孔春秀李欣寧趙俊慶梁尤海何政達(dá)趙成龍蔡春華萬蔡辛魏 琦端木正?

(1.北京信息科技大學(xué)光電測(cè)試技術(shù)及儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100192；2.北京碧唯科技有限公司，北京102206；3.無錫韋爾半導(dǎo)體有限公司，江蘇 無錫214028；4.清華大學(xué)精密儀器系，北京100084)

由于心臟病臨床診療方法的改善需求日益增加，有效心臟病無創(chuàng)早期診斷已成為近年來的研究重點(diǎn)[1]。心音是由心室壁、瓣膜振動(dòng)及血液湍流共同形成的聲音，含有心臟各部分功能狀態(tài)的大量信息，是反映心臟健康狀況的重要生理參數(shù)。定期心臟音信檢查可以發(fā)現(xiàn)心律失常，幫助避免心臟并發(fā)癥，有效的提高心臟病的防治水平[2]。通過數(shù)字化的電子聽診器對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并分析相應(yīng)頻譜[3]，可以實(shí)現(xiàn)心血管疾病的精準(zhǔn)有效的早期診斷[4]。通過無線通信和信息采集技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)患者的遠(yuǎn)程心音診斷[5]。基于大數(shù)據(jù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以實(shí)現(xiàn)異常心音的自動(dòng)診斷[6]。通過對(duì)特征心音的分類，可以聚焦于不同類別的心臟病早期診斷[7]。電子聽診器必須對(duì)心音在20 Hz~400 Hz范圍和肺音在100 Hz~1 200 Hz范圍內(nèi)敏感響應(yīng)，并通過濾波算法濾除超過這些頻率范圍的聲音[8]。通過傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)高信噪比的電子聽診器[9]。

現(xiàn)有的硅麥克風(fēng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)業(yè)[10]，相應(yīng)的電子聽診器使用傳統(tǒng)麥克風(fēng)傳感器進(jìn)行心音采集，只能得到一定頻率范圍內(nèi)的心音信號(hào)，然而正常心臟的跳動(dòng)頻率為1 Hz~2 Hz，其本身的低頻振動(dòng)包含大量心臟生理信息，可以應(yīng)用于心臟病診斷?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)了一種基于新型MEMS聲振傳感器的電子聽診器，所使用的聲振麥克風(fēng)敏感于低頻振動(dòng)信號(hào)同時(shí)對(duì)聲波信號(hào)也有良好響應(yīng)，可以采集包含心臟低頻振動(dòng)的心音信號(hào)，測(cè)量結(jié)果可以應(yīng)用于精準(zhǔn)無創(chuàng)心臟病的早期診斷。

1 MEMS聲振雙通麥克風(fēng)傳感器設(shè)計(jì)

心臟跳動(dòng)過程中具有特定的低頻振動(dòng)特征，傳統(tǒng)電子聽診器采集心音信號(hào)時(shí)無法感知心臟低頻振動(dòng)信號(hào)。本文設(shè)計(jì)了一種新型聲振雙通傳感器的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)，通過在振動(dòng)膜上添加慣性質(zhì)量塊的方法采集振動(dòng)信號(hào)，聲振雙通是指該傳感器能采集到聲波及振動(dòng)兩種信號(hào)。該振動(dòng)傳感器的主體結(jié)構(gòu)包含基材、振動(dòng)膜與固定膜(圖1(a))。振動(dòng)膜為導(dǎo)電材料，振膜結(jié)構(gòu)可在基底與背極之間自由振動(dòng)，與背極形成可變電容。振膜結(jié)構(gòu)中上下表面的慣性質(zhì)量塊，帶動(dòng)振動(dòng)膜振動(dòng)，從而可以用于感知振動(dòng)信號(hào)的變化。傳感器采用微帽封裝技術(shù)，拾音孔位于傳感器底部，其外尺寸如圖1(b)所示。該MEMS固定在被測(cè)物上可以采集有振動(dòng)信號(hào)同時(shí)，通過拾音孔可以采集聲波信號(hào)，因此適用于檢測(cè)心臟心音及振動(dòng)信號(hào)的采集。

圖1 基于MEMS技術(shù)的聲振雙通麥克風(fēng)傳感器

2 電子聽診器總體設(shè)計(jì)方案

為了實(shí)現(xiàn)無線電子心音聽診器的功能需求，設(shè)計(jì)如圖2所示系統(tǒng)總體方案。該方案主要包括信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、主控模塊和上位機(jī)顯示模塊。數(shù)據(jù)采集模塊基于新型MEMS傳感器采用兩種聽診模式得到單純心音信號(hào)和心音心振信號(hào)，數(shù)據(jù)分析模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和頻譜分析，從而可以得到心臟低頻振動(dòng)信號(hào)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 主控模塊

電子聽診器主控模塊由核心控制模塊、傳感器模塊、信號(hào)處理模塊和上位機(jī)模塊組成。本文中的電子聽診器的核心控制模塊采用STM32單片機(jī)的32位開發(fā)板，其具有512 kbyte FLASH，16 Mbyte SPI FLASH，采用方型扁平式封裝技術(shù)(LQFP)；傳感器采用本文所設(shè)計(jì)的振動(dòng)與音頻傳感器聲振MEMS；信號(hào)處理與上位機(jī)顯示均使用LabVIEW軟件。完整的電子聽診器如圖3所示。在該電子聽診器的設(shè)計(jì)中，單片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，使用VISA控件控制串口連接單片機(jī)與電腦，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能，通過軟件將信號(hào)進(jìn)行處理進(jìn)行頻譜分析。

圖3 電子聽診器

2.1 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊主要依靠傳感器的放置位置來控制聽診方式。只采集心音信號(hào)時(shí)，采用間接傳導(dǎo)型聽診方式，將傳感器置于諧振腔上方，心音信號(hào)經(jīng)由諧振腔聚攏回聲之后傳播到傳感器接收端，其結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示。采集心音和振動(dòng)信號(hào)時(shí)，采用直接傳導(dǎo)型聽診方式，將聲振MEMS固結(jié)在聽診頭的諧振膜上，當(dāng)心振信號(hào)由諧振膜帶動(dòng)直接傳導(dǎo)到傳感器的接收端，心音信號(hào)同樣經(jīng)由諧振腔聚攏回聲之后傳播到傳感器拾音孔處，其結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示。通過兩種采集方法采集得到單純心音信號(hào)和心音心振信號(hào)，將兩種信號(hào)進(jìn)行差值相減，即可得到心臟振動(dòng)信號(hào)。

圖4 聽診器不同聽診模式

2.2 信號(hào)處理模塊

心音電子信號(hào)是一種比較微弱的信號(hào)，通常數(shù)量級(jí)都在毫伏級(jí)[11]。在心音信號(hào)的獲取中，由于外界存在環(huán)境音、人體存在呼吸音等各種干擾，很容易對(duì)該信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此需要對(duì)獲取到的心音信號(hào)進(jìn)行一定的放大濾波處理。由于心肺振動(dòng)及音頻的頻譜范圍為0~1 500 Hz，因此設(shè)計(jì)截止頻率為1 500 Hz左右的低通濾波放大電路，保留低頻有效信號(hào)，濾除高頻干擾信號(hào)，提高該電子聽診器的信噪比。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證基于聲振麥克風(fēng)的電子聽診器設(shè)計(jì)的有效性，將通過采集數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比并進(jìn)行信噪比分析來對(duì)其進(jìn)行測(cè)試[12]。胸骨下方第三肋間部位通常為心臟基底部，左側(cè)鎖骨中線附近第四和第六肋間部位為心尖部位。心尖部位發(fā)生心尖收縮，因此通常是最強(qiáng)搏動(dòng)點(diǎn)(PMI)[13]。使用電子聽診器采集數(shù)據(jù)時(shí)，被測(cè)者平靜坐在椅子上，將聽診頭按壓于心尖部位，進(jìn)行波形顯示與數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)。

間接傳導(dǎo)型聽診模式采集到心音信號(hào)如圖5(a)，通過傅里葉變換得到其頻譜分析(圖5(b))。該電子聽診器心音波形與標(biāo)準(zhǔn)心音波形具有極高的相似性，頻譜顯示心音信號(hào)主要集中在1 000 Hz以下，證明高頻干擾信號(hào)已被濾波電路有效去除。直接傳導(dǎo)型聽診方式采集到心音與心振信號(hào)如圖5(c)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行頻譜分析如圖5(d)。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，心音與心振信號(hào)中低頻信號(hào)波動(dòng)更為明顯，低頻振動(dòng)信號(hào)更加豐富，證明已經(jīng)采集到心臟低頻振動(dòng)信號(hào)。

圖5 間接與直接心音信號(hào)

為了驗(yàn)證該電子聽診器的有效性，測(cè)量并收集了電子聽診器置空采集時(shí)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)下式進(jìn)行了信噪比(SNR)的計(jì)算[14]:

式中:xi為信號(hào)采集數(shù)據(jù)點(diǎn)的振幅，ne為聽診器空置時(shí)的噪聲數(shù)據(jù)點(diǎn)振幅。經(jīng)計(jì)算，該電子聽診器在檢測(cè)信號(hào)時(shí)的信噪比為8.6 dB，與美國(guó)3M電子聽診器相比提高了24%[4]，其在1 kHz/0 dB，10 kΩ的測(cè)試環(huán)境下失真率小于1%，放大倍數(shù)為25，相比現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)電子聽診器的失真率1.5%以及放大倍數(shù)24均有所提高，表明采集的聽診信號(hào)滿足應(yīng)用要求。

將采集到的兩種信號(hào)進(jìn)行差值處理，得到心臟低頻振動(dòng)信號(hào)如圖6(a)，并對(duì)其進(jìn)行了200 Hz以下的頻譜分析(圖6(b))。心臟振動(dòng)信號(hào)與心音信號(hào)相比表現(xiàn)出了極大的相關(guān)性，有效信號(hào)主要集中在60 Hz以下，并且出現(xiàn)了低于20 Hz的非可聽音頻域的低頻振動(dòng)信號(hào)。通過傅里葉反變換，可得到20 Hz以下的信號(hào)如圖6(c)所示。所以說，本文提出的基于MEMS聲振傳感器的電子聽診器所采集的低頻振動(dòng)信號(hào)，可以作為新的心血管疾病診斷方法。

圖6 信號(hào)差值處理

4 結(jié)論

本文通過在MEMS聲振傳感器的振膜結(jié)構(gòu)上添加質(zhì)量塊，實(shí)現(xiàn)了用于檢測(cè)包含心臟低頻振動(dòng)信號(hào)的電子聽診器設(shè)計(jì)。該電子聽診器一方面具有較高的SNR，能夠滿足常規(guī)電子聽診器的準(zhǔn)確性要求，另一方面可以采集到低頻心臟振動(dòng)信號(hào)，為心臟病的診斷提供了新思路和方法。實(shí)驗(yàn)表明利用本文設(shè)計(jì)的電子聽診器獲取得心臟低頻振動(dòng)信號(hào)特征，并結(jié)合臨床，可用于分析心血管相關(guān)疾病的早期預(yù)防。