基于蓝牙的无线听诊器及应用APP设计

吴轩逸 陈伟 严克华

摘  要：传统听诊器在面对新冠病毒感染等传染病时有着很大的缺陷，为此设计一款无线听诊系统。该系统主要由听诊器装置和安卓应用程序两部分组成，能够实现无线监听用户心音，并集绘制心音图、数据存储和共享等功能于一体。该系统成本低、实用性强，适用于医院、家庭等多种场合，解决远程采集患者心音数据的难题，提高了医疗便捷性，并且有利于无线听诊和移动医疗的推广应用。

关键词：无线听诊；移动医疗；心音；移动端应用程序

中图分类号：TP311；TH776  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）03-0155-05

Design of Wireless Stethoscope Based on Bluetooth and Application APP

WU Xuanyi， CHEN Wei， YAN Kehua

（Electronic Information School， Wuhan University， Wuhan  430072， China）

Abstract： The traditional stethoscope has great defects in the face of COVID-19 infection and other infectious diseases， so a wireless stethoscope system is designed. The system is mainly composed of stethoscope device and android application， which can realize wireless monitoring of user's heart sound， and integrates the functions of drawing heart sound map， data storage and sharing. The system has low cost and strong practicability. It is suitable for many occasions such as hospitals and families. It solves the difficulty of remote collection of patient's heart sound data， improves the medical convenience， and is conducive to the promotion and application of wireless auscultation and mobile medical.

Keywords： wireless auscultation; mobile medical; heart sound; mobile terminal application

0  引  言

心血管疾病已成为威胁我国居民生命和健康的重大公共卫生问题，每年死亡人数达400万例以上，是城乡居民死亡的首位原因[1，2]。虽然心血管疾病的诊断越来越多地依赖于先进的检查设备，但听诊仍然是临床医生不可缺少的常规检查手段[3]。使用传统声学听诊仪进行心脏听诊，存在着无法调节音量、容易受噪声干扰等缺点，依赖于医生有丰富的临床经验及熟练的听诊技能[4-6]。同时，人们对于健康的日益重视，使得对于无线听诊产品的需求日益上升[7]。

自2019年新冠疫情开始，到如今全球疫情情况的严峻，在评估肺炎患者的健康状况时，评估肺和心脏状态是至关重要的[8]。根据胸部CT图像、PET/CT获取的临床大数据和人工智能辅助诊断，可发现患者早期肺部隐患。心肺CT、超声心电图和心脏磁共振成像可显示患者的心脏损伤，但是这些方法都受到了仪器设备、专业人员复杂的操作流程的限制，以及一定程度上射线辐射会对患者健康造成损伤；再加上有些诊断方式需要医务人员和肺炎患者直接接触，不断有医务人员被感染，这都增加了抗击疫情的难度。

本文设计了一套基于蓝牙的无线听诊系统，在上位机APP端实现了心音数据的可视化显示、心音数据的存储以及共享。

1  系统总体设计方案

本文设计并开发了一款能够远程实时监听用户心肺音，并集绘制心音图、存储和分析数据等功能于一体的无线听诊系统。本系统主要由两个部分组成，即听诊器装置和其配套的APP。系统总体实现方案如图1所示，心音传感器用来采集用户的心肺音并将其通过蓝牙传输到手机端。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100～1 000 Hz[9]，因此，本设计主要收集处理的频段控制在30～1000 Hz之间。而APP接收到来自听诊器装置的数据后，可以供使用者实时播放，并绘制相对应的心音图，得到用户的心率等信息，每次记录的结果还可以存储起来供后续分析。

2  无线听诊器硬件电路及功能

2.1  心音传感器模块

本系统的心音传感器采用CM-01B接触式传声器，主要分为两个部分，前部分是一个灵敏度高且稳定性好的压电薄膜，后部分是一個用于将压电薄膜产生的电荷信号放大为可测量电压信号的低噪声电荷放大电路。同时前端压电薄膜处为一绝缘橡胶垫，可避免在接触人体时产生50 Hz工频干扰。

2.2  前端放大电路

前端放大电路选用了LM358放大模块，该模块为交流电压信号放大；放大信号同时可供功率输出驱动使用，支持输出直接接到喇叭或耳机。该模块的内部系统框图如图2所示。

经过测试，该模块放大后的信号波形如图3所示，这个模块能够在放大心音信号的同时，最大可能的抑制噪声的产生并放大心音信号的功率，使得最后所得的放大信号波形最接近真实心音信号，能够完全满足后续采样和分析的需要。相比于其他的几种放大电路，这个模块所得到的效果最好，也成为本系统放大电路的最终选择。

2.3  中央处理器

为了实现将采集到的心音数据传给上位机软件APP，需要有一个中央处理器，其主要工作是对调理电路预处理过的模拟信号进行AD转换，转换后利用蓝牙模块将数据上传至手机。STM32 MCU具有低电压、低功耗、高性能的优势，同时相对于市面上其他单片机，STM32集成度更高且开发更加简易。配套的开发软件以及丰富的系统生态使得STM32成为市面上最主流的单片机之一，本设计计划采用STM32F103C8T6芯片，作为市面上非常主流的一款处理器，STM32F103C8T6在本系统中负责实现心音数据的ADC转换和蓝牙传输，具有成本低、系统功耗低、引脚数目少等特点[10]。由此，我们选用该芯片作为本系统的中央处理器。

2.4  蓝牙模块

在综合对比了如蓝牙、ZigBee、Wi-Fi和NFC等当前主流的一些无线短距离通信方式后，本系统决定采用蓝牙作为下位机与上位机的通信方式[11]。本系统采用的蓝牙模块为正点原子的ATK-HC05主从一体蓝牙串口透传模块，其功耗低，传输速度快，尺寸较小仅为16 mm×32 mm，传输距离约为10 m，模块内置了2.4 GHz天线，是本系统所需蓝牙模块的最佳选择[12]。并且其功能都是通过AT指令集控制，通过该指令集可以设置模块的波特率、切换主从状態等，使得编程方便快捷。HC-05支持从4 800～1 382 400 bit/s间的标准波特率，由于手机上的很多蓝牙助手都是采用的9 600 bit/s的波特率进行传输，故本系统中波特率设置为9 600 bit/s。

3  软件设计及功能

3.1  STM32代码设计

3.1.1  ADC采样

要实现心音数据的存储及共享，就需要将电压形式的心音模拟信号转换为数字信号，这就需要进行ADC转换。根据本系统的需求，由于只需要采集唯一一个心音传感器的电压信号然后传输给上位机，因而可以采用单通道单次模式。由于本系统只采用一个转换通道即可，所以采用规则组[13]。

由于心音信号频率为20～800 Hz（周期为1.25～

50 ms），本系统规定1周期62个采样点，则每2个采样点最小间隔为1.25 ms/62=20 μs。此处ADC可编程的通道采样时间选择239.5周期：ADC_SampleTime_239Cycles5，则ADC采样周期一周期大小为20 μs/239.5，由此算得ADC时钟频率约为12 MHz。而在本系统中所配置的STM32F103C8T6的系统时钟频率为72 MHz，所以采用PCLK2 6分频作为ADC的时钟：RCC_PCLK2_Div6。

ADC采样流程设计如图4所示。

3.1.2 蓝牙传输代码设计

本系统采用的正点原子的ATK-HC05蓝牙模块，该模块作为一款常用的主从一体的蓝牙串口模块，受到了很多电子开发者的青睐，在使用时先将蓝牙模块与STM32进行串口连接，即交叉连接其Rx和Tx引脚，当HC05蓝牙模块与上位机蓝牙配对连接成功，STM32可直接将蓝牙当作串口用，当STM32向该串口发送数据，蓝牙模块将自动获取该数据并发送至匹配好的上位机APP端，从而实现心音数据的蓝牙传输，基于这样的思想，我们设计了本系统蓝牙传输部分的代码。

蓝牙串口通信流程如图5所示。

3.2  手机APP的实现

设计的系统APP实现流程如图6所示，本系统将医生端和患者端共同设计在一个应用程序中。患者端通过蓝牙来接收听诊器采集处理后的数据，在页面中将数据定位在坐标轴中，并通过折线连接形成可见的动态的心音波形图。心音数据可以通过APP保存在本地，和传至医生端的APP中显示。在医生端可以打开患者的心音数据，将其以心音波形的形式展示，医生可以根据心音波形图对患者进行诊断，并给出合适的诊断意见。程序APP功能主要有注册登录模块、心音波形模块、数据存储模块、蓝牙传输模块、评价信息模块。

3.2.1  注册登录模块

APP的用户注册登录界面如图7所示，当用户打开医患心音诊断APP时首先进入登录页面，用户首次使用需要先注册个人信息并选择用户类别医生或患者。根据用户类别不同展示的页面将有所差异，输入用户名和密码后系统将在数据库中进行匹配，若匹配成功即可成功登录进入软件主页面。系统还提供了保存用户名和密码的功能，方面用户之后的登录。

3.2.2  心音波形模块

手机APP端的心音波形模块实现了将心音信号数据实时显示为波形，为医生提供可视化的心音信息波形参考。通过这种直观的方法察觉患者的心音的状态，医生可以更快更准的进行诊断。

这一模块的功能是患者端和医生端共有。心音波形是根据数据形成一个个点连成折线进行绘制的。在患者端，蓝牙连接无线听诊器设备后，即刻开始录制心音数据，实时显示波形。因为心音数据来源是从蓝牙不断接收到的，所以心音波形将在每次数据到来进行刷新的动态显示，如图8（a）所示。而在医生端，用户点击查看文件即可直接查看完整的心音波形。因为心音数据来源是数据库，数据是完整的、静态的，所以心音波形也将静态的进行显示，如图8（b）所示。

3.2.3  蓝牙通信模块

在Android Studio开发工具中引入android.bluetooth的工具包，之后可以调用这个包中的蓝牙通信相关的API接口函数。其中BluetoothAdapter类代表蓝牙适配器，通过使用这个类和相关的接口函数可以实现发现蓝牙设备、开启蓝牙权限、实例化蓝牙设备、查询绑定设备等功能[14]。

在上传心音数据页面有一个连接按钮。当点击该按钮后首先进行蓝牙权限的获取如图9（a）所示，接着打开蓝牙、查询蓝牙是否连接、查询蓝牙设备的操作。在查询到蓝牙设备后，选择无线听诊器设备进行连接即可，如图9（b）所示。

3.2.4  数据存储模块

手机端APP接收到心音数据后，用户可点击结束，然后心音数据将会上传至数据库。患者可随时查看到上传的历史心音数据，实现了心音数据的存储功能。此外医生可查看到患者上传的心音数据，实现了心音数据的共享功能。存储和共享功能使得听诊摆脱了实时性的限制，便于用户日后咨询其他医生及线上问诊，这将有助于提高心肺诊断的准确性，且有利于“互联网+医疗”的发展。

在Android Studio开发工具中利用SQLiteOpenHelper类来管理数据库。它的方法getWritableDatabase（）可以创建或打开一个现在的数据库[15]。对构造方法重写可以建立自己的数据库。建库后可以通过执行SQL语句进行建表、插入数据、查询数据的操作。根据项目需要建立三张表提供数据支持，分别为用户信息表、医生评价表和心音数据表。

用户信息表中保存有以下信息：用户名、姓名、密码、编号、电话、性别、地址、类别（0患者1医生）。用户信息表负责管理用户注册登录的相关信息，在进行注册和登录的操作时监护插入用户信息以及查询用户信息。

医生评价表保存的信息有：编号、心音编号、评价内容、评价人、评价时间。医生评价表负责管理医生对于患者的诊断意见，在医生填写诊断意见时，向表中插入数据；在患者查看自身心音数据文件时，向数据库的表中查询数据。

心音数据表保存的信息有：编号、患者用户名、心音数据、上传时间、是否评价（0否1是）。心音数据表负责管理患者的心音数据，在患者记录心音时，向表中插入数据；在患者查看自身心音数据文件时，向数据库查询数据，若有评价还要根据心音数据在评价表中查询评价；在医生查看患者心音数据时，向数据库查询数据。

3.2.5  评价信息模块

该模块的功能是借助于数据存储模块实现的评价信息存储功能和心音波形模块实现的心音波形绘制功能共同实现的。

醫生端在患者将录制的心音数据保存上传之后，可以在页面上查看到患者的心音数据文件，点开后将进入评价信息页面。该页面展示的是患者的心音波形，这个波形的展示是根据查询心音数据表得到的数据再借以心音绘制功能将心音图像绘制出来，呈现给医生一个静态完整的心音数据。医生根据该图像对患者进行诊断，将诊断信息写入评价栏目框后保存，如图10（a）所示。相应的数据库在评价信息表中插入一栏数据进行记录存储。

患者端根据用户信息查训心音数据表和评价信息表，并将心音数据借以心音绘制功能将心音图像绘制出来，呈现给患者一个静态完整的心音数据。若该份文件被医生诊断过，诊断信息也将会在页面中显示，如图10（b）所示。

4  结  论

本文的无线听诊系统实现了实现心音信号的可视化，以及数据的存储和共享。在实际应用时，患者端持听诊装置，上传自己的心音数据，就可在手机上等待自己的诊断结果，而医生无需靠近病人，就可以在手机上对病人进行诊断并给出意见。这种远程听诊方式将传统的线下听诊转移到线上，一方面在现行防疫政策下可以降低一定的人流量，另一方面提高了患者看病的便利性和及时性，对于新冠感染的防治有重要的作用。同时，无线听诊的实现对于心血管疾病的预防和治疗也能起到一定作用。今后将进一步优化听诊模块和手机APP的功能，发挥出更大的社会和经济价值。

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作者简介：吴轩逸（2001.04—），男，汉族，江西抚州人，本科在读，研究方向：通信工程；陈伟（2000.10—），男，土家族，重庆酉阳人，本科在读，研究方向：信息安全；严克华（2002.10—），男，汉族，重庆秀山人，本科在读，研究方向：电子信息工程。

收稿日期：2022-09-13

基金项目：省级大学生创新创业训练计划项目（S202210486172）