基于LABVIEW的远程电子听诊器研制

徐文慧 周艺 赵子叠 戴欢

摘  要：设计制作了一种基于LabVIEW的远程电子听诊器，以NI MyDAQ数据采集模块和LabVIEW软件开发平台作为基础，由服务端和客户端两部分组成。利用NI MyDAQ数据采集卡采集经由调理电路滤波放大后的声音信号，服务端利用LabVIEW显示出声音的波形，用DataSocket实现了客户端与服务端之间的通信，客户端接收采集到的声音信号，实时显示出波形并播放和保存音频。相较于传统听诊器，可远程听诊，音频存储回放。适用于隔离病房、远程会诊、社区诊疗等场景。测试结果表明：该系统工作稳定，可传输、显示和播放心音。

关键词：远程电子听诊器;LabVIEW;DataSocket;心音

一、绪论

中国在1999年便进入了社会老龄化阶段，60岁以上人口占到总人口的10%以上。据国家统计局数据，2020年中国人口60岁以上占比17.3%，预计2050年占比上升至34.6%，现已成为世界上老年人口最多的国家，也是人口老龄化发展速度最快的国家之一。我国心血管疾病患者已经超过2.7亿人，每年死于心血管疾病近300万人，占我国每年总死亡病因的51%。很显然，在中国人口老龄化的大趋势下，心血管疾病必定会是最普遍的疾病之一。对于心血管疾病，听诊是一种最基本、最常用的临床诊断的方法，尽管新的、高端的医疗器械不断涌现，听诊器依旧是必不可少的基本诊断用具。

听诊器是重要的诊断工具之一，医护人员诊断病患时，与患者密切接触，感染风险很大，若能使用远程听诊设备则可以大大降低医生感染的风险。最重要的是：在听诊过程中很多有价值的声音一闪而过，医生无法反复听诊，也无法分享。这不利于医生之间的交流，也不便于医学生的学习。目前随着医疗资源分布不均匀问题的凸显和人民健康意识逐步的提高，远程医疗、移动医疗、互联网健康管理已成为热点，而传统的听诊器更是需要跟随时代发展，借助现代通信、传感技术发挥出更重要的作用。

远程电子听诊器相较于传统听诊器有很多优势：一是采集的患者信息，例如心肺音等可被收集储存，有利于病人长期诊断对比治愈进度;二是远程听诊能在诊断传染性强的疾病时避免医生直接接触患者，降低医生受感染的风险;三是基于DataSocket数据传输，可以做到延迟小，且能保证较长距离的实时诊断。

综上所述，远程电子听诊器具有重要的研究价值和实用价值，适用于隔离病房、远程诊断、社区诊疗等场景，为医生装上“顺风耳”，解决患者数据远程采集困难的问题，提高远程医疗的便利性，降低患者随诊成本，在高传染性的疾病诊断中保护医生的生命安全。

二、总体设计

（一）设计目标

1.设计听诊器音频采集电路，能够将患者心肺音信号通过压电薄膜传感器转化为电压信号，通过带通滤波及陷波电路，过滤出干扰信号保留心音，最后将数据传输至患者端PC机准备进行软件滤波处理及数据发送;

2.在患者所在的PC机开发服务端程序，能够直接采集心肺音信号并进行四阶巴特沃斯滤波处理，将信号波形实时显示并通过DataSocket技术实现数据上传;

3.在医生所在的PC机开发客户端程序，能够实时读取DataSocket传输数据并通过扬声器进行心肺音播放，同时生成音频文件。

（二）系统方案及实现原理

“远程电子听诊系统”采用如图1所示的方案框图。系统以NI MyDAQ数据采集模块和LabVIEW软件开发平台作为基础，由服务端和客户端两部分组成。

技术流程是通过压电薄膜传感器获得病人的心肺音数据，使用调理电路和音频放大器放大信号，经过软件滤波，快捷准确的将病人的心肺音数据采集并存储下来。使用DataSocket技术可实现心肺音数据的传输，从而完成远程听诊。该项目适用于收治强感染性传染病医院、边远地区巡回诊疗、世界卫生组织专项医疗活动等场合。

1.患者发送端

由一台笔记本、NI MyDAQ模块、MAX9814音频放大模块、听诊头等组成。具体功能有：

（1）笔记本电脑通过NI MyDAQ数据采集模块采集MAX9814放大后的心音信号，并进行滤波处理，构成虚拟检验仪器;

（2） 在笔记本电脑显示操作界面，患者可实时观察到自己的心肺音波形数据;

2.医生接收端

由在互联网环境中的多台电脑和医生工作站等组成。具体功能有：

（1）在互联网环境中，不在患者身边的医务人员可通过DataSocket远程实时获得病人心肺音波形和音频文件，及时进行诊断和处理。

（2）医生在实时播放心肺音波形和播放音频的同时，可将病人的心肺音数据以音频文件形式进行存储，便于后续的复查诊断。

三、 技術方案

（一）硬件设计

1.听诊头：采用压电薄膜传感器及心音信号调理电路，将心音收集并作简易滤波处理输出模拟信号。

心音可听频段主要集中在20-600Hz。本设计利用压电薄膜传感器，将心肌收缩，心脏瓣膜关闭和血液撞击心室壁大动脉壁等引起的振动，转化为模拟电信号，便于后面的放大、滤波等处理。本设计中采用CM-01接触式传感器，由灵敏度好，性能稳定的压电薄膜结合一个低噪音的前置放大器电路组成，能以缓冲输出的方式提供唯一的声音和振动信号的拾取。在产品性能上，此传感器在10HZ以上的频率响应非常平稳。在频率特性和灵敏度等特点上，此传感器都能满足要求。

心音是人体的一种微弱的生物特征信号，在检测过程中可能会引入电磁干扰、呼吸音等，导致压电心音传感器输出信号的阻抗较大、信号幅度较弱、混入噪声与杂波，不利于后续信号的采集与处理。 因此需要设计相关的信号调理电路对压电薄膜传感器输出的心音信号进行处理。

心音信号调理电路主要使用缓冲电路、带通滤波电路、陷波电路、放大电路等对心音信号进行滤波处理。

带通滤波器是由电阻、电容组成的滤波电路，它可以有效过滤某特定频率或某特定频率以外的信号，从而获得需要的某个特定频率或过滤某个特定频率以后的信号。由于心音信号的主要成分集中在20—600Hz以内，因此本项目设计通频带为20—600Hz的带通滤波器对心音信号进行滤波，带通滤波器由低通滤波器与高通滤波器级联组成。Sallen-Key型滤波器是一种常用的二阶有源滤波电路，它的电路模型由运算放大器、电阻、电容组成，本电路基于Sallen-Key型滤波器设计低通滤波电路与高通滤波电路，再通过级联的方式构成带通滤波电路。

50Hz工频干扰是心音信号的主要干扰源，虽然前面的带通滤波电路使用了对共模干扰信号有较强抑制作用的NE5532运放IC，但仍有部分干扰以差模信号的形式留在电路中，其频率位于心音信号主要成分的频率范围之内。

2.MAX9814音频放大模块：具有AGC和低噪声麦克风偏置电路的麦克风放大器。该器件集成低噪声前置放大器、可变增益放大器（VGA）、输出放大器、麦克风偏压发生器以及AGC控制电路，可将听诊头输出的电压信号进行放大便于采集卡采集。

3.NI MyDAQ数据采集卡：数据采集是指设备对被测的模拟或数字信号，连续采集并送到上位机中进行分析处理。NI MyDAQ数据采集卡通过USB将采集的数据发送给计算机，在计算机上通过软件编程对数据进行集中处理。

（二）软件设计

1.服务端LabVIEW编程

在服务端（即患者发送端）编写数据采集、文件存储及上传程序，同时编写程序简要记录患者个人信息并接收诊断结果显示。

数据采集功能的实现是通过使用DAQ助手，该控件可方便快捷地从接口获取MyDAQ采集的模拟电压信号。数据流经四阶巴特沃斯滤波器接入波形图表，可以实时显示滤波完成的清晰心跳波形。

文件存储功能的实现是通过使用声音文件控件，通过输入地址，打开文件，写入数据操作实现。

数据上传功能的实现是通过在波形图表中进行数据绑定，并通过DataSocket进行传输，具体设置是在服务端设置波形图的属性进行数据绑定，数据绑定选择：DataSocket，访问类型：只写，路径选择DSTP服务器—DataSocket Sever—wave，URL：dstp：//localhost/wave。

2.客户端LabVIEW编程

在客户端（即医生接收端）编写数据接收及音频播放程序。LabVIEW程序前面板包含患者个人信息显示、心率波形显示、诊断结果输入及回传。

音频播放功能的实现是通过使用声音输出控件，通过配置音频格式，采样率及采样方式，再将波形数据写入声音输出并进行播放，从而实现传输音频数据的实时播放。

数据接收功能的实现是通过在波形图表中进行数据绑定，并通过DataSocket进行接收，具体设置是通过波形图设置属性进行数据绑定，数据绑定选择DataSocket，访问类型：只读，路径设置为dstp：// 192.168.43.161 /wave（服务端PC机IP地址）。

3.DataSocket技术

DataSocket是LabVIEW网络编程的主要技术，用于共享传输实时数据。它支持多种通信协议，通过统一的标识符URL确定通信地址和所遵循的通信协议。它基于Microsoft中Active X和COM技术，对TCP/IP协议高度封装，用户不需要掌握TCP/IP的底层编程技术就可以进行高层程序开发实现网络数据传输，从而简化通信程序的编写过程，提高编程效率。通过DataSocket技术与网络技术的结合，更方便的对远程数据进行采集、分析和处理，获得及时的信息与结果。利用DataSocket实现信号的传输。URL是DataSocket访问目标的唯一地址，DSTP协议所对应的URL格式为：dstp：//severname/dataitem。

工作原理是通过本机的IP地址将采集到的心音信号写入到DataSocket中，然后通过对方的IP将写入到DataSocket中的音频按照给定的格式输出，从而实现本机的音频采集和对方的音频输出。

四、结果测试

（一）实现步骤

1.硬件连接

将听诊头连接至放大电路，接通调理电路电源，输出端连接至MyDAQ数据采集卡的0+端，0-端接地，实现差分采集。MyDAQ的USB接入服务端PC机，实现数据传输至上位机客户端。

2.网络连接

将服务端与客户端两个终端PC机接入互联网。

3.配置DataSocket：

配置DataSocket Sever Manger，添加自定义变量，本系统中需建立一个波形图的数据项，通过Perdefined Data Items—New Item，在右侧Name改为WAVE，选择Initial Value（初始值）为数值。

DataSocket Sever负责监管Manger中所设定的具有各种权限的用户组和客户端程序之间的数据交换。DataSocket Sever不会占用测控计算机CPU的工作时间，因此测控应用程序可以运行的更快。Processes Connected显示的是连接端的个数，这里为服务端与客户端各两个。Packets Received为接收数据量，Packets Sent为发送数据量。

（二）波形测试

运行服务端程序，观察波形图表，若采集波形连续且形状较好则波形采集成功。观察波形图表右上角的信号提示，若为绿色则表示DataSocket连接成功，连接建立，数据传输开始，服务端程序运行时前面板如图2所示：

同时运行客户端程序，首先观察波形图表右上角的信号提示是否为绿色，若为绿色则表示DataSocket连接成功。再次观察客户端波形图表，若采集波形連续且形状较好则数据传输成功。在测试中，观察到客户端与服务端波形基本同步且延迟较短，说明本装置同步率较好，传输信息丢失率低。客户端程序运行时前面板如图3所示：

五、总结

本设计系统利用NI MyDAQ数据采集卡采集声音信号转化的电压信号，服务端利用LabVIEW显示出声音的波形，用DataSocket传输协议实现了客户端与服务端之间的通信，客户端接收采集到的声音信号，并实时播放和保存。相较于传统听诊器，可远程听诊，音频存储回放。具备较强的实用性和创新性。

通过使用基于LABVIEW的远程电子听诊器，医生能够远程实时获得患者的心肺音，综合其他数据进行实时诊断，尤其在传染病的治疗中，能够一定程度上保护医护人员的生命安全;音频的储存回放功能也打破了传统听诊的局限，有利于比较诊断、多人同时听诊;由于能够调节音量大小，本项目研制的电子听诊器能够减少因主观因素导致的误诊，提高诊断的准确性。

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