無線電子聽診器的研制

李雨航 齊殿偉 郭佳軒 姜鑫鑫 李陽

摘? 要：21世紀(jì)，隨著互聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，人們更加重視健康管理，輔助診斷疾病的醫(yī)療器械也在不斷地增加，如X光機(jī)、心電圖機(jī)等，但是使用聽診器聽診仍然是每個醫(yī)生必備的技能，聽診可以讓醫(yī)生在前期對病情有所預(yù)估，從而確定應(yīng)該使用什么手段來有效診斷，讓患者有針對性地檢查相關(guān)項(xiàng)，節(jié)省診斷時間、醫(yī)療成本、檢查費(fèi)用。傳統(tǒng)的聽診器使用簡單、有效，但是如果聽診環(huán)境復(fù)雜，醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)不足等，都會影響聽診效果，因此，需要利用現(xiàn)代化技術(shù)，研制一種可以將聲音轉(zhuǎn)化成可視的波形，實(shí)時播放，使診斷效果更為準(zhǔn)確，而且不受場地的限制，無論醫(yī)生是否在現(xiàn)場，都能根據(jù)需要進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時會診。本項(xiàng)目的目標(biāo)就是研制一種具有低功耗、小體積、高靈敏度的多功能的電子聽診器，采用現(xiàn)代低功耗微處理器技術(shù)、藍(lán)牙通信技術(shù)、多功能聽診頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、數(shù)字濾波去噪和高效數(shù)據(jù)分析算法，可實(shí)現(xiàn)呼吸音和心音的采集、濾波、去噪、放大、分頻回放等功能，具有體積小、功耗低、使用方便等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：無線電子聽診器;智慧醫(yī)療;藍(lán)牙通信技術(shù)

中圖分類號：TH772.2;R197.39 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）07-0032-03

Abstract：With the development of the internet and artificial intelligence technology in the 21st century，people pay more attention to the management of health，and the number of medical devices that help diagnosis is increasing，such as X-ray machines and electrocardiographs. But stethoscope auscultation is still a necessary skill for every doctor，auscultation allows doctors to predict the condition in the early stage，to determine what means should be used to effectively diagnose，allowing patients to check related items，saving diagnosis time，medical costs，inspection costs. The traditional stethoscope is simple and effective，but if the auscultation environment is complicated，the doctor’s experience，etc.，those will affect the auscultation effect. Therefore，it is necessary to use modern technology to develop a waveform that can be converted into a visible waveform for real-time playback. The effect is more accurate and is not limited by the venue，allowing remote real-time consultations as needed，whether or not the doctor is on site. The goal of this project is to develop a low-power，small-volume，high-sensitivity，multi-function electronic stethoscope，using modern low-power microprocessor technology，Bluetooth communication technology，multi-functional auscultation head structure design technology，digital filtering denoising and high-efficiency data analysis algorithm which can realize the functions of collecting，filtering，denoising，amplifying and frequency-dividing playback of breath sounds and heart sounds，featuring small size，low power consumption and convenient use.

Keywords：wireless electronic stethoscope;intelligent medicine;Bluetooth communication technology

0? 引? 言

電子聽診器的應(yīng)用對于醫(yī)生和病人來講是一個相當(dāng)重大的進(jìn)步，但是目前市場上可以應(yīng)用的電子聽診器不僅種類稀少，且價格昂貴，不適合于一般心音和呼吸音的診斷需求。而特別微弱的病理聲音，可能會被環(huán)境噪音所淹沒，所以如果聽診環(huán)境嘈雜，便會嚴(yán)重影響聽診的效果;若聽診時間較長，耳聽緊緊地塞在耳朵里，可能會導(dǎo)致醫(yī)生感覺到不舒適;通過聽診幫助診斷，全憑醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)及其主觀判斷，可能會導(dǎo)致聽診結(jié)果不準(zhǔn)確。針對上述問題，迫切需要一種新型聽診器，且其需具有以下功能：具備傳統(tǒng)聽診器的功能，可以聽診各種內(nèi)臟音如心音、呼吸音、肺音等，為醫(yī)師診斷提供依據(jù);可以將聽診音揚(yáng)聲器播放，為多醫(yī)師會診提供便利;可以將聲音轉(zhuǎn)換成為波形，實(shí)時播放，為醫(yī)生提供可視的波形參考，使診斷更加準(zhǔn)確，為教學(xué)和會診提供資料。裝置要求簡單易用、成本低、體積小，可以讓醫(yī)生對病情做出更準(zhǔn)確的判斷，以及方便教學(xué)和會診。

因此，本項(xiàng)目的目標(biāo)就是研制一種具有低功耗、小體積、高靈敏度、多功能和價格廉的無線電子聽診器，為廣大醫(yī)生和患者提供一種物美價廉的可視化電子聽診器。

1? 需求分析

隨著21世紀(jì)智能醫(yī)療化趨勢的發(fā)展，無線電子聽診器的誕生對于心肺疾病的檢查及觀測治療大有裨益。傳統(tǒng)的聽診設(shè)備終將會被更加優(yōu)秀的現(xiàn)代產(chǎn)品所取代。

市場上同類型的產(chǎn)品并不多，還沒有形成很大的規(guī)模，可以說市場上供不應(yīng)求，因此我們的產(chǎn)品有很大的開發(fā)空間。能實(shí)現(xiàn)一般功能的聽診器一般都是國外生產(chǎn)的，體積大，且價格昂貴，不適合于一般心音和呼吸音的診斷需求。國內(nèi)也有生產(chǎn)的，種類比較少，而且功能不能滿足聽診要求。我們設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的創(chuàng)新點(diǎn)及亮點(diǎn)包括：能耗低、體積小、靈敏度高、使用方便，將電子技術(shù)和醫(yī)學(xué)技術(shù)相結(jié)合，可以直觀地顯示心音時域波形，通過心音圖為醫(yī)生和患者提供精確的心音，有效幫助醫(yī)生實(shí)現(xiàn)異常人體心臟和肺工作狀態(tài)信息的辨別和診斷;我們的產(chǎn)品最大的亮點(diǎn)在于可以滿足醫(yī)生和患者的需要，電子聽診器可以將心肺音信號保存，可以回放，便于對病人的病情進(jìn)行跟蹤診療和康復(fù)前后病情的對比分析。既可以采用傳統(tǒng)的聽診方式，也可以采用無線方式，滿足各種人群的不同需要，產(chǎn)品被接受的程度非常高。

2? 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

本電子聽診器采用測量端和桌面處理顯示端組成的分體結(jié)構(gòu)。測量端和桌面處理顯示端均以TI公司的CC2540低功耗微處理器（帶有藍(lán)牙4.0版本通信協(xié)議）為核心，配合STM32單片機(jī)。在保證低功耗的同時擁有較強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。既可以使用傳導(dǎo)膠管聽音耳件進(jìn)行傳統(tǒng)的聽診，也可以利用駐極體電容傳聲器對心音和呼吸音進(jìn)行聽診。

測量端采用傳統(tǒng)聽診頭與駐極體電容傳聲器一體化設(shè)計(jì)的多功能聽診頭。以駐極體電容聲音傳感器為音頻拾取傳感器，通過與傳統(tǒng)聽音傳導(dǎo)膠管并聯(lián)的檢測方式實(shí)現(xiàn)心音和呼吸音的人工聽診和電子化拾取，音頻拾取傳感器輸出的微弱心音和呼吸音信號經(jīng)過前置放大器、主放大器、高通與低通濾波器以及STM32微處理器進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后，經(jīng)由TI CC2540微處理器藍(lán)牙4.0模塊傳至數(shù)據(jù)處理及顯示端進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析、存儲及顯示。

顯示處理端由數(shù)據(jù)接收單片機(jī)（CC2540）和數(shù)據(jù)處理單片機(jī)（STM32）以及音頻功放和電容式液晶顯示器組成。從測量端經(jīng)藍(lán)牙傳來的測量數(shù)據(jù)一路轉(zhuǎn)為模擬信號進(jìn)入音頻功放放大后輸出至耳機(jī)，另一路送至STM32單片機(jī)經(jīng)過分頻和傅里葉變換去噪處理并進(jìn)行包絡(luò)提取之后，結(jié)果輸出至LCD顯示器中顯示，同時也可保存至單片機(jī)內(nèi)部的閃存中。無線便攜式電子聽診器的整體原理框圖如圖1所示。

3? 項(xiàng)目推廣

隨著生活水平的提高，人們開始更多地關(guān)注健康問題。大多數(shù)人對醫(yī)療設(shè)備、環(huán)境也有了新的要求，電子聽診器的需求也隨之愈發(fā)凸顯。人們希望得到更周到、更便捷的醫(yī)療服務(wù)以及更輕松、溫馨、舒適的就醫(yī)環(huán)境，這也帶動了高端醫(yī)療的發(fā)展，電子聽診器的需求不斷上升。

隨著21世紀(jì)智能醫(yī)療化趨勢的發(fā)展，無線電子聽診器的誕生對于心肺疾病的檢查及觀測治療大有用處。傳統(tǒng)的聽診設(shè)備終將會被更加優(yōu)秀的現(xiàn)代產(chǎn)品所取代。我們開發(fā)出來的產(chǎn)品不僅能滿足家庭、醫(yī)院等的醫(yī)療需求，而且可以在任何地點(diǎn)、任何場所實(shí)時進(jìn)行測量和聽診，而且無論有沒有醫(yī)學(xué)知識，測量的結(jié)果可以通過互聯(lián)網(wǎng)傳給醫(yī)生，供醫(yī)生進(jìn)行診斷時參考。

我們的無線電子聽診器用戶群非常廣泛，未來將與養(yǎng)老院、福利院、幼兒園等多種機(jī)構(gòu)合作，為廣大患者帶來福音。本項(xiàng)目研制出樣機(jī)后，將申請專利，與相關(guān)公司尋求合作，生產(chǎn)產(chǎn)品，投放市場。

4? 結(jié)? 論

電子聽診器的應(yīng)用對于醫(yī)生和病人來講是一個相當(dāng)重大的進(jìn)步，但是目前市場上可以應(yīng)用的電子聽診器不僅種類稀少，且價格昂貴，不適合用于一般心音和呼吸音的診斷需求。因此，本項(xiàng)目采用現(xiàn)代低功耗微處理器技術(shù)、藍(lán)牙通信技術(shù)、多功能聽診頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、數(shù)字濾波去噪和高效數(shù)據(jù)分析算法，可實(shí)現(xiàn)心肺音的采集、放大、濾波、去噪、實(shí)時顯示、存儲、分頻回放等功能，具有體積小、功耗低、使用方便等特點(diǎn)，為廣大醫(yī)生和患者提供一種物美價廉的可視化電子聽診器。本項(xiàng)目研制出樣機(jī)后，申請專利，跟公司合作，生產(chǎn)產(chǎn)品，投放市場。

（1）本文提出了無線電子聽診器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，并對其技術(shù)指標(biāo)、設(shè)計(jì)要求、功能需求的具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析，完成了以微處理器STM32為核心的低功耗、低成本無線電子心肺音聽診器的設(shè)計(jì)和調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了心肺音的采集、放大、濾波、AD轉(zhuǎn)換、傳輸、分析、顯示和存儲。

（2）本文實(shí)現(xiàn)了最小均方（LMS）自適應(yīng)濾波與歸一化平均香農(nóng)能量計(jì)算相結(jié)合的帶通濾波去噪和心音信號分析，以比較小的計(jì)算量實(shí)現(xiàn)了心肺音信號的進(jìn)一步濾波去噪和主要心音指標(biāo)的分析，達(dá)到了較好的處理效果。

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作者簡介：李雨航（1998.02-），女，漢族，遼寧撫順人，本科在讀，研究方向：會計(jì);齊殿偉（1972-），女，漢族，吉林遼源人，會計(jì)系主任，教授，博士研究生，研究方向：管理信息系統(tǒng);郭佳軒（1999.08-），男，漢族，河北邢臺人，本科在讀，研究方向：會計(jì);姜鑫鑫（1997.01-），女，漢族，遼寧錦州人，本科在讀，研究方向：會計(jì);李陽（1996.05-），男，漢族，遼寧彰武人，本科在讀，研究方向：財(cái)務(wù)管理。