穿戴式多導腸鳴音記錄儀的設計和實現

王國靜，王衛東，余 雷

解放軍總醫院生物醫學工程研究室，北京市，100853

穿戴式多導腸鳴音記錄儀的設計和實現

【作 者】王國靜，王衛東，余 雷

解放軍總醫院生物醫學工程研究室，北京市，100853

該文實現了穿戴式多導腸鳴音記錄儀，可以長時間連續采集并存儲5個通道的腸鳴音信號。文中還實測人體腸鳴音信號，驗證了該記錄儀的可用性。

腸鳴音；穿戴式；多通道；存儲

0 引言

腸鳴音是指腸子蠕動時，氣體和液體在腸管內流動，產生了一種斷續的氣過水聲或者咕嚕聲。不同的腸鳴音能夠反映不同的生理狀態。但是腸鳴音信號不像心電信號那樣有規律，其具有信號弱、背景噪聲強、個體差異大以及隨機性強等特點[1]，所以數據處理分析相對難度較大，加之由于腸鳴音短時間內出現的個數相對較少，為了能夠反映小腸的真實狀態，長時間、準確地監測腸鳴音是有必要的。穿戴式設備是實現長時間數據監測的有效實現方式。

目前的研究中，腸鳴音獲取方式有單通道[2]和多通道[3]兩種方式，多通道腸鳴音記錄儀能夠全方位監測各個部位的腸鳴音信號，能夠更加全面真實地反映胃腸蠕動情況。本設計基于STM32L系列單片機實現了6路通道的數據采集，其中5路通道采集腸鳴音，1路通道采集環境噪聲，共同獲得高質量、多部位的腸鳴音信號。為了實現穿戴式、便攜式，腸鳴音記錄儀采用的是體積小、性能高的MeMS麥克風實現聲音的拾取。

1 系統基本結構和原理

本設計是基于意法半導體推出的STM32L151單片機實現的，如圖1所示，6通道的MeMS麥克風將采集到的聲音信號通過二階有源低通濾波器進行濾波，再進行信號放大，放大后的6通道模擬信號經過STM32L151的aDc進行模數轉換，轉換后的數據存在本地的Micro SD卡。

圖1 腸鳴音記錄儀實現框圖Fig.1 Bowel sound recorder implementation block diagram

2 硬件實現

2.1 單片機模塊

本設計采用意法半導體公司STM32L151[4]作為腸鳴音記錄儀的微控制器，STM32 L151芯片是一款基于aRM cortex-M3內核的32 bit超低功耗微控制器系列，其高集成度外設、高運算效率和低成本的優勢，已超越16 bit超低功耗McU，甚至在各模式的功耗水平上，也不遜色于16 bit系統[5]。此外，STM32L151劃分6種工作模式來實現超低功耗，使其在任何設定時間內都能以最低的功耗完成任務，特別適合穿戴攜行設備的使用。

STM32L151提供了多種外圍設備通信接口，包括1個USB 2.0接口，3個USaRT接口，2個SPI接口和2個I2c接口。

本設計中采用STM32控制器的SPI口實現Micro SD卡的讀寫。SPI接口允許芯片與外部設備以全雙工或者半雙工、同步、串行方式通信，可用于多種用途，包括使用一條雙向數據線的雙線單工同步傳輸，還可使用cRc校驗的可靠通信[6]。本設計中STM32與SD卡的連接方式如圖2所示。同時，Micro SD卡中還移植文件系統FatFS，支持將腸鳴音數據、環境噪聲數據以及相關的配置數據按照固定格式以文件形式存儲在SD卡。

圖2 單片機與SD卡電路圖Fig.2 circuit connecting McU an SD card

本設計中采用STM32控制器的USB接口實現腸鳴音設備的配置功能。STM32L151嵌入的USB 2.0接口可達到數據傳輸速率為12 Mbit / s，由內部鎖相環生成USB專用的48 MHz時鐘[7]。如圖3所示是USB部分電路圖，其中USBLc6防靜電保護芯片。

圖3 USB接口連接圖Fig.3 circuit of USB interface

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊由6路MeMS麥克風及其聽診頭組成。本設計的麥克風選擇的是Knowles公司的SiSonic系貼片式麥克風，采用Knowles公司專有的微機電技術和獨特的封裝技術，使其與現有的電容式麥克風相比有明顯的優勢[8]。這款芯片輕薄小巧，尺寸只有3.76 mm×3.00 mm×1.10 mm，具有69 dB高信噪比，超寬帶平坦的頻率響應（±2dB，100～10 000 Hz）以及緊密匹配的±3 dB靈敏度。腸鳴音信號的頻率主要分布在60 Hz～1 500 Hz[9]，所以該麥克風比較適用于穿戴式腸鳴音聲音信號的提取。

傳感器模塊中的6路麥克風，其中5路采集腸鳴音信號，1路采集環境噪聲。采集腸鳴音信號的5個聽診頭分別固定于5個指定位置，分別是胸骨劍突下2～3 cm處1個，肚臍上下5 cm分別1個，回盲部1個，結腸部1個[10]，同時采集5個區域的腸鳴音信號，使得信息量更加豐富，更有利于全面了解腸蠕動情況。在拾取腸鳴音信號時，通常會受到背景噪聲信號的干擾，包括傳聲器和皮膚的摩擦音、人體的干擾信號(如呼吸音、心音)、周圍環境噪音等[11]。所以，傳感器模塊的第6路麥克風用于采集背景噪聲，為實現自適應濾波提供硬件支持，濾除背景噪聲，優化腸鳴音信號。

2.3 放大濾波模塊

放大濾波模塊對傳感器模塊采集到的腸鳴音信號進行模擬處理。放大濾波模塊分為濾波部分和放大部分，其中濾波部分采用的是二階有源低通濾波器。之所以選擇該濾波器原因如下：1）相比于無源電子低通濾波器，有源電子低通濾波器不容易受到負載變化的影響；2）二階濾波器相對于一階濾波器對削減高頻信號能起到更高的效果，相對于高階濾波器設計電路相對簡單。綜合以上兩個因素，既要得到較好的濾波效果，設計電路又不能太復雜，本設計選擇二階有源低通濾波器。在本設計中，低通濾波器的截止頻率設置為995.22 Hz，放大倍數為2倍。

放大濾波模塊的運算放大器選用的都是aD公司的aD855X芯片[12]，此放大器具有超低失調、漂移和偏置電流特性，同時有高增益、高共模抑制比和高電源抑制比。放大部分的設置的放大倍數為30倍，所以放大濾波模塊兩級一共放大60倍。

2.4 電源管理模塊

電源管理模塊實現了鋰電池充電和電源穩壓功能。充電芯片選用的是TI公司的BQ24040，TI公司的BQ24040是一款應用于面積受限的便攜式鋰離子和鋰聚合物電池線性充電芯片，在本設計中，該芯片的供電部分可以來自于USB供電，因具有高的輸入電壓供電范圍及輸入過壓保護。芯片內部有監測控制回路，當芯片內部溫度超過閥值時，通過減少充電電流實現對整體電路的保護[13]。充電部分電路如圖4所示。

本設計中STM32L151單片機的工作電壓是3.3 V，而鋰電池的電壓在3.8～4.0 V左右，所以需要選擇芯片LP2985對整個電路的電壓進行管理。TI公司的LP2985芯片是單通道、低噪聲的線性穩壓器，選用輸出為3.3 V的LP2985為電路提供電源，電路如圖5所示。

圖4 充電部分電路圖Fig.4 The charging circuit

圖5 穩壓電路圖Fig.5 Voltage regulation circuit

2.5 電池電量監測、按鍵和指示燈

本文中設計了電池電量監測電路，用來實時監測電池電量。電池電量監測電路采用兩個高精度電阻平均分壓，將電池電量的一半通過STM32L151內置的aDc轉換成數字信號，實現對電池電量的監測。

本設計中有一個按鍵和一個雙色指示燈，都連接在STM32L151的I/o口，實現對腸鳴音記錄儀各種工作狀態的控制和指示功能。

3 軟件實現

腸鳴音記錄儀的軟件與硬件配合，實現腸鳴音數據的采集、存儲和傳輸。軟件功能主要包括：數據轉換功能，數據存儲功能和數據傳輸功能。為了實現功能的完整性，還有按鍵、指示燈和電池電量監測的軟件功能。

圖6是腸鳴音記錄儀軟件的流程圖。腸鳴音記錄儀開機后，檢測Micro SD卡是否在卡槽內。判斷有Micro SD卡后，初始化USB并判斷是否有USB插入。如果沒有USB插入，便可以通過按鍵來切換低功耗狀態和數據采集狀態。整個流程中的各個狀態通過雙色指示燈來指示。下面主要對數據采集狀態中的具體功能詳細說明。

圖6 腸鳴音整體系統狀態機Fig.6 The overall system state machine of bower sound recorder

3.1 數據轉換——ADC

STM32L151單片機集成了多個通道的12位aDc，轉換率可達到1 MHz，支持單次轉換模式和連續轉換模式。本設計中數據轉換使用的是其內置12位aDc的6個通道，用來轉換5個腸鳴音數據和1個環境噪聲數據。使用的是多通道連續轉換模式來重復掃描每個通道，對每個通道的模擬數據進行數字轉換。本設計采集數據過程中，設置的轉換周期為48 cycles，采樣率為2 500 Hz。

3.2 數據存儲——Micro SD卡

Micro SD卡用來存儲aDc轉換后的腸鳴音數據和環境噪聲數據。Micro SD卡通過SPI接口與STM32L151通信，內部移植了FatFS文件系統，可以將數據以文件的形式分類存儲。FatFS是一個通用的文件系統模塊，用于在嵌入式系統中實現 FaT 文件系統，支持 FaT12、FaT16 和 FaT32，支持8.3格式的文件名[14]。FatFS包含應用層、模塊層和底層[15]。

Micro SD卡中存儲兩個文件，其中一個數據文件，存儲的是采集到腸鳴音數據和環境噪聲干擾數據，另一個文件是配置文件，用來配置腸鳴音記錄儀的相關參數。

3.3 數據通信——USB

腸鳴音記錄儀設備通過USB與上位機連接，實現上位機通過USB接口對SD卡的訪問。根據STM32L提供的USB固件庫，添加SD卡底層驅動操作函數，并將底層的存儲設備配置為SD卡，便可以復制或修改SD卡中的文件。

4 實驗結果

本設計的穿戴式多導腸鳴音記錄儀采集到的數據存儲到Micro SD卡中，將記錄儀通過USB接口與上位機連接后，便可以將數據文件復制到上位機。

本設計通過Matlab實現對6路數據讀取和顯示，如圖7所示，前5路為采集到的腸鳴音信號，第6路為環境噪聲。

圖7 腸鳴音記錄儀6路信號顯示截圖Fig.7 Six-channel signals of bowel sound recorder

5 結論

本文實現了穿戴式多導腸鳴音記錄儀的設計，并實際測量了5路人體腸鳴音信號。記錄儀可以完成Micro SD卡存儲功能，能將存儲的腸鳴音數據導入到計算機顯示。本設計實現的穿戴式多導腸鳴音記錄儀，一方面考慮到低功耗設計，采用STM32L系列的單片機，并在固件上做了節能處理，保證電池的長時間使用。另一方面，為了實現穿戴式便攜，考慮小體積實現，麥克風采用的是MeMS封裝，其他元器件均采用表貼式封裝，實現體積小的同時，降低了記錄儀的成本。

本設計實現的穿戴式多導腸鳴音記錄儀，可以長時間采集連續的腸鳴音信號，用來評估胃腸狀態，同時，胃腸狀態的監測與心電、呼吸等生理信息結合，能夠全面評估人體的生理狀態，具有很重要的臨床意義。

[1] 張和華, 吳寶明, 張連陽, 等. 腸鳴音信號的自適應濾波及其特征提取方法研究[J]. 中國醫學物理學雜志, 2009, 26(3): 1203-1209.

[2] 胡勇, 劉文輝. 腸鳴音的采集與分析[J]. 中國生物醫學工程學報, 1995, (3): 266-275.

[3] 張和華, 吳寶明, 卓豫, 等. 基于c8051F340單片機的腸鳴音采集系統的設計[J]. 中國醫療器械雜志, 2008, 32(3): 207-211.

[4] 意法半導體(ST)推出新款超低功耗STM32微控制器, 更大的存儲容量和更低的功耗提升產品價值[J]. 電子設計工程, 2014: 119-119.

[5] 劉夢星, 周樂川, 黃超, 等. 基于STM32L的便攜式動態血壓監測儀優化設計[J]. 中國醫療器械雜志, 2014, (5): 345-349.

[6] 叢林, 楊凱, 胡文東, 等. 基于nRF24L01和STM32L152RD超低功耗無線通信系統[J]. 電視技術, 2013, 37(17): 66-69.

[7] STMicroelectronics. Ultra-low-power 32-bit McU aRM-basedcortex-M3, 128KB Flash, 16KB SRaM, 4KB eePRoM, LcD, USB, aDc, Dac STM32L15xx6/8/B (Datasheet) [eB/oL]. http://www.st.com, 2013.

[8] KNoWLeS.樓氏電子: 迷你SiSonic貼片式麥克風隆重上市[J]. Global electronics china, 2005(12): 78-78.

[9] KNoWLeS. SPU0410LR5H-QB Zero-Height SiSonicTM Microphone (Datasheet) [eB/oL]. http://www.konwles.com,2013.

[10] Ranta R, Louis-Dorr V, Heinrich c, et al. Principal component analysis and interpretation of bowel sounds[c]. Ieee eMBS, 2004: 227-230.

[11] Ranta R, Louis D V, Heinrich c, et al. automatic segmentation and classifcation of bowel sounds [J].Ieee Sign Proc Lett, 2002, 10(8): 277-280.

[12] Texas Instruments. Zero-Drift, Single-Supply, Rail-to-Rail Input/ output operational amplifiers: aD8551(Datasheet) [eB/oL]. http://www.ti.com, 2002.

[13] Texas Instruments. 800ma single-input single cell Li-lon batterycharger with auto start:bq24040(Datasheet)[eB/oL]. http:// www.ti.com, 2012.

[14] 楊澤, 王擊, 劉亮. 基于MS5607B的移動氣壓高度計的設計[J].傳感器世界, 2011, 17(10): 33-36.

[15] 張濤, 左謹平, 馬華玲. FatFs在32位微控制器STM32上的移植[J].電子技術, 2010, 47(3): 25-27.

Design and Implementation of Wearable Multi-channel Bowel Sound Recorder

【 Writers 】WANG Guojing, WANG Weidong, YU Lei
Biomedical Engineering Research Room, Chinese PLA General Hospital, Beijing, 100853

bowel sound, wearable, multi-channel, storage

R318

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.03.006

1671-7104(2016)03-0176-04

2015-12-14

國家科技支撐計劃課題（2013BaI03B04，2015BaI01B14）；國家自然科學基金面上項目（61372047）

王國靜，e-mail: msguojingwang@sina.com

王衛東，e-mail: msguojingwang@163.com

【 Abstract 】This paper implements the wearable multi-channel bowel sound recorder which can collect fve channels bowel sound continuously for long time. This paper also measures bowel sound on real person to verify the availability of the recorder.