CN107174277B - 一种基于fpga的心肺音分离多路听诊器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的心肺音分离多路听诊器，属于医疗器材技术领域。听诊器包括拾音头、电源模块、中央控制器、模拟信号处理模块、心音分辨器、FPGA模块、数据存储模块、无线传输模块、音频输出模块。本发明采用多路采集的方式，将采集探头置于使用者的不同部位，对采集回来的多路混合声音信号进行分析比较，根据信号间的共同性和差异性，采用盲信号分离算法对信号进行处理，从而分离出心音信号以及肺音信号，并保存至存储设备中，随时通过无线传输方式将处理后的数据传至个人智能平台或者系统服务器中，进行进一步的处理，达到远程诊疗目的，缓解当前医疗资源紧缺问题。

Description

一种基于FPGA的心肺音分离多路听诊器

技术领域

本发明公开了一种基于FPGA的心肺音分离多路听诊器，属于医疗器材技术领域。

背景技术

听诊器，是内外福妇儿医师最常用的诊断用具，是医师的标志，现代医学即始于听诊器的发明。听诊器自从被应用于临床以来，外形及传音方式有不断的改进，但其基本结构变化不大，主要由拾音部分(胸件)，传导部分(胶管)及听音部分(耳件)组成。传统听诊器由于不具有存储以及远程传输的功能，故只适用于医患面对面听诊，不能让使用者随时随地检测心肺状况并将心肺状况信息发送给医师，无法实现远程诊疗。

传统听诊器采集回来的信号是心音信号、肺音信号以及杂音混合在一起的，不利于医生进行区分诊断。如在进行肺部检查或者呼吸道检查时，由于听诊器采集回来的声音信号中混杂着其他信号，降低了对肺音的分析准确性，不利于医生对患者做出及时的判断。对心脏疾病进行检查时，情况亦是如此。

目前市面上具有心音、肺音分离功能的电子听诊器，由于只采集单路信号，将其根据心音、肺音的频率等特征进行分离，虽然实现了分离功能，但由于仅采集单路信号，信号来源不足，心音、肺音差异对比不明显，分离出来的信号损害了心音、肺音信号的完整性以及真实性，故分离效果不理想。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明针对上述存在的问题，提供一种基于FPGA的心肺音分离多路听诊器，本发明采用多路采集的方式，将采集探头置于使用者的不同部位，对采集回来的多路混合声音信号进行分析比较，根据信号间的共同性和差异性，采用盲信号分离算法对信号进行处理，从而分离出心音信号以及肺音信号，并保存至存储设备中，随时通过无线传输方式将处理后的数据传至个人智能平台或者系统服务器中，进行进一步的处理，达到远程诊疗目的，缓解当前医疗资源紧缺问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明为一种基于无线传输的便携式电子听诊器，包括拾音头、电源模块、中央控制器、模拟信号处理模块、心音分辨器、FPGA模块、数据存储模块、无线传输模块、音频输出模块，所述拾音头、模拟信号处理模块、心音分辨器、FPGA模块、数据存储模块依次连接，所述数据存储模块分别连接无线传输模块及音频输出模块，所述中央控制器分别连接模拟信号处理模块、心音分辨器、FPGA模块、数据存储模块、无线传输模块、音频输出模块。拾音头实现声电转换，与模拟信号处理模块相连；模拟信号处理模块对拾音头传输来的信号进行滤波去噪及信号放大处理，与心音分辨器相连；心音分辨器对模拟信号处理模块传来的信号实现模数转换且进行相应音频编码，与FPGA模块相连；FPGA模块控制多路信号同时采集，且对采集回来的数据进行处理，分离出心音信号以及肺音信号，并将数据分别存至数据存储模块存储中；无线传输模块根据用户指令从数据存储模块读取数据并传输至个人智能设备中，用于后期处理和分析；音频输出模块根据用户指令从数据存储模块读取数据，对其进行音频解码处理并恢复成声音信号，进行放大处理后经音频输出口输出。

所述FPGA模块由于具有普通中央处理器所不具有的并行处理功能，能控制多路音频编码器对两个以上的拾音头的信号进行数据采集，并对采集到的数据进行同步处理，保证了不同路信号在采集及处理上的时间一致性，有效保证心肺音分离的正确性；

所述FPGA模块对采集回来的多路信号采用盲信号分离算法，提取多路信号的共同性，分离出差异性，利用差异增强的思想对信号进行处理，分离恢复出心音信号以及肺音信号，存储至数据存储模块。

进一步的，所述拾音头，用于将声音信号转化成电信号，传输至模拟信号处理模块。可为两个或多个，检测时分别放置于身体不同部位，分别获取心音信号较强以及肺音信号较强的混合信号。

进一步的，所述模拟信号处理模块包括滤波电路和放大电路，所述滤波电路为带通滤波电路，滤除噪声信号，将去噪后的信号传输至放大电路，所述放大电路为负反馈功率放大电路，根据滤波电路传来的信号幅度大小自动调整功率放大倍数，以得到较为理想的模拟信号。

进一步的，所述心音分辨器为通用音频编码器，所述通用音频编解码器，能对模拟信号处理模块传来的电信号进行采样、量化及音频编解码，从而将电信号转化成数字信号，传输至FPGA模块。

进一步的，所述数据存储模块包括SD卡及配套电路，其将FPGA模块传来的数据进行存储操作后，根据用户指令，将数据传输至无线传输模块或者音频输出模块。

进一步的，所述无线传输模块为蓝牙无线传输模块，其将数据存储模块传来的数据通过无线方式传输至个人智能设备中，再发送给医生，供医生远程诊疗及进行长期监测对比。

进一步的，所述音频输出模块，包括音频解码器及模拟信号放大电路，将数据存储模块传来的数字信号经过解码处理，恢复成声音信号，并进行放大处理后经音频输出口(符合通用3.5MM标准)输出。

进一步的，所述中央控制器作为本听诊器系统的微控制单元MCU，协调各个模块的功能且实现与用户端的交互功能。

进一步的，所述电源模块，包括充电电池、充放电电路及220V交流电源供电电路，系统开机后，中央控制器先检测220V交流电源供电电路是否处于供电状态，如果处于供电状态，则控制充电电池进行充电过程；反之，如果220V交流电源供电电路没有处于供电状态，则控制充电电池进行放电过程，从而实现两种供电方式自由切换的功能。

本发明的有益效果在于：本发明的一种基于FPGA的心肺音分离多路听诊器，通过结构的改进，引入FPGA模块，实现了以下效果：

采集多路信号，根据多路信号间的共同性以及差异性，采用盲信号分离算法，进行差异增强处理，相比于单路采集频域分离的方法，本发明分离出的心音信号、肺音信号完整性与真实性更佳。

采用FPGA同时控制多路心音分辨器对信号进行采集和处理，能保持多路信号在时间上的高度一致性，进一步提高心音信号、肺音信号分离算法的有效性。这是由于FPGA是并行处理架构，能同时执行多项任务，而普通CPU是顺序处理架构，同一时间只能执行一项任务，故采用FPGA控制多路心音分辨器，能实现真正意义上的同步采集及处理，而采用普通CPU控制时对多路信号的采集及处理有时间上的差异性。

充分发挥普通MCU与FPGA的优势，利用MCU控制外设的高效性来实现系统的整体控制，利用FPGA的可编程特性，将信号分离算法采用硬件加速方法实现，与传统方法相比，处理速度更快，占用MCU资源更少，性能更佳。

附图说明

图1为系统总体功能框图；

图2为模拟信号处理模块功能框图；

图3为音频输出模块功能框图；

图4为系统外形示意图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

如图1所示，本发明为一种基于无线传输的便携式电子听诊器，包括拾音头A、模拟信号处理模块B、心音分辨器C、FPGA模块D、数据存储模块E、无线传输部分F、音频输出模块G、中央控制器H、电源模块I；拾音头A，实现声电转换，与模拟信号处理模块B相连；模拟信号处理模块B，对拾音头A传输来的信号进行滤波去噪及信号放大处理，与心音分辨器C相连；心音分辨器C，对模拟信号处理模块B传来的信号实现模数转换且进行相应编码，与FPGA模块D相连；FPGA模块D，控制多路心音分辨器C同时采集转换混合信号，并对采集回来的多路混合信号进行心音、肺音分离，将数据分别存储至数据存储模块E中；数据存储模块E，存储FPGA模块D传来的数据，与无线传输模块F及音频输出模块G相连，根据用户指令将数据传输至无线传输模块F或者音频输出模块G中；无线传输模块F，将数据存储模块E传来的数字信号通过蓝牙方式传输至个人智能设备I中，用于后期处理和分析；音频输出模块G将数据存储模块E传来的数字信号解码并转化成声音信号，进行放大处理后经音频输出口输出；中央控制器H，协调整个系统的功能以及实现与用户的交互；电源模块I，对整个系统进行供电。

拾音头A将心音信号转换为电信号A1-1，并传至模拟信号处理模块B中。

模拟信号处理模块B的功能效果图如图2所示，拾音头A传来的信号A1-1先通过屏蔽导线传至高通滤波器B1，经过高通滤波器B1处理后的信号为B1-1，再将信号B1-1传至低通滤波器B2，经过低通滤波器B2处理后的信号为B2-1，从而实现滤波去噪功能。

信号B2-1传至增益可调功率放大器B3中，增益可调功率放大器B3可根据B2-1的强度自动调整放大增益，当B2-1信号过弱时增大放大增益，当B2-1信号较强时减小放大增益，使处理后的信号强度保持在合适范围，处理后的信号为B3-1，传至心音分辨器C中。

心音分辨器C对信号B3-1进行采样、量化、编码处理，实现模数转换功能，将处理后的数据传至数据存储模块E中。

FPGA模块D控制多路心音分辨器C同时采集不同部分的混合信号，经过盲信号分离算法分离出心音信号以及肺音信号，将数据存储至数据存储模块E中。

数据存储模块E为SD卡及其配套电路，能对FPGA模块D传来的数据进行存储操作。

系统外形示意图如图4所示，图中包括播放按键1、系统开关2、第二提示灯3、电源接口4、音频输出接口5、拾音头接口6、第一提示灯7、上传数据按键8。

无线传输部分F为蓝牙模块及其配套电路，当用户按下“上传数据按键”时，提示灯1闪烁，启动数据无线传输功能，蓝牙模块向外发射本机UUID，等待用户手机搜索设备成功，发出匹配信号，听诊器收到手机端匹配请求后，自动确认匹配，建立起听诊器与手机端的连接，开始发送数据存储模块E中的数据，数据传输成功后，提示灯1长亮，再次按下“上传数据按键”，提示灯1灭，无线传输模块进入休眠，从而实现低功耗无线传输。

如图3所示，音频输出模块G包括音频解码器G1、数模转换器G2、功率放大器G3及音频接口母头G4，当听诊器工作后，音频输出模块G先从数据存储模块E中读取数据至音频解码器G1中，经过解码后的数字信号进入数模转换器G2中转换成模拟信号，再经过功率放大器G3放大功率，输出至音频接口母头G4，用户连接耳机后，按下“播放按键”即可播放心率声音，再次按下“播放按键”时停止播放。

中央控制器H可以为普通单片机、DSP芯片或者FPGA芯片，用于控制整个系统工作以及实现与用户的交互，具体包括：

系统上电后，开始进行心率采集工作，中央控制器H控制增益可调功率放大器B3，使增益与输入信号功率成反比，得到大小合适的输入信号；

中央控制器H控制数据存储模块E存储来自FPGA模块D的数字信号；

当用户按下“上传数据按键”时，中央控制器H控制无线传输模块F将数据存储模块E中的数据读取出来并发送出去，当用户按下“播放按键”时，中央控制器H控制音频输出模块G读取数据存储模块E中的数据并转换成音频信号输出；

电源模块I包括充电电池充放电电路I1及220V交流电源供电电路I2，系统开机后，提示灯2亮，中央控制器D先检测I2是否处于供电状态，如果处于供电状态，则控制I1进行充电过程；反之，如果I2没有处于供电状态，则控制I1进行放电过程，从而实现两种供电方式自由切换的功能。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于FPGA的心肺音分离多路听诊器，包括拾音头，其特征在于，所述听诊器还包括电源模块、中央控制器、模拟信号处理模块、心音分辨器、FPGA模块、数据存储模块、无线传输模块、音频输出模块，所述拾音头、模拟信号处理模块、心音分辨器、FPGA模块、数据存储模块依次连接，所述数据存储模块分别连接无线传输模块及音频输出模块，所述中央控制器分别连接模拟信号处理模块、心音分辨器、FPGA模块、数据存储模块、无线传输模块、音频输出模块，所述拾音头数量为两个以上，所述心音分辨器为通用音频编码器，所述音频输出模块包括音频解码器，所述FPGA模块用于控制通用多路音频编码器对两个以上的拾音头的信号进行数据采集，对采集回来的多路信号采用盲信号分离算法，提取多路信号的共同性，分离出差异性，利用差异增强的思想对信号进行处理，分离恢复出心音信号以及肺音信号，存储至数据存储模块。

2.如权利要求1所述的基于FPGA的心肺音分离多路听诊器，其特征在于，所述模拟信号处理模块包括滤波电路及放大电路，所述滤波电路为带通滤波电路，所述放大电路为负反馈功率放大电路。

3.如权利要求1所述的基于FPGA的心肺音分离多路听诊器，其特征在于，所述数据存储模块包括SD卡及配套电路。

4.如权利要求1所述的基于FPGA的心肺音分离多路听诊器，其特征在于，所述无线传输模块为蓝牙无线传输模块。

5.如权利要求1所述的基于FPGA的心肺音分离多路听诊器，其特征在于，所述音频输出模块还包括模拟信号放大电路。

6.如权利要求1所述的基于FPGA的心肺音分离多路听诊器，其特征在于，所述电源模块包括充电电池、充放电电路及220V交流电源供电电路。

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