍵顯示模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(anolog to digital converter,ADC)模塊、電源管理模塊等部分組成。信號采集模塊的拾音頭采集微弱心音,經(jīng)麥克風(fēng)轉(zhuǎn)化成電信號后輸入數(shù)字信號處理器(digital signal processor,DSP)芯片進行濾波處理,再經(jīng)放大電路放大后,信號一路接耳機輸出,另一路經(jīng)ADC模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,通過串口或藍(lán)牙發(fā)送至上位機進行波形顯示及分析。主控芯片選擇STM32F103RET6微處理器,對各模塊進行統(tǒng)一管理及調(diào)配,單片機編程語言為C語言,上位機開發(fā)環(huán)境為LabVIEW。

1.2 拾音頭選取

1.2.1 麥克風(fēng)的選擇

心音信號所在頻段(20～600 Hz)在人耳能聽到的范圍內(nèi),因此可以使用麥克風(fēng)作為采聲傳感器。常見的電容式麥克風(fēng)有微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)硅麥克風(fēng)和駐極體麥克風(fēng)兩大類[4],本文研制的電子聽診器所需的采聲器件,需要具備低噪聲、高靈敏度、失真小、高信噪比、頻響曲線平坦等特性。根據(jù)這些要求,選擇了市場上常見的8種型號麥克風(fēng)進行了測試與比對,其中4種為MEMS硅麥克風(fēng),4種為駐極體麥克風(fēng)。實驗中,使用聲學(xué)聽診頭采集同一測試對象的二尖瓣區(qū)心音,將麥克風(fēng)放置在傳統(tǒng)機械式聽診器的傳聲軟管出口處,替代人耳接收聲音信號,使用NI公司的USB—4431采集卡將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號,并在LabVIEW窗口中以波形顯示。測試指標(biāo)分別為底噪Us,Un,Us與Un的比值。底噪為將麥克風(fēng)靜置于實驗室日常環(huán)境中所得；Us為采集卡測得心音信號最高點與最低點之差；Un為非心音信號部分波動上下限之差；所有數(shù)據(jù)均測量3次取平均值。在一定程度上,Us可以反映有效心音信號的強弱,Un可以反映噪聲及干擾的強弱,Us與Un的比值可以反映麥克風(fēng)提取心音信號的能力。

按照上述測試方法對8種型號的麥克風(fēng)逐一測試,將數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。從表中可以看出,不同麥克風(fēng)在底噪、信號和噪聲等方面均有差異,作為采聲器件,需要噪聲盡可能低,同時保證信號質(zhì)量,經(jīng)對比發(fā)現(xiàn),同等條件下,型號為OB4015L的駐極體麥克風(fēng)Us與Un的比值達(dá)到了13.34,優(yōu)于其他麥克風(fēng),說明其采集到的信號質(zhì)量更高,引入干擾的可能性更低。經(jīng)查閱手冊,其靈敏度、供電電壓、頻響曲線等均滿足電子聽診器設(shè)計要求,所以本文最終選擇駐極體麥克風(fēng)OB4015L作為所研制的電子聽診器的采聲器件。

表1 麥克風(fēng)對比測試結(jié)果

1.2.2 聽診頭聲腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化

聽診頭的機械結(jié)構(gòu)會影響聽診器的傳聲特性和采聲效果[5]。當(dāng)前市場上主流的膜式聽診頭主要有兩類,一種是結(jié)構(gòu)扁平、背部無孔的膜式聽頭(圖1(a)),另一種為錐形腔體、背部開孔的膜式聽頭(圖1(b))。

圖1 聽診頭內(nèi)部聲壓分布圖

為探究不同結(jié)構(gòu)采聲效果的差異,本文使用多物理場仿真軟件COMSOL對其聲學(xué)特性進行了有限元分析。首先建立兩種物理結(jié)構(gòu)模型,如圖1中所示,(a)為背部無孔聽診頭,其外徑取值40 mm；(b)為背部開孔聽診頭,其外徑也為40 mm,背部小孔的直徑取值4 mm。使用壓力聲學(xué)模塊中的頻域研究進行仿真,以腔體內(nèi)部的空氣作為實體,設(shè)置硬聲場邊界,入射波選擇平面波輻射,入射聲場壓強設(shè)為2 Pa,頻率設(shè)為50～1 000 Hz。

兩種聽診頭腔體內(nèi)各位置聲壓分布圖如圖 1(c),圖 1(d) 所示。不同頻率下的兩種結(jié)構(gòu)的最大聲壓對比如圖1(e)所示。從仿真結(jié)果可知,背部無孔結(jié)構(gòu)中聲壓分布較為均勻,整個平面范圍內(nèi),在不同的頻率范圍內(nèi)聲壓的變化為4～3.982 Pa,隨著頻率的增加,最大聲壓稍有減小,如圖1(e)曲線所示。相較而言,背部開孔的聽診頭結(jié)構(gòu),在下方圓柱和圓錐腔體部分聲壓分布較均勻,約4 Pa,但在末端小孔處得到增強,小孔出口處聲壓最大,最強可達(dá)4.125 Pa,隨著頻率的增加,最大聲壓逐漸增加,表示高頻下采聲效果有較大提升。與無孔結(jié)構(gòu)相比,仿真頻段內(nèi)采聲效果最大可增強3.6 %。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)可以判斷在電子聽診器設(shè)計中,如果將采音麥克風(fēng)放置于圖1(b) 結(jié)構(gòu)的小孔處,聲音采集效果比圖1(a)的扁平式聽診頭效果更好。

1.3 硬件電路設(shè)計

硬件電路系統(tǒng)框圖如圖2所示,以信號處理和主控模塊為核心,在其周圍分別搭建供電電路、外設(shè)模塊以及引出數(shù)據(jù)接口。為減小體積,將這些模塊分別置于三塊印制電路板上,從下到上依次為供電板、主控板、外設(shè)板,板與板之間通過1.54 mm插排進行連接,共同構(gòu)成硬件系統(tǒng)。

圖2 硬件電路系統(tǒng)框圖

1.3.1 采集濾波模塊

電子聽診器前端采用背部開孔的膜式聽診頭,將OB4015L駐極體麥克風(fēng)置于小孔處采集心音信號,采用DSP數(shù)字濾波芯片對信號進行濾波處理,設(shè)置為低通濾波器,截止頻率600 Hz,輸出為兩路模擬信號,再利用放大電路進行放大。

1.3.2 放大電路設(shè)計

放大芯片選擇德州儀器公司的高性能、低功耗芯片TPA6100,放大電路為雙輸入雙輸出,放大倍數(shù)通過輸入電阻器與反饋電阻器調(diào)整。一路信號經(jīng)放大后接3.5 mm接口輸出,另一路信號放大后輸出到單片機的ADC輸入引腳進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

1.3.3 主控及ADC模塊

主控芯片選擇STM32F103RET6微處理器,除了完成對顯示屏、按鍵等模塊的控制,其自帶的ADC模塊精度為12位,采樣率最高可達(dá)0.9 MHz,完全滿足心音信號的處理要求,因此，無需使用額外的ADC芯片進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

1.3.4 電源模塊

電源充電芯片選擇德州儀器公司的TP4056,充電接口為Micro USB接口,5 V供電,芯片輸出端為恒壓4.2 V,用于給鋰電池充電,同時可接LED用作充電狀態(tài)指示燈。

1.4 系統(tǒng)PCB設(shè)計

為實現(xiàn)小體積、便攜性的目標(biāo),將不同電路模塊分別置于三塊直徑為6 cm的圓形PCB上,板與板之間通過排插進行電氣連接,元件均采用貼片封裝、雙面布局以提高集成度。供電板放置電源管理模塊,包括鋰電池、TP4056充電芯片等；主控板放置微處理器、DSP數(shù)字濾波芯片、TPA6100功放芯片及其外圍電路等；外設(shè)板放置1.3寸OLED顯示屏、四枚開關(guān)按鍵以及LED工作狀態(tài)指示燈。PCB板如圖3(a)所示,根據(jù)PCB板尺寸利用Solidworks軟件設(shè)計外殼結(jié)構(gòu),使用環(huán)氧樹脂3D打印外殼,將PCB板封裝入外殼做成一體化設(shè)備,如圖3(b)所示,該設(shè)備直徑6.5 cm,高度4 cm,重量僅為122 g,達(dá)到了便攜性的設(shè)計目標(biāo)。

本系統(tǒng)為數(shù)?；旌想娐?因此在PCB設(shè)計過程中,有必要將模擬信號和數(shù)字信號進行隔離,以免相互干擾。在供電板中,引出兩路電源為數(shù)字部分和模擬部分分別供電,數(shù)字地和模擬地各自獨立走線,單點接地。在主控板的地層中,數(shù)字部分和模擬部分分區(qū)域覆銅作為地平面,最大程度保證信號質(zhì)量。

圖3 PCB與實物圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境為Keil uVision 5,編程語言為C語言。單片機主控程序由主函數(shù)、OLED模塊、按鍵模塊、ADC模塊、串口模塊等組成。

開機后,首先運行各模塊初始化函數(shù),然后進入待機界面,主函數(shù)中始終循環(huán)運行按鍵檢測函數(shù),若檢測到按下模式鍵,則進入模式顯示函數(shù),根據(jù)按鍵的次數(shù)顯示不同模式界面；若檢測到按下音量鍵,則顯示音量加減界面；若檢測到按下串口鍵,則開啟A/D轉(zhuǎn)換器,采樣率設(shè)置為94 240 Hz,每采100個點取平均值,將平均值存入長度為1 600的一維數(shù)組,然后將此數(shù)組以字符串形式通過串口協(xié)議發(fā)送至上位機。

3 結(jié)果測試與對比

3.1 硬件電路測試

3.1.1 信噪比測試

使用函數(shù)發(fā)生器在電路輸入端輸入頻率為200 Hz的正弦波,用示波器測量電路輸出端,當(dāng)達(dá)到最大不失真輸出時,輸出幅值1.65 V,頻率200 Hz的正弦波,輸出電壓有效值U1=1.167 V。關(guān)閉輸入,此時測得輸出端噪聲電壓有效值U2=3.2 mV,據(jù)此計算得到電路信噪比,SNR=20lg(U1/U2)=51 dB。

3.1.2 系統(tǒng)頻響測試

除本實驗設(shè)計的電子聽診器外,另外選取國外3M公司Littmann 3200電子聽診器和某國產(chǎn)電子聽診器進行參照對比。搭建測試平臺對幾種電子聽診器分別進行頻率響應(yīng)測試。測試過程如下：將揚聲器置于耦合腔中,播放單一頻率聲音,頻率從20 Hz取到1 000 Hz,700 Hz以下每隔20 Hz取一個點,700 Hz以上每隔50 Hz取一個點。將電子聽診器的聽診頭置于耦合腔固定部位,測量輸出信號的幅值。同樣取300 Hz頻率作為參考,作出三種電子聽診器頻響曲線如圖4所示。

圖4 不同電子聽診器頻響曲線

從頻響曲線可知,幾種電子聽診器在低頻段和700 Hz以上的頻段增益較弱,在200～600 Hz頻段曲線較平坦,從圖中虛線框部分可以看出,某國外電子聽診器采用的是數(shù)字濾波器,對240 Hz和560 Hz附近的頻點做了特定強化以改善聽診效果。

3.2 人體心音信號測試

按照硬件設(shè)計搭建電子聽診器系統(tǒng),將主控程序燒錄至單片機。經(jīng)測試,該電子聽診器各功能及指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求,在耳機中可聽到清晰心音,同時,心音信號經(jīng)數(shù)字化后可以通過串口或藍(lán)牙發(fā)送至上位機,進而得到心音波形圖。

最后,將本文研制的電子聽診器,與2 種常見的市售電子聽診器進行對比。受測者為同一對象,采取坐姿,分別采用三種聽診器,采集受測者靜息狀態(tài)下二尖瓣區(qū)的心音信號,利用LabVIEW聲卡采集程序?qū)⑿囊魧?dǎo)入上位機,測試結(jié)果如圖5所示。其中(a)美國3M公司的電子聽診器,(b)為某國內(nèi)市售的電子聽診器,(c)為本文研制的電子聽診器。

圖5 不同電子聽診器測試結(jié)果

從測試結(jié)果可以看出,幾種電子聽診器都清晰反映出第一心音、第二心音。第一心音振幅大于第二心音,無第三、第四心音。同時從時域波形圖可見,在增益相近的條件下,本文研制的電子聽診器在檢測心音的同時對噪聲的抑制效果更加明顯。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計并制作了基于STM32嵌入式系統(tǒng)的便攜式多功能電子聽診器,兼具模擬和數(shù)字音頻輸出接口,心音信號既可以實時通過人耳聽診,又能夠以多種方式儲存至上位機,進行心音信號的顯示與分析。同時,通過對PCB布局優(yōu)化、采用貼片封裝等方式實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的高集成度、小型化與便攜性。與市面上同類產(chǎn)品相比,本系統(tǒng)在性能和成本方面具有一定優(yōu)勢,為心音檢測提供了新途徑。