衛(wèi)子然，張?chǎng)?，胡尊琪，姜?guó)城，王克惠，蔡清萍

1 中國(guó)人民解放軍海軍軍醫(yī)大學(xué) 第二附屬醫(yī)院 普通外科，上海市，200003

2 寧波江豐生物信息技術(shù)有限公司，寧波市，315400

0 引言

腸鳴音是指腸子蠕動(dòng)時(shí)，氣體和液體在腸管內(nèi)流動(dòng)，產(chǎn)生了一種斷續(xù)的氣過水聲或者咕嚕聲。不同的腸鳴音能夠反映不同的生理狀態(tài)。胃腸道發(fā)生如果發(fā)生病變，比如出現(xiàn)胃十二指腸疾病、小腸疾病和大腸疾病，相應(yīng)的腸鳴音強(qiáng)度或數(shù)量也會(huì)出現(xiàn)異常。另外，腸鳴音信號(hào)可以作為其他疾病的指征參數(shù)之一，近幾年的研究發(fā)現(xiàn)，腸鳴音除了可以指征胃腸狀態(tài)以外，還對(duì)敗血癥、帕金森氏癥等病癥有臨床意義[1]。與規(guī)律的心電信號(hào)不同，腸鳴音信號(hào)具有信號(hào)弱、背景噪聲強(qiáng)、個(gè)體差異大以及隨機(jī)性強(qiáng)等特點(diǎn)[2]，所以數(shù)據(jù)處理分析難度大，加之短時(shí)間內(nèi)腸鳴音出現(xiàn)的個(gè)數(shù)較少，為了反映小腸的真實(shí)狀態(tài)，長(zhǎng)時(shí)間、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)腸鳴音是有必要的。

目前的研究中，腸鳴音有單通道[3]和多通道[4]兩種獲取方式，多通道指同一時(shí)刻能從多個(gè)位置記錄腸鳴音信號(hào)，單通道指同一時(shí)刻只記錄一個(gè)位置的腸鳴音信號(hào)。如基于STM32L系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的6路多通道腸鳴音獲取方式，其中5路采集腸鳴音，1路采集環(huán)境噪聲，通過計(jì)算獲得多部位腸鳴音信號(hào)[5]。

本設(shè)計(jì)便攜穿戴式骨傳導(dǎo)單通道腸鳴音監(jiān)測(cè)儀，縮小體積、降低功耗、便攜穿戴可以同時(shí)滿足腸鳴音長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)和多部位采集的需要。骨傳導(dǎo)特性可以在滿足有效采集腹部腸鳴音的同時(shí)，最大程度地實(shí)現(xiàn)隔絕環(huán)境噪音的需要。

1 總體框架

本設(shè)計(jì)是通過采用Dialog Semiconductor公司2018年最新推出的DA14682 SOC作為主動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)的。該芯片主要面向可穿戴應(yīng)用場(chǎng)景，高度集成了最高96 MHz主頻的運(yùn)算單元，BLE5.0、電池充電模塊、電源管理單元、內(nèi)置Flash、Quad-SPI、8通道IIS/PCM、I2C、全速USB、LED驅(qū)動(dòng)等豐富的功能。采用單芯片就可以實(shí)現(xiàn)豐富的功能，在提高可靠性的同時(shí)，大大降低了整機(jī)系統(tǒng)的功耗控制。而采樣、數(shù)字濾波、增益控制、AD/DA轉(zhuǎn)換與耳機(jī)功率放大芯片采用Maxim Integrated公司主流的MAX9867芯片。該芯片同樣是一款面向可穿戴產(chǎn)品的低功耗芯片，具有非常好的聲音采樣處理能力。腸鳴音監(jiān)測(cè)儀實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示，骨傳導(dǎo)麥克風(fēng)經(jīng)過模擬電路的前置放大和濾波處理，將采集到的聲音信號(hào)送入MAX9867芯片進(jìn)行數(shù)字濾波和信號(hào)增益調(diào)節(jié)，并進(jìn)行模擬數(shù)字AD轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過DA14682芯片IIS/PCM的DMA 8 kHz 16 bit采樣，最后通過藍(lán)牙5.0實(shí)時(shí)傳輸?shù)绞謾C(jī)應(yīng)用程序，或者實(shí)時(shí)存儲(chǔ)于FLASH芯片中。最終采集完成后，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)再通過藍(lán)牙傳輸至手機(jī)應(yīng)用程序。除此以外，MAX9867還具有耳機(jī)驅(qū)動(dòng)能力，用戶可以直接通過MAX9867外接耳機(jī)聽到實(shí)時(shí)采集到的腸鳴音信號(hào)。

圖1 腸鳴音監(jiān)測(cè)儀實(shí)現(xiàn)框圖Fig.1 Bowel sound monitor implementation block diagram

2 模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 主控模塊

本設(shè)計(jì)在主控單元芯片的選擇中，堅(jiān)持選新、選高集成、選新主流的思路，最終確定了小米在做智能家居整體方案中使用的Dialog Semiconductor DA14682芯片。該芯片是Dialog Semiconductor公司推出的世界上第一款為滿足智能家居、工業(yè)和可穿戴設(shè)備的最高安全標(biāo)準(zhǔn)的單芯片解決方案，比市場(chǎng)已有的老的SOC有更好的功耗控制，更靈活的端口映射，更快的性能，更高的集成度。只需要一片芯片就完美解決低功耗藍(lán)牙收發(fā)、鋰電池充電、性能均衡和主要邏輯控制[5]。系統(tǒng)固件設(shè)計(jì)基于FreeRTOS進(jìn)行開發(fā)，在系統(tǒng)初始化完成以后，創(chuàng)建藍(lán)牙廣播，IIS/PCM語(yǔ)音DMA采集，10級(jí)音量控制，LED狀態(tài)燈PWM顯示，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)等多個(gè)任務(wù)，按照任務(wù)優(yōu)先級(jí)，依次調(diào)度。

本設(shè)計(jì)支持在線與離線兩種模式采集腸鳴音信號(hào)。在線模式，是指采集的腸鳴音信號(hào)通過藍(lán)牙5.0實(shí)時(shí)傳輸至手機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄、播放和分析。離線模式，是指采集的腸鳴音信號(hào)直接寫入FLASH存儲(chǔ)，采集完畢后通過藍(lán)牙傳輸至手機(jī)應(yīng)用程序，之后在手機(jī)端進(jìn)行分析。兩種模式采集過程中，都可以通過插在便攜式腸鳴音監(jiān)測(cè)儀上的耳機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)聽采集到的腸鳴音。

為了降低整機(jī)功耗，避免藍(lán)牙一直保持在工作狀態(tài)，在線模式采取DMA緩存和間歇性發(fā)送藍(lán)牙數(shù)據(jù)來減少藍(lán)牙的工作時(shí)間。在腸鳴音采集過程中，從DA14682芯片內(nèi)直接開辟兩塊小內(nèi)存DMA_1和DMA_2作為連續(xù)采集數(shù)據(jù)的緩存切換，如圖2所示。采集的腸鳴音數(shù)據(jù)默認(rèn)使用DMA_1作為存儲(chǔ)區(qū)；當(dāng)DMA_1緩存區(qū)滿時(shí)，將存儲(chǔ)切換到DMA_2，同時(shí)打開藍(lán)牙，將DMA_1的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳輸至APP，并清空DMA_1；當(dāng)DMA_2緩存區(qū)滿時(shí)，則將存儲(chǔ)通道切換到DMA_1，同時(shí)將DMA_2的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙5.0傳輸至手機(jī)，如此往復(fù)切換。藍(lán)牙收發(fā)速度是腸鳴音采集速度的3倍，所以藍(lán)牙基本有2/3的時(shí)間處于待機(jī)狀態(tài)。本設(shè)計(jì)的傳輸使用CRC校驗(yàn)，確保通信可靠，數(shù)據(jù)無丟失，因藍(lán)牙傳輸速度極快，能夠保證腸鳴音的連續(xù)采集，不丟失數(shù)據(jù)。

離線模式默認(rèn)使用一塊大小為128 MB的NAND FLASH芯片，可以存儲(chǔ)2 h的離線數(shù)據(jù)。由于不同容量的NAND FLASH的封裝接口是相同的，在不改變電路和PCB的前提下，可以非常方便地根據(jù)不同產(chǎn)品型號(hào)要求安裝不同容量大小的NAND FLASH，滿足不同的離線采集時(shí)間需求。NAND FLASH通過SPI接口與DA14682芯片進(jìn)行通信，將通過雙DMA讀取內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，輪流讀取存儲(chǔ)。由于NAND FLASH寫入速度比較慢，速度降低設(shè)置為1/8倍SPI讀取寫入速度。為了防止反復(fù)寫入NAND FLASH的開始?jí)K區(qū)，采用隨機(jī)寫入初始數(shù)據(jù)的文件系統(tǒng)。

圖2 腸鳴音連續(xù)采集實(shí)現(xiàn)框圖Fig.2 Bowel sound continuous acquisition implementation block diagram

2.2 電源管理模塊

本設(shè)計(jì)使用DA14682芯片自帶的綜合性電源管理功能，其充電電路簡(jiǎn)單、節(jié)省功耗且可靠性高。同時(shí)，DA14682芯片擁有Extended Sleep、Deep Sleep、Hibernation三種睡眠模式，可以更好降低功耗。為了節(jié)省功耗，本設(shè)計(jì)使用DA14682芯片上單獨(dú)開關(guān)控制的兩路1.8 V線性電源：1V8和1V8P。1V8線性電源向MAX9867和傳感器模塊供電；而另一路1V8P，向Flash供電。這兩路電源可以單獨(dú)打開和關(guān)閉，節(jié)省整機(jī)的系統(tǒng)功耗。比如在線模式中，使用藍(lán)牙實(shí)時(shí)傳輸腸鳴音數(shù)據(jù)給移動(dòng)APP，就可以將Flash供電的1V8P關(guān)閉，降低功耗。而在休眠狀態(tài)，可以把1V8供電斷掉，以節(jié)省MAX9867、模擬前置電路和骨傳導(dǎo)傳感器的靜待待機(jī)功耗。最終，本設(shè)計(jì)的休眠狀態(tài)電流優(yōu)化到1.2 μA。

2.3 傳感器模塊

由于腸鳴音具有信號(hào)微弱的特性，而且工作環(huán)境噪音復(fù)雜，選擇一款高靈敏度并能有效抑制環(huán)境噪音的傳感器顯得尤為重要。本設(shè)計(jì)使用寧波碩正電子有限公司的SOG-JF-15H-40A-H麥克風(fēng)作為腸鳴音傳感器。SOG-JF-15H-40A-H外徑φ15±0.2 mm，厚度0.13±0.02 mm，諧振頻率4±0.5 kHz，是一款具有骨傳導(dǎo)特性的麥克風(fēng)，能夠有效地抑制從空氣傳來的環(huán)境噪音，又能有效采集從腹部傳來的腸鳴音信號(hào)。

2.4 放大濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

放大濾波模塊對(duì)傳感器模塊采集到的腸鳴音信號(hào)進(jìn)行模擬處理。根據(jù)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道，腸鳴音信號(hào)的頻率有效范圍在50～1 500 Hz這個(gè)范圍，正常音的頻率范圍為l00～l 000 Hz[6]。

本設(shè)計(jì)使用MAX9867芯片實(shí)現(xiàn)濾波和放大，MAX9867芯片是Maxim Integrated公司的一款專為便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)的超低功耗音頻編解碼器，尺寸為2.2 mm×2.7 mm，其數(shù)字濾波提供了一系列的陷波濾波器和高通濾波器，能夠衰減超過70 dB的能量，消除了聲音混疊[7]。采集過程中設(shè)置的采樣率為8 kHz 16 bits，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，完全能夠滿足高保真采集腸鳴音信號(hào)。

2.5 按鍵、指示燈

本設(shè)計(jì)使用有3個(gè)按鍵和2個(gè)LED指示燈，都連接在DA14682芯片的I/O口上。按鍵采取中斷讀取狀態(tài)，LED則由PWM進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)成呼吸燈效果。3個(gè)按鍵分別是電源、音量增加鍵、音量減小鍵；2個(gè)指示燈分別是電源燈和藍(lán)牙連接燈。按電源鍵開機(jī)后電源燈常亮，再按電源鍵關(guān)機(jī)則電源燈熄滅，設(shè)備藍(lán)牙與手機(jī)應(yīng)用程序連接后，藍(lán)牙燈呼吸閃爍。

2.6 便攜穿戴結(jié)構(gòu)

便攜式腸鳴音監(jiān)測(cè)儀是采用四合扣和電極貼的方式來進(jìn)行固定，如圖3和圖4所示，將電極貼與監(jiān)測(cè)儀下殼體用四合扣公母對(duì)扣固定，電極貼另一面是醫(yī)用粘膠，能夠長(zhǎng)期安全有效地固定在人體皮膚上，且可以在多部位同時(shí)穿戴監(jiān)測(cè)儀設(shè)備，互不干擾，達(dá)到多部位采集腸鳴音信號(hào)的效果。

圖3 便攜式腸鳴音監(jiān)測(cè)儀背視圖Fig.3 Portable bowel sound monitor back view

圖4 腸鳴音監(jiān)測(cè)儀電極貼Fig.4 Bowel sound monitor electrode patch

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本設(shè)計(jì)便攜式穿戴腸鳴音監(jiān)測(cè)儀啟動(dòng)后與手機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)行藍(lán)牙連接，啟動(dòng)采集就將采集的腸鳴音信號(hào)通過APP記錄并播放出來。如圖5所示，采集的腸鳴音信號(hào)通過藍(lán)牙傳輸?shù)绞謾C(jī)應(yīng)用程序，然后以波形呈現(xiàn)視覺效果實(shí)時(shí)播放。

圖5 實(shí)時(shí)腸鳴音波形Fig.5 Real-time bowel sound waveform

4 臨床驗(yàn)證

上海長(zhǎng)征醫(yī)院普通外科使用該監(jiān)測(cè)儀對(duì)100例正常人和20例腸梗阻患者進(jìn)行了腸鳴音監(jiān)測(cè)。兩名臨床醫(yī)生對(duì)同一受試對(duì)象進(jìn)行腸鳴音監(jiān)測(cè)，將聽診器和監(jiān)測(cè)儀的骨傳導(dǎo)拾音器平行放置，監(jiān)測(cè)受試對(duì)象一分鐘，一名醫(yī)生使用聽診器傳統(tǒng)聽診，一名醫(yī)生使用該監(jiān)測(cè)儀聽診。研究結(jié)果表明，兩名醫(yī)生可以在同一時(shí)間聽到受試對(duì)象的腸鳴音，而且腸鳴音出現(xiàn)時(shí)監(jiān)測(cè)儀上會(huì)有腸鳴音波形改變，具體波形改變的特征意義，我們將在大數(shù)據(jù)獲得后進(jìn)一步分析。臨床驗(yàn)證結(jié)果表明，該監(jiān)測(cè)儀可以準(zhǔn)確記錄受試對(duì)象的腸鳴音。

5 討論

本文實(shí)現(xiàn)了便攜式腸鳴音監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)，并實(shí)際研發(fā)和測(cè)試了腸鳴音的信號(hào)采集。該便攜式腸鳴音監(jiān)測(cè)儀能夠采集人體腸鳴音信號(hào)，通過藍(lán)牙傳輸至手機(jī)應(yīng)用程序，進(jìn)行記錄和播放。

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的便攜式腸鳴音監(jiān)測(cè)儀，相比于其他的設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)在以下方面的改進(jìn)：一是采用骨傳導(dǎo)傳感器，相比于傳統(tǒng)傳感器單純使用軟件來進(jìn)行環(huán)境噪音的過濾，骨傳導(dǎo)傳感器從源頭上就不采集從空氣中傳來的環(huán)境噪聲，提高了信噪比，也使得后續(xù)腸鳴音的算法處理優(yōu)化更加精確可靠；二是體積小，便攜穿戴，本設(shè)計(jì)因過濾了空氣中的環(huán)境噪聲，故可以使用單通道采集腸鳴音來縮小體積，且四合扣電極貼的安全可靠便攜設(shè)計(jì)，又可以滿足在不同部位采集腸鳴音信號(hào)；三是低功耗設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)采用DA14682芯片單片機(jī)，利用藍(lán)牙爆發(fā)性發(fā)送，雙路電源控制，以及睡眠模式將無需工作的部件進(jìn)行睡眠低功耗處理，保證了監(jiān)測(cè)儀能夠長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)連續(xù)采集腸鳴音，對(duì)評(píng)估胃腸狀態(tài)，具有重要的臨床意義。

我們?cè)谂R床驗(yàn)證中發(fā)現(xiàn)，該監(jiān)測(cè)儀可以準(zhǔn)確記錄和保存受試對(duì)象的腸鳴音。只要受試對(duì)象在監(jiān)測(cè)過程中不說話，監(jiān)測(cè)儀不發(fā)生移動(dòng)，就不會(huì)有雜音干擾，完全不受監(jiān)測(cè)過程中環(huán)境音的影響。當(dāng)然，該監(jiān)測(cè)儀只是可以高保真地記錄腸鳴音，但是記錄的腸鳴音是否正常，臨床意義何在等問題，課題組通過大樣本的采集，并在人工智能團(tuán)隊(duì)的幫助下，開發(fā)了腸鳴音識(shí)別軟件，將另發(fā)文予以介紹。