便携式低功耗电子听诊器设计*

黄 梅， 刘洪英,2， 皮喜田,3， 敖一鹭， 王 孜

(1.重庆大学 生物工程学院,重庆 400030；2.重庆市医疗电子工程技术研究中心,重庆 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 400030)

便携式低功耗电子听诊器设计*

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400030；2.重庆市医疗电子工程技术研究中心,重庆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400030)

设计基于电容式传感器，采用STM32F405RGT6作为主控芯片，结合了Bluetooth，OLED，SD卡存储等技术实现了在心音、肺音、宽频模式下的实时听诊、录音存储及回放、听诊音量调节及无线传输等功能。系统功能完善、便携性高、低功耗，有利于推动电子听诊器医用，同时也适用于听诊教学等多种场合。

便携式； 低功耗； 电子听诊器

0 引 言

传统声学听诊器的优势在于成本低、操作简单，但仍存在一些不可忽视的缺陷[1]。例如：要求医生要有丰富的临床经验及熟练的听诊技能[2]；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[3]；受环境噪声干扰大，对微弱心音辨识度低[4]等。电子技术及数据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。

骆懿等人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[5]； Szymanowska O等人研制的电子听诊器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[6]。在国内外，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。但由于大多数电子听诊器依赖于上位机软件，可移植度不高，需消耗相对多的电量[7]，不方便携带且硬件部分功能设计不全。在临床应用方面，Philip J H等人的研究表明,与传统的声学听诊器相比，电子听诊器可以更好地应用于麻醉监测[8]。

本文在传感器、功能设计、元器件选择及相关技术方面开展了相关的研究工作，旨在设计一种基于电容式传感器的便携式、低功耗、多功能的电子听诊器，有利于促进电子听诊器的临床应用，具有很好的经济和社会效益。

1 系统总体设计方案

电子听诊器系统，如图1所示，采用耳机听诊，通过SD卡存储介质可以将听诊音转存到手机或电脑上进行管理，通过蓝牙可将听诊音传输到蓝牙音响、蓝牙耳机播放，有利于医生临床会诊及听诊教学。在功能设计方面，实时听诊为基本功能。通过音量调节可保证医生听到清晰的心肺音等。由最重要的心音频段在70～120Hz，肺音频段在200～600Hz[9]，因此，听诊频段的调节在临床鉴别诊断意义重大。实际设计中，分20～200Hz，200～600Hz及20～1500Hz3个频段，20～200Hz最适合心音诊断，200～600Hz最适合肺音诊断。通过录音回放，可以尽量减少医生在诊断过程中的主观因素。

图1 听诊系统示意

2 电子听诊器硬件设计

根据该电子听诊器的功能需求以及医疗仪器数字化、模块化、小型化的发展趋势[10]，确定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放大滤波电路组成。传感器采集心肺音信号并将其转换为模拟电信号，此时的电信号仍为十分微弱的电信号，需对信号进行放大滤波调理，方可进行编码。音频编解码模块实现信号模/数转换，并将数字信号送至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音频信号的无线传输。显示模块对当前听诊器信息进行实时显示。电源模块为上述各模块提供工作电压。

图2 电子听诊器结构框图

2.1 拾音模块

医用传感器是一种测量装置，它能把人体中某些物理化学信息转换成与之对应的电信息，从而提供表征人体生理状态的可靠依据[11]，所以，医用传感器是拾音模块乃至整个电子听诊器的关键部件。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。利用电容式传声器采集心肺音等信号时，除了其性能直接影响信号质量外，传声器与体表的耦合方式也是影响信号质量的重要因素。

声耦合大致可分为两种：直接耦合和空气耦合[12]。由于空气耦合方式避免传声器与体表的直接接触，防止了心肺音信号被传声器与皮肤所产生的摩擦干扰，提高了信噪比。因而，设计中，传声器与体表之间采用空气耦合方式。

为了以一种腔体结构实现对20～1500Hz频率段信号进行有效采集，避免腔体形状对信号的影响，设计中创新性地在腔体前端采用了具有悬浮式可调振动膜技术，将不同频段的听诊模式结合在同一听诊头上，通过改变对听诊头施力的大小，听取到不同频率的音源，而无需翻转听诊头。

2.2 音频编解码及主控模块

主控模块为电子听诊器的核心控制模块，主要实现对显示模块的控制、与音频编解码模块和存储模块交换数据、对按键进行响应等。采用STM32F405RGT6为主控芯片，具有低功耗的特点，性能及封装尺寸满足系统要求。音频编解码模块采用TLV320AIC3254为音频编解码芯片，具有高性能、低功耗的特性，其封装尺寸仅为5mm×5mm，提供了具有100dB信噪比的立体声DAC和具有93dB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，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，以实现不同的听诊模式的选择。

两个模块相结合实现了心肺音等信号的存储与回放，如图3所示。当需要存储心肺音时，TLV320AIC3254将采集到的心肺音转换为数字信号，通过I2S总线发送至STM32F405RGT6微处理器，STM32F405RGT6将心肺音数字信号以.WAV文件格式写入SD卡中进行存储。回放心肺音时，STM32F405RGT6从SD卡中读取心肺音.WAV文件，将心肺音数据通过I2S发送至TLV320AIC3254，经过DAC转换后，驱动耳机回放心肺音。由于心肺音的采样率为8kHz，量化位数为16位，数据量较大，为了减轻CPU负担，充分发挥STM32F405RGT6微处理器的性能优势，心肺音数据在STM32F405RGT6内通过DMA通道实现传输。

图3 心肺音存储与回放

2.3 其他模块

1)蓝牙模块：为了使电子听诊器很好地应用于听诊教学及临床会诊中，设计通过蓝牙与蓝牙音响、耳机等蓝牙音频设备连接实现信号传输，为实现高质量的音频传输，采用了基于蓝牙高级音频分发协议[13](A2DP，advanced audio distribution protocol)的模块,型号为SJR-BTM05E,具有功耗低、封装尺寸小、数据传输速率高等优势，满足系统要求。

2)显示模块：采用了0.96in(1in=2.54cm)的OLED作为显示屏，具有自发光、广视角、几乎无穷高的对比度、较低耗电、极高反应速度等优势。

3)存储模块：选用了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，采用SDIO接口方式与STM32F405RGT6微处理器通信。

4)电源模块：采用7号可充电式电池供电，电池额定电压为3.7V，电池容量为1100mAh。外置充电器可对电池充电，电路中无需设计充电模块，节省PCB空间，易便携。

3 样机设计

在硬件PCB设计制作和基于STM32微处理器软件调试后，对电子听诊器样机进行了外观设计，其Solidworks设计如图4所示。在听诊器底部设计了SD卡接口和耳机接口，方便插拔SD卡和耳机。可根据自身需求更换SD卡和耳机。

图4 电子听诊器样机设计

4 结果与讨论

电子听诊器样机如图5所示，外壳采用了塑料材质，其长度仅为90mm，听诊头直径为45mm，重量仅约为50g，满足便携需求。按键设计为五维按键，即上、下、左、右、中，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挡可调；左、右键用于切换听诊模式，心音模式(20～200Hz)、肺音模式(200～600Hz)以及宽频模式(20～1500Hz)。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5 电子听诊器样机实物

为了验证设计的有效性，采用该电子听诊器采集正常的心音及呼吸音，并将示波器探头连接于电子听诊器耳机接口处，观察听诊音波形。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。首先在二尖瓣区采集心音，如图6(a)所示，其次在左肺中部区采集肺泡呼吸音，如图6(b)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，对采集的信号进行编解码后，驱动耳机进行实时播放。

图6 正常心音和肺泡呼吸音

5 结 论

设计的基于电容式传感器的电子听诊器具有便携和低功耗的特征，可以应用于医生的日常听诊、临床会诊及听诊教学等场合。与传统声学听诊器相比，该电子听诊器采用普通耳机听诊，减轻了以往听诊时由金属管道对耳道的压力产生的不适感；(*)增加了录音回放、波形显示、无线传输功能，有利于医生间交流同时也有利于在听诊教学中老师与学生之间的交流；增加了音量及频段调节功能，使听诊音细节更加丰富，得出的诊断结果更加客观。与其它电子听诊器的产品相比，该电子听诊器的功能更加全面且不需要依赖PC端的分析软件，同时又可以借助PC端的分析软件对心肺音进行进一步的分析。仪器外观设计更加美观，所采用的主控芯片、音频编解码芯片、蓝牙音频芯片等既满足性能需求又满足封装尺寸小及低功耗的要求。设计对国内听诊器产品的研发有一定的指导意义，可促进电子听诊器的临床应用。

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[6] Szymanowska O,Zagrodny B,Ludwicki M,et al.Mechatronics: Ideas,Challenges,Solutions and Applications[M].Berlin Heidelberg：Springer International Publishing,2016: 189-204.

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[13] Nordbotten N A,Skeie T,Aakvaag N D.Methods for service discovery in Bluetooth scatternets[J].Computer Communications,2004,27(11):1087-1096.

Designofportableandlowpowerconsumptionelectronicstethoscope*

HUANG Mei1, LIU Hong-ying1,2, PI Xi-tian1,3, AO Yi-lu1, WANG Zi1

(1.CollegeofBiologicalEngineering,ChongqingUniversity，Chongqing400030，China;2.ChongqingEngineeringResearchCenterofMedicalElectronics,Chongqing400030，China;3.KeyLaboratoriesforNationalDefenseScienceandTechnologyofInnovativeMicro-nanoDevicesandSystemTechnology,ChongqingUniversity,Chongqing400030，China)

On the basis of analyzing on traditional stethoscope limitations and the related research on electronic stethoscope,design a portable and low power consumption electronic stethoscope.This design is based on capacitive type sensor and use STM32F405RGT6as master control chip.It implements many functions such as real-time heart and lung sounds auscultation in three modes,recording and playback,auscultation volume control,wireless transmission,combined with Bluetooth,OLED,SD card storage technologies.The whole system has characteristics of fully functional,high portability,lower power consumption,and it is beneficial to promote the use of electronic stethoscope in hospital,at the same time,the system can also be applied to auscultate teaching and other occasions.

portable; low power consumption; electronic stethoscope

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0077—03

2016—10—22

国家支撑计划资助项目(2013BAI03B04,2015BAI01B14)

R 197

B

1000—9787(2017)10—0077—03

黄 梅(1991-)，女，硕士研究生，主要研究方向为电子听诊器。皮喜田(1976-)，男，通讯作者，教授，博士生导师，主要从事新型医疗仪器设备，医疗信息化与健康物联网研究工作，E—mail: pixitian@163.com。