新型多功能智能听诊器的设计

临沂大学汽车学院 马西贺 王春梅 付 晓 李兆备

引言

为获取人体或动物体内的重要的生物音，听诊器不失是一种科学有效的医学仪器。自1816年法国医生雷纳克所发明以来，听诊器便普遍运用于医学方面，对心脏、肠胃等方面疾病的判断与治疗有显著成果。听诊器可分为声学听诊器与数字听诊器，两种听诊器的主要功能都是为得到心脏和肺部的有效声音信号。据了解，声学听诊器自1816年诞生以来已被广泛应用，而近期开发出来的新型设备——数字听诊器因其优良的性能也渐渐被人熟知。笔者设计的数字听诊器在使用中不仅保留了声学听诊器的原有优点，而且极大的提高了对微弱声音信号检测的能力。在反复试验的基础上笔者还开发了供多人监诊并能准确高效的记录、储存、显示和进行纵向与横向客观比较功能。

该听诊器具有如下特色：（1）可以轻易捕捉到人体内部器官发出的一些非常重要的声音，如在医学上通常用来听诊人体的心脏，脉搏等器官发出的微弱声音；（2）在监测基本的身体特征方面更为广泛使用。例如在进行血压测量时放大脉搏跳动发出的声音，极利于医生的准确诊断；（3）在心血管方面，不仅用来听成人的心率，心音，血管杂音，也可以用来听诊胎儿发出的微弱心音。

1 系统总体结构

系统整体设计思路如图1所示，智能听诊器探头将人体的心音、呼吸音等生理声信号准确采集出来，通过转换电路模块变成原始的电信号。将原始信号经初级放大后输入到滤波模块，以便可以得到清晰的心音效果。经过滤波模块对信号进行滤波和去噪声处理后，微弱心音信号将被进一步送入主放大模块进行放大处理。在主放大模块中，模拟信号分两路，一路送入功率放大模块，处理后的信号将用于驱动耳机或音响。另一路则送入主控模块，经A/D转换电路模块处理后转换为易懂的数字信号，并且经过单片机送入液晶模块进行波形显示，电源由电池组以及稳压电路构成，负责对各个模块提供电能。

图1 系统整体设计框图

2 电子听诊器硬件电路设计

2.1 拾音头的制作

最终决定本智能电子听诊器信号链路是否满足实用要求的关键是声学传感器能否将声音转换成模拟电压信号。这要求拾音器 MIC 的制作要尽量的简单可靠，笔者在对国内外众多拾音头进行测试后，决定采用在普通的老式听诊器的基础上加装超小型驻极体话筒的方式对心音进行提取。具体做法如下：将一只传统听诊器的听管取下并向橡皮管挤压入一只1/4英寸直径的超小型驻极体话筒。考虑到驻极体话筒产生的微弱信号易受到外界噪声的干扰我们可选用屏蔽电缆接到电路中的MIC处。由于话筒封装在胶管中，此振动通过在密闭空间的空气可以不受外界干扰地传到话筒，心音不易失真，灵敏度较高。

图2 拾音头

2.2 心音模拟电路的设计

2.2.1 μA741构成的心音前置放大电路

图3中SENSOR是驻极体电容式传声器，+9V电源经过 10k限流电阻和470pf去耦电容和给驻极体提供电能；为避免电路中直流噪声的影响，同时为耦合拾音头产生的交流小信号以便传送给后面的运算放大器进行电压放大，需要在电路中串连一个473pf的电容[2]；其中要改变交流信号的放大倍数只需改变R5和R6的比值可参式3-1；详细心音前置放大电路如图3所示。

图3 前置放大电路图

2.2.2 滤波电路

考虑到听诊器实际应用的环境拾音器检测出的心音信号必然会含有很多噪声。为了得到比较纯正的心音信号，必须设法去除这些噪声，以保证心音最大程度的不失真。经过对大量数据的统计和分析，我们发现心音的有效频带主要集中在20Hz自400Hz之间，肺音的有效频带集中在100Hz至1200Hz。因此数字听诊器只需对心音和呼吸音的有效频带保持较高的灵敏度即可。而在信号放大的同时可将频率将频率较高的噪声信号直接滤除，从而提高系统的抗干扰的能力。本设计中采用集成运放μA741构成低通滤波器构成合适的滤波电路[3]。

为给出实际心音的滤波电路，我们将先阐述构造低通滤波器的原理。

其归一化的传输函数：

通带内的电压放大倍数：

滤波器的截止角频率：

图4 低通滤波电路

我们将主放大电路置于低通滤波电路之后主要考虑到这时的信号虽然较为纯洁但并不满足功放要求，因此需进一步放大。同时也尽可能地减小了噪声对信号的影响[4]所用芯片依然为μA741。

图5 主放大电路

2.2.3 功率放大电路

为更好地实现对心音的听诊的目的，以帮助医生快速准确的诊断病人病情。心音可视智能电子听诊器还必须具备心音外放的功能，然而心音信号经过主放大模块后电压幅值虽然已经得到较大幅度的提升，但它的功率对驱动扬声器仍然较小。为此我们又设计了功率放大电路，如图6所示。

因为LM386的输入信号中不可以有直流分量所以我们必须要加一个隔直电容，如图电容C23；调节音量的大小可通过对变电阻680K的改变来实现。

图6 功率放大电路

2.3 波形显示电路

多数数字听诊器配置的显示器大多较小，而笔者设计的新型听诊器为向医生提供较清晰地图像信息而选用12864液晶作为显示器；这款显示器操作简单，易于通过单片机对图像进行控制。在单片机的编程过程中只要利用简单的位操作命令对它置位就可实现绘点。

3 电子听诊器系统的软件设计

本章主要介绍系统设计中的软件设计部分。ARM Cortex—M4处理器是由ARM公司专门开发的用于信号控制市场的嵌入式处理器，满足了对于效率，易用以及控制和信号混合特性的应用需求。作为一款高性能处理器[5]，Cor t ex—M4为开发者提供诸多好处。

本系统中的程序设计的系统工作流程图如图7所示：

图7 系统工作流程图

4 结论

这种新型多功能电子听诊器虽然选用常规器件，但实现了保持声学听诊器的外观和感觉的基本目标，发挥出数字听诊器对微弱声音信号的检测能力。笔者设计的这款数字听诊器还结合实际的医务应用需要设计了一些新功能，例如：可对声音信号进行录音和回放。并在反复试验的基础上开发了供多人监诊并能准确高效的记录、储存、显示和进行纵向与横向客观比较功能。

[1]郭颖.简易电子听诊器.西南科技大学学报[J].四川:2003.18(1):35-38.

[2]籍顺心.一种可用于强噪声环境的有源听诊器.声学学报[J].北京:2007(4):382-384.

[3]华成英,童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2001(3):243-266.

[4]沈雷鸣.新型电子听诊器.护理学杂志[J].北京:2005.4.20(8):13-15.

[5]裴仁清,黄伟,程志华.滤波电路原理.自动化仪表[J].北京:2001(10):165-181.