基于MEMS聲振傳感器的電子聽診器?

孔春秀李欣寧趙俊慶梁尤海何政達趙成龍蔡春華萬蔡辛魏 琦端木正?

(1.北京信息科技大學光電測試技術及儀器教育部重點實驗室，北京100192；2.北京碧唯科技有限公司，北京102206；3.無錫韋爾半導體有限公司，江蘇 無錫214028；4.清華大學精密儀器系，北京100084)

由于心臟病臨床診療方法的改善需求日益增加，有效心臟病無創早期診斷已成為近年來的研究重點[1]。心音是由心室壁、瓣膜振動及血液湍流共同形成的聲音，含有心臟各部分功能狀態的大量信息，是反映心臟健康狀況的重要生理參數。定期心臟音信檢查可以發現心律失常，幫助避免心臟并發癥，有效的提高心臟病的防治水平[2]。通過數字化的電子聽診器對心音信號進行模數轉換并分析相應頻譜[3]，可以實現心血管疾病的精準有效的早期診斷[4]。通過無線通信和信息采集技術，可以實現患者的遠程心音診斷[5]。基于大數據的神經網絡算法可以實現異常心音的自動診斷[6]。通過對特征心音的分類，可以聚焦于不同類別的心臟病早期診斷[7]。電子聽診器必須對心音在20 Hz~400 Hz范圍和肺音在100 Hz~1 200 Hz范圍內敏感響應，并通過濾波算法濾除超過這些頻率范圍的聲音[8]。通過傳感器內部結構設計，可以實現高信噪比的電子聽診器[9]。

現有的硅麥克風已經廣泛應用于工業產業[10]，相應的電子聽診器使用傳統麥克風傳感器進行心音采集，只能得到一定頻率范圍內的心音信號，然而正常心臟的跳動頻率為1 Hz~2 Hz，其本身的低頻振動包含大量心臟生理信息，可以應用于心臟病診斷。基于此，本文設計了一種基于新型MEMS聲振傳感器的電子聽診器，所使用的聲振麥克風敏感于低頻振動信號同時對聲波信號也有良好響應，可以采集包含心臟低頻振動的心音信號，測量結果可以應用于精準無創心臟病的早期診斷。

1 MEMS聲振雙通麥克風傳感器設計

心臟跳動過程中具有特定的低頻振動特征，傳統電子聽診器采集心音信號時無法感知心臟低頻振動信號。本文設計了一種新型聲振雙通傳感器的微機電系統(MEMS)，通過在振動膜上添加慣性質量塊的方法采集振動信號，聲振雙通是指該傳感器能采集到聲波及振動兩種信號。該振動傳感器的主體結構包含基材、振動膜與固定膜(圖1(a))。振動膜為導電材料，振膜結構可在基底與背極之間自由振動，與背極形成可變電容。振膜結構中上下表面的慣性質量塊，帶動振動膜振動，從而可以用于感知振動信號的變化。傳感器采用微帽封裝技術，拾音孔位于傳感器底部，其外尺寸如圖1(b)所示。該MEMS固定在被測物上可以采集有振動信號同時，通過拾音孔可以采集聲波信號，因此適用于檢測心臟心音及振動信號的采集。

圖1 基于MEMS技術的聲振雙通麥克風傳感器

2 電子聽診器總體設計方案

為了實現無線電子心音聽診器的功能需求，設計如圖2所示系統總體方案。該方案主要包括信號采集模塊、信號處理模塊、主控模塊和上位機顯示模塊。數據采集模塊基于新型MEMS傳感器采用兩種聽診模式得到單純心音信號和心音心振信號，數據分析模塊進行數據轉換和頻譜分析，從而可以得到心臟低頻振動信號。

圖2 系統結構圖

2.1 主控模塊

電子聽診器主控模塊由核心控制模塊、傳感器模塊、信號處理模塊和上位機模塊組成。本文中的電子聽診器的核心控制模塊采用STM32單片機的32位開發板，其具有512 kbyte FLASH，16 Mbyte SPI FLASH，采用方型扁平式封裝技術(LQFP)；傳感器采用本文所設計的振動與音頻傳感器聲振MEMS；信號處理與上位機顯示均使用LabVIEW軟件。完整的電子聽診器如圖3所示。在該電子聽診器的設計中，單片機采集到的數據經過處理后，使用VISA控件控制串口連接單片機與電腦，實現數據傳輸功能，通過軟件將信號進行處理進行頻譜分析。

圖3 電子聽診器

2.1 信號采集模塊

信號采集模塊主要依靠傳感器的放置位置來控制聽診方式。只采集心音信號時，采用間接傳導型聽診方式，將傳感器置于諧振腔上方，心音信號經由諧振腔聚攏回聲之后傳播到傳感器接收端，其結構如圖4(a)所示。采集心音和振動信號時，采用直接傳導型聽診方式，將聲振MEMS固結在聽診頭的諧振膜上，當心振信號由諧振膜帶動直接傳導到傳感器的接收端，心音信號同樣經由諧振腔聚攏回聲之后傳播到傳感器拾音孔處，其結構如圖4(b)所示。通過兩種采集方法采集得到單純心音信號和心音心振信號，將兩種信號進行差值相減，即可得到心臟振動信號。

圖4 聽診器不同聽診模式

2.2 信號處理模塊

心音電子信號是一種比較微弱的信號，通常數量級都在毫伏級[11]。在心音信號的獲取中，由于外界存在環境音、人體存在呼吸音等各種干擾，很容易對該信號產生嚴重影響，因此需要對獲取到的心音信號進行一定的放大濾波處理。由于心肺振動及音頻的頻譜范圍為0~1 500 Hz，因此設計截止頻率為1 500 Hz左右的低通濾波放大電路，保留低頻有效信號，濾除高頻干擾信號，提高該電子聽診器的信噪比。

3 實驗結果與分析

為了驗證基于聲振麥克風的電子聽診器設計的有效性，將通過采集數據與標準檢測結果對比并進行信噪比分析來對其進行測試[12]。胸骨下方第三肋間部位通常為心臟基底部，左側鎖骨中線附近第四和第六肋間部位為心尖部位。心尖部位發生心尖收縮，因此通常是最強搏動點(PMI)[13]。使用電子聽診器采集數據時，被測者平靜坐在椅子上，將聽診頭按壓于心尖部位，進行波形顯示與數據采集存儲。

間接傳導型聽診模式采集到心音信號如圖5(a)，通過傅里葉變換得到其頻譜分析(圖5(b))。該電子聽診器心音波形與標準心音波形具有極高的相似性，頻譜顯示心音信號主要集中在1 000 Hz以下，證明高頻干擾信號已被濾波電路有效去除。直接傳導型聽診方式采集到心音與心振信號如圖5(c)，對該信號進行頻譜分析如圖5(d)。通過對比可以發現，心音與心振信號中低頻信號波動更為明顯，低頻振動信號更加豐富，證明已經采集到心臟低頻振動信號。

圖5 間接與直接心音信號

為了驗證該電子聽診器的有效性，測量并收集了電子聽診器置空采集時的數據，并根據下式進行了信噪比(SNR)的計算[14]:

式中:xi為信號采集數據點的振幅，ne為聽診器空置時的噪聲數據點振幅。經計算，該電子聽診器在檢測信號時的信噪比為8.6 dB，與美國3M電子聽診器相比提高了24%[4]，其在1 kHz/0 dB，10 kΩ的測試環境下失真率小于1%，放大倍數為25，相比現有國產電子聽診器的失真率1.5%以及放大倍數24均有所提高，表明采集的聽診信號滿足應用要求。

將采集到的兩種信號進行差值處理，得到心臟低頻振動信號如圖6(a)，并對其進行了200 Hz以下的頻譜分析(圖6(b))。心臟振動信號與心音信號相比表現出了極大的相關性，有效信號主要集中在60 Hz以下，并且出現了低于20 Hz的非可聽音頻域的低頻振動信號。通過傅里葉反變換，可得到20 Hz以下的信號如圖6(c)所示。所以說，本文提出的基于MEMS聲振傳感器的電子聽診器所采集的低頻振動信號，可以作為新的心血管疾病診斷方法。

圖6 信號差值處理

4 結論

本文通過在MEMS聲振傳感器的振膜結構上添加質量塊，實現了用于檢測包含心臟低頻振動信號的電子聽診器設計。該電子聽診器一方面具有較高的SNR，能夠滿足常規電子聽診器的準確性要求，另一方面可以采集到低頻心臟振動信號，為心臟病的診斷提供了新思路和方法。實驗表明利用本文設計的電子聽診器獲取得心臟低頻振動信號特征，并結合臨床，可用于分析心血管相關疾病的早期預防。