智能心肺分析儀的製作方法

2023-05-19 18:52:11 1

專利名稱：智能心肺分析儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種醫療診斷儀器，具體地說是一種適用於家庭、社區診所等，用 於心肺音的分析和識別，能識別出常見的心肺音異常的智能心肺分析儀。
背景技術：
聽診是根據身體各部位發出的聲音，用聽覺來判斷身體是否正常的一種診斷方 法。通過聽診，醫生可根據聲音的特性與變化，如聲音的頻率高低、強弱、間隔時間、雜音等， 來診斷相關臟器有無病變。由於人體的心肺音比較微弱，並且要求醫生在很短的時間內聽 診很多的內容，只有經過長年臨床經驗積累，醫生才能比較準確地分辨出心肺的異常聲音。 雖然現有的電子聽診器可以將心肺音進行放大和處理，使心肺音更加清晰，但是聽診仍然 靠臨床經驗來識別出心肺音的異常。現有的聽診裝置大都是基於通用計算機系統進行分析的，該系統構成龐大、複雜， 體積過大，成本太高，並不便於攜帶，如中國專利申請號為200680009502. 4，名稱為《可視聽 診器》和中國專利申請號為200910199630. 5，名稱為《藍牙電子心音聽診器》。

實用新型內容為解決現有技術中聽診分析系統複雜、體積龐大不足之處，本實用新型提供一種 體積小攜帶方便，識別準確率高，適合在家庭和社區診所中使用的智能心肺分析儀。為解決上述技術問題，本新型採用的技術方案是該智能心肺分析儀，具有心肺音傳感器和主機，其中主機包括信號處理單元、聲音 輸出單元、AD轉換單元、DSP處理器單元、液晶顯示單元以及錄音存儲單元，其中信號處理 單元接收心肺音傳感器的輸出信號，分別輸出至聲音輸出單元和AD轉換單元；DSP處理器 單元接收AD轉換單元的信號進行處理後分別輸出至液晶顯示單元及錄音存儲單元。所述信號處理單元為由初級放大電路、低通濾波電路、高通濾波電路以及二級放 大電路形成的串行連接結構。DSP處理器單元包括晶體振蕩器、復位晶片、DSP處理器及存儲器，其DSP處理器一 端接收晶體振蕩器、復位晶片輸出信號；另一端接收存儲器中的運行和啟動程序。所說的DSP處理器採用TMS320C5000系列處理器。所說的AD轉換單元採用AD7705晶片。聲音輸出單元由聲音驅動晶片TPA311和揚聲器組成，該揚聲器為內置揚聲器。心肺音傳感器採用接觸型壓電薄膜拾音片。本儀器與現有技術相比具有以下有益效果1.信息處理速度快，儀器體積小，適合家庭和社區使用。本實用新型利用專用傳感 器提取人體的心肺音信號，採用高速DSP處理器，提高了信息處理速度。該儀器運用模式識 別技術對提取的心肺音信號進行分析處理，提取信號的特徵後進行比對識別，從而判斷出 常見的心肺異常，為醫生提供有價值的診斷信息；並該儀器攜帶方便，使用簡單，識別準確率高，非常適合在家庭和社區診所中使用。2.具有智能分析功能。本實用新型利用模式識別技術對心肺音信號進行分析，自 動識別出常見的心肺異常種類，有效地提高了疾病診斷的準確率。3.能對心肺音信號進行放大輸出。本實用新型設有由聲音驅動晶片TPA311和揚 聲器組成的聲音輸出單元，將處理後的心肺音信號轉換為聲音信號通過揚聲器輸出。4.具有錄音功能。本實用新型設有錄音存儲單元用於存儲採集到的心肺音數據。 採集的心肺音以wav的格式進行存儲，可以方便地轉移到電腦上保存，以供醫生進行聽診 分析。

圖1為本實用新型系統結構示意圖；圖2為圖1信號處理單元結構示意圖；圖3為圖IDSP處理器單元結構示意圖；圖4為系統主程序流程圖；圖5為圖4模式識別程序結構圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本新型實施方式進行詳細描述參照附圖1，本儀器由心肺音傳感器和主機兩部分組成，其傳感器通過音頻連接線 將採集到的人體心肺音轉換為電信號傳輸至主機。主機包括信號處理單元、聲音輸出單元、 AD轉換單元、DSP處理器單元、液晶顯示單元、錄音存儲單元；其中信號處理單元接收心肺 音傳感器的輸出信號，分別輸出至聲音輸出單元和AD轉換單元；DSP處理器單元接收AD轉 換單元的信號進行處理後分別輸出至液晶顯示單元及錄音存儲單元。所說心肺音傳感器採用接觸型壓電薄膜拾音片，能夠更加清晰地獲取人體心肺音 信號。由於不通過中間空氣層而直接從人體表面進行拾音，因此能有效地降低皮膚和衣物 的摩擦噪音。參照附圖2，信號處理單元將心肺音傳感器輸出信號進行濾波和放大，然後分兩路 分別送至AD轉換單元和聲音輸出單元。它由初級放大電路、低通濾波電路、高通濾波電路、 二級放大電路組成，其之間按順序串行連接。初級放大電路由專用的高輸入阻抗儀表放大 晶片0PA336構成，用於將其傳感器獲取的心肺音信號進行初步放大；低通濾波放大電路由 AD8544晶片組成壓控電壓源二階低通濾波放大電路，其截至頻率設置為ΙΚΗζ。高通濾波電 路由AD8544晶片組成壓控電壓源二階高通濾波放大電路，其截至頻率設置為20Hz。二級放 大電路由AD8544晶片組成同相比例運算放大電路，將心肺音信號放大。心肺音信號在通過 由低通濾波放大電路和高通濾波電路組成的帶通濾波器後，濾除了部分環境噪聲，只保留 了 20Hz至IKHz的信號。聲音輸出單元由聲音驅動晶片TPA311和揚聲器組成，其揚聲器為內置揚聲器，可 將處理後的心肺音信號轉換為聲音信號通過揚聲器輸出。TPA311晶片以BTL方式進行連 接，以便輸出較大功率，用於驅動揚聲器。AD轉換單元採用高精度、低功耗的雙通道16位AD7705晶片，此晶片通過SPI接口與DSP處理器單元相連，以16KHz的採樣率對模擬的心肺音信號進行模數轉換，將生成的數 據信號通過SPI接口發送給DSP處理器單元。較高的採樣率可以保證採樣信號不失真，以 免影響後序信號處理效果。液晶顯示單元採用65K色TFT液晶屏，液晶屏自帶有驅動晶片，與DSP處理器通過 並行IO 口連接，用於信號採集顯示和識別信息，是儀器的人機接口部分。錄音存儲單元設有存儲器，採用Nand FLASH存儲器，用於保存模數轉換後的心肺 音數位訊號。數據存儲採用漏格式、16KHz採樣率及16位採樣精度。存儲後的漏格式 文件可以很方便地轉移到電腦上保存和播放。參照附圖3，DSP處理器單元採用TI公司的TMS320C5000系列DSP處理器。該系 列DSP處理器的主要特點是低功耗，非常適合便攜設備使用。TMS320C5000系列的DSP處理 器優選TMS320C5416 DSP處理器具有同步串口、HPI並行接口、定時器、DMA外設，具有運算 速度快和成本來低的特點。DSP處理器單元包括晶體振蕩器、復位晶片、DSP處理器及存儲器，其DSP處理器一 端接收晶體振蕩器、復位晶片輸出端信號；另一端接收存儲器中的運行和啟動程序。其存儲 器有Nor Flash存儲器和EEPROM存儲器，存儲器Nor Flash用於存儲DSP中運行的程序， 存儲代碼可以直接在Nor Flash中運行，大大地提高了程序運行速度。EEPROM存儲器採用 SPI接口的存儲晶片，用於存儲DSP的啟動引導程序。參照附圖4，DSP處理器單元為整個儀器的核心控制單元，通過存儲器中程序對心 肺音信號的採樣、前端處理、特徵提取、模型訓練、分析識別、顯示、錄音存儲進行控制。前端處理主要對心肺音信號進行預加重、分幀、加窗、端點檢測，採用結合短時能 量和短時過零率的雙門限檢測法，去除心肺音的靜音和短暫的噪聲。特徵提取採用Mel頻率倒譜係數法(簡稱MFCC)，通過對心肺音信號進行預加 重、分幀、加窗、端點檢測的處理後，提取出心肺音典型的特徵信息。模型訓練採用Baum-Welch算法對各種典型的心肺音特徵信息分別建立隱馬爾 科夫(簡稱HMM)模型。分析識別採用Viterbi算法，計算待識別心肺音與各模型的匹配概率，選取概率 最大的心肺音模型作為識別結果。系統程序運行操作步驟如下該分析儀系統工作時程序運行開始首先要求用戶輸入用戶名，單獨保存各用戶 採集到的心肺音。如果不選擇，程序以默認的用戶名存儲數據。接下來程序要求用戶選擇心臟聽診或肺部聽診，程序根據用戶的選擇結果顯示和 採集聽診音的部位。因為心臟聽診和肺部聽診都有各自典型的聽診部位，所以程序顯示的 圖形也各不相同，並且在後續的信號處理時各濾波器的參數設置也不相同。這時用戶根據屏幕上顯示的提示信息，將心肺音傳感器放置到用戶選擇的聽診部 位，當從揚聲器聽到清晰無摩擦音時，按下儀器上的確定鍵採集其聽診音。根據屏幕顯示的 信息，對所有的聽診部位進行聽診音的採集。接下來程序將採集到的聽診音按照聽診部位進行編號後保存到NandFLAS存儲器 晶片中，然後對各段聽診音進行處理和分析，最後利用模式識別程序對心肺音進行分類，將 識別結果顯示到TFT液晶屏幕上。[0043]參照附圖5，模式識別程序是在心肺音特徵模型建立的基礎上運行的。其處理過 程首先採集正常心肺音和各種典型的異常心肺音的樣本，將前端處理後提取其特徵，然後 對每種類型的心肺音建立自身的隱馬爾科夫模型，最後將建立好的特徵模型保存到儀器的 Nor Flash存儲器晶片中。當存儲聽診音進入模式識別程序時，首先設置初始參數，即HMM模型的數量、讀取 的心肺音文件的數量、計數器清零。然後把HMM模型載入到DSP處理器中，並讀取存儲的 心肺音信號。接著對讀取的聽診音文件進行前端處理預加重、分幀、加窗、端點檢測。使 用預加重主要目的就是濾除低頻幹擾，尤其是50Hz或60Hz的工頻幹擾，同時，由於心肺音 能量主要集中在IOHz IkHz之間，在高頻能量較小，易受噪音幹擾。加入預加重對心肺 音的高頻部分進行加重，進行頻譜提升，使信號的頻譜變得平坦，保持在低頻到高頻的整個 頻段中，能用同樣的信噪比求頻譜，以便於頻譜分析或聲道參數分析；由於心肺音信號具有 短時平穩性，從而可以用平穩隨機過程的分析方法來處理。基於這一原理，在處理心肺音信 號時，要將心肺音信號進行分幀，計算各幀的短時特徵；加窗部分採用的是漢寧窗(Harming window)。這種窗的特點是主瓣加寬，旁瓣顯著減小，旁瓣衰減速度也較快，有效地抑制了頻 譜洩漏；端點檢測採用結合短時能量和短時過零率的雙門限檢測法，去除心肺音的靜音和 短暫的噪聲。經前端處理後的心肺音信號進行特徵提取。該方法採用Mel頻率倒譜係數法(簡 稱MFCC)，首先用快速傅立葉變換FFT將時域信號轉化成頻域，之後對其對數能量譜用依照 Mel刻度分布的三角濾波器組進行卷積運算，最後對各個濾波器輸出構成的向量進行離散 餘弦變換，進而提取出心肺音的特徵信息。將提取的心肺音特徵信息利用Viterbi算法計算與載入的HMM模型的匹配概率。 Viterbi算法是一種動態規划算法，用來尋找由觀測信息產生的最可能隱狀態序列，通常用 在隱馬爾可夫模型中。通過該方法計算待識別心肺音MFCC特徵與各模型的匹配概率，選取 概率最大的心肺音模型作為識別結果。
權利要求一種智能心肺分析儀，其特徵在於具有心肺音傳感器和主機，其中主機包括信號處理單元、聲音輸出單元、AD轉換單元、DSP處理器單元、液晶顯示單元以及錄音存儲單元，其中信號處理單元接收心肺音傳感器的輸出信號，分別輸出至聲音輸出單元和AD轉換單元；DSP處理器單元接收AD轉換單元的信號進行處理後分別輸出至液晶顯示單元及錄音存儲單元。
2.按權利要求1所述的智能心肺分析儀，其特徵在於所述信號處理單元為由初級放 大電路、低通濾波電路、高通濾波電路以及二級放大電路形成的串行連接結構。
3.按權利要求1所述的智能心肺分析儀，其特徵在於DSP處理器單元包括晶體振蕩 器、復位晶片、DSP處理器及存儲器，其DSP處理器一端接收晶體振蕩器、復位晶片輸出信 號；另一端接收存儲器中的運行和啟動程序。
4.根據權利要求1或3所述的智能心肺分析儀，其特徵在於所說的DSP處理器採用 TMS320C5000系列處理器。
5.根據權利要求1所述的智能心肺分析儀，其特徵在於所說的AD轉換單元採用 AD7705 晶片。
6.根據權利要求1所述的智能心肺分析儀，其特徵在於聲音輸出單元由聲音驅動芯 片TPA311和揚聲器組成，該揚聲器為內置揚聲器。
7.根據權利要求1所述的智能心肺分析儀，其特徵在於心肺音傳感器採用接觸型壓 電薄膜拾音片。
專利摘要本實用新型公開一種智能心肺分析儀，它具有心肺音傳感器和主機，其中主機包括信號處理單元、聲音輸出單元、AD轉換單元、DSP處理器單元、液晶顯示單元以及錄音存儲單元。其中信號處理單元接收心肺音傳感器的輸出信號，分別輸出至聲音輸出單元和AD轉換單元；DSP處理器單元接收AD轉換單元的信號進行處理後分別輸出至液晶顯示單元及錄音存儲單元。該儀器利用傳感器提取人體的心肺音信號，採用高速DSP處理器，運用模式識別程序對提取的心肺音信號進行識別，從而判斷出常見的心肺異常，為醫生提供有價值的診斷信息；且儀器攜帶方便、實用、識別準確率高，適合在家庭和社區診所中使用。
文檔編號A61B7/04GK201683910SQ20102021558
公開日2010年12月29日 申請日期2010年6月4日 優先權日2010年6月4日
發明者崔晉玲, 張彥衛, 肇江 申請人:瀋陽君天科技股份有限公司