基于MEMS声振传感器的电子听诊器∗

孔春秀李欣宁赵俊庆梁尤海何政达赵成龙蔡春华万蔡辛魏 琦端木正∗

(1.北京信息科技大学光电测试技术及仪器教育部重点实验室，北京100192；2.北京碧唯科技有限公司，北京102206；3.无锡韦尔半导体有限公司，江苏 无锡214028；4.清华大学精密仪器系，北京100084)

由于心脏病临床诊疗方法的改善需求日益增加，有效心脏病无创早期诊断已成为近年来的研究重点[1]。心音是由心室壁、瓣膜振动及血液湍流共同形成的声音，含有心脏各部分功能状态的大量信息，是反映心脏健康状况的重要生理参数。定期心脏音信检查可以发现心律失常，帮助避免心脏并发症，有效的提高心脏病的防治水平[2]。通过数字化的电子听诊器对心音信号进行模数转换并分析相应频谱[3]，可以实现心血管疾病的精准有效的早期诊断[4]。通过无线通信和信息采集技术，可以实现患者的远程心音诊断[5]。基于大数据的神经网络算法可以实现异常心音的自动诊断[6]。通过对特征心音的分类，可以聚焦于不同类别的心脏病早期诊断[7]。电子听诊器必须对心音在20 Hz~400 Hz范围和肺音在100 Hz~1 200 Hz范围内敏感响应，并通过滤波算法滤除超过这些频率范围的声音[8]。通过传感器内部结构设计，可以实现高信噪比的电子听诊器[9]。

现有的硅麦克风已经广泛应用于工业产业[10]，相应的电子听诊器使用传统麦克风传感器进行心音采集，只能得到一定频率范围内的心音信号，然而正常心脏的跳动频率为1 Hz~2 Hz，其本身的低频振动包含大量心脏生理信息，可以应用于心脏病诊断。基于此，本文设计了一种基于新型MEMS声振传感器的电子听诊器，所使用的声振麦克风敏感于低频振动信号同时对声波信号也有良好响应，可以采集包含心脏低频振动的心音信号，测量结果可以应用于精准无创心脏病的早期诊断。

1 MEMS声振双通麦克风传感器设计

心脏跳动过程中具有特定的低频振动特征，传统电子听诊器采集心音信号时无法感知心脏低频振动信号。本文设计了一种新型声振双通传感器的微机电系统(MEMS)，通过在振动膜上添加惯性质量块的方法采集振动信号，声振双通是指该传感器能采集到声波及振动两种信号。该振动传感器的主体结构包含基材、振动膜与固定膜(图1(a))。振动膜为导电材料，振膜结构可在基底与背极之间自由振动，与背极形成可变电容。振膜结构中上下表面的惯性质量块，带动振动膜振动，从而可以用于感知振动信号的变化。传感器采用微帽封装技术，拾音孔位于传感器底部，其外尺寸如图1(b)所示。该MEMS固定在被测物上可以采集有振动信号同时，通过拾音孔可以采集声波信号，因此适用于检测心脏心音及振动信号的采集。

图1 基于MEMS技术的声振双通麦克风传感器

2 电子听诊器总体设计方案

为了实现无线电子心音听诊器的功能需求，设计如图2所示系统总体方案。该方案主要包括信号采集模块、信号处理模块、主控模块和上位机显示模块。数据采集模块基于新型MEMS传感器采用两种听诊模式得到单纯心音信号和心音心振信号，数据分析模块进行数据转换和频谱分析，从而可以得到心脏低频振动信号。

图2 系统结构图

2.1 主控模块

电子听诊器主控模块由核心控制模块、传感器模块、信号处理模块和上位机模块组成。本文中的电子听诊器的核心控制模块采用STM32单片机的32位开发板，其具有512 kbyte FLASH，16 Mbyte SPI FLASH，采用方型扁平式封装技术(LQFP)；传感器采用本文所设计的振动与音频传感器声振MEMS；信号处理与上位机显示均使用LabVIEW软件。完整的电子听诊器如图3所示。在该电子听诊器的设计中，单片机采集到的数据经过处理后，使用VISA控件控制串口连接单片机与电脑，实现数据传输功能，通过软件将信号进行处理进行频谱分析。

图3 电子听诊器

2.1 信号采集模块

信号采集模块主要依靠传感器的放置位置来控制听诊方式。只采集心音信号时，采用间接传导型听诊方式，将传感器置于谐振腔上方，心音信号经由谐振腔聚拢回声之后传播到传感器接收端，其结构如图4(a)所示。采集心音和振动信号时，采用直接传导型听诊方式，将声振MEMS固结在听诊头的谐振膜上，当心振信号由谐振膜带动直接传导到传感器的接收端，心音信号同样经由谐振腔聚拢回声之后传播到传感器拾音孔处，其结构如图4(b)所示。通过两种采集方法采集得到单纯心音信号和心音心振信号，将两种信号进行差值相减，即可得到心脏振动信号。

图4 听诊器不同听诊模式

2.2 信号处理模块

心音电子信号是一种比较微弱的信号，通常数量级都在毫伏级[11]。在心音信号的获取中，由于外界存在环境音、人体存在呼吸音等各种干扰，很容易对该信号产生严重影响，因此需要对获取到的心音信号进行一定的放大滤波处理。由于心肺振动及音频的频谱范围为0~1 500 Hz，因此设计截止频率为1 500 Hz左右的低通滤波放大电路，保留低频有效信号，滤除高频干扰信号，提高该电子听诊器的信噪比。

3 实验结果与分析

为了验证基于声振麦克风的电子听诊器设计的有效性，将通过采集数据与标准检测结果对比并进行信噪比分析来对其进行测试[12]。胸骨下方第三肋间部位通常为心脏基底部，左侧锁骨中线附近第四和第六肋间部位为心尖部位。心尖部位发生心尖收缩，因此通常是最强搏动点(PMI)[13]。使用电子听诊器采集数据时，被测者平静坐在椅子上，将听诊头按压于心尖部位，进行波形显示与数据采集存储。

间接传导型听诊模式采集到心音信号如图5(a)，通过傅里叶变换得到其频谱分析(图5(b))。该电子听诊器心音波形与标准心音波形具有极高的相似性，频谱显示心音信号主要集中在1 000 Hz以下，证明高频干扰信号已被滤波电路有效去除。直接传导型听诊方式采集到心音与心振信号如图5(c)，对该信号进行频谱分析如图5(d)。通过对比可以发现，心音与心振信号中低频信号波动更为明显，低频振动信号更加丰富，证明已经采集到心脏低频振动信号。

图5 间接与直接心音信号

为了验证该电子听诊器的有效性，测量并收集了电子听诊器置空采集时的数据，并根据下式进行了信噪比(SNR)的计算[14]:

式中:xi为信号采集数据点的振幅，ne为听诊器空置时的噪声数据点振幅。经计算，该电子听诊器在检测信号时的信噪比为8.6 dB，与美国3M电子听诊器相比提高了24%[4]，其在1 kHz/0 dB，10 kΩ的测试环境下失真率小于1%，放大倍数为25，相比现有国产电子听诊器的失真率1.5%以及放大倍数24均有所提高，表明采集的听诊信号满足应用要求。

将采集到的两种信号进行差值处理，得到心脏低频振动信号如图6(a)，并对其进行了200 Hz以下的频谱分析(图6(b))。心脏振动信号与心音信号相比表现出了极大的相关性，有效信号主要集中在60 Hz以下，并且出现了低于20 Hz的非可听音频域的低频振动信号。通过傅里叶反变换，可得到20 Hz以下的信号如图6(c)所示。所以说，本文提出的基于MEMS声振传感器的电子听诊器所采集的低频振动信号，可以作为新的心血管疾病诊断方法。

图6 信号差值处理

4 结论

本文通过在MEMS声振传感器的振膜结构上添加质量块，实现了用于检测包含心脏低频振动信号的电子听诊器设计。该电子听诊器一方面具有较高的SNR，能够满足常规电子听诊器的准确性要求，另一方面可以采集到低频心脏振动信号，为心脏病的诊断提供了新思路和方法。实验表明利用本文设计的电子听诊器获取得心脏低频振动信号特征，并结合临床，可用于分析心血管相关疾病的早期预防。