袁靚 周于浩 秦顧正 肖彥 陳穎 張圣清

摘要：聽診器是醫(yī)療行業(yè)的重要器械。隨著通信行業(yè)的不斷發(fā)展，無線電子聽診器也應運而生。在對數(shù)個無線電子聽診器的了解基礎上，我們提出自己的設計方案。本文介紹了國內外相關行業(yè)的發(fā)展概況以及本次設計的技術支持。

關鍵詞：電子聽診器；模數(shù)、數(shù)模轉換；無線傳輸

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）11-0233-02

Wireless Electronic Stethoscope

YUAN Liang ，ZHOU Yu-hao， QIN Gu-zheng， XIAO Yan， CHEN Ying

（School of Information Science and Technology， Southeast University， Nanjing， 211189 Chia）

Abstract：The stethoscope is an important instrument of the medical industry. With the continuous development of the communications industry， wireless electronic stethoscope also emerged. Researching a number of wireless electronic stethoscope cases， we propose their own design. This paper introduces the development of related industries at home and abroad as well as technical support in this design.

Key words：Electronic Stethoscope；Analog to digital， digital to analog conversion；Wireless transmission

1 緒論

據(jù)調查了解，我國國內和國外的醫(yī)療機構對心臟、肺部的聽診及醫(yī)療教學方面使用的大多是傳統(tǒng)的普通聽診器，這種聽診器已經(jīng)存在了近100多年，由于傳統(tǒng)聽診器在醫(yī)療、會診、教學等方面存在諸多不便，迫切需要加以改進，用高新技術替代傳統(tǒng)產(chǎn)品，據(jù)有關專家預言，隨著計算機技術的廣泛應用，未來聽診器的工作將會發(fā)生根本改變，數(shù)字技術或數(shù)字工藝將大大提高診斷質量。因此，研制新型傳感器已成為當務之急。

電子聽診器是利用電子技術放大身體的聲音，克服了聲學聽診器噪音高的缺點。電子聽診器需要將心音轉換為電信號，然后放大和處理，以獲得最佳聆聽。與聲學聽診器相比，它們都是基于相同的物理原理。電子聽診器也可與計算機輔助聽診計劃的分析所記錄的心的聲音病理或無辜的心臟雜音。而無線電子聽診器將心音信號有效、無線、遠距離傳送至各診斷設備中，從而有效地避免了雙方近距離接觸可能產(chǎn)生的交叉感染，保護了醫(yī)生、患者和廣大公民的合法權利。目前國內對無線電子聽診器的潛在需求量巨大，主要應用的領域為：醫(yī)療、衛(wèi)生、教學、臨床行業(yè)，在臨床教學、實驗教學、病理監(jiān)護、病案會診、健康體檢、預防傳染等方面，是重大創(chuàng)新性的產(chǎn)品，具有重要的實用價值。

2 設計方案及實現(xiàn)

在前期對一些項目的研究基礎上，我們做出了一定的改進并設計出自己的實現(xiàn)方案。流程圖見圖1：

圖1

通過HKY-06B心音采集器采集的心音信號，用MSP430單片機進行模數(shù)轉換， 再用一對cc2530無線收發(fā)模塊進行無線傳輸，最后經(jīng)過模數(shù)轉換的心音信號用耳機接收。

2.1心音傳感器

2.1.1傳感器HKY-06B

人體心臟在正常情況下的心音頻率為1～800Hz。而人對40～400Hz的頻帶聽覺比較敏感。傳統(tǒng)聽診器由共振片，聲音共振腔，和傳導聲音的導管組成，有一些明顯的缺點。但心音信號對于醫(yī)生聽診有重要的意義，心音強度、頻率在一定程度上可以反映人體心瓣膜、心臟內血流和心肌功能的狀況。

HKY-06B型心音傳感器的優(yōu)勢是采用了由新型高分子聚合材料制成的微音傳感元件。傳感器能夠準確采集心音＼腸音等體表動脈搏動信號，再經(jīng)過信號處理電路處理后，最終輸出低阻抗的音頻信號。模塊化設計，PCB插件方式封閉，可廣泛應用于各類心音采集設備。主要特點：靈敏度高，外形小巧，抗干擾能力強。此外，HKY-06B型心音傳感器可通過適配器完成對心跳的實時錄音，可供后續(xù)延時處理。

2.1.2心音信號采集

使用雙音頻插座與心音傳感器相接，傳感器的GND、VCC與OUT端通過插座引出，從而采集到模擬的心音信號。

采集的心音信號樣圖如圖2（時域），圖3（頻域）。

圖2 圖3

2.2數(shù)字信號處理

2.2.1單片機MSP430f169

MSP430系列單片機是德州儀器開發(fā)的一種16位超低功耗的微處理器。我們選用的是MSP430f169，這是因為它具有很多優(yōu)勢：（1）功耗很低：不足1μA的待機電流，RAM數(shù)據(jù)保持和活動模式下工作電流僅為0.1μA、250μA 。（2）處理能力極強：采用了RISC（精簡指令集結構），執(zhí)行1條指令只需1個時鐘周期。此外，MSP430f149還具有 60kB 閃存、2048B RAM、12 位 ADC、雙 DAC、2個USART、I2C、HW 乘法器和 DMA，還增加了DA轉換的接口、I2C的硬件接口以及直接的存儲通道DMA。

在本項目中，主要使用單片機的A/D轉換和D/A轉換功能，對模擬的音頻信號進行處理。

2.2.2 A/D轉換模塊

在MSP430的應用領域中，控制和測量的對象往往是模擬變量，也就是連續(xù)變化的變量，經(jīng)常涉及的變量有聲音、壓力、溫度等等。項目中，我們首先利用傳感器HKY-06B 把心音轉換為連續(xù)變化的電信號，再經(jīng)過模數(shù)轉換變成可以被單片機處理和控制的數(shù)字信號。

為了節(jié)省資源，本項目采用的是f169內嵌的12位A/D轉換器，其最大采樣速率為200ksps，內部還配置采樣保持電路和8路模擬輸入通道。此外，內部的16組轉換寄存器可供存放采樣通道號、參考電壓選擇、序列標及轉換結果。

ADC12的轉換結果是12bit的并行數(shù)據(jù)，存放在一個12位的寄存器中?？紤]到UART的工作方式，應將這12位數(shù)據(jù)進行拆分，即移位處理。先將高8位移位至串口寄存器發(fā)送，再將低4位移至串口寄存器發(fā)送（后四位是補上的0）。反之，在無線接收端也可以恢復出12位數(shù)據(jù)，供后面的DAC進行處理。

2.3無線傳輸

2.3.1無線模塊cc2530

CC2530是應用于IEEE802.15.4應用的片上系統(tǒng)解決方案，處于2.4GHz頻段。經(jīng)過近些年技術的發(fā)展，現(xiàn)在通過其建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點只需要較低的成本。我們選擇CC2530，有以下幾點原因：CPU采用8051型，符合業(yè)內標準；在性能方面更是遠優(yōu)于傳統(tǒng)的RF收發(fā)器，此外，還有可編程閃存8KB RAM和許多其他功能。CC2530使用了德州儀器公司技術領先的ZigBee協(xié)議棧，這也就意味著提供了一個十分完整的解決方案?，F(xiàn)在市面上CC2530有不同容量的閃存版本，可以根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量調整。同時，因為CC2530具有不同的運行模式，在不同要求的情況下選擇不同模式，大大降低了功耗，能夠長時間綠色環(huán)保運行。

在本項目中CC2530使用的的軟件開發(fā)環(huán)境為IAR 8.10 Evaluation for 8051。使用的協(xié)議棧為TI公司的ZStaek-CC2530-2.3.0-1.4.0。協(xié)議棧定義通信硬件和軟件在不同級如何協(xié)調工作。整個Z-Stack協(xié)議棧分為多層的軟件結構，雖然沒有完全開源，主要是操作系統(tǒng)抽象層OSAL和硬件抽象層（HAL）。硬件抽象層（HAL）提供了各種硬件模塊需要的驅動，包括定時器，模數(shù)轉換使用的應用程序接口API，通用I/O口，通用異步收發(fā)傳輸器UART，以及提供各種服務的擴展集等。

2.3.2無線模塊設計

本小組主要使用兩個基于ZigBee協(xié)議的cc2530無線傳輸模塊。，一端將單片機單元處理轉化后的數(shù)字信號即時無線傳輸?shù)搅硪欢?，另一端接收后再將其輸出給另一個單片機，后續(xù)模塊處理后還原為原信號供聽診。

我們考慮到MSP430f1系列的超低功耗特點，CC2530使用串行通信UART模式與單片機相連接。在聽診器處于待機不工作狀態(tài)時，CC2530不需要接收數(shù)據(jù)，為了節(jié)省電量延長使用時間，我們可以將MSP430f169和CC2530均設置為休眠狀態(tài)；當開機工作時，可以先喚醒單片機和CC2530，CC2530首先接收從發(fā)送端或路由端的CC2530傳送過來的數(shù)據(jù)，再實時將數(shù)據(jù)通過串口通信傳輸給單片機，之后單片機對接收的數(shù)據(jù)會進行數(shù)模轉換等處理，接著傳遞給耳機供醫(yī)生聽診分析；若長時間不使用不接收相關數(shù)據(jù)，則兩者又進入休眠狀態(tài)。

3 總結與展望

我們的設計是針對于心音的監(jiān)測。首先，在之后的發(fā)展中，在選有合適的傳感器的情況下，可以對腸音、肺音進行檢測；更進一步，對第一心音、第二心音、第三心音進行檢測。其次，可以通過錄音記錄心音以及心電波的顯示，繼而達到更好的診療效果。

無線電子聽診器將會是聽診器的開發(fā)潮流，在當今生活水平、醫(yī)療水平、科技水平不斷提高，醫(yī)療與科技相結合、科技嵌入生活的點點滴滴的大背景下，無線電子聽診器必將顯示出其巨大的市場價值。

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