新型多功能智能聽診器的設計

臨沂大學汽車學院 馬西賀 王春梅 付 曉 李兆備

引言

為獲取人體或動物體內的重要的生物音，聽診器不失是一種科學有效的醫學儀器。自1816年法國醫生雷納克所發明以來，聽診器便普遍運用于醫學方面，對心臟、腸胃等方面疾病的判斷與治療有顯著成果。聽診器可分為聲學聽診器與數字聽診器，兩種聽診器的主要功能都是為得到心臟和肺部的有效聲音信號。據了解，聲學聽診器自1816年誕生以來已被廣泛應用，而近期開發出來的新型設備——數字聽診器因其優良的性能也漸漸被人熟知。筆者設計的數字聽診器在使用中不僅保留了聲學聽診器的原有優點，而且極大的提高了對微弱聲音信號檢測的能力。在反復試驗的基礎上筆者還開發了供多人監診并能準確高效的記錄、儲存、顯示和進行縱向與橫向客觀比較功能。

該聽診器具有如下特色：（1）可以輕易捕捉到人體內部器官發出的一些非常重要的聲音，如在醫學上通常用來聽診人體的心臟，脈搏等器官發出的微弱聲音；（2）在監測基本的身體特征方面更為廣泛使用。例如在進行血壓測量時放大脈搏跳動發出的聲音，極利于醫生的準確診斷；（3）在心血管方面，不僅用來聽成人的心率，心音，血管雜音，也可以用來聽診胎兒發出的微弱心音。

1 系統總體結構

系統整體設計思路如圖1所示，智能聽診器探頭將人體的心音、呼吸音等生理聲信號準確采集出來，通過轉換電路模塊變成原始的電信號。將原始信號經初級放大后輸入到濾波模塊，以便可以得到清晰的心音效果。經過濾波模塊對信號進行濾波和去噪聲處理后，微弱心音信號將被進一步送入主放大模塊進行放大處理。在主放大模塊中，模擬信號分兩路，一路送入功率放大模塊，處理后的信號將用于驅動耳機或音響。另一路則送入主控模塊，經A/D轉換電路模塊處理后轉換為易懂的數字信號，并且經過單片機送入液晶模塊進行波形顯示，電源由電池組以及穩壓電路構成，負責對各個模塊提供電能。

圖1 系統整體設計框圖

2 電子聽診器硬件電路設計

2.1 拾音頭的制作

最終決定本智能電子聽診器信號鏈路是否滿足實用要求的關鍵是聲學傳感器能否將聲音轉換成模擬電壓信號。這要求拾音器 MIC 的制作要盡量的簡單可靠，筆者在對國內外眾多拾音頭進行測試后，決定采用在普通的老式聽診器的基礎上加裝超小型駐極體話筒的方式對心音進行提取。具體做法如下：將一只傳統聽診器的聽管取下并向橡皮管擠壓入一只1/4英寸直徑的超小型駐極體話筒。考慮到駐極體話筒產生的微弱信號易受到外界噪聲的干擾我們可選用屏蔽電纜接到電路中的MIC處。由于話筒封裝在膠管中，此振動通過在密閉空間的空氣可以不受外界干擾地傳到話筒，心音不易失真，靈敏度較高。

圖2 拾音頭

2.2 心音模擬電路的設計

2.2.1 μA741構成的心音前置放大電路

圖3中SENSOR是駐極體電容式傳聲器，+9V電源經過 10k限流電阻和470pf去耦電容和給駐極體提供電能；為避免電路中直流噪聲的影響，同時為耦合拾音頭產生的交流小信號以便傳送給后面的運算放大器進行電壓放大，需要在電路中串連一個473pf的電容[2]；其中要改變交流信號的放大倍數只需改變R5和R6的比值可參式3-1；詳細心音前置放大電路如圖3所示。

圖3 前置放大電路圖

2.2.2 濾波電路

考慮到聽診器實際應用的環境拾音器檢測出的心音信號必然會含有很多噪聲。為了得到比較純正的心音信號，必須設法去除這些噪聲，以保證心音最大程度的不失真。經過對大量數據的統計和分析，我們發現心音的有效頻帶主要集中在20Hz自400Hz之間，肺音的有效頻帶集中在100Hz至1200Hz。因此數字聽診器只需對心音和呼吸音的有效頻帶保持較高的靈敏度即可。而在信號放大的同時可將頻率將頻率較高的噪聲信號直接濾除，從而提高系統的抗干擾的能力。本設計中采用集成運放μA741構成低通濾波器構成合適的濾波電路[3]。

為給出實際心音的濾波電路，我們將先闡述構造低通濾波器的原理。

其歸一化的傳輸函數：

通帶內的電壓放大倍數：

濾波器的截止角頻率：

圖4 低通濾波電路

我們將主放大電路置于低通濾波電路之后主要考慮到這時的信號雖然較為純潔但并不滿足功放要求，因此需進一步放大。同時也盡可能地減小了噪聲對信號的影響[4]所用芯片依然為μA741。

圖5 主放大電路

2.2.3 功率放大電路

為更好地實現對心音的聽診的目的，以幫助醫生快速準確的診斷病人病情。心音可視智能電子聽診器還必須具備心音外放的功能，然而心音信號經過主放大模塊后電壓幅值雖然已經得到較大幅度的提升，但它的功率對驅動揚聲器仍然較小。為此我們又設計了功率放大電路，如圖6所示。

因為LM386的輸入信號中不可以有直流分量所以我們必須要加一個隔直電容，如圖電容C23；調節音量的大小可通過對變電阻680K的改變來實現。

圖6 功率放大電路

2.3 波形顯示電路

多數數字聽診器配置的顯示器大多較小，而筆者設計的新型聽診器為向醫生提供較清晰地圖像信息而選用12864液晶作為顯示器；這款顯示器操作簡單，易于通過單片機對圖像進行控制。在單片機的編程過程中只要利用簡單的位操作命令對它置位就可實現繪點。

3 電子聽診器系統的軟件設計

本章主要介紹系統設計中的軟件設計部分。ARM Cortex—M4處理器是由ARM公司專門開發的用于信號控制市場的嵌入式處理器，滿足了對于效率，易用以及控制和信號混合特性的應用需求。作為一款高性能處理器[5]，Cor t ex—M4為開發者提供諸多好處。

本系統中的程序設計的系統工作流程圖如圖7所示：

圖7 系統工作流程圖

4 結論

這種新型多功能電子聽診器雖然選用常規器件，但實現了保持聲學聽診器的外觀和感覺的基本目標，發揮出數字聽診器對微弱聲音信號的檢測能力。筆者設計的這款數字聽診器還結合實際的醫務應用需要設計了一些新功能，例如：可對聲音信號進行錄音和回放。并在反復試驗的基礎上開發了供多人監診并能準確高效的記錄、儲存、顯示和進行縱向與橫向客觀比較功能。

[1]郭穎.簡易電子聽診器.西南科技大學學報[J].四川:2003.18(1):35-38.

[2]籍順心.一種可用于強噪聲環境的有源聽診器.聲學學報[J].北京:2007(4):382-384.

[3]華成英,童詩白.模擬電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社,2001(3):243-266.

[4]沈雷鳴.新型電子聽診器.護理學雜志[J].北京:2005.4.20(8):13-15.

[5]裴仁清,黃偉,程志華.濾波電路原理.自動化儀表[J].北京:2001(10):165-181.