便携式心肺音采集设备的研究与开发

罗狄锋 吴贺勇 卢伟健 杨红光

1 广东顺德西安交通大学研究院 （广东 佛山 528300）

2 西安交通大学生命科学与技术学院生物医学信息工程教育部重点实验室 （陕西 西安 710049）

3 佛山市核德隆电子有限公司 （广东 佛山 528300）

听诊是传统的诊断方式之一，但传统的听诊器对患者进行听诊依赖于医生丰富的临床经验以及娴熟的听诊技巧，对一些细微的脏器病变的声音，传统的听诊器难以捕捉，且无法将医生所听到的病理声音存储保存、播放以及显示，阻碍了医生之间的交流，不利于临床教学应用[1]。

《中国心血管病报告2016》显示，2015年心血管病病死率仍居首位，农村、城市心血管病分别占死因的45.01%和42.61%，即每5例死亡中就有2例死于心血管疾病[2]。心血管疾病的治疗主要在于及时发现和平时的监控。因此，研究一种低成本、便携的心肺音采集设备可将医生听到的声音保存下来，并可随时调取做分析对病理追踪、教学、远程诊断甚至进行的智能诊断，以便医生早期发现心血管疾病，并对心血管疾病患者的病情进行跟踪。该项设备的研发具有重要的临床意义以及市场价值。

1.心肺音采集设备设计

由于各种病理性心音及肺音所产生的位置及频段各不同，因此本采集设备采用分频段设计，即心音20～600Hz以及肺音100～1000Hz[3-5]。该设计在心肺音采集过程中能够有效地分离心音和肺音，减少心肺音之间混叠所引起的干扰以及外部的噪音和杂音的干扰。

1.1 设备原理

心肺音采集设备原理图如图1所示。心肺音采集设备将声音传感器收到的声音信号通过电路放大、滤波放大后，通过A/D转换将模拟信号转换成数字信号一部分通过耳机驱动输出到耳机，一部分存储在机器内部的存储里面。数据通过蓝牙传输模块，把录取到的数据同步传输到外部的设备中，实现采集信号同步保存、分析等功能。见图1。

1.2 结构设计

心肺音采集设备的结构如图2所示，设备分了探头与微处理控制两部分。探头部分采用了选择单一指向性的电容式传感器作为拾音设备，该拾音器能够有效地对指定声音频率进行采集，降低采集过程中的信号干扰。见图2。

图1. 心肺音采集设备原理图

图2. 产品结构实物图

1.2.1 电容式传感器

电容式传感器最大的优势在于振膜和铜片之间在高电压低电流的情况下产生空间电场形成一个可变电容，容值随外界声音的变化而变化，微弱的声音信号在此空间内保证了不失真。此技术与压电式的声音传感器的不同点是采集声音的谐音更真实，特别是在低频部份失真度更小，更加贴近心肺音频率的要求。

1.2.2 探头结构

为了避免由于传感器与体表皮肤直接接触产生的摩擦引起心肺音信号被干扰，减少外界环境的噪音影响，提高信噪比，本采集器在探测头的结构设计上及材料选择上进行改进。

①采用具有一定程度的韧性且单面绝缘、单面导电的FR-4材料作为探测薄片与固定在探测器内部的导电金属板形成一个可变的传感电容电路，且两者的距离为在0.495mm，由此形成一个隔离腔体实现内金属导板与外界隔离，有效防止环境噪音引起导板振动而产生的噪音，从而实现了环境噪音与体音的相对分离。②利用探测器构建一个防护电路，使探测器形成了一个具有屏蔽作用的屏蔽腔，有效防止了外界电磁信号对探测器的干扰，从而实现了在保障体音无损的前提下最大限度地消除了环境噪音的影响。

2.硬件电路设计

在心脏或肺部发生病变时所发生的声音变化十分细微，由此通过传感器所采集到的信号变化幅度就十分微弱，心音信号幅值约为十几毫伏，肺音信号更小只有几毫伏，为了满足后续对心肺音信号进行编码的要求必须对信号进行前置放大处理[6]。

图3. 心肺音采集设备硬件电路图设计

图4. 控制板实物图

同时由于设备电极极化电压所具有的不平衡特点、运放的失调偏移和人体运动等原因造成信号干扰。这会导致心肺音信号在杂音中无法有效识别提取，为了获得更好的音源信号，本设备增加了一个滤波器对低频分量和直流分量进行去除以得到较为纯粹的心肺音信号源[7]。

2.1 放大电路

前端采用三极管与运算放大器等电子元件组成前置放大电路，放大器带宽采用0.5～2.258Hz，增益为10倍，经过测试该参数能够实现最佳的阻抗匹配。电路中（见图3）电容C24具有隔直耦合作用，及防止了电容两端直流电压的相互影响，又能实现把传感器所产生的微弱交流信号直接传递给运算放大器。

2.2 滤波电路

该滤波电路采用通频带为10Hz～1.5kHz的级联型一阶低通滤波器，其原因在于音频编码芯片中还对心肺音信号进一步的数字滤波，以满足不同听诊模式对信号频段的要求。采集过程中全频段包括的声音频段比较广：其中包括外界环境噪音声，低频段适用的心音以及高频段适用的肺音。所以需要根据不同的频带调整元器件参数，通过软件来控制不同频率的输出，并结合小波分解重构等算法来消除所采集的心肺音中的环境噪声及其他杂音[8]。

3.主控制模块

处理器是心肺音采集设备的控制部分，主要完成模式转换控制、音频编码模块和音频储存模块交换数据，心肺音采集部位以及采集顺序的控制以及电源管理。

图5. 心肺音采集设备通过蓝牙与终端App连接

为了让所采集的数据能够进行同步传输及展示，在采集器中加入了蓝牙模块，外部终端与采集设备通过蓝牙实现连接，可以通过终端的App对主控模块发出指令，采集设备接受指令号实施数据的采集及传输[9,10]。见图5。

4.产品性能测试

4.1 频响特性测试

心肺音采集设备的频响特性测试按照国家行业标准《听诊器传声特性测试方法（YY91077-1999）》中的逐点法进行。测试时在100～1000Hz范围内，每隔100Hz逐点改变声频信号发生器的频率改变声频信号发生器频率时，调节声频信号发生器输出电压，同时记录相对应的频率在测量放大器的指示值，两者差值即为电子听诊器对测试声源的衰减情况。见表1。

4.2 总谐波失真测试

采用深圳市爱普泰科电子有限公司生产的A2型音频分析仪在300Hz频率下分别对市面上出售的两款产品3M的3100、雅富的DS32a与本采集设备进行了谐波失真率的测试，结果显示本采集设备的总谐波失真率远远低于以上两产品。见表2。

表1. 频响曲线测试结果

表2. 总谐波失对比真率测试结果

5.小结

本文所研发的产品不仅可以把心肺音信号进行采集，同时还能够将文件进行存储、并通过蓝牙把采集数据进行传输，为心肺疾病教学，病理探讨、远程诊疗、智能诊疗提供了数据基础。本产品通过结构设计的优化以及电路处理上的探索后，与3M公司和雅富电子的产品在谐波失真率进行对比中具有明显的性能优势。可见该产品的研发具有深远临床意义及市场价值，产品的推广必将有效地推动远程医疗及智能诊断的应用。

[1] 杨柳,董爽.医用听诊器的类型及特[J].中国实用乡村医生杂志,2012,19(4):25-27.

[2] 刘应龙.医用听诊器的类型及特点[J].中国实用乡村医生杂志,2012,19(4):23-25.

[3] 陈伟伟,高润林,刘力生,等.中国心血管病报告2016概要[J].中国循环杂,2017,32(6):521-530.

[4] [美]杰西卡·尚克·科菲罗,著,李静梅,林羽佳,译.听诊技巧:呼吸音及心音(第5版)[M].天津:天津科技翻译出版有限公司,2016.

[5] 司永仁,贾连群.临床心脏听诊[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,2013.

[6] Bankaitis A U. Ampli fi ed stethoscope options for professionals with hearing loss[J].Audiology Online,2010-04-05.

[7] 陈天华,韩力群,郑或.心电信号噪声的数字滤波研究[J].微计算机信息,2008,24(8):127-129.

[8] 陈天华,韩力群,唐海滔,等.心音信号分析方法及应用性研究[J]北京工商大学学报(自然科学版),2009,27(2):35-39.

[9] 张 群,杨絮,张正言.蓝牙模块串口通信的设计与实现[J].实验室研究与探索2012,31(3):79-82.

[10] 王琦,姚爱琴.基于蓝牙的心肺音采集系统[J].电子测试,2010,17(1):1-4.