基于聽(tīng)診音頻譜分析的數(shù)字聽(tīng)診系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

曹 楊，徐子軒，張佳斌，虞致國(guó)，顧曉峰

(輕工過(guò)程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江南大學(xué)電子工程系，江蘇無(wú)錫214122)

聽(tīng)診是醫(yī)學(xué)診療中的一種重要檢測(cè)方法，一般使用聽(tīng)診器放大聽(tīng)診音。但傳統(tǒng)聽(tīng)診過(guò)程中存在環(huán)境噪聲的影響，且主觀經(jīng)驗(yàn)依賴度高，無(wú)法直觀精確地給出定量化的聽(tīng)診結(jié)果。隨著現(xiàn)代醫(yī)療器械技術(shù)的發(fā)展，患者對(duì)傳統(tǒng)聽(tīng)診的效果逐漸失去信心，醫(yī)患雙方往往更傾向于借助各種大型精密醫(yī)療設(shè)備來(lái)輔助診治［1］。

文中提出一種基于聽(tīng)診音頻譜分析的數(shù)字聽(tīng)診系統(tǒng)，在結(jié)合聲音傳感器和電子技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)聽(tīng)診音頻譜的精確定量分析，可為科學(xué)直觀地聽(tīng)診預(yù)判提供幫助［2］。與其他大型醫(yī)療診斷輔助工具相比，基于本聽(tīng)診系統(tǒng)的數(shù)字聽(tīng)診器具有體積小、價(jià)格低、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，并可為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距在宅聽(tīng)診、遠(yuǎn)距多方會(huì)診、建立全民人體器官音頻頻譜庫(kù)等智能醫(yī)療解決方案提供幫助。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的數(shù)字聽(tīng)診系統(tǒng)首先通過(guò)基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制作的硅麥克風(fēng)傳感器接收來(lái)自人體器官的聲音，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行處理，最后生成詳細(xì)精確的音頻譜分析報(bào)告［3］。其中，針對(duì)不同器官的聽(tīng)診需配置合適的濾波參數(shù)，去除環(huán)境及其他器官音頻的干擾。醫(yī)生通過(guò)一個(gè)可插入耳機(jī)孔的數(shù)模轉(zhuǎn)換器聽(tīng)取患者器官的聲音，該轉(zhuǎn)換器將聲音模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成可供軟件處理的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，傳入計(jì)算機(jī)相應(yīng)軟件，完成聽(tīng)診音的分析與診斷。

基于上述流程，數(shù)字聽(tīng)診系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下:首先進(jìn)行聽(tīng)診音信息采集，利用內(nèi)置硅麥克風(fēng)傳感器的聽(tīng)診頭獲取人體器官的音頻信號(hào)［4］;其次，通過(guò)模擬濾波放大電路對(duì)采集的音頻小信號(hào)進(jìn)行放大及濾波處理，將濾波后的信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字信號(hào)，并傳送至專用集成電路(ASIC)芯片進(jìn)行處理;考慮到不同器官病變時(shí)音頻頻譜發(fā)生的變化，設(shè)計(jì)了一個(gè)可判斷聽(tīng)診音是否正常的算法，提取相應(yīng)的特征頻譜并保存于最后一級(jí)的隨機(jī)存儲(chǔ)單元(RAM)中;最后，輸出或顯示保存在RAM中的特征頻譜數(shù)據(jù)供定量分析。

圖1為設(shè)計(jì)的數(shù)字聽(tīng)診系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。音頻信號(hào)采樣模塊采集音頻小信號(hào)，將體積小、靈敏度高的硅麥克風(fēng)傳感器連接到后續(xù)模擬電路。模擬信號(hào)處理模塊連接音頻信號(hào)采樣端，經(jīng)運(yùn)算放大和低通濾波電路處理后，將音頻信號(hào)通過(guò)ADC模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)處理(DSP)單元采用ASIC實(shí)現(xiàn)［5］，根據(jù)人體不同部位的聽(tīng)診音頻信號(hào)靈活配置濾波系數(shù)，輔以音頻頻譜分析技術(shù)，生成數(shù)據(jù)文件并通過(guò)終端設(shè)備輸出。

圖1 數(shù)字聽(tīng)診系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 模擬信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

圖2為數(shù)字聽(tīng)診系統(tǒng)中模擬信號(hào)處理模塊的電路圖。其中，硅麥克風(fēng)(Microphone)傳感器的1腳和電容C1相連，用以去除傳感器輸出的直流偏置;運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端接參考電壓，可靈活配置運(yùn)放的輸出直流偏置電壓;電阻Rf和R1構(gòu)成運(yùn)放閉環(huán)反饋電路，放大倍數(shù)為-Rf/R1;為實(shí)現(xiàn)ADC的抗混疊特性(根據(jù)奈奎斯特定律采樣頻率至少是原始數(shù)據(jù)最大頻率的兩倍)，R2、C2組成無(wú)源低通濾波電路，其截止頻率f1=1/2π(R2C2);最后經(jīng)R2將模擬信號(hào)送至德州儀器(TI)公司的8 bit半閃速結(jié)構(gòu)ADC TLC5510，生成對(duì)應(yīng)的8 bit數(shù)字信號(hào)［6］。TLC5510采用CMOS工藝制造，可提供最小20 Msample/s的采樣率，參考電壓為0.6 V～2.6 V，電源電壓為5 V。

圖2 模擬信號(hào)處理電路圖

3 數(shù)字信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

數(shù)字信號(hào)處理模塊采用ASIC實(shí)現(xiàn)，包括數(shù)字聽(tīng)診系統(tǒng)的模式選擇模塊、頻譜數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、系統(tǒng)主狀態(tài)控制模塊、快速傅里葉變換(FFT)核心運(yùn)算模塊、頻譜篩選核心運(yùn)算模塊及Flash存儲(chǔ)器等功能模塊。

3.1 模式選擇模塊

人體器官(心、肺、腸等)發(fā)出的音頻范圍大部分均在人耳能分辨的中低頻段，但不同器官的音頻范圍不同，如心音為0～600 Hz，肺音為100 Hz～1 500 Hz，腸音為20 Hz～1 500 Hz。模式選擇模塊可根據(jù)不同輸入模式(MOD管腳)生成相應(yīng)的數(shù)字濾波器帶通/低通濾波系數(shù)。根據(jù)線性系統(tǒng)理論，在某種適度條件下輸入到線性系統(tǒng)的某個(gè)沖擊可完全表征系統(tǒng)，在有限離散數(shù)據(jù)的處理中，線性系統(tǒng)響應(yīng)同樣有限［7］。當(dāng)線性系統(tǒng)只是一個(gè)空間濾波器時(shí)，通過(guò)觀察它對(duì)沖擊的響應(yīng)，就可確定對(duì)應(yīng)的有限沖擊響應(yīng)(Finite Impulse Response，F(xiàn)IR)濾波器［8］。本設(shè)計(jì)中的Fir_v模塊可通過(guò)不同的模式選擇模塊配置相應(yīng)的FIR濾波系數(shù)，靈活處理輸入數(shù)據(jù)，提高抗干擾和精確分析的能力。

以腸音為例，在MATLAB中生成帶通10階FIR數(shù)字濾波器，帶通截止頻率fp=1 500 Hz，采樣頻率fs=5 000 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)N=10，截止頻率Wn=fp/5 000 ×2，系數(shù)向量b=fir1(N，Wn)，離散系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性由函數(shù) freqz(b，1，256，fs)得到［9］。

模式選擇模塊的理想FIR幅頻、相頻響應(yīng)如圖3所示。可以看出，2 000 Hz處頻率響應(yīng)為-22 dB，生成的濾波系數(shù)如下:0.0000 1.6254 -3.1746-8.1648 35.3303 76.7674 35.3303 -8.1648 -3.1746 1.6254 0.0000。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后，將濾波系數(shù)存于Flash模塊中，根據(jù)模式選擇調(diào)用不同的濾波系數(shù)。

3.2 FFT核心運(yùn)算模塊

FFT核心運(yùn)算模塊中的數(shù)據(jù)通過(guò)radix4_256點(diǎn)FFT單元，對(duì)由前級(jí)Fir_v模塊濾波處理過(guò)的數(shù)字音頻信號(hào)作傅里葉變換，進(jìn)行頻譜特性分析［10］。圖4給出了FFT和頻譜篩選核心運(yùn)算模塊的原理圖。將CLK與ADC的采樣時(shí)鐘頻率匹配，確保數(shù)據(jù)正確連接，實(shí)部輸入引腳與Fir_v的輸出相連，虛部輸入引腳接地(因?yàn)椴蓸拥臅r(shí)序音頻信號(hào)并無(wú)虛部)，其他控制端口同系統(tǒng)主狀態(tài)控制模塊相連。FFT虛部(Iout)、實(shí)部(Qout)和FFT輸出使能信號(hào)(Outen)分別連到信號(hào)提取(Extract)模塊進(jìn)行求幅值運(yùn)算:

圖3 模式選擇模塊的理想FIR特性

得到時(shí)序信號(hào)對(duì)應(yīng)頻域中的頻率幅值，其中，DOI、DOR分別表示FFT變換結(jié)果的虛部和實(shí)部。當(dāng)Extract模塊開(kāi)始輸出結(jié)果時(shí)，通過(guò)輸出使能信號(hào)Dout_en控制頻譜篩選核心運(yùn)算模塊的寫(xiě)入。

圖4 FFT和頻譜篩選核心運(yùn)算模塊原理圖

3.3 頻譜篩選核心運(yùn)算模塊

頻譜篩選核心運(yùn)算(Core Process)模塊為系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)輸入端同Extract模塊的數(shù)據(jù)輸出端相連，寫(xiě)控制端口同樣連至Extract模塊的讀有效端口。在該模塊中，設(shè)置最大幅值(Qmax)、最大頻率(F)、特征頻段頻譜功率(P)、特征頻譜中四等分頻譜區(qū)間(Q1～Q4)等參考變量，輔助頻譜篩選程序決定是否將當(dāng)前頻譜保存至下一級(jí)存儲(chǔ)單元中［11］。

在特征參數(shù)篩選算法中，由于FFT為256點(diǎn)算法，系統(tǒng)采樣頻率fs=5 000 Hz，頻譜的步進(jìn)M=5 000/256≈19.5，系統(tǒng)重點(diǎn)關(guān)心的100 Hz～1 500 Hz頻率對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制地址為5～77。當(dāng)?shù)刂返扔?時(shí)，將當(dāng)前頻譜中P、fx、max 3個(gè)參數(shù)清零而保留全局參數(shù)F;為避免噪聲及無(wú)采樣信號(hào)時(shí)對(duì)系統(tǒng)篩選的影響，設(shè)定頻域數(shù)據(jù)最小有效閾值為16。該模塊在Verilog中的實(shí)現(xiàn)如下:

4 測(cè)試結(jié)果

對(duì)ASIC進(jìn)行時(shí)序仿真，結(jié)果如圖5所示。nOE為低電平狀態(tài)，此時(shí)時(shí)域數(shù)據(jù)從ADC送至ASIC，function_en跳變?yōu)榈碗娖綘顟B(tài)，系統(tǒng)處于process狀態(tài);當(dāng)時(shí)間處于150 ms時(shí)，fft_outen跳變?yōu)楦唠娖剑藭r(shí)FFT開(kāi)始向core_process模塊寫(xiě)頻域數(shù)據(jù)，同時(shí)ampt_dout輸出頻譜擺幅;當(dāng)時(shí)間至300 ms時(shí)，function_en跳變?yōu)楦唠娖剑到y(tǒng)處于發(fā)送狀態(tài)，nOE跳變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)，ADC停止輸出8 bit數(shù)字信號(hào)，read_en跳變?yōu)楦唠娖剑瑐鞲衅靼l(fā)送數(shù)據(jù)，Qout開(kāi)始密集發(fā)送串口數(shù)據(jù)，整個(gè)過(guò)程符合電路的設(shè)計(jì)要求。

圖5 ASIC時(shí)序仿真

采用輸入諧波為500 Hz和2 000 Hz的正弦波作測(cè)試信號(hào)進(jìn)行功能驗(yàn)證。系統(tǒng)通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至PC機(jī)，并通過(guò)MATLAB繪制數(shù)字聽(tīng)診系統(tǒng)輸出的頻譜特性圖。系統(tǒng)實(shí)時(shí)信號(hào)測(cè)得的頻譜分析結(jié)果示于圖6。可以看出，當(dāng)f=500 Hz時(shí)，幅度(n)驟升至100 dB左右，當(dāng)f=2 000 Hz時(shí)，n并未出現(xiàn)明顯的跳變，表明系統(tǒng)正確識(shí)別了500 Hz的音頻信號(hào)，同時(shí)濾除了2 000 Hz的信號(hào)(衰減-22 dB)，符合數(shù)字聽(tīng)診系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

圖6 數(shù)字聽(tīng)診系統(tǒng)輸出的頻譜分析結(jié)果

文中設(shè)計(jì)的數(shù)字聽(tīng)診器不僅操作簡(jiǎn)單，而且很好地保持了傳統(tǒng)聽(tīng)診器的外觀和感覺(jué)，易于上手;價(jià)格上雖然比傳統(tǒng)的聽(tīng)診器略高，但相比使用其他大型精密器械進(jìn)行診斷，大大降低了患者的醫(yī)療費(fèi)用;同時(shí)很大程度地提高醫(yī)生對(duì)聽(tīng)診音的檢測(cè)能力，并提供直觀科學(xué)的數(shù)據(jù)，顯示在外設(shè)顯示器上，也可保留聽(tīng)診數(shù)據(jù)及圖表等供進(jìn)一步的科學(xué)研究。數(shù)字聽(tīng)診器的應(yīng)用增強(qiáng)了聽(tīng)診結(jié)果的準(zhǔn)確性及科學(xué)性，同時(shí)打消了患者心中的疑慮。

5 結(jié)論

基于聽(tīng)診音頻譜分析設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種精度高、噪聲小的數(shù)字聽(tīng)診系統(tǒng)。音頻信號(hào)由硅麥克風(fēng)接收，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，由ASIC芯片進(jìn)行處理并生成定量的音頻譜分析報(bào)告。可針對(duì)人體不同部位的聽(tīng)診音頻信號(hào)進(jìn)行了獨(dú)立的數(shù)字濾波去噪，提高了聽(tīng)診系統(tǒng)抗干擾的能力。和傳統(tǒng)聽(tīng)診主要依靠聽(tīng)覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行診斷的方式相比，基于數(shù)字聽(tīng)診系統(tǒng)輸出的聽(tīng)診音頻譜分析結(jié)果更直觀精確，可為科學(xué)聽(tīng)診預(yù)判提供幫助。

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