一種適用于傳染病患者的電子聽診器設計

楊海寧，劉 佳，楊慧寧，霍 江，楊淞友

（1．武警青海省總隊醫院，西寧810007；2．解放軍總醫院第五醫學中心輸血科，北京100039；3．解放軍總醫院第三醫學中心疾病預防控制科，北京100039）

0 引言

聽診是醫學上監測、評估心肺功能，診斷心肺疾病的重要方法，特別是面對新型冠狀病毒肺炎(以下簡稱“新冠肺炎”)患者等病情變化快，需要醫生實時、及時作出判斷的傳染病患者，聽診具備超聲、影像檢查等無法比擬的優勢。目前臨床上采用的聽診器以傳統聲學聽診器為主，其優點在于成本較低、操作簡單，但針對傳染病患者，卻暴露出許多不容忽視的缺陷，例如：無法調整音量強弱、受環境噪聲干擾大，影響臨床診斷；膠管長度有限，限制了聽診距離，無法實現遠程聽診，增加了醫護人員暴露感染的風險；僅供單人使用，無法共享，難以滿足臨床會診需求等[1-2]。特別是在突如其來的新冠肺炎疫情中，上述缺陷更為凸顯，在醫務人員“全副武裝”的情況下，傳統聽診器完全無用武之地。

近年來，隨著電子科技的發展，電子聽診器應運而生，并且得到了較快發展。如張雷等[3]研制了一套便攜式一體化遠程檢診箱，箱內有一款藍牙電子聽診器，但由于其操作較為復雜，不適合普及使用[4]。駱懿等[5]設計的電子聽診器主要是將聽診音通過藍牙技術傳到上位機軟件，實現實時顯示、保存與回放等功能，但此類電子聽診器大多依賴上位機軟件，可移植性存在欠缺，同時電量消耗也相對較多，不便于攜帶與使用[6]。另外，從目前市場上看，真正能夠普遍應用到臨床的電子聽診器仍較為稀少，且價格昂貴，不適用于常規聽診[7]。比如3MTM Littmann 3200型電子聽診器價格就高達8800元，一般品牌的電子聽診器最低價格也高至上千元，超出傳統聲學聽診器價格的幾十倍甚至上百倍，較大限制了電子聽診器的臨床應用[8]。

針對上述問題，本文設計了一種基于藍牙技術的簡易分體式電子聽診器，其具備操作簡單、功耗低、體積小、價格低等優點，旨在推動電子聽診器在遠程醫療、聯合會診等臨床實踐中廣泛應用，切實解決防護、隔離狀態下傳染病患者的聽診難題。

1 總體設計

1.1 功能需求分析

該電子聽診器應當具備以下功能：

(1)遠程聽診。遠程作為非接觸式診療方式，是疫情期間廣泛應用的救援手段。要真正解決防護、隔離狀態下傳染病患者的聽診難題，遠程是關鍵。故電子聽診器應采用分體設計，利用藍牙等無線傳輸技術實現遠程聽診功能。

(2)多人聽診。會診是醫療中為解決特殊、疑難病癥診斷、治療問題的一種重要的診療工作方式，尤其對于致病機理不明、病情變化復雜的新發傳染病，其作用更為凸顯。電子聽診器設計應納入多人聽診功能，以滿足會診需要。

(3)聽診實時性。聽診的實時性是傳統聲學聽診器的特征與優勢，也是影響聽診診斷質量的關鍵因素，在電子聽診器研究設計過程中應予以著重考慮。所研制的電子聽診器需對聽診音信號進行實時采集傳輸，保證在遠程聽診過程中信號不延遲。

(4)音量可調性。聽診音量的大小也是影響聽診診斷質量的重要因素之一，聽診音過大，易損害醫務人員的聽力，過小則易遺漏關鍵聽診信息。傳統聽診器基本無法實現聽診音量的調節，因而電子聽診器應將音量可調性作為主要功能之一納入設計考慮，以滿足不同人員對聽診音量的選擇需求。

1.2 技術指標與設計要求

1.2.1 技術指標

(1)環境適應性：工作環境溫度范圍在10～40℃；

(2)采集方式：收音組件，包括拾音器和聲電信號轉化裝置；

(3)傳感器頻率選擇：根據中心音主要頻段(20~600 Hz)及心肺音主要頻段(50~2000 Hz)選擇傳感器頻率覆蓋范圍為20~2000 Hz；

(4)終端接收方式：藍牙耳機；

(5)終端接收頻率范圍：20~25000 Hz；

(6)電源：USB充電電池，容量不小于800 mAh。

1.2.2 設計要求

(1)高標準性能。聽診是輔助醫生診斷心腦血管、呼吸系統疾病的重要方法，必須保證心肺音的采集與傳輸質量，減小環境噪聲及其他醫療設備儀器的電磁干擾。

(2)超簡易操作。電子聽診器中所涉及的儀器按鍵布局應當合理、便于操作并符合一般醫務人員的使用習慣，同時在設計中還應滿足醫療儀器相關標識的使用要求。

(3)價格低廉。價格昂貴是限制電子聽診器在臨床廣泛應用的重要因素，低成本設計、摒棄上位機軟件等高成本要素，有利于提高其市場競爭能力。

(4)耗能低。聽診器是醫務人員常用的儀器之一，如若使用中需要頻繁充電或者更換電池，易引起醫務人員反感。因此在設計過程中應首選低功耗元器件作為硬件。

(5)便于整體消毒。近年來，聽診器作為醫院感染潛在傳播媒介逐漸受到重視[9]。電子聽診器的消毒設計是不容忽視的重要方面，整體消毒的設計要求可以有效避免交叉感染。

2 電子聽診器硬件設計

2.1 外觀設計

電子聽診器采用分體式設計，包括聽診器手持端和無線藍牙耳機兩部分，如圖1(a)、(b)所示，并設計有聽診器收納盒，用于聽診器和藍牙耳機的存放與充電，如圖1(c)所示。

圖1 電子聽診器結構示意圖

2.2 內部設計

按照便于醫務人員使用習慣的操作方式，設計了其硬件主要包括拾音模塊、主控模塊、藍牙模塊及電源模塊。其中拾音模塊主要由傳感器組成，采集聽診音信號并將其轉換為模擬電信號。模擬電信號經音頻解碼器處理后送入主控模塊，數模轉換后驅動耳機實現實時聽診，通過藍牙模塊完成聽診音信號的無線傳輸。電源模塊負責對上述各模塊進行供電保障。

2.2.1 拾音模塊

拾音模塊由拾音器和聲電信號轉化裝置組成，是聽診器的關鍵部件。根據靈敏度、頻率響應、信噪比、指向性等性能指標，本設計中選擇單一指向性的電容式傳聲器作為傳感器[2]，靈敏度為20 mV/Pa，頻響范圍為20~20000 Hz，信噪比在58 dB以上，與體表之間采用直接耦合方式，有效地覆蓋了20~2000 Hz心肺聽診音的主要頻段，滿足了技術指標要求。

2.2.2 主控模塊

主控模塊為電子聽診器的核心控制模塊，即信號傳導解析手柄(包括粗、細中空導管及硬橡膠手柄)內的核心部件，主要實現傳感器、音頻編/解碼器、藍牙之間的數據交換以及相關按鍵的響應等。本設計中主控芯片選用STM32F405R GT6，其最高運行頻率可達168 MHz，性能優越。同時STM32F405RGT6運行功耗僅為238μA/MHz，且提供了睡眠、停止、待機3種不同的低功耗模式，具有低功耗的特點，滿足設計要求[2，8]。

2.2.3 藍牙模塊

藍牙模塊是實現高質量遠程信號傳輸的技術基礎。本設計通過藍牙傳輸、接收模塊與無線藍牙耳機進行藍牙配對，實現聲電信號實時、保真傳輸。主要選擇藍牙高級音頻模塊，型號為SJR-BTN05E，數據傳輸速率可達2.1 Mbit/s，待機模式下電流僅2 mA，因此，具有功耗低、封裝尺寸小、成本低、數據傳輸速率高等優勢。該模塊自帶天線，具備良好的射頻距離，能夠穿透隔離服，滿足設計要求[1]。

2.2.4 電源模塊

電源的穩定性對于電子聽診器的抗干擾能力具有不可忽略的影響。本設計主要采用3.7 V的鋰電池供電，電池容量為1000 mAh，充電選用單節鋰電池充電芯片，芯片的尺寸較小，所需的外圍元件較少，電路簡單，具備恒壓與恒流2種充電模式，適合USB接口充電，滿足設計要求。

3 創新點

3.1 降低暴露風險

本設計對手持式聽診器和分體式無線耳機加以組合，使手持式聽診器不受距離限制，耳機可直接佩戴在隔離防護服內，通過觸摸方式開關機，無需醫生反復摘取，最大限度地降低了醫護人員的暴露風險。

3.2 避免交叉感染

由于采用分體式設計，聽診器部分不與耳機直接連接，醫護人員可以手持聽診器手柄部分進行聽診操作，盡可能地避免了與患者的直接肢體接觸。聽診器和耳機均可耐受酒精或消毒液的噴灑或擦拭，可在每次聽診后及時消毒，從而有效避免交叉感染。

3.3 實現多人聽診

本設計可通過藍牙配對多個耳機，在需要多人會診或教學查房時可由1人操作聽診，多人共享聽診心肺音，有效縮短了聽診的操作時間，提高了會診、教學查房的效果。

4 結語

本研究設計的簡易分體式電子聽診器具有遠程聽診、多人聽診、操作簡便、成本適宜等特征，基本能夠滿足傳染病患者的日常聽診與會診需求。與傳統聲學聽診器相比，本設計基本解決了傳染病患者無法適用的種種弊端，同時也通過簡易、廉價的設計考慮，在一定程度上改善了當前市場上電子聽診器價格昂貴的現象，對促使此類電子聽診器在臨床中推廣使用起到了積極作用。目前本設計仍處于初步階段，在追求簡易、廉價的同時必然會導致功能上略顯單一、技術上略顯單薄，比如沒有設計聲音儲存功能、聲波記錄功能及計算機輔助診斷功能等。雖然這些功能技術不可或缺，但不是現階段應該關注的重點，只有電子聽診器能夠真正推廣應用，這些附加的功能才會顯得更有意義。相信隨著人工智能醫學的不斷發展、醫學電子技術的不斷成熟，在嚴格控制成本的前提下，電子聽診器的性能也將會不斷改良與完善，在臨床診療中發揮更大的作用。