便携式肠鸣音监测仪的设计与实现

卫子然，张鑫，胡尊琪，姜国城，王克惠，蔡清萍

1 中国人民解放军海军军医大学 第二附属医院 普通外科，上海市，200003

2 宁波江丰生物信息技术有限公司，宁波市，315400

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。胃肠道发生如果发生病变，比如出现胃十二指肠疾病、小肠疾病和大肠疾病，相应的肠鸣音强度或数量也会出现异常。另外，肠鸣音信号可以作为其他疾病的指征参数之一，近几年的研究发现，肠鸣音除了可以指征胃肠状态以外，还对败血症、帕金森氏症等病症有临床意义[1]。与规律的心电信号不同，肠鸣音信号具有信号弱、背景噪声强、个体差异大以及随机性强等特点[2]，所以数据处理分析难度大，加之短时间内肠鸣音出现的个数较少，为了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。

目前的研究中，肠鸣音有单通道[3]和多通道[4]两种获取方式，多通道指同一时刻能从多个位置记录肠鸣音信号，单通道指同一时刻只记录一个位置的肠鸣音信号。如基于STM32L系列单片机实现的6路多通道肠鸣音获取方式，其中5路采集肠鸣音，1路采集环境噪声，通过计算获得多部位肠鸣音信号[5]。

本设计便携穿戴式骨传导单通道肠鸣音监测仪，缩小体积、降低功耗、便携穿戴可以同时满足肠鸣音长时间监测和多部位采集的需要。骨传导特性可以在满足有效采集腹部肠鸣音的同时，最大程度地实现隔绝环境噪音的需要。

1 总体框架

本设计是通过采用Dialog Semiconductor公司2018年最新推出的DA14682 SOC作为主动单元实现的。该芯片主要面向可穿戴应用场景，高度集成了最高96 MHz主频的运算单元，BLE5.0、电池充电模块、电源管理单元、内置Flash、Quad-SPI、8通道IIS/PCM、I2C、全速USB、LED驱动等丰富的功能。采用单芯片就可以实现丰富的功能，在提高可靠性的同时，大大降低了整机系统的功耗控制。而采样、数字滤波、增益控制、AD/DA转换与耳机功率放大芯片采用Maxim Integrated公司主流的MAX9867芯片。该芯片同样是一款面向可穿戴产品的低功耗芯片，具有非常好的声音采样处理能力。肠鸣音监测仪实现框图如图1所示，骨传导麦克风经过模拟电路的前置放大和滤波处理，将采集到的声音信号送入MAX9867芯片进行数字滤波和信号增益调节，并进行模拟数字AD转换，然后经过DA14682芯片IIS/PCM的DMA 8 kHz 16 bit采样，最后通过蓝牙5.0实时传输到手机应用程序，或者实时存储于FLASH芯片中。最终采集完成后，FLASH存储的数据再通过蓝牙传输至手机应用程序。除此以外，MAX9867还具有耳机驱动能力，用户可以直接通过MAX9867外接耳机听到实时采集到的肠鸣音信号。

图1 肠鸣音监测仪实现框图Fig.1 Bowel sound monitor implementation block diagram

2 模块设计实现

2.1 主控模块

本设计在主控单元芯片的选择中，坚持选新、选高集成、选新主流的思路，最终确定了小米在做智能家居整体方案中使用的Dialog Semiconductor DA14682芯片。该芯片是Dialog Semiconductor公司推出的世界上第一款为满足智能家居、工业和可穿戴设备的最高安全标准的单芯片解决方案，比市场已有的老的SOC有更好的功耗控制，更灵活的端口映射，更快的性能，更高的集成度。只需要一片芯片就完美解决低功耗蓝牙收发、锂电池充电、性能均衡和主要逻辑控制[5]。系统固件设计基于FreeRTOS进行开发，在系统初始化完成以后，创建蓝牙广播，IIS/PCM语音DMA采集，10级音量控制，LED状态灯PWM显示，FLASH存储等多个任务，按照任务优先级，依次调度。

本设计支持在线与离线两种模式采集肠鸣音信号。在线模式，是指采集的肠鸣音信号通过蓝牙5.0实时传输至手机应用程序进行实时记录、播放和分析。离线模式，是指采集的肠鸣音信号直接写入FLASH存储，采集完毕后通过蓝牙传输至手机应用程序，之后在手机端进行分析。两种模式采集过程中，都可以通过插在便携式肠鸣音监测仪上的耳机实时监听采集到的肠鸣音。

为了降低整机功耗，避免蓝牙一直保持在工作状态，在线模式采取DMA缓存和间歇性发送蓝牙数据来减少蓝牙的工作时间。在肠鸣音采集过程中，从DA14682芯片内直接开辟两块小内存DMA_1和DMA_2作为连续采集数据的缓存切换，如图2所示。采集的肠鸣音数据默认使用DMA_1作为存储区；当DMA_1缓存区满时，将存储切换到DMA_2，同时打开蓝牙，将DMA_1的数据通过蓝牙传输至APP，并清空DMA_1；当DMA_2缓存区满时，则将存储通道切换到DMA_1，同时将DMA_2的数据通过蓝牙5.0传输至手机，如此往复切换。蓝牙收发速度是肠鸣音采集速度的3倍，所以蓝牙基本有2/3的时间处于待机状态。本设计的传输使用CRC校验，确保通信可靠，数据无丢失，因蓝牙传输速度极快，能够保证肠鸣音的连续采集，不丢失数据。

离线模式默认使用一块大小为128 MB的NAND FLASH芯片，可以存储2 h的离线数据。由于不同容量的NAND FLASH的封装接口是相同的，在不改变电路和PCB的前提下，可以非常方便地根据不同产品型号要求安装不同容量大小的NAND FLASH，满足不同的离线采集时间需求。NAND FLASH通过SPI接口与DA14682芯片进行通信，将通过双DMA读取内存中的数据，轮流读取存储。由于NAND FLASH写入速度比较慢，速度降低设置为1/8倍SPI读取写入速度。为了防止反复写入NAND FLASH的开始块区，采用随机写入初始数据的文件系统。

图2 肠鸣音连续采集实现框图Fig.2 Bowel sound continuous acquisition implementation block diagram

2.2 电源管理模块

本设计使用DA14682芯片自带的综合性电源管理功能，其充电电路简单、节省功耗且可靠性高。同时，DA14682芯片拥有Extended Sleep、Deep Sleep、Hibernation三种睡眠模式，可以更好降低功耗。为了节省功耗，本设计使用DA14682芯片上单独开关控制的两路1.8 V线性电源：1V8和1V8P。1V8线性电源向MAX9867和传感器模块供电；而另一路1V8P，向Flash供电。这两路电源可以单独打开和关闭，节省整机的系统功耗。比如在线模式中，使用蓝牙实时传输肠鸣音数据给移动APP，就可以将Flash供电的1V8P关闭，降低功耗。而在休眠状态，可以把1V8供电断掉，以节省MAX9867、模拟前置电路和骨传导传感器的静待待机功耗。最终，本设计的休眠状态电流优化到1.2 μA。

2.3 传感器模块

由于肠鸣音具有信号微弱的特性，而且工作环境噪音复杂，选择一款高灵敏度并能有效抑制环境噪音的传感器显得尤为重要。本设计使用宁波硕正电子有限公司的SOG-JF-15H-40A-H麦克风作为肠鸣音传感器。SOG-JF-15H-40A-H外径φ15±0.2 mm，厚度0.13±0.02 mm，谐振频率4±0.5 kHz，是一款具有骨传导特性的麦克风，能够有效地抑制从空气传来的环境噪音，又能有效采集从腹部传来的肠鸣音信号。

2.4 放大滤波、模数转换模块

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。根据国内外文献报道，肠鸣音信号的频率有效范围在50～1 500 Hz这个范围，正常音的频率范围为l00～l 000 Hz[6]。

本设计使用MAX9867芯片实现滤波和放大，MAX9867芯片是Maxim Integrated公司的一款专为便携式设备设计的超低功耗音频编解码器，尺寸为2.2 mm×2.7 mm，其数字滤波提供了一系列的陷波滤波器和高通滤波器，能够衰减超过70 dB的能量，消除了声音混叠[7]。采集过程中设置的采样率为8 kHz 16 bits，经过现场测试，完全能够满足高保真采集肠鸣音信号。

2.5 按键、指示灯

本设计使用有3个按键和2个LED指示灯，都连接在DA14682芯片的I/O口上。按键采取中断读取状态，LED则由PWM进行控制，设计成呼吸灯效果。3个按键分别是电源、音量增加键、音量减小键；2个指示灯分别是电源灯和蓝牙连接灯。按电源键开机后电源灯常亮，再按电源键关机则电源灯熄灭，设备蓝牙与手机应用程序连接后，蓝牙灯呼吸闪烁。

2.6 便携穿戴结构

便携式肠鸣音监测仪是采用四合扣和电极贴的方式来进行固定，如图3和图4所示，将电极贴与监测仪下壳体用四合扣公母对扣固定，电极贴另一面是医用粘胶，能够长期安全有效地固定在人体皮肤上，且可以在多部位同时穿戴监测仪设备，互不干扰，达到多部位采集肠鸣音信号的效果。

图3 便携式肠鸣音监测仪背视图Fig.3 Portable bowel sound monitor back view

图4 肠鸣音监测仪电极贴Fig.4 Bowel sound monitor electrode patch

3 实验结果

本设计便携式穿戴肠鸣音监测仪启动后与手机应用程序进行蓝牙连接，启动采集就将采集的肠鸣音信号通过APP记录并播放出来。如图5所示，采集的肠鸣音信号通过蓝牙传输到手机应用程序，然后以波形呈现视觉效果实时播放。

图5 实时肠鸣音波形Fig.5 Real-time bowel sound waveform

4 临床验证

上海长征医院普通外科使用该监测仪对100例正常人和20例肠梗阻患者进行了肠鸣音监测。两名临床医生对同一受试对象进行肠鸣音监测，将听诊器和监测仪的骨传导拾音器平行放置，监测受试对象一分钟，一名医生使用听诊器传统听诊，一名医生使用该监测仪听诊。研究结果表明，两名医生可以在同一时间听到受试对象的肠鸣音，而且肠鸣音出现时监测仪上会有肠鸣音波形改变，具体波形改变的特征意义，我们将在大数据获得后进一步分析。临床验证结果表明，该监测仪可以准确记录受试对象的肠鸣音。

5 讨论

本文实现了便携式肠鸣音监测仪的设计，并实际研发和测试了肠鸣音的信号采集。该便携式肠鸣音监测仪能够采集人体肠鸣音信号，通过蓝牙传输至手机应用程序，进行记录和播放。

本设计实现的便携式肠鸣音监测仪，相比于其他的设计，主要体现在以下方面的改进：一是采用骨传导传感器，相比于传统传感器单纯使用软件来进行环境噪音的过滤，骨传导传感器从源头上就不采集从空气中传来的环境噪声，提高了信噪比，也使得后续肠鸣音的算法处理优化更加精确可靠；二是体积小，便携穿戴，本设计因过滤了空气中的环境噪声，故可以使用单通道采集肠鸣音来缩小体积，且四合扣电极贴的安全可靠便携设计，又可以满足在不同部位采集肠鸣音信号；三是低功耗设计，本设计采用DA14682芯片单片机，利用蓝牙爆发性发送，双路电源控制，以及睡眠模式将无需工作的部件进行睡眠低功耗处理，保证了监测仪能够长时间实时连续采集肠鸣音，对评估胃肠状态，具有重要的临床意义。

我们在临床验证中发现，该监测仪可以准确记录和保存受试对象的肠鸣音。只要受试对象在监测过程中不说话，监测仪不发生移动，就不会有杂音干扰，完全不受监测过程中环境音的影响。当然，该监测仪只是可以高保真地记录肠鸣音，但是记录的肠鸣音是否正常，临床意义何在等问题，课题组通过大样本的采集，并在人工智能团队的帮助下，开发了肠鸣音识别软件，将另发文予以介绍。