多功能電子聽診器及聽診系統的製作方法
2023-06-28 18:49:02 1
本發明涉及一種電子聽診器，特別是一種多功能電子聽診器；本發明還提供了一種多功能電子聽診系統。
背景技術：
心音信號是因心臟及血管機械振動而產生的信號，可以能夠反映心臟的心房，心室瓣膜和血管的運動狀況，包含著心臟各個部分本身及相互之間作用的生理和病理信息。心音信號分析具有心電圖，超聲心電圖不可取代的優勢。心音信號可以反映出先天性心臟瓣膜受損、心電傳導組織病變引起的心臟機械活動障礙等；由心電傳導組織不正常所引起的心臟機械活動障礙不會在第一時間反應到心臟電信號(ECG)變化上，卻能夠表現在心音信號的變化上；同時心音的檢查具有無創性和重複性好等特點。
傳統的聽診主要用的器材是普通的聽診頭，再由醫生的經驗去判定是否存在心臟疾病隱患，這樣難以捕捉到人體內部的一些微小卻非常重要的生理信號，聽診時無法實時顯示波形，容易受到人耳敏感局限等的影響以及同一時間無法綜合聽診多種信號等缺陷。
電子聽診器分類類別屬於：6820普通診察器械，屬II類器械。國內銷售需要CFDA產品註冊，電子聽診器屬於有源產品，同樣需要滿足電氣安全(GB 9706.1)和電磁兼容(YY 0505)的要求。國內目前有兩個獲批的電子聽診器產品，但使用者都是醫生，產品本身並不涉及疾病診斷，只能用於信號的採集及數位化，不能稱得上智能設備。另一方面，關於智能聽診，現有專利往往功能單一，除針對心音、肺音檢測外，不具備完整的系統配套，沒有深入挖掘心音信號所蘊含的可用於初步疾病診斷的信息，且無法兼備胎心音檢測及智能識別的功能。
技術實現要素：
本發明在於克服現有技術的缺點與不足，提供一種多功能的電子聽診器和聽診系統。
本發明是通過以下的技術方案實現的：一種多功能電子聽診器，包括電源產生電路、聽診頭、初級放大電路、帶通濾波電路、工頻陷波電路、主放大及電壓偏置電路、信號處理模塊；
所述電源產生電路，用於為初級放大電路和信號處理模塊供電；
所述聽診頭用於與人體接觸，將人體心音信號或胎音信號發送至初級放大電路；
所述初級放大電路，用於將採集的信號進行放大，並將該信號發送至帶通濾波電路；
所述帶通濾波電路，用於採集的信號進行降噪處理，並將該信號發送至工頻陷波電路；
所述工頻陷波電路，用於對採集的信號進行幹擾抑制，並將該信號發送至主放大電路；
所述主放大及電壓偏置電路，用於對採集的信號進行放大，並將放大後的電壓值偏置至設定的電壓值，再發送至信號處理模塊；
所述信號處理模塊，用於對採集的信號進行處理和A/D轉化。
作為本發明的進一步改進，所述電源產生電路包括9V乾電池、第一穩壓晶片、第二穩壓晶片和電荷泵反極性開關集成穩壓器；所述第一穩壓晶片與所述乾電池連接，產生+5V的電壓；所述電荷泵反極性開關集成穩壓器與所述第一穩壓晶片的輸出電壓連接，產生-5V電壓；所述第二穩壓晶片與所述第一穩壓晶片的輸出電壓連接，產生3.3V電壓；所述+5V、-5V電壓用於為初級放大電路供電、所述3.3V電壓為所述信號處理模塊供電。
作為本發明的進一步改進，所述初級放大電路為三極體放大電路。
作為本發明的進一步改進，所述初級放大電路為運放放大電路；所述運放放大電路包括：運算放大器、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第一電容C9、第二電容C10；所述運算放大器的反相輸入端依次與第二電阻R2、第二電容C10、第一電阻R1、第一電容C9連接；所述運算放大器的正相輸入端與第三電阻連接；所述運算放大器的輸出端通過第四電阻R4與所述反相輸入端連接。
作為本發明的進一步改進，所述帶通濾波電路為20Hz～600Hz的帶通濾波電路。
作為本發明的進一步改進，所述工頻陷波電路為50Hz的陷波電路。
作為本發明的進一步改進，所述主放大及偏置電路將該信號電壓幅值放大7.5倍，並將信號電壓偏置0～3.3V。
作為本發明的進一步改進，所述信號處理模塊包括模數轉換器、數字濾波器、DMA控制器、心率和HRV運算模塊、切換模塊、以及藍牙模塊；
所述模數轉換器，用於將模擬信號轉化為數位訊號；
所述數字濾波器，用於對數位訊號進行幹擾的消除；
所述DMA控制器，用於實現所述模數轉換器到內存和內存到串口的高速傳輸；
所述心率和HRV參數運算模塊，用於對心率和HRV參數進行計算；
所述切換模塊，用於進行模式切換，所述模式包括：成人、成人心音包絡、胎心、胎心包絡和肺音五種模式；
所述藍牙模塊，用於實現與外界終端的通信連接。
本發明還提供了一種多功能電子聽診系統，其包括上述的多功能電子聽診器和移動終端；
所述移動終端包括藍牙接收模塊、數據可視化模塊、用戶及聯繫人設置模塊、定位及發送緊急簡訊模塊、分析模塊和雲端存儲模塊；
所述藍牙接收模塊，用於接收所述電子聽診器的採集數據信號；
所述數據可視化模塊，用於顯示數據信息；
所述用戶及聯繫人設置模塊，用於設置用戶和聯繫人的信息；
所述定位和發送緊急短息模塊，用於獲取定位信息，並發送緊急短息；
所述分析模塊，用於對接收數據進行分析，得出診斷結果；
所述雲端存儲模塊，用於將接收數據上傳至雲端存儲器中。
作為本發明的進一步改進，還包括電腦終端；所述電腦終端包括：
接收模塊，用於通過音頻線與所述電子聽診器連接，用於接收音頻信號；
錄製回放模塊，用於實現硬體電路採集的聲音信號的錄製以及回放；
波形顯示模塊，用於實時在波形框顯示聲音波形圖；
分析模塊，用於實現信號分析及處理，得出相對應的生理參數及診斷結論。
相比於現有技術，本發明具備以下有益效果：
1.以被動無擾式的方式採集不同年齡段人群的心音信號，且可實時監聽。
2.利用普通的聽頭加上駐極體話筒就能組成一個性能優異的心音採集探頭，能夠把心音信號轉化為電信號，可檢測懷孕超過20周以上的胎兒心音，相較現有都卜勒式心音探測儀，被動檢測方式無輻射，對人體的影響降到最小。
3.可精準提取心音信號，獲得心音信號峰值間期，辯識心率變異性，移動終端實時可視化波形、數據及給出離線診斷報告，具備緊急報警措施。
4.採集到的心音信號通過硬體部分處理成數據，採集到的心音信號通過硬體部分處理成數據，可以實時顯示在手機的APP以及電腦等上位機，終端可對心音信號進行錄音(並顯示波形)、回放、現代信號分析及診斷，以自適應信號處理方案為依據，深度分析心音信號特徵。
5.心音數據可進行手機、電腦本地及雲端多維存儲，從而對採集信號進行實時或遠程在線/離線診斷。
6、終端APP可以實時顯示心率，心音參數、SDNN以及SDANN等心源性疾病判斷參數，同時具有實時定位和自動發送簡訊的功能，當檢測到有緊急情況時，可以發送定位到事先存好的親情號碼當中，通知家人。
為了更好地理解和實施，下面結合附圖詳細說明本發明。
附圖說明
圖1是本發明的電子聽診系統的電路連接示意圖。
圖2是本發明的電源產生電路的電路圖。
圖3是本發明的初級放大電路第一種方式的電路圖。
圖4是本發明的初級放大電路第二種方式的電路圖。
圖5是本發明的帶通濾波電路的電路圖。
圖6是本發明的主放大及電壓偏置電路的電路圖。
圖7是本發明的信號處理模塊的內部模塊連接框圖。
圖8是本發明的電子聽診系統的連接框圖。
圖9是STM32最小系統的電路圖。
圖10是處理晶片的藍牙電路插口的局部放大圖。
圖11是本發明的移動終端的內部模塊連接框圖。
圖12是本發明的電腦終端的內部模塊連接框圖。
具體實施方式
本發明為了解決現有技術中無法獲取胎心音檢測及進行智能識別的技術缺陷，提供了一種多功能的電子聽診器及聽診系統，具體的通過以下的實施例進行說明。
請參閱圖1，其為本發明的電子聽診系統的電路連接示意圖。本發明提供了一種多功能電子聽診器1，包括電源產生電路11、聽診頭12、初級放大電路13、帶通濾波電路14、工頻陷波電路15、主放大及電壓偏置電路16、信號處理模塊17。
所述電源產生電路11，用於為初級放大電路和信號處理模塊供電。
所述聽診頭12，用於與人體接觸，將人體心音信號或胎音信號發送至初級放大電路。
所述初級放大電路13，用於將採集的信號進行放大，並將該信號發送至帶通濾波電路。
所述帶通濾波電路14，用於採集的信號進行降噪處理，並將該信號發送至工頻陷波電路。
所述工頻陷波電路15，用於對採集的信號進行幹擾抑制，並將該信號發送至主放大電路。
所述主放大及電壓偏置電路16，用於對採集的信號進行放大，並將放大後的電壓值偏置至設定的電壓值，再發送至信號處理模塊。
所述信號處理模塊17，用於對採集的信號進行處理和A/D轉化。
進一步，以下分別介紹上述各個電路模塊的電路圖。具體如下：
請參閱圖2，其為本發明的電源產生電路的電路圖。
本發明的所述電源產生電路包括9V乾電池、第一穩壓晶片U1、第二穩壓晶片U3和電荷泵反極性開關集成穩壓器U2。具體的，在本發明中，所述第一穩壓晶片U1採用型號為SM1117-5.0，所述第二穩壓晶片U3採用型號為ASM1117-3.3，電荷泵反極性開關集成穩壓器U2採用的型號為MAX660。
所述第一穩壓晶片U1的電壓輸入端與所述乾電池連接，並輸出+5V的電壓；所述電荷泵反極性開關集成穩壓器與所述第一穩壓晶片的輸出電壓連接，產生-5V電壓。所述第二穩壓晶片與所述第一穩壓晶片的輸出電壓連接，產生3.3V電壓。其中，所述+5V、-5V電壓用於為初級放大電路供電、所述3.3V電壓為所述信號處理模塊供電。
進一步，由駐極體聽診器採集到的信號非常小，大概只有30-60mV的幅值，不能滿足後期濾波的要求，必須進行初級放大處理。備選兩種前置麥克風放大電路，對駐極體採集的聲音信號進行10倍放大。本發明中的初級放大電路可以採用：三極體放大電路或運放放大電路。
其中，若所述初級放大電路為三極體放大電路，則所述三極體放大電路如圖3所示，其為三極體放大電路的電路圖。其中，所述三極體放大電路包括一個三極體Q1和第一運算放大器U1A。所述三極體Q1的型號採用BCP68，所述運算放大器的型號採用LM324。其中，三極體Q1用於將採集到的信號進行放大，且該三極體Q1的集電極輸入到第一運算放大器的反相輸入端。將該第一運算放大器U1A作為電壓跟隨器，將輸入的電壓進行反相輸出。
另外，作為本實施例的另一種方式，所述初級放大電路可以為運放放大電路。具體的，請參閱圖4，其為本發明的運放放大電路的電路圖。所述運放放大電路包括：第二運算放大器U4B、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第一電容C9、第二電容C10；所述運算放大器的反相輸入端依次與第二電阻R2、第二電容C10、第一電阻R1、第一電容C9連接；所述第二運算放大器U4B的正相輸入端與第三電阻連接；所述第二運算放大器U4B的輸出端通過第四電阻R4與所述反相輸入端連接。其中，在本實施例中，所述第二運算放大器U4B的型號優選為：OPA2277。使用精密運放OPA2277，通過10K電阻，C9和VCC給駐極體供電；電容C10作為隔直電容，使電容兩端的直流電壓不會互相影響，同時作為耦合電容，將信號傳送給後面的運放，進行電壓放大。放大倍數為：
進一步，由於在信號採集的過程中不可避免地會產生噪聲，比如摩擦聲，電路噪聲等，這些噪聲會影響準確性，為了得到比較純淨的心音，提高信噪比，必須進行降噪。心音信號的頻率主要集中在20-600Hz之間，故設計高通濾波器，截止頻率為20Hz以及低通濾波器，截止頻率為600Hz，能將大部分的噪聲去掉。具體的，請參閱圖5，其為本發明的帶通濾波電路的電路圖。所述帶通濾波電路包括第三運算放器U4A和第四運算放大器U5B，兩個運算放大器的型號相同的，都選用OPA2277。其中，將信號經過電阻R5、R6輸入到第三運算放大器U4A的正相輸入端，該第三運算放大器U4A的反相輸入端通過電阻R8接地，該第三運算放大器U4A的輸出端通過電容C11與電阻R6連接，形成反饋電路，且通過電阻R7與電阻R8連接。該第三運算放大器U4A的輸出端經過電容C13、電容C14與第四運算放大器U5B的正相輸入端連接，同時該電容C14通過電阻R10接地；所述第四運算放大器U5B的反相輸入端通過電阻R11接地；所述第四運算放大器U5B的輸出端進行信號輸出，同時該第四運算放大器U5B的輸出端通過電阻R9與電容C14連接，同時通過電阻R12與電阻R11連接。
進一步，在信號採集過程中，外界的幹擾中，50Hz的工頻幹擾尤為突出，故在電路中添加一個50Hz的陷波電路，可有效抑制50Hz的工頻幹擾。具體的，請參閱圖6，其為所述工頻陷波電路的電路圖。所述工頻陷波電路包括：第五運算放大器U5A和第六運算放大器U6B，其中所述第五運算放大器U5A和第六運算放大器U6B的型號相同，都選用OPA2277。其中輸入信號分兩路，一路依次經過電阻R13、電阻R14、電阻R15和電阻R16輸入第五運算放大器U5A的正相輸入端，另一路依次經過電容C15、電容C16與第五運算放大器U5A的正相輸入端連接。該第五運算放大器U5A的輸出端進行信號輸出，且該輸出端與反相輸入端連接，且該第五運算放大器U5A的輸出端通過電阻R19與第六運算放大器U6B的正相輸入端連接。該電阻R19通過電阻R20接地。所述第六運算放大器U6B的輸出端與反相輸入端連接。另外，該第六運算放大器U6B的輸出端分為兩路，一路經過相互並聯的電容C17和電容C18後與電阻R15連接，另一路依次經過電阻R18、電阻R17與電容C16連接。
進一步，經過前期的放大和濾波之後，信號的強度大約為100mV左右，不能滿足處理的要求，因此，在最後加上一個主放大模塊，放大倍數為
由於信號處理模塊內部A/D轉換模塊的輸入電壓範圍為0-3.3V，心音信號必須偏置至0-3.3V才能進行下一步的處理，故在主放大電路之後將信號偏置至適宜的電壓值。
具體的，請參閱圖7，其為本發明的主放大及偏置電路。所述的主放大及偏置電路包括第七運算放大器U6A、第八運算放大器U7B和第九運算放大器U7A；所述第七運算放大器U6A、第八運算放大器U7B和第九運算放大器U7A的型號相同，都採用OPA2277。其中，信號經過電阻R21與第七放大器U6A的反相輸入端連接，該第六運算放大器的正相輸入端通過電阻R23接地；所述第七放大器U6A的輸出端通過電阻R22與反相輸入端連接，同時將信號輸出。第七放大器U6A的輸出端同時通過電阻R24與第八運算放大器U7B的反相輸入端連接；所述第八運算放大器U7B的正相輸入端通過電阻R27接地；所述第八運算放大器U7B的輸出端通過電阻R26和電阻R25與反相輸入端連接。所述第八運算放大器U7B的輸出端通過電阻R28與第九運算放大器U7A的正相輸入端連接；所述第八運算放大器U7B的正相輸入端還通過電阻R29和電阻R32與+5V電壓連接，同時通過電阻R29和電阻R33接地。所述第九運算放大器的反相輸入端通過電阻R30接地。所述第九運算放大器的輸出端通過電阻R31與反相輸入端連接。
進一步，請同時參閱圖8，其為信號處理模塊的內部連接框圖。所述信號處理模塊17包括模數轉換器171、數字濾波器172、DMA控制器173、心率和HRV運算模塊174、切換模塊175、以及藍牙模塊176。在本實施例中，所述信號處理模塊為STM32最小系統。
其中，所述模數轉換器171，用於將模擬信號轉化為數位訊號。
所述數字濾波器172，用於對數位訊號進行幹擾的消除。數字濾波器相比硬體的幹擾小，且性能優越，不用增加硬體就能夠簡單地實現較多階。常用固定頻率的設計有IIR濾波器和FIR濾波器兩種，其中FIR濾波器具有良好的線性相位。但是在同等性能條件下階數比IIR濾波器高，運算量大。故本設計的工頻陷波採用IIR濾波器來設計。藉助Matlab的fdatool工具包可以直接生成相關參數。再通過直接II型翻譯成c語言形式應用於STM32平臺。
同時，還使用EMD算法進行濾波處理。經過對比發現相比於小波分解，經過EMD算法處理的心音信號質量更好，更有利於後續的工作及處理，故本程序採取該算法對胎心音以及成人心音進行分離降噪。
EMD算法本徵模函數IMF需要滿足兩個性質：(1)信號的極值點(極大值或極小值)數目和過零點數目相等或最多相差一個；(2)由局部極大值構成的上包絡線和由局部極小值構成的下包絡線的平均值為零。具體計算步驟如下：
A.找出原數據序列X(t)的所有極大值點和極小值點，將其用三次樣條函數分別擬合為原序列的上和下包絡線；上下包絡線的均值為m1；將原數據序列減去m1可得到一個減去低頻的新序列h，即h1＝X(t)－m1；
一般h1不一定是平穩數據序列，為此需對它重複上述過程。如h1的包絡均值為m11，則去除該包絡平均所代表的低頻成分後的數據序列為h11，即h11＝h1－m11。重複上述過程，這樣就得到第一個本徵模函數分量c1，它表示信號數據序列最高頻率的成分。
B.用X(t)減去c1，得到一個去掉高頻成分的新數據序列r1；對r1再進行上述分解，得到第二個本徵模函數分量c2；如此重複直到最後一個數據序列rn不可被分解，此時，rn代表數據序列X(t)的趨勢或均值。在算法中的極值點是指一階導數為零的點。
所述DMA控制器173，用於實現所述模數轉換器到內存和內存到串口的高速傳輸。由於心音的頻率主要在20-600Hz，採樣率要求較高，而STM32通過CPU控制採樣的傳輸不能滿足，故使用DMA的第一和四兩個通道，分別實現ADC到內存和內存到串口的高速傳輸，並且CPU可以在採樣間期實現數字濾波、心率和HRV參數等運算。
所述心率和HRV參數運算模塊174，用於對心率和HRV參數進行計算。
所述切換模塊175，用於進行模式切換，所述模式包括：成人、成人心音包絡、胎心、胎心包絡和肺音五種模式。
所述藍牙模塊176，用於實現與外界終端的通信連接。
具體的，請參閱圖9，其為本實施例的STM32最小系統的電路圖。其中，所述STM32最小系統電路包括處理晶片STM32F103T8C6。所述處理晶片包括電源埠、信號輸入埠和信號輸出埠。同時，請參閱圖10，其為處理晶片的藍牙電路插口的局部放大圖。所述處理晶片中還設有藍牙電路接口，用於連接藍牙電路，方便與外界的移動終端進行通信。
進一步，為了實現對電子聽診器的數據進行顯示和診斷的結果。本發明還提供了一種多功能電子聽診系統，其包括上述的多功能電子聽診器、移動終端2和電腦終端3。
請同時參閱圖11，其為本發明的移動終端的內部連接框圖。所述移動終端2包括藍牙接收模塊21、數據可視化模塊22、用戶及聯繫人設置模塊23、定位及發送緊急簡訊模塊24、分析模塊25和雲端存儲模塊26。
所述藍牙接收模塊21，用於接收所述電子聽診器的採集數據信號。
所述數據可視化模塊22，用於顯示數據信息。
所述用戶及聯繫人設置模塊23，用於設置用戶和聯繫人的信息。
所述定位和發送緊急短息模塊24，用於獲取定位信息，並發送緊急短息。
所述分析模塊25，用於對接收數據進行分析，得出診斷結果。
所述雲端存儲模塊26，用於將接收數據上傳至雲端存儲器中。
請同時參閱圖12，其為本發明的電腦終端的內部連接框圖。所述電腦終端3包括：接收模塊31、錄製回放模塊32、波形顯示模塊33和分析模塊34。
所述接收模塊31，用於通過音頻線與所述電子聽診器連接，用於接收音頻信號；
所述錄製回放模塊32，用於實現硬體電路採集的聲音信號的錄製以及回放；
所述波形顯示模塊33，用於實時在波形框顯示聲音波形圖；
所述分析模塊34，用於實現信號分析及處理，得出相對應的生理參數及診斷結論。
相比於現有技術，本發明具備以下有益效果：
1、以被動無擾式的方式採集不同年齡段人群的心音信號，且可實時監聽。
2、利用普通的聽頭加上駐極體話筒就能組成一個性能優異的心音採集探頭，能夠把心音信號轉化為電信號，可檢測懷孕超過20周以上的胎兒心音，相較現有都卜勒式心音探測儀，被動檢測方式無輻射，對人體的影響降到最小。
3、可精準提取心音信號，獲得心音信號峰值間期，辯識心率變異性，移動終端實時可視化波形、數據及給出離線診斷報告，具備緊急報警措施。
4、採用了STM32，OPA2277等高精密度晶片，採集到的心音信號通過硬體部分處理成數據，採集到的心音信號通過硬體部分處理成數據，可以實時顯示在手機的APP以及電腦等上位機，終端可對心音信號進行錄音(並顯示波形)、回放、現代信號分析及診斷，以自適應信號處理方案為依據，深度分析心音信號特徵。
5、心音數據可進行手機、電腦本地及雲端多維存儲，從而對採集信號進行實時或遠程在線/離線診斷。
6、終端APP可以實時顯示心率，心音參數、SDNN以及SDANN等心源性疾病判斷參數，同時具有實時定位和自動發送簡訊的功能，當檢測到有緊急情況時，可以發送定位到事先存好的親情號碼當中，通知家人。
本發明並不局限於上述實施方式，如果對本發明的各種改動或變形不脫離本發明的精神和範圍，倘若這些改動和變形屬於本發明的權利要求和等同技術範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變形。