CN102008316A

CN102008316A - 基于听诊音频谱分析的多功能数字式听诊器电路

Info

Publication number: CN102008316A
Application number: CN 201010533076
Authority: CN
Inventors: 徐子轩; 谷畅霞; 顾晓峰; 吴滨; 梁海莲; 吴锡生
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2030-11-05
Also published as: CN102008316B

Abstract

本发明涉及一种基于听诊音频谱分析的多功能数字式听诊器电路，该听诊器的内部设有基于CMOS技术的硅麦克风传感器；该传感器可将人体各器官所发出的各种声音转换成相应的电平信号，再经过运算放大、滤波器抗混叠、模数转换将信号送入ASIC进行数字信号处理。其中数字信号处理部分的特征在于：包括针对不同人体器官频谱的FIR滤波器单元、系统主控制单元、FFT运算单元、频谱筛选核心运算单元、数据通信单元等逻辑单元，最终通过耳机接口、UART或VGA，医生可经由耳机听取音频或由所接的显示器显示频谱来进行听诊，可方便地记录、评价和保存诊断结果；同时可结合物联网技术构建实现远距在宅听诊、远距多方会诊、建立全民的人体器官音频频谱库等数字医疗解决方案。

Description

基于听诊音频谱分析的多功能数字式听诊器电路

技术领域

本发明涉及一种基于听诊音频谱分析的多功能数字式听诊器电路，属于数字医疗器械和设备系统领域。

背景技术

自1816年法国医师林奈克发明听诊器以来，在过去近200年中，它一直是现代医学诊治的一个重要检测设备。挂着听诊器的医生形象出现在手册、广告、画报等各种媒体资料上，已成为最深入人心的代表医学、医疗、医生的文化符号。学习使用听诊器，并利用其辅助判诊气管炎、肺炎、胸腔积液等疾病，曾是学医者的一项重要必修技术。然而，随着医疗科技手段的进步，现在的医生却越来越不重视这种传统的医疗器械。医生即使行使听诊，也往往只是简单地、甚至象征性地在病人身体前面听一下，后面听一下，就草草结束了，使得听诊器更像是挂在医生脖子上的一个装饰品。

造成这种现象的原因是多方面的。一方面，通过传统听诊器进行常规检测可能会有一定的诊断误差。随着医疗官司和纠纷的日益增加，医生更倾向于让患者花较多的费用去进行各种电子、化学检测，用当代先进医疗设备来消灭误诊。另一方面，很多患者在心理上也逐渐依赖CT、B超、心电图、抽血化验、X光透视等相对复杂的检测手段，生怕少检查一样会导致诊断发生偏差。然而实际上，医学界人士也认为，除了某些重病或疑难杂症，大部分疾病并没有必要动用昂贵而费时的CT和核磁共振等大型设备。

对传统听诊器的不重视，另一个很重要的原因是它不能生成详细科学的数据报告，医生凭经验听得不确定，患者看不到具体的数据报告，医患双方渐渐地都对这种看上去很简单的听诊抱以怀疑的态度，最后索性还是求助CT、核磁共振等手段，医生“省心”，患者“放心”，毕竟大多数人总是觉得“眼见为实”、“贵重机器不太会犯错”。

本专利设计的是一种基于听诊音频谱分析的多功能数字式听诊器，着重从听诊音频率的角度出发，精确定量分析听诊音频谱，从而给出科学的听诊预判。以喘鸣音为例：喘鸣音为持续时间大于250 ms的连续性声音。在发作期哮喘中，由于支气管可逆性痉挛导致喘鸣音的产生。研究结果表明，发作期哮喘的呼吸音频率增高，强度也增大，但缓解期与正常对照无差别，这与其病理生理特点相符。其他的器官同样存在类似的现象。

发明内容

本发明的目的是克服传统听诊器无法适应现代医疗的现状，提供一种基于听诊音频谱分析的多功能数字式听诊器电路，通过生成并分析听诊音的频谱，利用液晶显示器等数据输出终端显示详细的频谱分析结果，以达到辅助听诊的功能。采用这种电路的听诊器不仅可为医生诊断提供了便利，方便听诊技术的教学培训，而且可显著提高听诊的正确率。

按照本发明提供的技术方案，所述基于听诊音频谱分析的多功能数字式听诊器电路包括：音频信号采样端，通过基于MEMS技术的硅麦克风传感器采集人体器官音频信号；模拟信号处理模块，连接至所述音频信号采样端，并通过运算放大、低通滤波、模数转换生成数字信号；数字信号处理单元，使用流水线的方式处理经模拟信号处理模块转换过来的数字信号，根据听诊部位配置滤波系数，进行音频频谱分析，生成听诊音的特征频谱，并通过数据接收终端输出详细频谱分析结果；所述数字信号处理单元为专用集成电路。

所述硅麦克风传感器内置于听诊头中，硅麦克风传感器下方与听诊头之间垫有一个塑料片，硅麦克风传感器的电源及数据线通过听诊器的皮管引出。

所述模拟信号处理模块包括：硅麦克风传感器的信号输出端通过第一电容和第一电阻连接运算放大器的“+”输入端；运算放大器的“－”输入端接参考电压；运算放大器的“+”输入端和运算放大器输出端之间接第四电阻；运算放大器的输出端连接第二电阻的一端，第二电阻另一端通过第二电容接地，并连接模数转换器的输入端，将采集的模拟信号传入模数转换器中，生成对应的8位数字信号，通过数据总线将该8位数字信号传给所述专用集成电路。

所述专用集成电路包括数字滤波处理单元、FFT核心运算单元、系统主状态控制单元、频谱筛选核心运算单元、数据发送单元；数字滤波处理单元的输入端同模拟数字转换器相连接，输出连接至FFT核心运算单元，频谱筛选核心运算单元的输入连接至FFT核心运算单元，输出连接至数据发送单元，数据发送单元的输出连接至外部的数据接收终端；系统主状态控制单元输出端口同所述数字滤波处理单元、FFT核心运算单元、频谱筛选核心运算单元、数据发送单元的控制端口相连接。

所述数字滤波处理单元通过不同模式的配置，针对所听诊的人体器官部位修改FIR滤波系数，所述数字滤波处理单元包括相互连接的模式选择单元和FIR滤波器，FIR滤波器的数据接收端同模拟数字转换器的输出连接，FIR滤波器的控制端口同系统主状态控制单元连接，在系统主状态为处理状态时，输出相应音频滤波结果。

所述FFT核心运算单元包括：FFT运算模块和复数取模模块；FFT运算模块实部输入端口和FIR滤波器的的输出相连，虚部输入端口接地，其他控制端口同系统主状态控制单元相连，FFT运算模块实部输出端、虚部输出端和输出使能端分别连接到复数取模模块进行进一步的运算处理，并通过输出读信号控制频谱筛选核心运算单元的写入。

所述频谱筛选核心运算单元根据不同的模式，按照不同的方式处理FFT核心运算单元的频谱数据，频谱筛选核心运算单元包括主从两片随机存取存储器模块和独立的核心筛选模块；核心筛选模块的数据输入端同复数取模模块的数据输出端相连接，核心筛选模块的控制单元的写控制端口同样连接至复数取模模块的写有效端口；当复数取模模块开始读出数据的时候，核心筛选模块便能及时响应该输出数据；在核心筛选模块中，设置的参考变量包括最大幅值、最大频率、特征频段频谱功率、特征频谱中频谱区间的四等分值，进行频谱筛选，决定是否将当前频谱保存至主随机存取存储器中；当系统状态跳变为发射状态时，主随机存取存储器开始向片外发送数据。

所述数据发送单元包括：使用通用异步接收/发送模块生成请求发送的信号并连接至RS232接口的请求发送管脚，同时接收RS232接口的允许发送管脚后，通过通用异步接收/发送模块的输出管脚连接至RS232接口的发送数据管脚，将分析好存储在主随机存取存储器中的频谱数据发送给数据接收终端。

所述系统主状态控制单元将系统分为三种系统状态：空闲、处理、发射，并使用内部延时技术控制ASIC专用集成电路系统内部各个子模块的包括复位、使能、开始的控制信号协调工作；当系统复位后系统处于空闲状态；当系统处于空闲状态同时使能端为高电平，系统跳转为处理状态；当系统处于处理状态且采样时间超过了系统定义的时间，系统自动停止采样转而跳转为发射状态，开始发送已经处理完毕的频谱数据；发送结束后系统自动跳转为空闲状态；系统主状态控制单元还连接至外部的模拟数字转换器。

所述数据接收终端与数字信号处理单元之间的数据传输方式包括以下一种或多种：USB接口、显示器接口、耳机接口、无线射频发射、RS232串口电路。

本发明的优点是：该发明根据听诊音频谱筛选分析，从而得到详细科学的听诊音频谱分析结果，一改传统听诊器单纯依靠医生听觉和个人经验进行诊断的状况，医生和病人都可得到准确而又直观的听诊结果，既方便了临床诊断，又方便了听诊技术的教学；同时该听诊器还可针对人体三个不同的部位（心、肺、肠道）进行独立的数字滤波去噪，显著提高了听诊器抗干扰的能力。

附图说明

图1是本发明系统结构框图。

图2是前端模拟信号处理电路原理图。

图3是本发明ASIC的设计图。

图4是本发明ASIC仿真时序结果。

图5是输入为谐波200Hz和500Hz时的特征频谱。

图6是输入为谐波500Hz和2000Hz时的特征频谱。

具体实施方式

本发明通过专用集成电路生成听诊音的特征频谱，并输出详细的频谱分析结果，达到辅助听诊、方便听诊技术教学的功能。本发明的系统结构如图1所示，包括：音频信号采样端，通过基于MEMS技术的硅麦克风传感器采集人体器官音频信号；模拟信号处理模块，连接至所述音频信号采样端，并通过运算放大、低通滤波、模数转换生成数字信号；数字信号处理单元，使用流水线的方式处理经模拟信号处理模块转换过来的数字信号，根据听诊部位配置滤波系数，进行音频频谱分析，生成听诊音的特征频谱，并通过数据接收终端输出详细频谱分析结果反馈给医生、病人；所述数字信号处理单元为ASIC（专用集成电路）。

硅麦克风同运算放大抗混叠电路相连，之后信号由模数转换器（ADC）进行模数转换；随后将数字结果传送给专用集成电路（ASIC）核心模块，同ASIC进行数据传输的还有数模转换电路（DAC），用来输出经滤波、放大的音频信号给耳机接口；将频谱数据发送给LCD液晶显示器，以辅助使用者观察听诊音的频谱；还可将数据通过USB或射频（RF）电路或RS232串口电路发送给数据接收终端。电能转换模块可转换TTL和CMOS电平，为系统提供稳定可靠的电源驱动。同时专用集成电路接有模式选择端口，用来配置心、肺、肠道等不同的听诊部位；使能复位端口，用来控制系统的工作和复位。

本发明的数字式听诊头是将硅麦克风传感器内置于听诊头中，在传感器下方垫上一小片塑料以保持传感器和听诊头之间绝缘，电源及数据线通过传统听诊器的皮管引出，连接到后面的模拟电路中。

前端模拟信号处理电路如图2所示，硅麦克风传感器的1脚（信号输出端）通过第一电容C1和第一电阻R1连接运算放大器的“+”输入端。R1接在运算放大器的“+”输入端可去除传感器输出的直流偏置。传感器的2脚和电压源相连，传感器的3脚和地线相连，可保证传感器的正常工作。运算放大器的“－”输入端接参考电压，可灵活配置运算放大器的输出直流偏置电压；运算放大器的“+”输入端和运算放大器输出端之间接第四电阻Rf，使运算放大器形成闭环反馈电路，放大倍数External Gain=－Rf/R1。为了实现模数转换器ADC的抗混叠（根据奈奎斯特效应采样频率应至少是采样数据最大频率的两倍），在运算放大器的输出端接入无源低通滤波电路，即运算放大器的输出端连接第二电阻R2的一端，第二电阻R2另一端通过第二电容C2接地，并连接模数转换器的输入端，最后经由R2将采集的模拟信号传入ADC中，并生成对应的8位数字信号，通过数据总线Q₀~Q₇将该8位数字信号传给ASIC。

ASIC设计如图3所示，主要包括：

数字滤波处理单元1、FFT核心运算单元2、系统主状态控制单元3、频谱筛选核心运算单元4、数据发送单元5。数字滤波处理单元1的输入端同模拟数字转换器相连接，输出连接至FFT核心运算单元2，频谱筛选核心运算单元4的输入连接至FFT核心运算单元2，输出连接至数据发送单元5，数据发送单元5的输出连接至外部的数据接收终端；系统主状态控制单元3输出端口同其他四个主要单元模块的控制端口相连接。

1、所述数字滤波处理单元通过外部模式选择端配置不同模式参数，针对所听诊的人体器官部位（心、肺、肠）修改FIR滤波系数，灵活处理输入数据，将不是该模式下的音频滤掉，极大的提高抗干扰和精确分析的能力。FIR是有限冲击响应（Finite Impulse Response）的简称。所述数字滤波处理单元包括相互连接的模式选择单元和FIR滤波器，FIR滤波器的数据接收端同模拟数字转换器的输出连接，FIR滤波器的控制端口同系统主状态控制单元连接，在系统主状态为处理状态时，输出相应音频滤波结果。

2、所述数据发送单元包括：使用通用异步接收/发送模块（UART）生成请求发送的信号并连接至RS232接口的请求发送管脚，同时接收RS232接口的允许发送管脚后，通过通用异步接收/发送模块的输出管脚连接至RS232接口的发送数据管脚，将分析好存储在主随机存取存储器中的频谱数据发送给数据接收终端。

3、所述系统主状态控制单元将系统分为三种系统状态（空闲、处理、发射），并使用内部延时技术控制ASIC专用集成电路系统内部各个子模块的包括复位、使能、开始的控制信号协调工作；当系统复位后系统处于“空闲”状态；当系统处于“空闲”状态同时使能端为高电平，系统跳转为“处理”状态；当系统处于“处理”状态且采样时间超过了系统定义的时间，系统自动停止采样转而跳转为“发射”状态，开始发送已经处理完毕的频谱数据；发送结束后系统自动跳转为“空闲”状态；系统主状态控制单元还连接至外部的模拟数字转换器。

4、所述FFT核心运算单元包括：FFT运算模块和复数取模模块。FFT是离散傅里叶变换的快速算法，它是根据离散傅里叶变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅里叶变换的算法进行改进获得的。相对于离散傅里叶变换，在处理点数较大的情况下，FFT在乘加运算次数上远小于传统离散傅里叶变换，极大地缩短了处理时间，降低了功耗。通过该FFT核心运算单元对由前级数字滤波处理单元处理过的数字音频信号进行傅里叶变换，分析其频谱特性。其中FFT运算模块复位端接高电平有效的复位信号，时钟信号采用ADC采样时钟频率，确保数据的正确衔接，实部输入端口和FIR滤波器的的输出相连，虚部输入端口接地（采样的时序音频信号并无虚部，因此将其接地），其他控制端口同系统主状态控制单元相连，实部输出端、虚部输出端和输出使能端分别连接到复数取模模块进行进一步的运算处理，并通过输出读信号控制频谱筛选核心运算单元的写入。

5、所述频谱筛选核心运算单元根据不同的模式，按照不同的方式处理FFT核心运算单元的频谱数据，频谱筛选核心运算单元包括主从两片随机存取存储器模块和独立的核心筛选模块；核心筛选模块的数据输入端同复数取模模块的数据输出端相连接，核心筛选模块的控制单元的写控制端口同样连接至复数取模模块的写有效端口；当复数取模模块开始读出数据的时候，核心筛选模块便能及时响应该输出数据；在核心筛选模块中，设置的参考变量包括最大幅值、最大频率、特征频段频谱功率、特征频谱中频谱区间的四等分值，进行频谱筛选，决定是否将当前频谱保存至主随机存取存储器中；当系统状态跳变为发射状态时，主随机存取存储器开始向片外发送数据。

在多功能数字式听诊器中可配置多种数据发送方式，通过USB接口、显示器接口、耳机接口、无线射频发射、RS232串口电路等将数据传输、显示出来。

整个听诊器电路工作流程如下：

1. 听诊音的采集。通过技术先进、体积小、声音灵敏度高的硅麦克风传感器采集人体器官（心、肺、肠道）的音频信号。

2. 采用模拟滤波放大电路对采集的音频小信号进行放大、抗混叠滤波。

3. 将滤波后的模拟信号经模拟数字转换器（ADC）转换为8位数字信号。

4. 将数字信号发送至专用集成电路（ASIC）处理。首先对模式选择端口进行判断。其次，根据不同的模式选择，使用相应的有限冲击响应FIR数字滤波系数对数字信号进行FIR滤波处理。随后，将滤波后的信号送入快速傅里叶变换（FFT）运算单元，求得该时域信号的复频域值。最后，利用求幅值运算单元求出频域对应的幅值。

5. 频谱筛选核心运算算法。针对人体器官在发生病变时音频频谱会发生变化的特点，设计一种可判断听诊音是否正常的分析算法，提取相应的特征频谱，并保存在最后一级的随机存储单元（RAM）当中。

6. 当听诊结束时，系统自动输出/显示保存在RAM中的特征频谱数据，供医生和病人参考。

对ASIC进行时序上的仿真，验证其主要功能单元是否正常工作，结果如图4所示：起始时刻，nOE跳转为低电平，允许ADC向ASIC发送时域数据，function_en跳转为低电平（该管脚为fen控制线的取反输出管脚），系统进入process状态；在150ms左右时fft_outen跳转为高电平，表示FFT开始向core_process写频域数据，同时ampt_dout开始输出频谱摆幅；在300ms时刻function_en跳转为高电平，系统进入Trans状态，nOE跳转为高电平，停止ADC输出8位数字信号，read_en跳转为高电平，允许MEM3发送数据，Qout开始密集的发送串口数据。符合电路的主要设计期望。

使用谐波200和500Hz作为激励源进行测试，模式选择端设置为Lung（肺）模式（100~1500Hz带通），由图5可以看出系统正确辨别出该时序信号的频域摆幅；使用谐波500和2000Hz作为激励源进行测试，由图6可以看出系统正确识别了500Hz的信号，同时有效滤除了2000Hz的信号（衰减-22dB）。符合电路的设计要求。

本专利设计的多功能数字式听诊器不但体积小，价格适中，而且对于人体不同器官（心脏、肺、肠道等）的听诊，可以灵活而有针对性地配置滤波参数，去除环境和其他器官音频的干扰。同时该多功能数字式听诊器还可对听诊音的频谱给予科学分析，生成详细的听诊报告。对于患者来说，多功能数字式的听诊器可以让过去完全依靠医生个人经验的听诊变得透明、有依据；对于医生来说，多功能数字式听诊器为其听诊提供辅助和参考，不仅方便简单，而且有效增加了听诊的准确率。

随着物联网技术和产业的兴起，这种新型的多功能数字式听诊器为实现远距在宅听诊、远距多方会诊、建立全民的人体器官音频频谱库等数字医疗提供了一种有效可行的解决方案。

Claims

1. 基于听诊音频谱分析的多功能数字式听诊器电路，其特征是包括：

音频信号采样端，通过基于MEMS技术的硅麦克风传感器采集人体器官音频信号；

模拟信号处理模块，连接至所述音频信号采样端，并通过运算放大、低通滤波、模数转换生成数字信号；

数字信号处理单元，使用流水线的方式处理经模拟信号处理模块转换过来的数字信号，根据听诊部位配置滤波系数，进行音频频谱分析，生成听诊音的特征频谱，并通过数据接收终端输出详细频谱分析结果；所述数字信号处理单元为专用集成电路。

2.如权利要求1所述基于听诊音频谱分析的多功能数字式听诊器电路，其特征是，所述硅麦克风传感器内置于听诊头中，硅麦克风传感器下方与听诊头之间垫有一个塑料片，硅麦克风传感器的电源及数据线通过听诊器的皮管引出。

3.如权利要求1所述基于听诊音频谱分析的多功能数字式听诊器电路，其特征是，所述模拟信号处理模块包括：硅麦克风传感器的信号输出端通过第一电容（C1）和第一电阻（R1）连接运算放大器的“+”输入端；运算放大器的“－”输入端接参考电压；运算放大器的“+”输入端和运算放大器输出端之间接第四电阻（Rf）；运算放大器的输出端连接第二电阻（R2）的一端，第二电阻（R2）另一端通过第二电容（C2）接地，并连接模数转换器的输入端，将采集的模拟信号传入模数转换器中，生成对应的8位数字信号，通过数据总线（Q₀~Q₇）将该8位数字信号传给所述专用集成电路。

4.如权利要求1所述基于听诊音频谱分析的多功能数字式听诊器电路，其特征是，所述专用集成电路包括数字滤波处理单元、FFT核心运算单元、系统主状态控制单元、频谱筛选核心运算单元、数据发送单元；数字滤波处理单元的输入端同模拟数字转换器相连接，输出连接至FFT核心运算单元，频谱筛选核心运算单元的输入连接至FFT核心运算单元，输出连接至数据发送单元，数据发送单元的输出连接至外部的数据接收终端；系统主状态控制单元输出端口同所述数字滤波处理单元、FFT核心运算单元、频谱筛选核心运算单元、数据发送单元的控制端口相连接。

5.如权利要求4所述基于听诊音频谱分析的多功能数字式听诊器电路，其特征是，所述数字滤波处理单元通过不同模式的配置，针对所听诊的人体器官部位修改FIR滤波系数，所述数字滤波处理单元包括相互连接的模式选择单元和FIR滤波器，FIR滤波器的数据接收端同模拟数字转换器的输出连接，FIR滤波器的控制端口同系统主状态控制单元连接，在系统主状态为处理状态时，输出相应音频滤波结果。

6.如权利要求4所述基于听诊音频谱分析的多功能数字式听诊器电路，其特征是，所述FFT核心运算单元包括：FFT运算模块和复数取模模块；FFT运算模块实部输入端口和FIR滤波器的的输出相连，虚部输入端口接地，其他控制端口同系统主状态控制单元相连，FFT运算模块实部输出端、虚部输出端和输出使能端分别连接到复数取模模块进行进一步的运算处理，并通过输出读信号控制频谱筛选核心运算单元的写入。

7.如权利要求4所述基于听诊音频谱分析的多功能数字式听诊器电路，其特征是，所述频谱筛选核心运算单元根据不同的模式，按照不同的方式处理FFT核心运算单元的频谱数据，频谱筛选核心运算单元包括主从两片随机存取存储器模块和独立的核心筛选模块；核心筛选模块的数据输入端同复数取模模块的数据输出端相连接，核心筛选模块的控制单元的写控制端口同样连接至复数取模模块的写有效端口；当复数取模模块开始读出数据的时候，核心筛选模块便能及时响应该输出数据；在核心筛选模块中，设置的参考变量包括最大幅值、最大频率、特征频段频谱功率、特征频谱中频谱区间的四等分值，进行频谱筛选，决定是否将当前频谱保存至主随机存取存储器中；当系统状态跳变为发射状态时，主随机存取存储器开始向片外发送数据。

8.如权利要求7所述基于听诊音频谱分析的多功能数字式听诊器电路，其特征是，所述数据发送单元包括：使用通用异步接收/发送模块生成请求发送的信号并连接至RS232接口的请求发送管脚，同时接收RS232接口的允许发送管脚后，通过通用异步接收/发送模块的输出管脚连接至RS232接口的发送数据管脚，将分析好存储在主随机存取存储器中的频谱数据发送给数据接收终端。

9.如权利要求4所述基于听诊音频谱分析的多功能数字式听诊器电路，其特征是，所述系统主状态控制单元将系统分为三种系统状态：空闲、处理、发射，并使用内部延时技术控制ASIC专用集成电路系统内部各个子模块的包括复位、使能、开始的控制信号协调工作；当系统复位后系统处于空闲状态；当系统处于空闲状态同时使能端为高电平，系统跳转为处理状态；当系统处于处理状态且采样时间超过了系统定义的时间，系统自动停止采样转而跳转为发射状态，开始发送已经处理完毕的频谱数据；发送结束后系统自动跳转为空闲状态；系统主状态控制单元还连接至外部的模拟数字转换器。

10.如权利要求1所述基于听诊音频谱分析的多功能数字式听诊器电路，其特征是，所述数据接收终端与数字信号处理单元之间的数据传输方式包括以下一种或多种：USB接口、显示器接口、耳机接口、无线射频发射、RS232串口电路。