基于LABVIEW的遠程電子聽診器研制

徐文慧 周藝 趙子疊 戴歡

摘 ?要：設計制作了一種基于LabVIEW的遠程電子聽診器，以NI MyDAQ數據采集模塊和LabVIEW軟件開發平臺作為基礎，由服務端和客戶端兩部分組成。利用NI MyDAQ數據采集卡采集經由調理電路濾波放大后的聲音信號，服務端利用LabVIEW顯示出聲音的波形，用DataSocket實現了客戶端與服務端之間的通信，客戶端接收采集到的聲音信號，實時顯示出波形并播放和保存音頻。相較于傳統聽診器，可遠程聽診，音頻存儲回放。適用于隔離病房、遠程會診、社區診療等場景。測試結果表明：該系統工作穩定，可傳輸、顯示和播放心音。

關鍵詞：遠程電子聽診器;LabVIEW;DataSocket;心音

一、緒論

中國在1999年便進入了社會老齡化階段，60歲以上人口占到總人口的10%以上。據國家統計局數據，2020年中國人口60歲以上占比17.3%，預計2050年占比上升至34.6%，現已成為世界上老年人口最多的國家，也是人口老齡化發展速度最快的國家之一。我國心血管疾病患者已經超過2.7億人，每年死于心血管疾病近300萬人，占我國每年總死亡病因的51%。很顯然，在中國人口老齡化的大趨勢下，心血管疾病必定會是最普遍的疾病之一。對于心血管疾病，聽診是一種最基本、最常用的臨床診斷的方法，盡管新的、高端的醫療器械不斷涌現，聽診器依舊是必不可少的基本診斷用具。

聽診器是重要的診斷工具之一，醫護人員診斷病患時，與患者密切接觸，感染風險很大，若能使用遠程聽診設備則可以大大降低醫生感染的風險。最重要的是：在聽診過程中很多有價值的聲音一閃而過，醫生無法反復聽診，也無法分享。這不利于醫生之間的交流，也不便于醫學生的學習。目前隨著醫療資源分布不均勻問題的凸顯和人民健康意識逐步的提高，遠程醫療、移動醫療、互聯網健康管理已成為熱點，而傳統的聽診器更是需要跟隨時代發展，借助現代通信、傳感技術發揮出更重要的作用。

遠程電子聽診器相較于傳統聽診器有很多優勢：一是采集的患者信息，例如心肺音等可被收集儲存，有利于病人長期診斷對比治愈進度;二是遠程聽診能在診斷傳染性強的疾病時避免醫生直接接觸患者，降低醫生受感染的風險;三是基于DataSocket數據傳輸，可以做到延遲小，且能保證較長距離的實時診斷。

綜上所述，遠程電子聽診器具有重要的研究價值和實用價值，適用于隔離病房、遠程診斷、社區診療等場景，為醫生裝上“順風耳”，解決患者數據遠程采集困難的問題，提高遠程醫療的便利性，降低患者隨診成本，在高傳染性的疾病診斷中保護醫生的生命安全。

二、總體設計

（一）設計目標

1.設計聽診器音頻采集電路，能夠將患者心肺音信號通過壓電薄膜傳感器轉化為電壓信號，通過帶通濾波及陷波電路，過濾出干擾信號保留心音，最后將數據傳輸至患者端PC機準備進行軟件濾波處理及數據發送;

2.在患者所在的PC機開發服務端程序，能夠直接采集心肺音信號并進行四階巴特沃斯濾波處理，將信號波形實時顯示并通過DataSocket技術實現數據上傳;

3.在醫生所在的PC機開發客戶端程序，能夠實時讀取DataSocket傳輸數據并通過揚聲器進行心肺音播放，同時生成音頻文件。

（二）系統方案及實現原理

“遠程電子聽診系統”采用如圖1所示的方案框圖。系統以NI MyDAQ數據采集模塊和LabVIEW軟件開發平臺作為基礎，由服務端和客戶端兩部分組成。

技術流程是通過壓電薄膜傳感器獲得病人的心肺音數據，使用調理電路和音頻放大器放大信號，經過軟件濾波，快捷準確的將病人的心肺音數據采集并存儲下來。使用DataSocket技術可實現心肺音數據的傳輸，從而完成遠程聽診。該項目適用于收治強感染性傳染病醫院、邊遠地區巡回診療、世界衛生組織專項醫療活動等場合。

1.患者發送端

由一臺筆記本、NI MyDAQ模塊、MAX9814音頻放大模塊、聽診頭等組成。具體功能有：

（1）筆記本電腦通過NI MyDAQ數據采集模塊采集MAX9814放大后的心音信號，并進行濾波處理，構成虛擬檢驗儀器;

（2） 在筆記本電腦顯示操作界面，患者可實時觀察到自己的心肺音波形數據;

2.醫生接收端

由在互聯網環境中的多臺電腦和醫生工作站等組成。具體功能有：

（1）在互聯網環境中，不在患者身邊的醫務人員可通過DataSocket遠程實時獲得病人心肺音波形和音頻文件，及時進行診斷和處理。

（2）醫生在實時播放心肺音波形和播放音頻的同時，可將病人的心肺音數據以音頻文件形式進行存儲，便于后續的復查診斷。

三、 技術方案

（一）硬件設計

1.聽診頭：采用壓電薄膜傳感器及心音信號調理電路，將心音收集并作簡易濾波處理輸出模擬信號。

心音可聽頻段主要集中在20-600Hz。本設計利用壓電薄膜傳感器，將心肌收縮，心臟瓣膜關閉和血液撞擊心室壁大動脈壁等引起的振動，轉化為模擬電信號，便于后面的放大、濾波等處理。本設計中采用CM-01接觸式傳感器，由靈敏度好，性能穩定的壓電薄膜結合一個低噪音的前置放大器電路組成，能以緩沖輸出的方式提供唯一的聲音和振動信號的拾取。在產品性能上，此傳感器在10HZ以上的頻率響應非常平穩。在頻率特性和靈敏度等特點上，此傳感器都能滿足要求。

心音是人體的一種微弱的生物特征信號，在檢測過程中可能會引入電磁干擾、呼吸音等，導致壓電心音傳感器輸出信號的阻抗較大、信號幅度較弱、混入噪聲與雜波，不利于后續信號的采集與處理。 因此需要設計相關的信號調理電路對壓電薄膜傳感器輸出的心音信號進行處理。

心音信號調理電路主要使用緩沖電路、帶通濾波電路、陷波電路、放大電路等對心音信號進行濾波處理。

帶通濾波器是由電阻、電容組成的濾波電路，它可以有效過濾某特定頻率或某特定頻率以外的信號，從而獲得需要的某個特定頻率或過濾某個特定頻率以后的信號。由于心音信號的主要成分集中在20—600Hz以內，因此本項目設計通頻帶為20—600Hz的帶通濾波器對心音信號進行濾波，帶通濾波器由低通濾波器與高通濾波器級聯組成。Sallen-Key型濾波器是一種常用的二階有源濾波電路，它的電路模型由運算放大器、電阻、電容組成，本電路基于Sallen-Key型濾波器設計低通濾波電路與高通濾波電路，再通過級聯的方式構成帶通濾波電路。

50Hz工頻干擾是心音信號的主要干擾源，雖然前面的帶通濾波電路使用了對共模干擾信號有較強抑制作用的NE5532運放IC，但仍有部分干擾以差模信號的形式留在電路中，其頻率位于心音信號主要成分的頻率范圍之內。

2.MAX9814音頻放大模塊：具有AGC和低噪聲麥克風偏置電路的麥克風放大器。該器件集成低噪聲前置放大器、可變增益放大器（VGA）、輸出放大器、麥克風偏壓發生器以及AGC控制電路，可將聽診頭輸出的電壓信號進行放大便于采集卡采集。

3.NI MyDAQ數據采集卡：數據采集是指設備對被測的模擬或數字信號，連續采集并送到上位機中進行分析處理。NI MyDAQ數據采集卡通過USB將采集的數據發送給計算機，在計算機上通過軟件編程對數據進行集中處理。

（二）軟件設計

1.服務端LabVIEW編程

在服務端（即患者發送端）編寫數據采集、文件存儲及上傳程序，同時編寫程序簡要記錄患者個人信息并接收診斷結果顯示。

數據采集功能的實現是通過使用DAQ助手，該控件可方便快捷地從接口獲取MyDAQ采集的模擬電壓信號。數據流經四階巴特沃斯濾波器接入波形圖表，可以實時顯示濾波完成的清晰心跳波形。

文件存儲功能的實現是通過使用聲音文件控件，通過輸入地址，打開文件，寫入數據操作實現。

數據上傳功能的實現是通過在波形圖表中進行數據綁定，并通過DataSocket進行傳輸，具體設置是在服務端設置波形圖的屬性進行數據綁定，數據綁定選擇：DataSocket，訪問類型：只寫，路徑選擇DSTP服務器—DataSocket Sever—wave，URL：dstp：//localhost/wave。

2.客戶端LabVIEW編程

在客戶端（即醫生接收端）編寫數據接收及音頻播放程序。LabVIEW程序前面板包含患者個人信息顯示、心率波形顯示、診斷結果輸入及回傳。

音頻播放功能的實現是通過使用聲音輸出控件，通過配置音頻格式，采樣率及采樣方式，再將波形數據寫入聲音輸出并進行播放，從而實現傳輸音頻數據的實時播放。

數據接收功能的實現是通過在波形圖表中進行數據綁定，并通過DataSocket進行接收，具體設置是通過波形圖設置屬性進行數據綁定，數據綁定選擇DataSocket，訪問類型：只讀，路徑設置為dstp：// 192.168.43.161 /wave（服務端PC機IP地址）。

3.DataSocket技術

DataSocket是LabVIEW網絡編程的主要技術，用于共享傳輸實時數據。它支持多種通信協議，通過統一的標識符URL確定通信地址和所遵循的通信協議。它基于Microsoft中Active X和COM技術，對TCP/IP協議高度封裝，用戶不需要掌握TCP/IP的底層編程技術就可以進行高層程序開發實現網絡數據傳輸，從而簡化通信程序的編寫過程，提高編程效率。通過DataSocket技術與網絡技術的結合，更方便的對遠程數據進行采集、分析和處理，獲得及時的信息與結果。利用DataSocket實現信號的傳輸。URL是DataSocket訪問目標的唯一地址，DSTP協議所對應的URL格式為：dstp：//severname/dataitem。

工作原理是通過本機的IP地址將采集到的心音信號寫入到DataSocket中，然后通過對方的IP將寫入到DataSocket中的音頻按照給定的格式輸出，從而實現本機的音頻采集和對方的音頻輸出。

四、結果測試

（一）實現步驟

1.硬件連接

將聽診頭連接至放大電路，接通調理電路電源，輸出端連接至MyDAQ數據采集卡的0+端，0-端接地，實現差分采集。MyDAQ的USB接入服務端PC機，實現數據傳輸至上位機客戶端。

2.網絡連接

將服務端與客戶端兩個終端PC機接入互聯網。

3.配置DataSocket：

配置DataSocket Sever Manger，添加自定義變量，本系統中需建立一個波形圖的數據項，通過Perdefined Data Items—New Item，在右側Name改為WAVE，選擇Initial Value（初始值）為數值。

DataSocket Sever負責監管Manger中所設定的具有各種權限的用戶組和客戶端程序之間的數據交換。DataSocket Sever不會占用測控計算機CPU的工作時間，因此測控應用程序可以運行的更快。Processes Connected顯示的是連接端的個數，這里為服務端與客戶端各兩個。Packets Received為接收數據量，Packets Sent為發送數據量。

（二）波形測試

運行服務端程序，觀察波形圖表，若采集波形連續且形狀較好則波形采集成功。觀察波形圖表右上角的信號提示，若為綠色則表示DataSocket連接成功，連接建立，數據傳輸開始，服務端程序運行時前面板如圖2所示：

同時運行客戶端程序，首先觀察波形圖表右上角的信號提示是否為綠色，若為綠色則表示DataSocket連接成功。再次觀察客戶端波形圖表，若采集波形連續且形狀較好則數據傳輸成功。在測試中，觀察到客戶端與服務端波形基本同步且延遲較短，說明本裝置同步率較好，傳輸信息丟失率低?？蛻舳顺绦蜻\行時前面板如圖3所示：

五、總結

本設計系統利用NI MyDAQ數據采集卡采集聲音信號轉化的電壓信號，服務端利用LabVIEW顯示出聲音的波形，用DataSocket傳輸協議實現了客戶端與服務端之間的通信，客戶端接收采集到的聲音信號，并實時播放和保存。相較于傳統聽診器，可遠程聽診，音頻存儲回放。具備較強的實用性和創新性。

通過使用基于LABVIEW的遠程電子聽診器，醫生能夠遠程實時獲得患者的心肺音，綜合其他數據進行實時診斷，尤其在傳染病的治療中，能夠一定程度上保護醫護人員的生命安全;音頻的儲存回放功能也打破了傳統聽診的局限，有利于比較診斷、多人同時聽診;由于能夠調節音量大小，本項目研制的電子聽診器能夠減少因主觀因素導致的誤診，提高診斷的準確性。

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