一种适用于传染病患者的电子听诊器设计

杨海宁，刘 佳，杨慧宁，霍 江，杨淞友

（1．武警青海省总队医院，西宁810007；2．解放军总医院第五医学中心输血科，北京100039；3．解放军总医院第三医学中心疾病预防控制科，北京100039）

0 引言

听诊是医学上监测、评估心肺功能，诊断心肺疾病的重要方法，特别是面对新型冠状病毒肺炎(以下简称“新冠肺炎”)患者等病情变化快，需要医生实时、及时作出判断的传染病患者，听诊具备超声、影像检查等无法比拟的优势。目前临床上采用的听诊器以传统声学听诊器为主，其优点在于成本较低、操作简单，但针对传染病患者，却暴露出许多不容忽视的缺陷，例如：无法调整音量强弱、受环境噪声干扰大，影响临床诊断；胶管长度有限，限制了听诊距离，无法实现远程听诊，增加了医护人员暴露感染的风险；仅供单人使用，无法共享，难以满足临床会诊需求等[1-2]。特别是在突如其来的新冠肺炎疫情中，上述缺陷更为凸显，在医务人员“全副武装”的情况下，传统听诊器完全无用武之地。

近年来，随着电子科技的发展，电子听诊器应运而生，并且得到了较快发展。如张雷等[3]研制了一套便携式一体化远程检诊箱，箱内有一款蓝牙电子听诊器，但由于其操作较为复杂，不适合普及使用[4]。骆懿等[5]设计的电子听诊器主要是将听诊音通过蓝牙技术传到上位机软件，实现实时显示、保存与回放等功能，但此类电子听诊器大多依赖上位机软件，可移植性存在欠缺，同时电量消耗也相对较多，不便于携带与使用[6]。另外，从目前市场上看，真正能够普遍应用到临床的电子听诊器仍较为稀少，且价格昂贵，不适用于常规听诊[7]。比如3MTM Littmann 3200型电子听诊器价格就高达8800元，一般品牌的电子听诊器最低价格也高至上千元，超出传统声学听诊器价格的几十倍甚至上百倍，较大限制了电子听诊器的临床应用[8]。

针对上述问题，本文设计了一种基于蓝牙技术的简易分体式电子听诊器，其具备操作简单、功耗低、体积小、价格低等优点，旨在推动电子听诊器在远程医疗、联合会诊等临床实践中广泛应用，切实解决防护、隔离状态下传染病患者的听诊难题。

1 总体设计

1.1 功能需求分析

该电子听诊器应当具备以下功能：

(1)远程听诊。远程作为非接触式诊疗方式，是疫情期间广泛应用的救援手段。要真正解决防护、隔离状态下传染病患者的听诊难题，远程是关键。故电子听诊器应采用分体设计，利用蓝牙等无线传输技术实现远程听诊功能。

(2)多人听诊。会诊是医疗中为解决特殊、疑难病症诊断、治疗问题的一种重要的诊疗工作方式，尤其对于致病机理不明、病情变化复杂的新发传染病，其作用更为凸显。电子听诊器设计应纳入多人听诊功能，以满足会诊需要。

(3)听诊实时性。听诊的实时性是传统声学听诊器的特征与优势，也是影响听诊诊断质量的关键因素，在电子听诊器研究设计过程中应予以着重考虑。所研制的电子听诊器需对听诊音信号进行实时采集传输，保证在远程听诊过程中信号不延迟。

(4)音量可调性。听诊音量的大小也是影响听诊诊断质量的重要因素之一，听诊音过大，易损害医务人员的听力，过小则易遗漏关键听诊信息。传统听诊器基本无法实现听诊音量的调节，因而电子听诊器应将音量可调性作为主要功能之一纳入设计考虑，以满足不同人员对听诊音量的选择需求。

1.2 技术指标与设计要求

1.2.1 技术指标

(1)环境适应性：工作环境温度范围在10～40℃；

(2)采集方式：收音组件，包括拾音器和声电信号转化装置；

(3)传感器频率选择：根据中心音主要频段(20~600 Hz)及心肺音主要频段(50~2000 Hz)选择传感器频率覆盖范围为20~2000 Hz；

(4)终端接收方式：蓝牙耳机；

(5)终端接收频率范围：20~25000 Hz；

(6)电源：USB充电电池，容量不小于800 mAh。

1.2.2 设计要求

(1)高标准性能。听诊是辅助医生诊断心脑血管、呼吸系统疾病的重要方法，必须保证心肺音的采集与传输质量，减小环境噪声及其他医疗设备仪器的电磁干扰。

(2)超简易操作。电子听诊器中所涉及的仪器按键布局应当合理、便于操作并符合一般医务人员的使用习惯，同时在设计中还应满足医疗仪器相关标识的使用要求。

(3)价格低廉。价格昂贵是限制电子听诊器在临床广泛应用的重要因素，低成本设计、摒弃上位机软件等高成本要素，有利于提高其市场竞争能力。

(4)耗能低。听诊器是医务人员常用的仪器之一，如若使用中需要频繁充电或者更换电池，易引起医务人员反感。因此在设计过程中应首选低功耗元器件作为硬件。

(5)便于整体消毒。近年来，听诊器作为医院感染潜在传播媒介逐渐受到重视[9]。电子听诊器的消毒设计是不容忽视的重要方面，整体消毒的设计要求可以有效避免交叉感染。

2 电子听诊器硬件设计

2.1 外观设计

电子听诊器采用分体式设计，包括听诊器手持端和无线蓝牙耳机两部分，如图1(a)、(b)所示，并设计有听诊器收纳盒，用于听诊器和蓝牙耳机的存放与充电，如图1(c)所示。

图1 电子听诊器结构示意图

2.2 内部设计

按照便于医务人员使用习惯的操作方式，设计了其硬件主要包括拾音模块、主控模块、蓝牙模块及电源模块。其中拾音模块主要由传感器组成，采集听诊音信号并将其转换为模拟电信号。模拟电信号经音频解码器处理后送入主控模块，数模转换后驱动耳机实现实时听诊，通过蓝牙模块完成听诊音信号的无线传输。电源模块负责对上述各模块进行供电保障。

2.2.1 拾音模块

拾音模块由拾音器和声电信号转化装置组成，是听诊器的关键部件。根据灵敏度、频率响应、信噪比、指向性等性能指标，本设计中选择单一指向性的电容式传声器作为传感器[2]，灵敏度为20 mV/Pa，频响范围为20~20000 Hz，信噪比在58 dB以上，与体表之间采用直接耦合方式，有效地覆盖了20~2000 Hz心肺听诊音的主要频段，满足了技术指标要求。

2.2.2 主控模块

主控模块为电子听诊器的核心控制模块，即信号传导解析手柄(包括粗、细中空导管及硬橡胶手柄)内的核心部件，主要实现传感器、音频编/解码器、蓝牙之间的数据交换以及相关按键的响应等。本设计中主控芯片选用STM32F405R GT6，其最高运行频率可达168 MHz，性能优越。同时STM32F405RGT6运行功耗仅为238μA/MHz，且提供了睡眠、停止、待机3种不同的低功耗模式，具有低功耗的特点，满足设计要求[2，8]。

2.2.3 蓝牙模块

蓝牙模块是实现高质量远程信号传输的技术基础。本设计通过蓝牙传输、接收模块与无线蓝牙耳机进行蓝牙配对，实现声电信号实时、保真传输。主要选择蓝牙高级音频模块，型号为SJR-BTN05E，数据传输速率可达2.1 Mbit/s，待机模式下电流仅2 mA，因此，具有功耗低、封装尺寸小、成本低、数据传输速率高等优势。该模块自带天线，具备良好的射频距离，能够穿透隔离服，满足设计要求[1]。

2.2.4 电源模块

电源的稳定性对于电子听诊器的抗干扰能力具有不可忽略的影响。本设计主要采用3.7 V的锂电池供电，电池容量为1000 mAh，充电选用单节锂电池充电芯片，芯片的尺寸较小，所需的外围元件较少，电路简单，具备恒压与恒流2种充电模式，适合USB接口充电，满足设计要求。

3 创新点

3.1 降低暴露风险

本设计对手持式听诊器和分体式无线耳机加以组合，使手持式听诊器不受距离限制，耳机可直接佩戴在隔离防护服内，通过触摸方式开关机，无需医生反复摘取，最大限度地降低了医护人员的暴露风险。

3.2 避免交叉感染

由于采用分体式设计，听诊器部分不与耳机直接连接，医护人员可以手持听诊器手柄部分进行听诊操作，尽可能地避免了与患者的直接肢体接触。听诊器和耳机均可耐受酒精或消毒液的喷洒或擦拭，可在每次听诊后及时消毒，从而有效避免交叉感染。

3.3 实现多人听诊

本设计可通过蓝牙配对多个耳机，在需要多人会诊或教学查房时可由1人操作听诊，多人共享听诊心肺音，有效缩短了听诊的操作时间，提高了会诊、教学查房的效果。

4 结语

本研究设计的简易分体式电子听诊器具有远程听诊、多人听诊、操作简便、成本适宜等特征，基本能够满足传染病患者的日常听诊与会诊需求。与传统声学听诊器相比，本设计基本解决了传染病患者无法适用的种种弊端，同时也通过简易、廉价的设计考虑，在一定程度上改善了当前市场上电子听诊器价格昂贵的现象，对促使此类电子听诊器在临床中推广使用起到了积极作用。目前本设计仍处于初步阶段，在追求简易、廉价的同时必然会导致功能上略显单一、技术上略显单薄，比如没有设计声音储存功能、声波记录功能及计算机辅助诊断功能等。虽然这些功能技术不可或缺，但不是现阶段应该关注的重点，只有电子听诊器能够真正推广应用，这些附加的功能才会显得更有意义。相信随着人工智能医学的不断发展、医学电子技术的不断成熟，在严格控制成本的前提下，电子听诊器的性能也将会不断改良与完善，在临床诊疗中发挥更大的作用。