分体式蓝牙无线听诊器设计

孙陈杰 杨澄 朱智超

0 引言

心音是反映心脏状况的重要生理参数，对心音的听诊是诊断心血管疾病的一种重要方法。目前临床上采用的传统声学听诊器的结构主要由听头、胶管、金属架、耳塞组成。其工作原理是心音通过听头的膜片振动，由连接的胶管将心音传到耳塞上。其存在的缺点主要有：携带不便，听诊过程中无法调整音量强弱且存在噪声，影响临床诊断；胶管的长度限制了听诊距离，而无法实现远程医疗，增加了医护人员暴露感染的风险；只能供一人使用，无法共享，不利于临床会诊和教学。此外,诊断主要依赖医生的个人经验，不能进行声音信号的保存和客观评价，存在较大的主观性和随意性[1-2]。

由于传统听诊器存在以上缺点，近年来，国内外都出现了对电子听诊器的研究，基于蓝牙技术的听诊器技术就是电子听诊器的一种。目前市面上蓝牙听诊器大致可以分为两大类:一是利用蓝牙取代传统听诊器的胶管，将心音信号数字化通过蓝牙模块传输到蓝牙耳机上[3]；另一种形式如3M Littmann 蓝牙电子听诊器，即将心音信号记录下来再通过蓝牙模块将其传输到电脑上，以便做进一步处理[4]。上述听诊器中都是通过蓝牙技术替代传统听诊器的部分功能，蓝牙模块实现的功能相对单一，没有考虑将听诊和心音信号可视化同步，以及产品化后的工艺因素。

本文旨在设计一种基于蓝牙技术的无线电子听诊器，实现听诊与心音信号可视化同步，为信息共享、专家会诊、医院教学等工作提供支持。

1 系统总体设计方案

分体式蓝牙无线听诊器采用蓝牙技术，实现在蓝牙耳机中直接听诊心音，同时可以从上位机软件中观察到实时心音波形图，为今后的诊断提供解决方案。

本系统如图1所示，硬件包括心音传感器、主电路板、带蓝牙接收功能及音频解码功能的收音设备(如蓝牙耳机、蓝牙音箱)、上位机(如手机或电脑)、心音信号处理软件。主电路板中包括两个蓝牙模块，其中一个是与蓝牙耳机配合使用的音频编码和信号发射模块，另一个是配合上位机使用的发射及接收模块。通过音量调节可保证医生听到清晰的心、肺音等。选择合适的听诊频段对临床鉴别诊断有着重要的意义，其中有效心音频段通常在30～500 Hz，肺音频段在100～1000 Hz[5]，因此，本设计主要收集处理的频段控制在30～1000 Hz之间。

图1 分体式蓝牙无线听诊器系统

2 分体式无线听诊器硬件电路及其功能

根据本智能听诊器的功能需求以及医疗仪器数字化、模块化、智能化的发展趋势[6]，确定硬件电路的技术方案。图2为听诊器硬件电路结构示意，其构成包括压电传感器1、信号处理模块2、第一蓝牙模块3以及第二蓝牙模块4。

图2 听诊器硬件电路结构

信号处理模块2包括放大/滤波电路21、模数转换电路22、音频编码电路23、和串口通信电路24。压电传感器1的主要功能是采集患者的心音信号，并将其转换成模拟音频信号。当信号处理模块2与压电传感器1连接后，通过放大/滤波电路21对信号进行放大和滤波，再通过模数转换电路22将放大滤波后的信号转换成数字音频信号。该数字音频信号可以同时被音频编码电路23和串口通信电路24采集，并根据需要各自处理，最后通过第一蓝牙模块3以及第二蓝牙模块4分别发送给外部的接听设备如蓝牙耳机/音响5和具有蓝牙接收功能的计算机6。

在其他的具体实施方式中，还可以根据需要设置多种蓝牙模块，对模数转换电路22产生的数字音频信号进行处理后发送至不同的终端。

2.1 心音传感器模块

心音传感器的作用是把人体中某些物理化学信息转换成与之对应的电信息，从而以电信号方式表征人体生理状态[7]，所以心音传感器是整个蓝牙无线听诊器的关键部件。本设计根据灵敏度、频率响应、信噪比、指向性等性能指标需求选择单一指向性强的压电薄膜传感器[8]。采用新型高分子聚合材料PVDF压电薄膜作为敏感元件，直接采集心脏搏动产生的振动信号，传感器表面形状设计成圆柱形，支承PVDF压电膜的方式采用梁式硬质基底支承[9]。设计中心音传感器与体表之间采用直接耦合方式，实现对20～1500 Hz信号进行有效采集(输出电压1.5 V)。同时，在其输出端连接射极跟随器以增加传感器的负载能力。

2.2 主控采集转换模块

主控模块为电子听诊器的核心控制模块，主要实现传感器模块、音频编解码模块和蓝牙模块之间的交换数据，以及对按键进行响应等。采用TMS320VC5416为主控芯片，其具有低功耗的特点，性能及封装尺寸满足要求[10]。处理速度最高可达160 mips。音频采集转换模块采用CM8608，其具有温度范围广(-40～80℃)、抗干扰能力强、低功耗的特性，且封装尺寸小，厚度仅为1mm，可直接驱动耳机。采用16bit的AD7705作为模数转换芯片，其具有两个全差分输入通道、可编程增益前端、增益范围1～128、出色的抗噪声能力和功耗仅为1 mW等优点，通过MS320VC5416串行接口进行通信。

2.3 蓝牙模块

为了既能实现无线听诊、多人会诊教学，又能实现上位机数据传输等功能，采用两个蓝牙模块，从而实现听诊与上位机同步工作。为实现高质量的信号传输，采用基于蓝牙高级音频分发协议的模块，型号为 SJR-BTN05E，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。上位机数据传输蓝牙模块采用CSR蓝牙芯片BC417143。该芯片采用Blue4.0，支持主或从模式、AT命令集、波特率2 400～1 382 400 bps，可以实现无线传输，并适用于嵌入式系统。

2.4 电源模块

医用设备电源的稳定性对于系统的抗干扰能力拥有不可忽略的影响。电源的噪声会叠加在需要处理的信号上造成信号失真，突发的、不可预知的电源瞬时波动也会对MCU造成较大的干扰，往往会造成芯片工作不正常、程序跑飞等严重后果[11]。系统采用3.7 V的锂电池供电，设计选用Texas Instruments 公司的低噪声、低压差线性稳压器 LP2985AIM5。锂电池充电电路选用单节锂电池充电芯片TP4056，该芯片尺寸小、外围配置元件少、电路设计简单，可对充电进程进行自动管理。TP4056具有恒流充电、恒压充电两种充电模式，适合USB电源和适配器电源工作。

2.5 心音信号处理

在心音信号的获取过程中，由于外界的各种干扰，很容易使其识别度受到严重影响，因此需要对心音信号进行处理，并且对后续的心音分析过程具有重要的意义。心音信号的处理过程主要包括心音信号的分帧、端点检测以及去除心音信号的噪声因子[12-14]。本设计采用小波分析法对心音信号进行处理。

假设心音信号如下：

F(t)=f(t)+τn(t)

(1)

式中：f(t)为原始心音信号;τ为噪声强度；n(t)为噪声。

对此心音信号进行离散小波变换：

(2)

式中：N为一帧心音信号的采样点数。对F(n)进行多次小波变换，可以得到一组小波系数，利用这些小波系数即可对原信号进行重构[15]。

3 上位机软件设计与功能实现

上位机软件可实现记录并可视化蓝牙听诊器传输的心音信号。首先和蓝牙无线听诊器配对，然后上位机虚拟出一个异步串行通口，心音数据都通过蓝牙无线电协议发送至此串口上，从而与上位机实现数据交换。上位机软件从虚拟出来的串行通信口接收听诊器发送的心、肺音数据，并依时间先后显示在屏幕上，形成一条心音实时曲线[16]。为了快速高效设计出初代上位机，选择美国国家仪器公司的可视化虚拟仪器开发软件LabVIEW作为上位机软件。上位机软件的界面如图3所示。

图3 上位机软件界面

系统工作流程如图4所示。在查找到蓝牙听诊器之后，发送开始采样代码进入采样循环。采样子程序如图5所示，采样时由定时器控制，每隔一段时间从接收缓冲区拷贝出所有数据，拷贝出来的数据进行均值处理后显示在图表中。在查找到设备之后，发送开始采样代码进入采样循环。采样时由定时器控制，每隔一段时间从接收缓冲区拷贝出所有数据，并进行均值处理，然后显示在图表中。

图4 上位机主程序流程

图5 上位机子程序流程

4 分体式蓝牙无线听诊器外观设计

分体式蓝牙无线听诊器外观设计主要从以下三方面考虑。

(1)听诊器的收音效果。听诊器头部采用密度较高的如钛合金、不锈钢等金属材料[17]会更佳，但如果手持端也采用金属材质则会影响蓝牙发射，导致信号不稳定。

(2)使用舒适度。如果全身采用金属材质，听诊器偏重，便携性差。

(3)产品生产工艺和维护检修等问题。

综合上述三方面，听诊器采用分体式设计，分为头部和手持端两个部分。头部采用钛合金或不锈钢材质；手持端采用ABS材料。其Solidworks设计如图6所示。

图6 听诊器外观设计

听诊器头部结构包括头部本体、防寒圈、盖子、听诊膜，如图7所示。

图7 听诊器头部设计

5 听诊器样机

分体式蓝牙无线听诊器样机如图8所示，其长度约为180 mm，头部端直径为60 mm；总重量约为100 g，如换为金属头，总重量约为350 g，与一部智能手机重量相当，满足便携需求。

图8 听诊器样机

6 验证

打开上位机软件，启动蓝牙与上位机连接，验证设计的有效性。该电子听诊器采集的正常心音信号波形在上位机软件中的显示如图9所示。通过该听诊器可以实现对心音波形的实施动态监控。

图9 心音信号波形

7 讨论

与目前市面上已有的电子听诊器如3M Littmann 蓝牙电子听诊器进行比较，分体式蓝牙无线听诊器在使用过程中，既可以从收音设备中听到心音，也可以在上位机中看到同步的实时心音波形图。其应用了双蓝牙模块实现音频信号与波形信号同步发送，而其他听诊器均未同时实现这两个功能。

另外，分体式蓝牙无线听诊器的头部端与手持端采取了分离设计，给工艺生产与售后维修带来了便利，这是目前其他研究中没有体现的。并且只要符合压电传感器和信号处理模块之间的通信标准，以及两个端部的机械结构标准，任何第三方都可以开发独立的头部端与手持端，给本产品的后续扩展带来了非常多的可能。

8 结论

分体式蓝牙无线听诊器实现了听诊与心音信号可视化同步，为信息共享、专家会诊、医院教学等工作提供支持。在应用场景中，医生可以持有分体式蓝牙无线听诊器，护士、患者等也可以持有，并可以实现远程诊疗，尤其在对如新冠肺炎等对被隔离的感染病患者进行诊疗时，医生可以不进入隔离区，有效实现了医患隔离。当配合蓝牙音响使用时，可以实现同一时间多人听诊，从而有助于临床会诊及医学教学工作。今后将进一步提升现有上位机的功能，提供更多的智能化模块，进一步发挥出经济和社会效益。