藍牙與安卓平臺的無線電子聽診器系統設計

李宏恩， 石春花， 郝文延(長治醫學院 生物醫學工程系， 山西 長治 046000)

0 引 言

人體生理信號是臨床診斷疾病的重要指標，當監測值與正常范圍差異較大時，很有可能已經有病變，聽診器是一種傳統的生理信號監測設備，它通過監測人體胸腔的聲信號以診斷疾病。

傳統聽診器主要由聽診頭、聽音橡皮管和耳塞所組成，聽診頭表面的薄膜接觸到人體后將聲音轉換為機械振動，再通過密閉的橡皮管傳到醫生的雙耳，從而清晰地聽到患者體內的聲音。這種結構的優點在于結構原理簡單、使用便捷，但由于這種方法更依賴于醫生的臨床經驗，同時無法對信號數據進行直觀顯示和保存，對周圍診療環境要求較高，受連接件限制而無法實現較遠距離的實時監測。本文基于藍牙技術和手機軟件應用，設計出一款針對人體心音進行采集處理、心音圖顯示的電子聽診器，從而實現更準確、更遠距離采集和顯示心音信號，大大提高臨床使用聽診器的診斷效果[1-2]。

1 系統總體設計思路

無線電子聽診器的總體結構框圖如圖1所示，主要由心音采集及前置放大、信號調理、主控制器、藍牙傳輸、上位機等組成[3]。

該系統采用壓電薄膜型心音傳感器獲取人體心音信號，將機械振動轉換為模擬電信號，由于振動較弱，所轉換后的模擬電信號需要進行前置放大；以心音信號頻率為截止頻率設計濾波器濾除噪聲，后級放大主要實現將信號幅值放大到模數轉換電壓范圍[4]；主控制器不但實現對數字信號的預處理，還起到控制藍牙無線傳輸的作用，最終將心音波形顯示并保存在開發的心音監測手機軟件。

圖1 無線電子聽診器結構框圖

2 系統各硬件設計

2.1 心音采集及前置放大

心音的產生及構成：① 血流對心臟瓣膜和大血管沖擊形成的振動；② 血流在心臟內加速與減速形成湍流與渦流，其對心臟瓣膜、心室壁、心房的作用所產生的振動；③ 心肌在周期性的心血活動作用下其剛性的迅速增加和減少形成的振動，這些振動經過心胸傳導系統到達體表形成了體表心音[5]。由于心音信號較弱，易受干擾，采集傳感器需具有靈敏度高，抗干擾能力強等特點，本設計選用華科電子HKY-06B 型傳感器，其供電電壓為3.6～6 V，頻率響應為1～1 500 Hz，靈敏度為4 mV/Pa。

前置放大將微弱的采集信號進行放大，以配合后續的信號調理和后級放大電路要求。考慮到生物電特性要求，設計電路和選用元件時應滿足：輸入阻抗和共模抑制比高、噪聲和溫度漂移低，本系統選用TI公司的OPA2335為放大芯片，OPA2335是單電源CMOS雙運算放大器，工作電壓范圍2.7～5.5 V，最大漂移僅為0.05 μV/ ℃。電路結構采用同相放大，通過調整電阻阻值可以改變電壓增益，因心音信號幅值僅為幾十mV，考慮到后級放大為主放大部分，這里將增益設置為7，同時，設計中在心音信號放大前利用電容隔離直流信號，并對輸入信號進行必要的直流偏置。

2.2 信號調理

由于采集到的心音信號常伴隨心內噪音、呼吸噪音、體表噪音和心胸系統傳播過程中產生的噪音，這些噪聲信號對于心音信號的準確監測有很大影響。通過采用濾波電路進行有用信號和無用信號分離，因心音信號頻率為20～600 Hz，而上述噪聲信號頻率多高于600 Hz，所以可采用低通濾波器濾除噪聲干擾。本系統采用二階巴特沃思低通濾波器，巴特沃斯濾波器的特點是通頻帶內的頻率響應曲線最大限度平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。濾波電路的芯片采用ADI公司生產的低功耗、低噪聲CMOS運算放大器AD8603[6-7]。

為了達到模數轉換芯片的輸入電壓范圍，需要進行后級放大，電路結構與前置放大相同，因OPA2335為雙運放，前置放大與后級放大可同時在同一片OPA2335中實現，這樣可以減少元件數量與電路復雜性，該系統中后級放大增益設置為10，且電路中的電阻可以適當調整增益。系統模擬前端電路如圖2所示。

圖2 系統模擬前端電路圖

2.3 主控制器

本系統主控制器采用TI公司的MSP430G2452，MSP430是一種16位單片機，超低功耗、強大的處理能力、高性能模擬技術及豐富的片上外圍模塊、系統工作穩定、方便高效的開發環境。MSP430G2452集成了10位，200 kS/s 采樣率的ADC，可方便地對后級放大輸出進行采樣和數字信號轉換；其包含有3種超低功耗模式：活動模式(220 μA at 1 MHz, 2.2 V)、待機模式(0.5 μA)、關機模式(0.1 μA)；超快響應速度：從待機模式喚醒到活動模式小于1 μs；內置的通用串行接口支持串行外設接口(SPI)，便于與藍牙等外設模塊的連接[8]。MSP430G2452內部結構框圖見圖3。

2.4 藍牙傳輸

采用上海移摩公司研發的FBT06，FBT06 是目前市面上功能強大的串口藍牙模塊，該模塊采用 Bluetooth2.1、支持主從模式、支持軟/硬件設置主從模式、輸出功率為Class2 (15 m左右)、串口波特率支持1 200～1 382 400，可與藍牙筆記本電腦、臺式 PC(加藍牙適配器)、PDA、Android 智能手機完美通信。與單片機通信時，由于單片機一般也為CMOS電平(兼容3.3V和5 V)，故可以直接與其UART相連。具有成本低、體積小、收發靈敏度高等優點[9-11]。

圖3 MSP430G2452內部結構框圖

3 系統軟件的設計與實現

3.1 主控制器程序設計與實現

軟件設計流程圖如圖4所示。

圖4 主控制器設計流程圖

首先將MSP430G2452 主控制芯片初始化配置為LPM3睡眠模式，并配置看門狗定時器為間隔定時器模式。當間隔期滿(約1 s)時，內置的ADC被觸發為單通道轉換。隨著心音信號的不斷采集調理，采樣輸出電壓與基準進行比較以決定是否通信。如果沒有通信，MSP430G2452 將返回到LPM3睡眠模式；若通信正常，睡眠模式將切換為LPM0，并且看門狗定時器間隔頻率調整為60 Hz。因此，ADC將實現每16 ms采樣一次前端模擬輸出信號，采樣期間檢測電路還將每3 s檢測通信是否正常，如果連續檢測到通信中斷，前端模擬電路將暫停工作，并使得MSP430G2452 再次返回到LPM3睡眠模式[8]。

3.2 上位機軟件設計與實現[9-10]

3.2.1軟件設計環境

android studio 1.5(Android 開發工具)，JRE 1.8.0_64 b17 amd64(Java運行環境)，Android 5.1.1(智能手機系統)。

3.2.2軟件設計流程

(1) 數據通信流程。

① 打開本地藍牙設備，并設置本地藍牙設備為可見；

② 用戶選擇相應的藍牙設備進行配對，配對成功后將本地藍牙設備對象(BluetoothAdapter對象)和配對的藍牙設備對象(BluetoothDevice對象)傳入BluetoothThread，初始化藍牙數據通信線程；

③ 獲取socket的InputStream對象，每隔100 ms從server端接收一組數據；

④ 前端在UI線程更新數據，繪制數據圖表。

(2) 數據保存流程。

① 獲取當前傳輸過的歷史數據；

② 打開當前應用下的文件history.txt，以append的模式將數據添加到文件getActivity().openFileOutput("history.txt",Context.MODE_APPEND)。

(3) 圖表繪制流程。圖表繪制主要考慮如下要素：數據集，整體圖表屬性，單個折線屬性。

① 初始化XYMultipleSeriesDataset對象，用于保存需要繪制的數據；

② 初始化XYMultipleSeriesRenderer對象，用于設置曲線屬性，包括設置圖表中曲線本身的樣式，顏色、點的大小以及線的粗細；

③ 設置圖表屬性，包括圖表標題，x、y軸的分度，顏色，標題等；

④ 接收藍牙模塊傳入的數據，通過view.postInvalide()更新圖表數據，完成整個圖表的繪制。

4 系統臨床測試及結果分析

臨床診斷中的主要聽診內容包括心率、心率和心音等指標，其中心率正常范圍：成人為60～100次/min，典型值為80次/min，女性稍快，老人偏慢，兒童偏快，而超出或低于這個范圍的稱為竇性心動過速或心動過緩，該指標是診斷多種疾病的重要參考；心律是指心臟跳動的節律，常見的心律失常有心律不齊、期前收縮、脈搏短絀；心音主要指第一和第二心音，臨床中常通過心音強度與性質的改變、心音分裂等來初步診斷疾病[11-13]。

利用所設計的電子聽診器系統，項目組對10例本校健康大學生和10例附屬醫院的冠心病患者的心音信號進行臨床采集研究[14]，通過自行開發的手機Android軟件獲取到的心音圖，如圖5所示。

(a) 健康人(b) 冠心病患者

從圖5(a)中可以清晰地識別第一和第二心音，測算的波形周期約為700 ms，通過計算得到被測者心率為85次/min，處于正常心率范圍。從圖5(b)中可以測算波形周期約為1 300 ms，換算成心率為46次/min[15]，結合被測者實際狀況，應屬于冠心病引發的竇性心動過緩，通常病人會出現精神不安、頭暈、血壓下降等癥狀，解決辦法主要應針對冠心病本身進行治療。

5 結 語

經過臨床試驗研究，該系統實現了設計目標。本系統采用集成化、緊湊性設計，功耗低，采樣精度高，能夠滿足測試和實際應用的要求。壓電式心音傳感器將物理信號轉換為電信號，而藍牙無線技術和手機Android軟件開發使得無線聽診監護成為現實。采用Android軟件可以方便地保存、回放以前的采集數據，從而便于對患者的病情發展做具體分析；藍牙配對技術可以準確地實現點對點通信，避免了其他信號的干擾，為心音信號的無線精準傳輸提供技術保障。該系統的設計為冠心病等心血管系統疾病患者的心音分析和疾病診斷提供重要依據。

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