無線電子聽診器設計

董得鵬 胡丹

摘要：傳統聲學聽診器雖簡單有效，但在新冠疫情下難以保證醫生與患者的安全距離，且醫生資源受到時間和地域的限制不能充分利用，為此，設計一種無線電子聽診器，該系統基于嵌入式處理器，應用無線傳輸技術通過 Zigbee 無線傳輸模塊進行數據傳輸，配合前端電路，實現對心音信號的采樣、處理及無線發送，醫生可以在任何時間和地點安全會診。

關鍵詞：電子聽診器;Zigbee ;前置放大

心音、呼吸音是反應心臟和呼吸系統是否正常的重要指標，是心臟和呼吸系統疾病診斷時的重要信息依據。傳統聲學聽診器簡單實用，聽診效果好，但醫生和患者需近距離接觸，且只能現場一人使用，不可異地或多人同時聽診，為會診和教學帶來不便，因此設計一款電子聽診器。一般電子聽診器在使用時引入的噪聲較大，影響聽診結果的可靠性和準確性，需做降噪處理。本系統引入噪聲小，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，微控制器將模擬信號轉換為數字信號后，通過Zigbee模塊將數據無線傳輸，實現了對心音、呼吸音的有效提取及處理。

1.整體設計思路

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，總體設計結構圖如圖 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，首先要經由前置放大電路進行初級放大。根據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，適合設計成為低噪聲放大器的基礎電路。將數個放大器并聯可以降低放大器源內阻，實現與信號源內阻的噪聲匹配，減小放大器的噪聲系數，達到最佳噪聲系數。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 計 出如圖 2 所示電路圖。

經理論驗證，此放大電路達到了低噪聲放大器設計的要求，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，以實現對心音信號的提取。改變濾波電路中R 、C 的參數，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選擇。

4.微控制器和Zigbee模塊

通過上面幾個環節的處理，該信號可被送入微控制器芯片的模/數轉換口，將其轉變為數字信號。本設計中 Zigbee 無線傳輸模塊采用 TI 公司生產的新一代 2. 4 G 無線收發芯片 CC2530 為核心 ，芯片集成了增強型 8051 內核，內部采用流水線結構，指令周期短。芯片具有256 KB 的 Flash ，低功耗設計使得芯片在收發狀態下的功耗都比較低，能夠保證長時間工作 。同時，經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送給電腦并以 wav 文件的形式進行儲存和分析。

接收機系統中硬件設計包括以下接收部分：Zigbee 模塊、微控制器，D/A轉換器及功率放大器。Zigbee模塊在空中接收來自發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，就必須先將其轉換成對應的模擬信號。該系統可利用網絡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給地理位置上不同的聽診醫生。

5結論

本系統不但可以將心音信號進行無線發送，當有超過一個接收器時，將有不止一位醫生能聽到患者的心音，它將增加診斷的準確性和方便醫科教學。同時，該系統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 合 分 析 方法應 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。

胡丹（1980.2--），女，漢族，湖北荊州人，講師，自動化專業。