低噪聲多模電子聽診器設計

苑 韜，徐靜波，張海英

(1.中國科學院微電子研究所 健康電子研發中心，北京 100029；2.中國科學院物聯網研究發展中心，江蘇 無錫 214135；3.中國科學院大學 微電子學院，北京 100049)

人體作為一個復雜非線性動力系統，各種臟器可能會產生多種聲音信息，心音、肺音、腸鳴音等人體聲音包含大量的生理信息、病理信息，具有重要的臨床診斷價值。

傳統聽診器需要使用人耳現場聽取，易受環境影響，故難以準確檢測人體中的微弱聲音與短時特征，對使用者的經驗要求比較高。與傳統聽診器相比，電子聽診器利用高靈敏度聲音傳感器，能夠準確檢測、存儲聲音信號，可以反復聽取和分析聲音數據，且可以針對不同部位聽診采用不同工作模式。

心音信號的頻率分布主要在20～400 Hz之間[1]，其中在多數情況下都可聽到，響度最大，最重要的第一心音，第二心音的頻率主要集中在20～100 Hz[2]，肺音信號的頻率分布主要在50～3 000 Hz[3]，腸鳴音的信號頻率主要分布在60～1 200 Hz[4].

本文設計了一款多模電子聽診器，根據人體心音、肺音、腸鳴音聲音的頻率分布，設計了3種相應的帶通頻率范圍，實現多模工作方式。其信號增益達35 dB，信噪比達44 dB，噪聲系數1.8 dB.

1 硬件設計與實現

1.1 電路整體設計

電子聽診器由電子聽診頭、前置放大電路、數字信號處理芯片、濾波電路、后置放大電路、電源等幾部分組成。由麥克風進行聲音采集，信號經過前置放大電路放大，輸入DSP后進行模數轉換并進行噪音抑制，經過濾波后由差分方式經過后置放大電路輸出。輸出模式和音量放大倍數由開關調節。電子聽診器的工作原理如圖1所示。

圖1 硬件系統工作原理Fig.1 Operational principle of the hardware system

1.2 聽診頭設計

聽診頭內使用麥克風作為信號輸入傳感器，經研究，微機電系統(micro-electro-mechanical systems,MEMS)麥克風相比傳統駐極體麥克風，具有耐高溫、穩定性好、一致性高、輸出阻抗低、抗沖擊等優點。具體對比參數如表1所示。

表1 駐極體麥克風與MEMS麥克風對比[6]Table 1 Contrast between the MEMS microphone and the electret microphone

為滿足電子聽診器多模工作要求，麥克風應該覆蓋心音、肺音、腸鳴音的頻率范圍，且麥克風是主要的噪音源，其噪聲性能對整體聽診效果至關重要。本文選擇了頻帶響應為20 Hz～20 kHz，信噪比59 dB的MEMS麥克風作為電子聽診器的聲音采集元件。將MEMS麥克風及其配套電路嵌入普通聽診頭的外殼中，作為電子聽診器的聽診頭部分。

1.3 輸入/前置放大電路設計

麥克風采集到的聲音信號，由前置放大電路放大后輸入DSP，前置放大電路增益可調，增益調節共30檔，工作時初始增益為12 dB，輸入信號動態范圍為10～100 mV.為降低直流干擾，在輸入端串聯隔直電容，濾除20 Hz以下的低頻聲音信號，差分輸出電路如圖2所示。

圖2 差分輸出級電路Fig.2 Circuit of differential output level

1.4 輸出/后端放大電路設計

由于工作模式的不同，為了能夠將帶寬限定在對應模式所需頻率內，并對其他頻段的聲音產生一定程度的屏蔽，所以在DSP片上搭載了數字低通濾波，可通過按鈕改變上截止頻率，從而根據不同的通頻帶將工作模式分為心音模式、肺音模式和腸鳴音模式，后端放大級電路如圖3所示。

圖3 后端放大級電路Fig.3 Circuit of back-end amplifier

聲音信號進入后端放大電路，將兩路差分輸入放大后，經后級音頻端口，傳輸至數據終端。其中R6，R7是上拉電阻，R12，R15與前級的R8，R9分別組成分壓，其比值為放大倍數。C24，C25分別為濾波電容防止干擾。C30，C31為直接連接3.5 mm耳機口的輸出級的鉭電容，為了驅動耳機類型的小電阻負載，故應取較大電容值。C5為低通濾波電容，用于濾除電源雜音。

1.5 供電電路設計

聽診器工作電壓為3.0 V.為了降低電路受到來自電源的噪聲干擾，采用了電源紋波抑制比較高，低噪聲低功耗的低壓線性穩壓器(low drop regulator,LDO)來為DSP，音頻放大芯片和MEMS麥克風等元件供電。通過LDO的穩壓效果可以穩定工作點。同時在各模塊內加入多組容值相差100倍的濾波電容，既可以較好的濾除高頻干擾和低頻干擾，又可以抵消大電容帶來的分布電感，較好的改善了信號的抗噪特性。

1.6 降噪設計

為了降低整體輸出噪聲，需要從降低輸入噪聲、降低信號傳輸與放大過程中的失真、減少電路自身產生的噪聲等三方面入手。采用差分方式設計電路，有效抑制了共模干擾信號，提高了信噪比。其性能主要基于電路的共模抑制比，為了提高共模信噪比，必須要求達到兩路輸出回路電路布局的高度對稱。兩路輸出從布線方向，周圍過孔布置，器件布置，器件值等都保持了高度對稱，較好的抑制了共模信號。

考慮到人體聲音信號在傳輸過程中易受噪聲干擾產生失真，互耦和大信號串擾也會影響輸入信號，在電路PCB布線時，保證輸入端電路與輸出端電路、電源電路等大信號傳輸部分間保持足夠距離分隔。

2 Labview聲音錄制程序

基于Labview環境，編寫了聲音采集管理平臺軟件，可用于采集、記錄、存儲、管理受測者的心音、肺音和腸鳴音數據。

測試者可以根據部位提示圖，依次將聽診頭置于受測者的對應部位，錄制10 s左右的聲音并顯示初次信號處理后的波形，測試者可以通過觀測波形判斷本次錄音是否準確，決定是否重測。錄制完成后軟件可以依據時間與受測者姓名分類儲存其聲音信息，以便后續診斷中調用與分析，軟件工作原理圖如圖4所示。

圖4 軟件工作原理圖Fig.4 Operational principle of the software system

3 實驗結果

3.1 電路測試

對該聽診器的幾項重要指標進行測試，主要包括輸入輸出阻抗與電壓、采樣率、信噪比和放大系數等。本文以實測心肺音與腸鳴音為樣本，測試系統性能。

使用安捷倫33250A函數發生器作為信源測試該聽診器的噪聲系數，可由下式得到噪聲系數NF：

(1)

式中：Psi為輸入信號功率；Pni為輸入噪聲功率；Pso為輸出信號功率；Pno為輸出噪聲功率。

根據測試，輸入信噪比與輸出信噪比之比，信源靜態噪聲為1.3 mV，使用輸入100 mV，100 Hz標準正弦信號時，可測得最大不失真輸出為1.43 V，靜態噪聲33 mV，噪聲系數為1.8 dB.

向聽診器輸入穩壓正弦信號，電壓10 mV，測試輸入信號的頻率不同時的輸出電壓，可得到不同工作模式的通頻帶寬，具體通帶如圖5所示。

圖5 各個模式通頻帶帶寬Fig.5 Widths of transmission bands in every mode

本聽診器對比多個其他公司生產的電子聽診器產品，具有明顯的優勢，其信號增益高、信噪比高、對微弱信號的辨識和準確度更好的特點。經測試，本聽診器信噪比為44 dB，類比國內與國外同期產品，Hanbyul Meditech公司的SP-S2型聽診器信噪比為41.92 dB，Contec CMS-VE的心音精度為2%，信噪比為33.97 dB[7].同時本聽診器具有多種工作模式，可對應不同的測試部位。其具體參數如表2所示。

表2 電子聽診器各項參數Table 2 Figures of the stethoscope

3.2 人體聲音測試

若要對臟器進行準確的臨床診斷，需要聽取多個位置的聲音綜合判斷，例如心音的聽診區分為左右心室聽診區，左右心房聽診區，主動脈瓣區和肺動脈瓣區等位置，不同的位置第一、第二心音強度也不同。故將所需聽診的心音部位分為二尖瓣聽診區M，主動脈聽診區A1，A2，肺動脈聽診區P，三尖瓣區T，可以全面的聽到心臟可能產生的各種雜音。同樣的，肺音選取了軀干前后共8個部位，腸音選取人右下腹部位進行錄制。

讓受測者取坐位，測試者手持聽診頭測試其心臟各個聽診區的心音，聽取了多位受測者的心臟音，對于辨識其第一、第二心音及分辨出雜音的存在效果較好。

使用該聽診器在于某軍區測試并獲得了若干健康心音實例。如圖6所示，從所得心音庫中抽取一例進行譜變換與示波，可見其S1，S2心音清晰可見，S1振幅大于S2，無S3，S4心音，S1振幅大于噪聲振幅30倍以上，其聲音能量分布主要在20～150 Hz之間，在其他頻域能量很小，符合心音的分布狀況，可較好的反應測試者的心臟狀態。

圖6 一例健康受測者心音波形：(a)時域；(b)頻域；(c)功率譜Fig.6 A healthy heart sound

從測試肺音中抽取一例進行示波與譜變換，如圖7所示，其波形較好的反映了在8 s內的肺部運動，在0～1.5 s，3.9～5.9 s內共有2個呼氣相，在1.6～3.6 s，6～8 s內共有2個吸氣相。其頻率和能量分布主要在100～500 Hz之間。

隨機從測試腸鳴音中抽取一例進行示波與譜變換，如圖8所示，在錄制的30 s內，腸道活動產生的聲音其頻率和能量分布主要在50～450 Hz.腸鳴音分為正常音，金屬音和高調音。金屬音和高調音2種腸鳴音頻率分布在500～1 000 Hz，常見于腸梗阻患者等病人。于該例中可觀測到受測者不存在金屬音和高調音，500 Hz以上基本無能量分布。

圖7 一例實測肺音波形：(a)時域；(b)頻域；(c)功率譜Fig.7 A lung sound

圖8 一例實測腸鳴音波形：(a)時域；(b)頻域；(c)功率譜Fig.8 A bowel sound

如圖9所示，從采集的患有心肌缺血的患者中取一例時域波形，可見其相較圖7中的健康心音，其第一、第二心音振幅不夠顯著，且沒有明顯的振幅差別，互相難以區分。同時存在諸多疑似第三、第四心音的雜音，故該聽診器錄制的心音對于判斷出患者可能存在的病癥有重要的輔助診斷作用。

圖9 一例患病受測者心音波形的時域波形圖Fig.9 Time-domain, frequency-domain and the power spectrum of an illness heart sound

4 結束語

本文中設計了一款低噪聲多模電子聽診器，用于客觀化的采集心肺音與腸鳴音，對聲音進行初步信號處理后轉換為可視化圖像用與診斷，并將其儲存以便日后調用。傳統聽診方式中，判斷聲音特征對測試者的經驗要求較高，具有強烈的主觀性，且一些振幅較小的聲音可能難以聽見，同時當場采集的聲音無法儲存，無法重復調用與診斷。使用該電子聽診器能夠準確檢測、記錄、存儲、分析人體心音、肺音、腸鳴音等聲音數據，為臨床診斷提供了客觀化輔助參考依據。

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