無線電子聽診器設(shè)計

董得鵬 胡丹

摘要：傳統(tǒng)聲學(xué)聽診器雖簡單有效，但在新冠疫情下難以保證醫(yī)生與患者的安全距離，且醫(yī)生資源受到時間和地域的限制不能充分利用，為此，設(shè)計一種無線電子聽診器，該系統(tǒng)基于嵌入式處理器，應(yīng)用無線傳輸技術(shù)通過 Zigbee 無線傳輸模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，配合前端電路，實現(xiàn)對心音信號的采樣、處理及無線發(fā)送，醫(yī)生可以在任何時間和地點安全會診。

關(guān)鍵詞：電子聽診器;Zigbee ;前置放大

心音、呼吸音是反應(yīng)心臟和呼吸系統(tǒng)是否正常的重要指標，是心臟和呼吸系統(tǒng)疾病診斷時的重要信息依據(jù)。傳統(tǒng)聲學(xué)聽診器簡單實用，聽診效果好，但醫(yī)生和患者需近距離接觸，且只能現(xiàn)場一人使用，不可異地或多人同時聽診，為會診和教學(xué)帶來不便，因此設(shè)計一款電子聽診器。一般電子聽診器在使用時引入的噪聲較大，影響聽診結(jié)果的可靠性和準確性，需做降噪處理。本系統(tǒng)引入噪聲小，低噪聲放大后分離，再將信號幅值抬升到單片機A/D采集范圍內(nèi)，微控制器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，通過Zigbee模塊將數(shù)據(jù)無線傳輸，實現(xiàn)了對心音、呼吸音的有效提取及處理。

1.整體設(shè)計思路

由于由聽診器探頭收集到的心音、呼吸音信號十分微弱，幅值約為30-60mV，這種大小的信號不能滿足濾波模塊的要求，必須進行信號的初級放大處理，總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。

2.前置級放大電路

由聽診探頭收集的心音、呼吸音信號，首先要經(jīng)由前置放大電路進行初級放大。根據(jù)噪聲主要來源選用噪聲較低的電路元器件和電路連接方式。同相放大電路可以滿足對第一級放大電路的高輸人阻抗的要求，適合設(shè)計成為低噪聲放大器的基礎(chǔ)電路。將數(shù)個放大器并聯(lián)可以降低放大器源內(nèi)阻，實現(xiàn)與信號源內(nèi)阻的噪聲匹配，減小放大器的噪聲系數(shù)，達到最佳噪聲系數(shù)。同時放大器平均值電路，也可達到降低噪聲的目的。綜合以上方法，設(shè) 計 出如圖 2 所示電路圖。

經(jīng)理論驗證，此放大電路達到了低噪聲放大器設(shè)計的要求，最大限度上減少了噪聲的引入，完成了對心音、呼吸音的低噪聲放大。

3.濾波電路的設(shè)計

心音信號和呼吸音信號的頻率范圍分別為20-600Hz和100-1500Hz，將前置放大電路得到的信號分別經(jīng)過心音濾波電路與呼吸音濾波電路，可以濾除頻率分布范圍外的噪聲，得到對應(yīng)的心音信號輸出與呼吸音信號輸出，同時可以減弱兩者在聽診時相互之間的影響。

圖3所示為心音濾波電路，心音的頻率范圍是 20-600Hz，為了將心音提取出來，將初級放大信號先通過一個截止頻率為600Hz的二階有源低通濾波器，再通過一個截止頻率為20Hz的二階有源高通濾波器，以實現(xiàn)對心音信號的提取。改變?yōu)V波電路中R 、C 的參數(shù)，可以得到所需呼吸音濾波電路。具體需要的濾波頻段可以通過開關(guān)選擇。

4.微控制器和Zigbee模塊

通過上面幾個環(huán)節(jié)的處理，該信號可被送入微控制器芯片的模/數(shù)轉(zhuǎn)換口，將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。本設(shè)計中 Zigbee 無線傳輸模塊采用 TI 公司生產(chǎn)的新一代 2. 4 G 無線收發(fā)芯片 CC2530 為核心 ，芯片集成了增強型 8051 內(nèi)核，內(nèi)部采用流水線結(jié)構(gòu)，指令周期短。芯片具有256 KB 的 Flash ，低功耗設(shè)計使得芯片在收發(fā)狀態(tài)下的功耗都比較低，能夠保證長時間工作 。同時，經(jīng)前端電路處理后的心音信號（模擬信號），通過輔助輸入引腳將該音頻信號發(fā)送給電腦并以 wav 文件的形式進行儲存和分析。

接收機系統(tǒng)中硬件設(shè)計包括以下接收部分：Zigbee 模塊、微控制器，D/A轉(zhuǎn)換器及功率放大器。Zigbee模塊在空中接收來自發(fā)射機的信號并將其傳送給微處理器。由于直接接收到的信號信號是以數(shù)字形式存在的，因此我們要想通過揚聲器聽到物理聲音，就必須先將其轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的模擬信號。該系統(tǒng)可利用網(wǎng)絡(luò)及電腦的音視頻接口將其心音信號的波形及聲音客觀的反應(yīng)給地理位置上不同的聽診醫(yī)生。

5結(jié)論

本系統(tǒng)不但可以將心音信號進行無線發(fā)送，當有超過一個接收器時，將有不止一位醫(yī)生能聽到患者的心音，它將增加診斷的準確性和方便醫(yī)科教學(xué)。同時，該系統(tǒng)還可以將其信號文件存儲在電腦中以作備查，具有精度高、功耗低、成本少的特點。目前，對心音信號解析和識別方法的研究是當前的熱 點，將 頻 譜 分 析 和 時 頻 聯(lián) 合 分 析 方法應(yīng) 用 到心音特征的研究取得了豐碩的成果。因此，對心音信號時頻分析的研究應(yīng)用將是下一步工作的重點。

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作者簡介

董得鵬（2000.6--），男，漢族，遼寧省建昌人，本科在讀，自動化專業(yè)。

胡丹（1980.2--），女，漢族，湖北荊州人，講師，自動化專業(yè)。