穿戴式多导肠鸣音记录仪的设计和实现

王国静，王卫东，余 雷

解放军总医院生物医学工程研究室，北京市，100853

穿戴式多导肠鸣音记录仪的设计和实现

【作 者】王国静，王卫东，余 雷

解放军总医院生物医学工程研究室，北京市，100853

该文实现了穿戴式多导肠鸣音记录仪，可以长时间连续采集并存储5个通道的肠鸣音信号。文中还实测人体肠鸣音信号，验证了该记录仪的可用性。

肠鸣音；穿戴式；多通道；存储

0 引言

肠鸣音是指肠子蠕动时，气体和液体在肠管内流动，产生了一种断续的气过水声或者咕噜声。不同的肠鸣音能够反映不同的生理状态。但是肠鸣音信号不像心电信号那样有规律，其具有信号弱、背景噪声强、个体差异大以及随机性强等特点[1]，所以数据处理分析相对难度较大，加之由于肠鸣音短时间内出现的个数相对较少，为了能够反映小肠的真实状态，长时间、准确地监测肠鸣音是有必要的。穿戴式设备是实现长时间数据监测的有效实现方式。

目前的研究中，肠鸣音获取方式有单通道[2]和多通道[3]两种方式，多通道肠鸣音记录仪能够全方位监测各个部位的肠鸣音信号，能够更加全面真实地反映胃肠蠕动情况。本设计基于STM32L系列单片机实现了6路通道的数据采集，其中5路通道采集肠鸣音，1路通道采集环境噪声，共同获得高质量、多部位的肠鸣音信号。为了实现穿戴式、便携式，肠鸣音记录仪采用的是体积小、性能高的MeMS麦克风实现声音的拾取。

1 系统基本结构和原理

本设计是基于意法半导体推出的STM32L151单片机实现的，如图1所示，6通道的MeMS麦克风将采集到的声音信号通过二阶有源低通滤波器进行滤波，再进行信号放大，放大后的6通道模拟信号经过STM32L151的aDc进行模数转换，转换后的数据存在本地的Micro SD卡。

图1 肠鸣音记录仪实现框图Fig.1 Bowel sound recorder implementation block diagram

2 硬件实现

2.1 单片机模块

本设计采用意法半导体公司STM32L151[4]作为肠鸣音记录仪的微控制器，STM32 L151芯片是一款基于aRM cortex-M3内核的32 bit超低功耗微控制器系列，其高集成度外设、高运算效率和低成本的优势，已超越16 bit超低功耗McU，甚至在各模式的功耗水平上，也不逊色于16 bit系统[5]。此外，STM32L151划分6种工作模式来实现超低功耗，使其在任何设定时间内都能以最低的功耗完成任务，特别适合穿戴携行设备的使用。

STM32L151提供了多种外围设备通信接口，包括1个USB 2.0接口，3个USaRT接口，2个SPI接口和2个I2c接口。

本设计中采用STM32控制器的SPI口实现Micro SD卡的读写。SPI接口允许芯片与外部设备以全双工或者半双工、同步、串行方式通信，可用于多种用途，包括使用一条双向数据线的双线单工同步传输，还可使用cRc校验的可靠通信[6]。本设计中STM32与SD卡的连接方式如图2所示。同时，Micro SD卡中还移植文件系统FatFS，支持将肠鸣音数据、环境噪声数据以及相关的配置数据按照固定格式以文件形式存储在SD卡。

图2 单片机与SD卡电路图Fig.2 circuit connecting McU an SD card

本设计中采用STM32控制器的USB接口实现肠鸣音设备的配置功能。STM32L151嵌入的USB 2.0接口可达到数据传输速率为12 Mbit / s，由内部锁相环生成USB专用的48 MHz时钟[7]。如图3所示是USB部分电路图，其中USBLc6防静电保护芯片。

图3 USB接口连接图Fig.3 circuit of USB interface

2.2 传感器模块

传感器模块由6路MeMS麦克风及其听诊头组成。本设计的麦克风选择的是Knowles公司的SiSonic系贴片式麦克风，采用Knowles公司专有的微机电技术和独特的封装技术，使其与现有的电容式麦克风相比有明显的优势[8]。这款芯片轻薄小巧，尺寸只有3.76 mm×3.00 mm×1.10 mm，具有69 dB高信噪比，超宽带平坦的频率响应（±2dB，100～10 000 Hz）以及紧密匹配的±3 dB灵敏度。肠鸣音信号的频率主要分布在60 Hz～1 500 Hz[9]，所以该麦克风比较适用于穿戴式肠鸣音声音信号的提取。

传感器模块中的6路麦克风，其中5路采集肠鸣音信号，1路采集环境噪声。采集肠鸣音信号的5个听诊头分别固定于5个指定位置，分别是胸骨剑突下2～3 cm处1个，肚脐上下5 cm分别1个，回盲部1个，结肠部1个[10]，同时采集5个区域的肠鸣音信号，使得信息量更加丰富，更有利于全面了解肠蠕动情况。在拾取肠鸣音信号时，通常会受到背景噪声信号的干扰，包括传声器和皮肤的摩擦音、人体的干扰信号(如呼吸音、心音)、周围环境噪音等[11]。所以，传感器模块的第6路麦克风用于采集背景噪声，为实现自适应滤波提供硬件支持，滤除背景噪声，优化肠鸣音信号。

2.3 放大滤波模块

放大滤波模块对传感器模块采集到的肠鸣音信号进行模拟处理。放大滤波模块分为滤波部分和放大部分，其中滤波部分采用的是二阶有源低通滤波器。之所以选择该滤波器原因如下：1）相比于无源电子低通滤波器，有源电子低通滤波器不容易受到负载变化的影响；2）二阶滤波器相对于一阶滤波器对削减高频信号能起到更高的效果，相对于高阶滤波器设计电路相对简单。综合以上两个因素，既要得到较好的滤波效果，设计电路又不能太复杂，本设计选择二阶有源低通滤波器。在本设计中，低通滤波器的截止频率设置为995.22 Hz，放大倍数为2倍。

放大滤波模块的运算放大器选用的都是aD公司的aD855X芯片[12]，此放大器具有超低失调、漂移和偏置电流特性，同时有高增益、高共模抑制比和高电源抑制比。放大部分的设置的放大倍数为30倍，所以放大滤波模块两级一共放大60倍。

2.4 电源管理模块

电源管理模块实现了锂电池充电和电源稳压功能。充电芯片选用的是TI公司的BQ24040，TI公司的BQ24040是一款应用于面积受限的便携式锂离子和锂聚合物电池线性充电芯片，在本设计中，该芯片的供电部分可以来自于USB供电，因具有高的输入电压供电范围及输入过压保护。芯片内部有监测控制回路，当芯片内部温度超过阀值时，通过减少充电电流实现对整体电路的保护[13]。充电部分电路如图4所示。

本设计中STM32L151单片机的工作电压是3.3 V，而锂电池的电压在3.8～4.0 V左右，所以需要选择芯片LP2985对整个电路的电压进行管理。TI公司的LP2985芯片是单通道、低噪声的线性稳压器，选用输出为3.3 V的LP2985为电路提供电源，电路如图5所示。

图4 充电部分电路图Fig.4 The charging circuit

图5 稳压电路图Fig.5 Voltage regulation circuit

2.5 电池电量监测、按键和指示灯

本文中设计了电池电量监测电路，用来实时监测电池电量。电池电量监测电路采用两个高精度电阻平均分压，将电池电量的一半通过STM32L151内置的aDc转换成数字信号，实现对电池电量的监测。

本设计中有一个按键和一个双色指示灯，都连接在STM32L151的I/o口，实现对肠鸣音记录仪各种工作状态的控制和指示功能。

3 软件实现

肠鸣音记录仪的软件与硬件配合，实现肠鸣音数据的采集、存储和传输。软件功能主要包括：数据转换功能，数据存储功能和数据传输功能。为了实现功能的完整性，还有按键、指示灯和电池电量监测的软件功能。

图6是肠鸣音记录仪软件的流程图。肠鸣音记录仪开机后，检测Micro SD卡是否在卡槽内。判断有Micro SD卡后，初始化USB并判断是否有USB插入。如果没有USB插入，便可以通过按键来切换低功耗状态和数据采集状态。整个流程中的各个状态通过双色指示灯来指示。下面主要对数据采集状态中的具体功能详细说明。

图6 肠鸣音整体系统状态机Fig.6 The overall system state machine of bower sound recorder

3.1 数据转换——ADC

STM32L151单片机集成了多个通道的12位aDc，转换率可达到1 MHz，支持单次转换模式和连续转换模式。本设计中数据转换使用的是其内置12位aDc的6个通道，用来转换5个肠鸣音数据和1个环境噪声数据。使用的是多通道连续转换模式来重复扫描每个通道，对每个通道的模拟数据进行数字转换。本设计采集数据过程中，设置的转换周期为48 cycles，采样率为2 500 Hz。

3.2 数据存储——Micro SD卡

Micro SD卡用来存储aDc转换后的肠鸣音数据和环境噪声数据。Micro SD卡通过SPI接口与STM32L151通信，内部移植了FatFS文件系统，可以将数据以文件的形式分类存储。FatFS是一个通用的文件系统模块，用于在嵌入式系统中实现 FaT 文件系统，支持 FaT12、FaT16 和 FaT32，支持8.3格式的文件名[14]。FatFS包含应用层、模块层和底层[15]。

Micro SD卡中存储两个文件，其中一个数据文件，存储的是采集到肠鸣音数据和环境噪声干扰数据，另一个文件是配置文件，用来配置肠鸣音记录仪的相关参数。

3.3 数据通信——USB

肠鸣音记录仪设备通过USB与上位机连接，实现上位机通过USB接口对SD卡的访问。根据STM32L提供的USB固件库，添加SD卡底层驱动操作函数，并将底层的存储设备配置为SD卡，便可以复制或修改SD卡中的文件。

4 实验结果

本设计的穿戴式多导肠鸣音记录仪采集到的数据存储到Micro SD卡中，将记录仪通过USB接口与上位机连接后，便可以将数据文件复制到上位机。

本设计通过Matlab实现对6路数据读取和显示，如图7所示，前5路为采集到的肠鸣音信号，第6路为环境噪声。

图7 肠鸣音记录仪6路信号显示截图Fig.7 Six-channel signals of bowel sound recorder

5 结论

本文实现了穿戴式多导肠鸣音记录仪的设计，并实际测量了5路人体肠鸣音信号。记录仪可以完成Micro SD卡存储功能，能将存储的肠鸣音数据导入到计算机显示。本设计实现的穿戴式多导肠鸣音记录仪，一方面考虑到低功耗设计，采用STM32L系列的单片机，并在固件上做了节能处理，保证电池的长时间使用。另一方面，为了实现穿戴式便携，考虑小体积实现，麦克风采用的是MeMS封装，其他元器件均采用表贴式封装，实现体积小的同时，降低了记录仪的成本。

本设计实现的穿戴式多导肠鸣音记录仪，可以长时间采集连续的肠鸣音信号，用来评估胃肠状态，同时，胃肠状态的监测与心电、呼吸等生理信息结合，能够全面评估人体的生理状态，具有很重要的临床意义。

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Design and Implementation of Wearable Multi-channel Bowel Sound Recorder

【 Writers 】WANG Guojing, WANG Weidong, YU Lei
Biomedical Engineering Research Room, Chinese PLA General Hospital, Beijing, 100853

bowel sound, wearable, multi-channel, storage

R318

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.03.006

1671-7104(2016)03-0176-04

2015-12-14

国家科技支撑计划课题（2013BaI03B04，2015BaI01B14）；国家自然科学基金面上项目（61372047）

王国静，e-mail: msguojingwang@sina.com

王卫东，e-mail: msguojingwang@163.com

【 Abstract 】This paper implements the wearable multi-channel bowel sound recorder which can collect fve channels bowel sound continuously for long time. This paper also measures bowel sound on real person to verify the availability of the recorder.