计算机辅助诊断的新型电子听诊器系统

黄 梅，刘洪英,，皮喜田,，敖一鹭，王 孜

1 重庆大学生物工程学院，重庆市， 400030

2 重庆市医疗电子工程技术研究中心, 重庆市，400030

3 重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室， 重庆市，400030

计算机辅助诊断的新型电子听诊器系统

【作 者】黄 梅1，刘洪英1,2，皮喜田1,3，敖一鹭1，王 孜1

1 重庆大学生物工程学院，重庆市， 400030

2 重庆市医疗电子工程技术研究中心, 重庆市，400030

3 重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室， 重庆市，400030

听诊是心血管疾病、呼吸系统疾病早期诊断的重要手段。该文提出了计算机辅助诊断的新型电子听诊系统，研制了基于电容式传声器的电子听诊器及相应的智能分析软件。该电子听诊器结合了Bluetooth、OLED、SD卡存储等技术实现了三种模式下的实时听诊、录音存储及回放、听诊音量调节及无线传输等功能。基于PC上位机的智能分析软件以C#为编程语言，SQL Server为后台数据库，实现了听诊音的播放及波形显示，通过计算心率、提取相关特征参数T1、 T2、T12、T11分析心音是否正常，生成诊断报告，并可通过邮件将听诊音及诊断报告发送到其他医生邮箱，从而可以进行远程诊断。整个系统功能完善、便携性高、用户体验良好，有利于推动电子听诊器在医院的使用，同时该系统也适用于听诊教学等多种场合。

计算机辅助诊断；电子听诊器；智能分析

0 引言

心血管疾病已成为全球头号死因，据世界卫生组织估计，2012年有1 750万人死于心血管疾病，占全球死亡总数的31%，有400万人死于呼吸系统疾病，位于全球死亡率的第三位[1]，所以对心血管疾病、呼吸系统疾病的早期预防和诊断极为重要。听诊是医学上最常用的诊断心血管疾病、呼吸系统疾病的方法，目前各大医院普遍使用的听诊工具仍是传统的声学听诊器。虽然传统声学听诊器成本低、操作简单，但仍存在一些不可忽视的缺陷[2]。例如：要求医生要有丰富的临床经验及熟练的听诊技能[3]；听诊音无法共享保存，阻碍医生交流，同时也不利于听诊教学[4]；受环境噪声干扰大，对微弱心音辨识度低[5]等。

随着科技的发展和进步，电子技术及数字化技术为听诊器带来了新的革命和突破，电子听诊器应运而生，开辟了计算机辅助听诊的新领域[6]。骆懿等[7]研制的可视化电子听诊器在听诊的同时可通过蓝牙将听诊音传输到基于LabView的上位机软件实时显示，并可以保存、回放听诊音；Olga Szymanowska等[8]研制的电子听诊器是在传统声学听诊器的基础上进行改造，听诊的同时可通过麦克风采集听诊音，通过计算机声卡输入到基于LabView的分析软件，可对听诊音进行分析和回放。在国内外，这些类似的研究颇多，很大程度上促进了电子听诊器的发展，弥补了传统声学听诊器的主要缺陷。但仍存在功能设计不全、电子及环境噪声、人体工程设计不足等缺陷[9]，以至于国内电子听诊器产品稀缺、无法满足临床听诊的要求。为解决以上问题，本文在传感器、功能分析、外观设计及相关技术方面开展了相应的研究工作，设计出计算机辅助诊断的基于电容式传感器的电子听诊器系统，该系统有利于心血管疾病及呼吸系统疾病的早期诊断，具有很好的经济和社会效益。

1 系统总体设计方案

本文研制的新型电子听诊器与基于C#的上位机软件相辅相成，形成了一套多功能的听诊系统，如图1所示。在电子听诊器功能设计方面，实时听诊是听诊器的基本功能。由于医生的听力有所差异，通过音量调节可保证医生听到清晰的心肺音。由于在鉴别诊断中，最重要的心音频段在70 Hz~120 Hz，肺音频段在200 Hz~600 Hz[10]，因此听诊频段的调节在临床上意义重大。实际设计中，分20 Hz~200 Hz、200 Hz~600 Hz及20 Hz~1500 Hz三个频段，20 Hz~200 Hz最适合心音诊断，200 Hz~600 Hz最适合肺音诊断。录音回放则有利于医生临床会诊及听诊教学，尽量减少医生在诊断过程中的主观因素。电子听诊器与PC端通过蓝牙或者存储介质SD卡，实现听诊音的传输。PC端上位机软件利用数据库技术对用户的个人信息、声音数据进行管理，方便对病人的健康状况进行跟踪研究。同时上位机软件还实现了听诊音的播放及波形显示，通过计算心率、提取相关特征参数T1、T2、T12、T11分析听诊音是否正常，自动生成诊断报告，并可通过邮件将听诊音及诊断报告发送到其他医生邮箱，从而可以进行远程诊断。

图1 听诊系统示意图Fig.1 Scheme of auscultation system

2 电子听诊器硬件设计

根据该电子听诊器的功能需求，确定其硬件电路的技术方案，如图2所示，主要包括拾音模块、主控模块、音频编解码模块、液晶显示模块、存储模块以及蓝牙模块，其中拾音模块由传感器和信号调理电路组成。拾音模块采集心肺音信号并将其转换为模拟电信号后进行放大滤波处理。信号经过处理后送入编解码模块，编解码模块对其进行模数转换，可将数字信号送入主控模块中进行存储处理，以实现心肺音存储功能，或数模转换后驱动耳机进行实时听诊，并可利用蓝牙模块实现心肺音信号的无线传输。显示模块对当前听诊器信息进行实时显示。除此之外，还包括电源模块，负责对上述各模块进行供电。

图2 电子听诊器硬件结构框图Fig.2 The hardware scheme of electronic stethoscope

传感器是拾音模块乃至整个电子听诊器的关键部件，本设计中根据灵敏度、频率响应、信噪比、指向性等性能指标选择单一指向性的电容式传声器作为传感器。为了避免传声器与体表的直接接触，防止心肺音信号被传声器与皮肤所产生的摩擦干扰，提高信噪比，传声器与体表之间采用空气耦合方式。另外，在本设计中创新性的在腔体前端加入了悬浮式可调振动膜，这种技术可以把不同频段的听诊模式结合在同一听诊头上，通过改变听诊头施力的大小，听取到不同频率的音源，而无需翻转听诊头。

主控模块是该电子听诊器的核心控制模块，在本设计中采用STM32F405RGT6为主控芯片，该芯片具有低功耗的特点，其性能及封装尺寸满足系统要求。音频编解码模块采用TLV320AIC3254芯片，该芯片提供具有100 dB信噪比的立体声DAC和具有93 dB信噪比的立体声ADC，包括两路完全不同的输出和两个输出驱动器，可直接驱动耳机[11]，同时具有两个完全可编程的miniDSP内核：miniDSP A和miniDSP D，利用miniDSP可实现对声音信号的数字滤波，以实现不同听诊模式的选择。

显示模块采用0.96英寸的OLED作为显示屏，具有自发光、广视角、高亮度、低功耗、极高反应速度等优势。存储模块选用Micro SD卡作为存储设备，并在SD卡中建立文件系统，方便心肺音音频文件的管理。由于蓝牙模块需实现高质量的音频传输，所以在本系统中采用基于蓝牙高级音频分发协议（Advanced Audio Distribution Profile，A2DP）STR-BTMOSE的模块。A2DP是SIG组织为了使用蓝牙技术的异步链路来传输高质量的单声道以及立体声音频数据而发布的，定义了点对点的音频传输[12]。电源模块采用7号可充电式电池供电，电池额定电压为3.7 V，电池容量为1 100 mA.h。外置充电器可对电池充电，因而电路中无需设计充电模块，有利于节省PCB空间，增加便携性。

图3 波形显示程序流程图Fig.3 Waveform display program fl ow chart

3 上位机软件设计

上位机软件设计目的主要在于完善电子听诊器的功能，通过波形绘制、音频播放及时域分析使医生得出更加客观的诊断结果，采用信息化技术对病人的听诊信息进行管理，与医院信息系统接轨，完善个人的健康档案，同时也有利于远程会诊及听诊教学。软件开发平台采用Visual Studio2010，利用C#语言完成，并采用ADO.NET技术与服务器端数据库进行连接。

3.1 波形显示

波形显示利用.NET基类集组成的GDI+实现[13]。首先对心肺音WAV文件进行解析，将音频数据读入缓存中。程序根据心肺音音频数据的幅值，并按其时间顺序在显示区域进行绘制，其程序流程如图3所示。将心肺音音频数据转换坐标点时，需要进行幅值坐标（Y轴）和时间坐标（X轴）的转换。转换时需要考虑幅值放大系数AmpFactor和每像素包含样本数SamplesPerPixel，AmpFactor决定了幅值显示比例，SamplerPerPixel决定了显示区域所能显示的心动周期或呼吸周期个数。AmpFacter和SamplesPerPixel可通过放大和缩小按键控制。

3.2 时域分析

本软件中时域分析目前只针对心音，通过提取其时域特征参数第一心音时宽（T1）、第二心音时宽（T2）、第一心音和第二心音时间间隔（T12）、第一心音和相邻的下一个第一心音时间间隔（T11）以及心率来实现。对于特征参数T1、T2、T12、T11以及心率的提取，采用基于短时能量求取心音包络的算法，定位好第一心音起始位置S1start、第一心音终止位置S2end、第二心音起始位置S2start、第二心音终止位置S2end后，根据表1中计算方法计算T1、T2、T12、T11以及心率。

表1 心音特征参数意义及其计算方法Tab.1 Heart sounds characteristic parameter meaning and calculated method

短时能量表示一段时间内语音信号的短时平均能量，其计算公式为：

公式中w表示窗函数，N表示窗函数的长度。当选择矩形窗为窗函数时，短时能量公式则为：

为了减少噪声抖动引起的可能误判，提高系统的稳健性，在求心音信号短时能量包络前，采用滑动平均滤波器进行滤波，这种滤波器算法简便，计算量较小，可节省微处理器的缓冲空间，在抑制噪声的同时保留了信号的陡峭边沿，非常适合实时处理心音信号，其计算公式为：

公式中M代表滑动平均滤波器的阶数，阶数越高对信号的平滑作用越大，有利于去除频繁的随机误差，但也将一些高频信号虚弱。利用Matlab对不同的滑动平均滤波器阶数对采集到的心音信号进行处理，发现5阶滤波器最符合要求。

求取心音信号的短时能量包络后，获取包络的峰值。根据包络的峰值，采用自适应方法设定一个阈值，阈值设定为心音包络峰值的0.3倍。阈值与短时能量包络的相交点初步判断S1start、S1end、S2start、S2end。一般而言，S1的持续时间约为0.1 s，S2的持续时间约为0.08 s，即使S1幅度峰值大于S2幅度峰值，则S1的短时能量总是大于S2的短时能量，因而可以判断S1和S2的位置。初步定位S1和S2后，再根据心音S1和S2的间隔距离对心音段进行去除和合并，以修正S1和S2位置。 确定S1和S2的位置后，将其代入公式求出心率。

公式中N为心音数据所检测到的心动周期数。nS1starti代表下一个心动周期的第一心音起始位置，S1starti为当前心动周期第一心音起始位置。

4 测试与讨论

4.1 硬件测试

该电子听诊器样机如图4所示，外壳采用了塑料材质，其长度仅为90 mm，听诊头直径为45 mm，重量仅约为50 g，整个仪器相当便携。该电子听诊器按键设计为五维按键，即上下左中右，中间按键为开关机/菜单键，长按时开关机；上下键用于调节音量及切换菜单，音量12档可调；左右键用于切换听诊模式，心音模式（20 Hz~200 Hz）、肺音模式（200 Hz~600 Hz）以及宽频模式（20 Hz~1 500 Hz）。OLED液晶显示位于按键上方，显示音量、电量、状态、菜单等基本信息。

图4 电子听诊器样机实物图Fig.4 Physical map of electronic stethoscope

为了验证该电子听诊器设计的有效性，用该电子听诊器采集正常人的心音及呼吸音，并将示波器探头连接在电子听诊器耳机接口处，利用示波器观察所听到的听诊音波形。在测试过程中，应尽量保证环境安静，且不要随意抖动电子心肺音听诊器，以减少手与听诊器之间的摩擦。首先在人的二尖瓣区采集心音，如图5所示，其次在左肺中部区采集肺泡呼吸音，如图6所示。测试结果说明了该电子听诊器能够有效地采集心肺音信号且噪声干扰小，对其进行编解码后，驱动耳机进行实时播放。

图5 正常心音Fig.5 Normal heart sound

图6 正常肺泡呼吸音Fig.6 Normal vesicular breath sound

图7 软件主界面图Fig.7 The main page of software

4.2 软件测试

上位机软件较为系统，用户成功登录系统后，将会进入主界面，如图7所示。主界面主要起到了导航和显示病人心肺音信息的作用。界面上方显示了软件的工具栏以及快捷键，右半部分显示了病人的基本信息以及病人的心肺音列表，用户可直接输入病人的ID或姓名进行信息查询。界面中间部分用于显示心肺音的波形，下方显示了心肺音的基本信息，如检查日期、体检部位、体检结果等。同时上位机软件可打印病人报告，并将病人报告、心肺音音频文件作为Email附件发送到指定的Email用户上，实现心肺音信息的共享。

目前，该电子听诊器已采集到正常心音五十多例，异常心音15例。利用蓝牙或SD卡将这些听诊音传输到上位机软件进行时域分析。分析结果如表2所示，其中选择了一例正常心音、一例窦性心动过速的异常心音、一例二尖瓣关闭不全的异常心音的分析结果，其中窦性心动过速的异常心音软件分析界面如图8所示。 软件提供了所提取特征参数的参考值，当特征参数不在参考值范围内时，说明心音可能异常。

图8 心音时域分析Fig.8 Heart sounds time domain analysis

从表2可以看出，不同的心音其对应的时域特征参数有很大的不同。对窦性心动过速进行分析，得到的心率参数明显高于正常心音；二尖瓣关闭不全所产生的心音，T1明显小于正常心音。一般而言，当T1>0.12 s时，表明第一心音肥厚，当T1<0.08 s时，表明第一心音狭窄；当T2>0.12 s时，表明第二心音肥厚，当T2<0.08 s时，表明第二心音狭窄；当T12>0.5 s或T12<0.3 s时，表明第一二心音间隔异常；当T11 >0.9 s或T12<0.7 s时，表明心动周期间隔异常；在安静状态下，当心率大于100 次/min时，表明心率过快，当心率小于50 次/min时，表明心率过慢。由此可见，时域分析能够判别正常和异常心音，有一定的诊断价值。

5 结论

本文提出的计算机辅助诊断的新型电子听诊器系统，包括便携式电子听诊器和上位机软件，这两部分相辅相成。与传统声学听诊仪相比，该电子听诊器采用普通耳机听诊，不会产生不适感；增加了录音回放、波形显示、无线传输功能，有利于临床会诊及教学；增加了音量及频段调整功能，使听诊结果更具准确性。与其它电子听诊器的产品相比，该电子听诊器功能更加全面，外观设计更加美观，方便携带。智能分析软件系统地结合了相关分析软件的功能，站在医疗信息化的角度对其中涉及的信息进行管理。但在智能分析方面，该软件只对心音进行了时域分析，但算法的准确率还未验证。为了提高判别的准确率，后续将开展心肺音的频域分析工作以及算法验证工作，使该系统更加完善。

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Computer-aided Diagnosis and New Electronic Stethoscope

【Key words 】HUANG Mei1, LIU Hongying1,2, PI Xitian1,3, AO Yilu1, WANG Zi1
1 College of Biological Engineering Chongqing University, Chongqing, 400030
2 Chongqing Engineering Research Center of Medical Electronics, Chongqing, 400030
3 Key Laboratories for National Defense Science and Technology of Innovative Micro-nano Devices and System Technology, Chongqing, 400030

computer-aided diagnosis, electronic stethoscope, intelligent analysis

TH776

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.03.002

1671-7104(2017)03-0161-05

2016-09-29

国家支撑计划课题（2013BAI03B04；2015BAI01B14）

皮喜田，E-mail: pixitian@163.com

【 Abstract 】Auscultation is an important method in early-diagnosis of cardiovascular disease and respiratory system disease. This paper presents a computer-aided diagnosis of new electronic auscultation system. It has developed an electronic stethoscope based on condenser microphone and the relevant intelligent analysis software. It has implemented many functions that combined with Bluetooth, OLED, SD card storage technologies, such as real-time heart and lung sounds auscultation in three modes, recording and playback, auscultation volume control, wireless transmission. The intelligent analysis software based on PC computer utilizes C# programming language and adopts SQL Server as the background database. It has realized play and waveform display of the auscultation sound. By calculating the heart rate, extracting the characteristic parameters of T1, T2, T12, T11, it can analyze whether the heart sound is normal, and then generate diagnosis report. Finally the auscultation sound and diagnosis report can be sent to mailbox of other doctors, which can carry out remote diagnosis. The whole system has features of fully function, high portability, good user experience, and it is bene fi cial to promote the use of electronic stethoscope in the hospital, at the same time, the system can also be applied to auscultate teaching and other occasions.