孔春秀李欣寧趙俊慶梁尤海何政達趙成龍蔡春華萬蔡辛魏 琦端木正?

(1.北京信息科技大學(xué)光電測試技術(shù)及儀器教育部重點實驗室，北京100192；2.北京碧唯科技有限公司，北京102206；3.無錫韋爾半導(dǎo)體有限公司，江蘇 無錫214028；4.清華大學(xué)精密儀器系，北京100084)

由于心臟病臨床診療方法的改善需求日益增加，有效心臟病無創(chuàng)早期診斷已成為近年來的研究重點[1]。心音是由心室壁、瓣膜振動及血液湍流共同形成的聲音，含有心臟各部分功能狀態(tài)的大量信息，是反映心臟健康狀況的重要生理參數(shù)。定期心臟音信檢查可以發(fā)現(xiàn)心律失常，幫助避免心臟并發(fā)癥，有效的提高心臟病的防治水平[2]。通過數(shù)字化的電子聽診器對心音信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換并分析相應(yīng)頻譜[3]，可以實現(xiàn)心血管疾病的精準(zhǔn)有效的早期診斷[4]。通過無線通信和信息采集技術(shù)，可以實現(xiàn)患者的遠程心音診斷[5]?；诖髷?shù)據(jù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以實現(xiàn)異常心音的自動診斷[6]。通過對特征心音的分類，可以聚焦于不同類別的心臟病早期診斷[7]。電子聽診器必須對心音在20 Hz~400 Hz范圍和肺音在100 Hz~1 200 Hz范圍內(nèi)敏感響應(yīng)，并通過濾波算法濾除超過這些頻率范圍的聲音[8]。通過傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以實現(xiàn)高信噪比的電子聽診器[9]。

現(xiàn)有的硅麥克風(fēng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)業(yè)[10]，相應(yīng)的電子聽診器使用傳統(tǒng)麥克風(fēng)傳感器進行心音采集，只能得到一定頻率范圍內(nèi)的心音信號，然而正常心臟的跳動頻率為1 Hz~2 Hz，其本身的低頻振動包含大量心臟生理信息，可以應(yīng)用于心臟病診斷。基于此，本文設(shè)計了一種基于新型MEMS聲振傳感器的電子聽診器，所使用的聲振麥克風(fēng)敏感于低頻振動信號同時對聲波信號也有良好響應(yīng)，可以采集包含心臟低頻振動的心音信號，測量結(jié)果可以應(yīng)用于精準(zhǔn)無創(chuàng)心臟病的早期診斷。

1 MEMS聲振雙通麥克風(fēng)傳感器設(shè)計

心臟跳動過程中具有特定的低頻振動特征，傳統(tǒng)電子聽診器采集心音信號時無法感知心臟低頻振動信號。本文設(shè)計了一種新型聲振雙通傳感器的微機電系統(tǒng)(MEMS)，通過在振動膜上添加慣性質(zhì)量塊的方法采集振動信號，聲振雙通是指該傳感器能采集到聲波及振動兩種信號。該振動傳感器的主體結(jié)構(gòu)包含基材、振動膜與固定膜(圖1(a))。振動膜為導(dǎo)電材料，振膜結(jié)構(gòu)可在基底與背極之間自由振動，與背極形成可變電容。振膜結(jié)構(gòu)中上下表面的慣性質(zhì)量塊，帶動振動膜振動，從而可以用于感知振動信號的變化。傳感器采用微帽封裝技術(shù)，拾音孔位于傳感器底部，其外尺寸如圖1(b)所示。該MEMS固定在被測物上可以采集有振動信號同時，通過拾音孔可以采集聲波信號，因此適用于檢測心臟心音及振動信號的采集。

圖1 基于MEMS技術(shù)的聲振雙通麥克風(fēng)傳感器

2 電子聽診器總體設(shè)計方案

為了實現(xiàn)無線電子心音聽診器的功能需求，設(shè)計如圖2所示系統(tǒng)總體方案。該方案主要包括信號采集模塊、信號處理模塊、主控模塊和上位機顯示模塊。數(shù)據(jù)采集模塊基于新型MEMS傳感器采用兩種聽診模式得到單純心音信號和心音心振信號，數(shù)據(jù)分析模塊進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和頻譜分析，從而可以得到心臟低頻振動信號。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 主控模塊

電子聽診器主控模塊由核心控制模塊、傳感器模塊、信號處理模塊和上位機模塊組成。本文中的電子聽診器的核心控制模塊采用STM32單片機的32位開發(fā)板，其具有512 kbyte FLASH，16 Mbyte SPI FLASH，采用方型扁平式封裝技術(shù)(LQFP)；傳感器采用本文所設(shè)計的振動與音頻傳感器聲振MEMS；信號處理與上位機顯示均使用LabVIEW軟件。完整的電子聽診器如圖3所示。在該電子聽診器的設(shè)計中，單片機采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，使用VISA控件控制串口連接單片機與電腦，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能，通過軟件將信號進行處理進行頻譜分析。

圖3 電子聽診器

2.1 信號采集模塊

信號采集模塊主要依靠傳感器的放置位置來控制聽診方式。只采集心音信號時，采用間接傳導(dǎo)型聽診方式，將傳感器置于諧振腔上方，心音信號經(jīng)由諧振腔聚攏回聲之后傳播到傳感器接收端，其結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示。采集心音和振動信號時，采用直接傳導(dǎo)型聽診方式，將聲振MEMS固結(jié)在聽診頭的諧振膜上，當(dāng)心振信號由諧振膜帶動直接傳導(dǎo)到傳感器的接收端，心音信號同樣經(jīng)由諧振腔聚攏回聲之后傳播到傳感器拾音孔處，其結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示。通過兩種采集方法采集得到單純心音信號和心音心振信號，將兩種信號進行差值相減，即可得到心臟振動信號。

圖4 聽診器不同聽診模式

2.2 信號處理模塊

心音電子信號是一種比較微弱的信號，通常數(shù)量級都在毫伏級[11]。在心音信號的獲取中，由于外界存在環(huán)境音、人體存在呼吸音等各種干擾，很容易對該信號產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此需要對獲取到的心音信號進行一定的放大濾波處理。由于心肺振動及音頻的頻譜范圍為0~1 500 Hz，因此設(shè)計截止頻率為1 500 Hz左右的低通濾波放大電路，保留低頻有效信號，濾除高頻干擾信號，提高該電子聽診器的信噪比。

3 實驗結(jié)果與分析

為了驗證基于聲振麥克風(fēng)的電子聽診器設(shè)計的有效性，將通過采集數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)檢測結(jié)果對比并進行信噪比分析來對其進行測試[12]。胸骨下方第三肋間部位通常為心臟基底部，左側(cè)鎖骨中線附近第四和第六肋間部位為心尖部位。心尖部位發(fā)生心尖收縮，因此通常是最強搏動點(PMI)[13]。使用電子聽診器采集數(shù)據(jù)時，被測者平靜坐在椅子上，將聽診頭按壓于心尖部位，進行波形顯示與數(shù)據(jù)采集存儲。

間接傳導(dǎo)型聽診模式采集到心音信號如圖5(a)，通過傅里葉變換得到其頻譜分析(圖5(b))。該電子聽診器心音波形與標(biāo)準(zhǔn)心音波形具有極高的相似性，頻譜顯示心音信號主要集中在1 000 Hz以下，證明高頻干擾信號已被濾波電路有效去除。直接傳導(dǎo)型聽診方式采集到心音與心振信號如圖5(c)，對該信號進行頻譜分析如圖5(d)。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，心音與心振信號中低頻信號波動更為明顯，低頻振動信號更加豐富，證明已經(jīng)采集到心臟低頻振動信號。

圖5 間接與直接心音信號

為了驗證該電子聽診器的有效性，測量并收集了電子聽診器置空采集時的數(shù)據(jù)，并根據(jù)下式進行了信噪比(SNR)的計算[14]:

式中:xi為信號采集數(shù)據(jù)點的振幅，ne為聽診器空置時的噪聲數(shù)據(jù)點振幅。經(jīng)計算，該電子聽診器在檢測信號時的信噪比為8.6 dB，與美國3M電子聽診器相比提高了24%[4]，其在1 kHz/0 dB，10 kΩ的測試環(huán)境下失真率小于1%，放大倍數(shù)為25，相比現(xiàn)有國產(chǎn)電子聽診器的失真率1.5%以及放大倍數(shù)24均有所提高，表明采集的聽診信號滿足應(yīng)用要求。

將采集到的兩種信號進行差值處理，得到心臟低頻振動信號如圖6(a)，并對其進行了200 Hz以下的頻譜分析(圖6(b))。心臟振動信號與心音信號相比表現(xiàn)出了極大的相關(guān)性，有效信號主要集中在60 Hz以下，并且出現(xiàn)了低于20 Hz的非可聽音頻域的低頻振動信號。通過傅里葉反變換，可得到20 Hz以下的信號如圖6(c)所示。所以說，本文提出的基于MEMS聲振傳感器的電子聽診器所采集的低頻振動信號，可以作為新的心血管疾病診斷方法。

圖6 信號差值處理

4 結(jié)論

本文通過在MEMS聲振傳感器的振膜結(jié)構(gòu)上添加質(zhì)量塊，實現(xiàn)了用于檢測包含心臟低頻振動信號的電子聽診器設(shè)計。該電子聽診器一方面具有較高的SNR，能夠滿足常規(guī)電子聽診器的準(zhǔn)確性要求，另一方面可以采集到低頻心臟振動信號，為心臟病的診斷提供了新思路和方法。實驗表明利用本文設(shè)計的電子聽診器獲取得心臟低頻振動信號特征，并結(jié)合臨床，可用于分析心血管相關(guān)疾病的早期預(yù)防。