便携式蓝牙电子听诊器的研究

中心议题
    * 分析研究国内外有关电子听诊器研究现状
    * 出并实现了一种可分离心肺音的可视化蓝牙无线电子听诊器
解决方案
    * 嵌入式、蓝牙技术、TCP/IP、计算机虚拟仪器技术为核心
    * 集传统听诊器、电子听诊器及心音图机为一体

0　引言

心肺音听诊是诊断心肺疾病和了解心肺功能的一种最古老也是最常用的方法。传统听诊器听诊心肺音的方法虽然简单,但往往难以捕捉到人体内部脏器发出的一些微弱但却非常重要的生物声,致使医生无法及时做出诊断。特别在恶劣的环境下,如凌乱的事故现场、繁忙的急救室以及嘈杂的救护车上,要使用传统的听诊器进行有效地诊断几乎是不可能的。如何设计一种结构合理而且深得医务人员喜用的听诊器,既是摆在科研人员面前的重要研究课题,也是医疗设备生产厂家迫在眉睫的工作之一。立足于医生临床诊断的迫切需要和广阔的医疗器械市场需求,开展可分离心肺音的多功能无线可视化电子听诊器的研究。所设计的系统集传统听诊器、电子听诊器及心音图机为一体,在有选择地单独听取心音或肺音的同时,借助于与PC的蓝牙无线连接,可以实时分析心肺声音、观察心肺音波形、提供心率等生理参数,显示、存储与恢复心肺音。

1　心音产生机理

心脏的瓣膜和大血管在血流冲击下形成的振动,以及心脏内血流的加速与涡流及其对心脏瓣膜、心房、室壁的作用所产生的振动,再加上心肌在周期性的心电作用下其刚性的迅速增加和减小形成的振动,经过心胸传导系统到达胸壁形成体表心音。正常心脏的4个心音:多数情况下只能听到第一和第二心音。正常心音的时域波形图如图1所示,从图1可以比较直观地看出心音的主要成分和时域特性。

第一心音的出现标志着心室收缩期的开始,第二心音的出现标志心室舒张期的开始。从出现第一心音到出现第二心音的期间定义为心室收缩期;从出现第二心音到下一心动周期中出现第一心音的期间定义为心室舒张期。相邻的收缩期和舒张期合起来形成一个完整的心动周期,成为分析心脏功能状况的基本单元。在一个心动周期中,心音的主要成分为:第一心音(S1)、收缩期、第二心音(S2)、舒张期,通过它们可以完整的表述出心音的时间特性。

2　硬件总体设计思路

根据国内外的理论研究结果显示,心音信号的主要频率范围集中在30~500Hz之内,肺音频率为100~1 000Hz之内,均在人耳所能听到的声音范围的中低频率段,初步选用驻极体传声器作为心肺音传感器。根据心肺音的频率特点,选择恰当的低通、高通滤波器,再设置一个多向选择开关对它们进行分别选取,即可有效的采集和分离心、肺音。心肺音传感器将心肺音微弱的机械振动转化为电信号,经过低噪声前置放大器的信号调理后,送至滤波器阵列。微控制器从键盘读取用户指令控制滤波器阵列,合成心音、肺音、心肺音3种滤波器中的一种,从而得到所需要的心肺音信号。该信号分成两路,一路经音频功率放大后驱动耳机,让医生能实时听到心肺音,另一路经模拟数字转换电路送至微控制器进行数字化采集和心率计算,并在液晶屏幕上显示心率的值。微控制器根据用户指令及时控制蓝牙电路,将数字化后的心肺音信号经蓝牙无线电传送至上位机作进一步处理。硬件电路的总体设计框图如图2所示。

微控制采用美国Atmel公司出品的ATmega16L。滤波器采用四阶巴特沃斯滤波器,经心音滤波器滤波后,效果较好,正常人的第一第二心音效果明显。用安捷伦型号54642A示波器采集到的心音信号如图3所示。心脏的瓣膜和大血管在血流冲击下形成的振动,以及心脏内血流的加速与涡流及其对心脏瓣膜、心房、室壁的作用。

3　固件及上位机软件设计思路

3.1　AVR固件程序设计思路

固件程序目的是通过AVR微控制的控制,合理有效地安排各个外围的设备有序地按用户的输入指令工作。在整个固件程序中,首先由主函数初始化A/D、按键、液晶屏、时钟、串口,然后打开定时器中断。时钟中断每隔250μs产生一次,在中断服务程序中主要是检测是否有按键按下以及按键防抖动,如果有按键按下,则调用按键函数,根据按键的状态改变电子听诊器的工作模式(心音模式,肺音模式,心肺音混合模式,蓝牙通信模式);微控制及时根据按键后听诊器的工作模式改变滤波器阵列的组合。这样就分离出了心音、肺音、或是心肺音信号。在时钟中断服务程序中使能AD转换。当ADC完成转换之后,会自动产生一个AD中断,在AD中断服务程序中,如果听诊器当前不是处于心音模式下,就向上位机发送数据;如果处在心音模式下,则不向上位机发送数据,固件程序根据AD采集的值来计算心率,最后计算出来的心率通过调用液晶显示子程序显示在屏幕上。

3.2　上位机软件设计思路

上位机软件首先要和蓝牙电子听诊器配对,接着上位机虚拟出一个异步串行通信口,以后心肺音数据都通过蓝牙无线电协议发送到这个串口上,从而与上位机实现了数据交换;上位机软件从虚拟出来的串行通信口中接收听诊器发送过来的心肺音数据,并依时间先后显示在屏幕上就可以组成一条心音实时曲线;为了实现瘦客户机形式的远程会诊,上位机软件还必须利用TCP/IP相关编程接口实现网页服务器的功能,这样远程的专家就可以通过浏览器实现远程会诊。为了高效快速开发出原型,最终采用美国国家仪器公司的可视化虚拟仪器开发软件LabVIEW8.20作为上位机开发软件。上位机软件的界面如图4所示。

3.3　设计与实现

本研究课题完成了2个蓝牙电子听诊器原型机的制作。经浙江省电子产品鉴定所测试,测试结果符合原项目合同书所列的各项要求。主要指标如下:

(1)心、肺音音量可调节,音量放大最高可达12倍;

(2)LCD液晶屏显示;

(3)多模式(可选择心音、肺音及心肺音混合模式);

(4)与PC的无线传输,有效传输距离达到10m;

(5)上位机实时监控软件;

(6)自动关机功能(3 min无人使用可自动关机);

(7)使用温度-10~+50℃。

4　结束语

研制的无线可视化电子听诊器在单独听诊心、肺音的同时,通过蓝牙无线传输,上位机实时显示、保存及回放心肺音。结构合理,抗干扰性较强,产品新颖、需求量大,具有广阔的市场前景。