无线电子听诊器设计

董得鹏 胡丹

摘要：传统声学听诊器虽简单有效，但在新冠疫情下难以保证医生与患者的安全距离，且医生资源受到时间和地域的限制不能充分利用，为此，设计一种无线电子听诊器，该系统基于嵌入式处理器，应用无线传输技术通过 Zigbee 无线传输模块进行数据传输，配合前端电路，实现对心音信号的采样、处理及无线发送，医生可以在任何时间和地点安全会诊。

关键词：电子听诊器;Zigbee ;前置放大

心音、呼吸音是反应心脏和呼吸系统是否正常的重要指标，是心脏和呼吸系统疾病诊断时的重要信息依据。传统声学听诊器简单实用，听诊效果好，但医生和患者需近距离接触，且只能现场一人使用，不可异地或多人同时听诊，为会诊和教学带来不便，因此设计一款电子听诊器。一般电子听诊器在使用时引入的噪声较大，影响听诊结果的可靠性和准确性，需做降噪处理。本系统引入噪声小，低噪声放大后分离，再将信号幅值抬升到单片机A/D采集范围内，微控制器将模拟信号转换为数字信号后，通过Zigbee模块将数据无线传输，实现了对心音、呼吸音的有效提取及处理。

1.整体设计思路

由于由听诊器探头收集到的心音、呼吸音信号十分微弱，幅值约为30-60mV，这种大小的信号不能满足滤波模块的要求，必须进行信号的初级放大处理，总体设计结构图如图 1 所示。

2.前置级放大电路

由听诊探头收集的心音、呼吸音信号，首先要经由前置放大电路进行初级放大。根据噪声主要来源选用噪声较低的电路元器件和电路连接方式。同相放大电路可以满足对第一级放大电路的高输人阻抗的要求，适合设计成为低噪声放大器的基础电路。将数个放大器并联可以降低放大器源内阻，实现与信号源内阻的噪声匹配，减小放大器的噪声系数，达到最佳噪声系数。同时放大器平均值电路，也可达到降低噪声的目的。综合以上方法，设 计 出如图 2 所示电路图。

经理论验证，此放大电路达到了低噪声放大器设计的要求，最大限度上减少了噪声的引入，完成了对心音、呼吸音的低噪声放大。

3.滤波电路的设计

心音信号和呼吸音信号的频率范围分别为20-600Hz和100-1500Hz，将前置放大电路得到的信号分别经过心音滤波电路与呼吸音滤波电路，可以滤除频率分布范围外的噪声，得到对应的心音信号输出与呼吸音信号输出，同时可以减弱两者在听诊时相互之间的影响。

图3所示为心音滤波电路，心音的频率范围是 20-600Hz，为了将心音提取出来，将初级放大信号先通过一个截止频率为600Hz的二阶有源低通滤波器，再通过一个截止频率为20Hz的二阶有源高通滤波器，以实现对心音信号的提取。改变滤波电路中R 、C 的参数，可以得到所需呼吸音滤波电路。具体需要的滤波频段可以通過开关选择。

4.微控制器和Zigbee模块

通过上面几个环节的处理，该信号可被送入微控制器芯片的模/数转换口，将其转变为数字信号。本设计中 Zigbee 无线传输模块采用 TI 公司生产的新一代 2. 4 G 无线收发芯片 CC2530 为核心 ，芯片集成了增强型 8051 内核，内部采用流水线结构，指令周期短。芯片具有256 KB 的 Flash ，低功耗设计使得芯片在收发状态下的功耗都比较低，能够保证长时间工作 。同时，经前端电路处理后的心音信号（模拟信号），通过辅助输入引脚将该音频信号发送给电脑并以 wav 文件的形式进行储存和分析。

接收机系统中硬件设计包括以下接收部分：Zigbee 模块、微控制器，D/A转换器及功率放大器。Zigbee模块在空中接收来自发射机的信号并将其传送给微处理器。由于直接接收到的信号信号是以数字形式存在的，因此我们要想通过扬声器听到物理声音，就必须先将其转换成对应的模拟信号。该系统可利用网络及电脑的音视频接口将其心音信号的波形及声音客观的反应给地理位置上不同的听诊医生。

5结论

本系统不但可以将心音信号进行无线发送，当有超过一个接收器时，将有不止一位医生能听到患者的心音，它将增加诊断的准确性和方便医科教学。同时，该系统还可以将其信号文件存储在电脑中以作备查，具有精度高、功耗低、成本少的特点。目前，对心音信号解析和识别方法的研究是当前的热 点，将 频 谱 分 析 和 时 频 联 合 分 析 方法应 用 到心音特征的研究取得了丰硕的成果。因此，对心音信号时频分析的研究应用将是下一步工作的重点。

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作者简介

董得鹏（2000.6--），男，汉族，辽宁省建昌人，本科在读，自动化专业。

胡丹（1980.2--），女，汉族，湖北荆州人，讲师，自动化专业。