CN113624331B - 一种电子听诊器声频性能测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电子听诊器声频性能测试系统，包括硬件系统和上位机软件系统；硬件系统包括依顺次闭环连接的PC机、测试声源、测试耳机、仿真耳、信号调理器和信号采集卡；当进行测试时，测试声源和测试耳机之间接入电子听诊器；上位机软件系统安装于PC机上，用于测试电子听诊器的频率响应、灵敏度、信噪比。本发明还提供了一种电子听诊器的频率响应测试方法，采用循环滤波输出法测试电子听诊器用的音频，测试电子听诊器的幅频特性。本发明可以实现对电子听诊器的声频性能进行快速、便捷测试。

Description

一种电子听诊器声频性能测试系统

技术领域

本发明涉及听诊器技术领域，具体涉及一种电子听诊器声频性能测试系统。

背景技术

作为医疗领域最常用的器械之一，听诊器主要用于监听心肺音的正异常，从而帮助医护人员对病人的心肺系统健康状况进行最初步的诊断、筛查和评估。

传统听诊器主要分为钟型和膜型，用于放大心肺音的高低频段信号。由于基于心肺音的听诊在很大程度上基于医护人员的主观经验判断，易受到医护人员主观性的影响，尤其是目前肺音的术语混乱，缺乏统一的参考标准，并且听诊的音频段不能存储用于后续的分析，因此近些年来，电子听诊器被发明出来，用于解决传统听诊器存在的这些问题。电子听诊器能对所听诊的心肺音进行存储，方便后续结合数据处理技术和人工智能技术，对心肺音数据进行更客观的分析和应用，并已逐渐应用于家庭和医院的心肺音诊断中。

在使用电子听诊器对患者的心肺音进行监听时，需要确保电子听诊器的传声特性符合使用要求，比如，通过定期测试的方式对电子听诊器进行校准或鉴定，避免出现因电子元器件老化等原因造成电子听诊器的声频性能下降，从而影响对心肺音的听诊效果。但是，目前市面上缺少对电子听诊器的声频性能进行快速便捷测试的系统。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出一种电子听诊器声频性能测试系统，可以实现对电子听诊器的声频性能进行快速、便捷测试。

本发明采用的技术方案如下：

第一方面，提供了一种电子听诊器声频性能测试系统，包括硬件系统和上位机软件系统；

硬件系统包括依顺次闭环连接的PC机、测试声源、测试耳机、仿真耳、信号调理器和信号采集卡；当进行测试时，测试声源和测试耳机之间接入电子听诊器；

上位机软件系统安装于PC机上，用于测试电子听诊器的频率响应、灵敏度、信噪比。

进一步的，测试声源为音箱，用于播放测试信号。8

进一步的，测试耳机包括听头，听头为入耳式听头，用于与仿真耳耦合腔进行耦合。

进一步的，仿真耳包括声压型传声器和前置放大器；

声压传感器用于耦合声压级校准器和测试耳机，还用于将声音能量产生的压力信号转换为电压信号，并将电压信号传至前置放大器；

前置放大器用于阻抗变换和前置放大。

进一步的，信号调理器为带有压电集成电路的信号调理器，用于调理仿真耳传来的电压信号，并将调理后的电压信号传至信号采集卡。

进一步的，信号采集卡为USB信号采集卡，用于采集动态模拟电压信号，抑制信号调理器所接收电压信号的带外噪声，并将电压信号转换为上位机软件可以接收的信号类型。

进一步的，还包括声压级校准器，声压级校准器用于对仿真耳进行声压级校准，声压级校准器用于在仿真耳的耦合腔内产生声压级为114dB或94dB，频率1000Hz的声压信号。

第二方面，提供了一种电子听诊器的频率响应测试方法，使用第一方面提供的电子听诊器声频性能测试系统对电子听诊器的频率响应进行测试，包括：上位机软件输出的测试信号通过测试声源播放，并输入到被测电子听诊器，再依次通过测试耳机、仿真耳、信号调理器、信号采集卡，最后传至上位机软件进行频率响应计算。

进一步的，频率响应为幅频特性，频率响应测试方法包括：

配置输出环境；

根据设置的循环步数生成扫频频率；

提取音频幅值；

将频率和幅值存入数组中；

判定循环步数是否到达指定值；如达到了指定值，结束扫频；如未达到指定值，继续循环扫频。

进一步的，采用循环滤波输出法测试电子听诊器用的音频，上位机软件在每播出一段音频时进行一次检测；上位机软件在提取音频的幅值后，先经过滤波再放入数组。

进一步的，测试信号为正弦扫频测试信号，正弦扫频测试信号的生成方法为对数采集法，从标准频率开始，按照二倍频程的关系向上和向下取点。

进一步的，正弦扫频测试信号的函数生成公式为下式：

在上式中，f_i为当前扫频频率，f₁为起始频率，f₂为最终频率，i为当前循环次数，N为总循环步数。

进一步的，测试声源播放测试信号时，输入信号频率，信号幅值，将输出的动态类型数据接入至声音播放工具中；声音播放工具配置声音输出工具来进行任务配置，通过设备ID，采样模式，采样数，与声音格式来生成声音播放任务ID。

由上述技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：

测试系统根据被测电子听诊器对上位机程序所发出的测试信号的响应，能够自动便捷地计算频率响应，完成对电子听诊器的声频性能测试。测试过程可以反复多次进行，测试的可重复性好。测试结果可视化，直接通过上位机显示到屏幕上，方便数据的存储与管理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明实施例电子听诊器声频性能测试系统框图；

图2为本发明实施例的频率响应测试框图；

图3为本发明实施例的频率响应测试流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例

本实施例提供了一种电子听诊器声频性能测试系统，具体如下：

人体心音的频段在20-600Hz，肺音频段在50-2000Hz，异常肺音频段有时能达到4000Hz，因此人体心肺音信号总体集中在低频段。对于电子听诊器来说，频率响应范围要能够覆盖人体心肺音的频段；人体心肺音传至体表时的信号非常微弱，因此要求被测电子听诊器有较高的灵敏度。灵敏度越高，频率响应效果越好，对该频段内的心肺音信号响应效果也就越好；然而，宽频响范围和高灵敏度虽然可以更好地接收人体心肺音信号，但也采集到了包括系统噪声在内的杂音，这主要由硬件内部的电磁干扰、线缆噪声、电阻和运放噪声、电流噪声和数模转换器量化噪声等构成，因此电子听诊器的信噪比也是评价其工作性能的关键指标之一。

本实施例提供的测试系统，采用硬件系统加上位机软件系统结合的方式，实现对电子听诊器的频率响应、灵敏度以及信噪比这三项主要声频性能指标的测试。在具体的实施方式中，如图1所示，硬件系统包括PC机、测试声源、测试耳机、仿真耳、信号调理器和信号采集卡组成。上位机软件系统作为输入端时，播放模拟信号，并输入到测试声源音箱，驱动音箱发出测试信号；作为输出端时，负责接收并处理来自硬件系统的信号采集卡采集到的电压信号，测算出被测电子听诊器的频响范围、灵敏度和信噪比，并实时显示在PC机屏幕上。以下对测试系统进行详细描述：

PC机即个人计算机，配有声卡，安装有由LabVIEW图形化程序语言编写的上位机软件。

测试声源可选用音箱，音箱连接PC机，并通过扬声器播放测试信号，信号声压幅值可通过音量调节旋钮调整。

测试耳机听头为入耳式，可与仿真耳耦合腔进行稳定耦合；频率响应范围包括了测试信号的范围，可以不失真地将经被测电子听诊器输出的测试信号输入仿真耳的耦合腔内。

仿真耳可选用IEC-711仿真耳，包括声压型传声器和前置放大器两部分，其中的声压传感器有耦合腔结构用于耦合声压级校准器和测试耳机，声压传感器内部的声电传感电路能将声音能量产生的压力信号转换为电压信号，并将电压信号传至前置放大器；前置放大器输入电阻高、输入电容小、输出阻抗低，用来与声压型传声器配合，进行阻抗变换和前置放大。

信号调理器可选用IEPE信号调理器，即带有压电集成电路的信号调理器。IEPE集成了灵敏的电子器件使其尽量靠近传感器以保证更好的抗噪声性。IEPE信号调理器用于调理IEC-711仿真耳传来的电压信号，即为IEC-711仿真耳提供激励电源，对来自IEC-711仿真耳的输出电压信号进行放大、滤波等调理，并将调理后的电压信号传至信号采集卡。

信号采集卡的接口形式可选用USB接口，USB接口可适用于各种应用环境。USB信号采集卡可以采集动态模拟电压信号，抑制IEPE信号调理器所接收电压信号的带外噪声，并将电压信号转换为上位机软件可以接收的信号类型。

以下对实施例1的测试系统其工作原理进行详细说明：

1、测试前准备

在测试之前，首先需要用声压级校准器对测试系统的IEC-711仿真耳进行声压级校准。在具体的实施方式中，根据测试要求，声压级校准器有开机键、94/114dB切换功能键和声压指示灯，能在仿真耳的耦合腔内产生声压级为114dB或94dB，频率1000Hz的声压信号。

在对仿真耳进行声压级校准时，打开声压级校准器开机按钮，声压指示灯开始闪动红光，表示声压级校准器正在发声的准备过程中，此时将声压级校准器套在IEC-711仿真耳的声压传感器上并保持稳定。等声压级校准器的声压指示灯不再闪动时，表示声压级校准器内的声压级已稳定到94.0dB，校准完成，将声压级校准器从IEC-711仿真耳的声压传感器上取下。

测试准备时，按图1所示将设备连接起来，并依次打开IEPE信号调理器和PC机的上位机软件，完成系统测试的准备工作。

2、频率响应测试方法

在频率响应测试领域，市面上常用的测试方法有两种：音频比较法、白噪声测试法。音频比较法是采用系统生成一段扫频函数，使用声卡或者其他激振设备来进行驱动，录制响应音频，在录制音频之后，还需要通过查找频率头时间点，确定频率介入时间，并根据响应声音谱的幅值与激励声音谱的幅值做幅值运算。第二种是使用白噪声进行测试。由于白噪声在所有频率段具有相同的能量，因此，使用白噪声作为激励函数，将响应函数做傅里叶变换，获取响应函数的幅值与频率谱，即为其频率响应。

本测试系统的上位机软件使用循环滤波输出法，相对于这两种算法来说都有优势。首先，上位机软件在每播出一段音频时进行一次检测，这样的检测方式相对于第一种测试方法来说，对频率的测试更加准确，不会出现频率混叠的情况；其次，上位机软件在计算幅值放入数组之前，还经过了滤波，防止测试现场有噪声干扰导致不同的频率混入。相比于白噪声测试来说，由于白噪声在理论上每一个频率成分具有相同的能量，但是在现实中，这样的信号是不存在的，本测试系统模拟产生的并不是白噪声信号，只是无限接近白噪声的信号，因此这也会导致测试产生误差。并且，由于白噪声信号是实时波动的，对其求傅里叶变换后只能通过每个频率的幅值均值来获得频率响应曲线。因此，本程序中的频率响应测试方法对比于上述两种测试方法来说，都具有一定优势。

本系统使用的模拟信号发生器基于LabVIEW平台编写。该模拟信号发生器可产生标准的正弦波信号，且具有调节功能，可以使输出的信号频率发生变化，同时保持该信号的幅值不变，即能产生幅值不变的正弦扫频测试信号。

频率响应测试框图如图2所示，具体如下：上位机软件输出的测试信号通过测试声源音箱播放，并输入到被测电子听诊器的传感器端，再依次通过测试耳机、IEC-711仿真耳、IEPE信号调理器、USB信号采集卡，将经过被测电子听诊器后的信号传至上位机软件端进行频率响应计算。测试时，上位机软件的工作流程如图3所示，包括：配置输出环境；根据设置的循环步数生成扫频频率；提取音频幅值；将频率和幅值存入数组中；判定循环步数是否到达指定值；如达到了指定值，结束扫频；如未达到指定值，继续循环扫频。

频率响应上位机软件分为扫频曲线生成模块与频率响应计算模块，在测试频率响应的过程中，采用循环程序结构的算法进行处理，即每播放一个频率的测试信号，就对音频进行一次傅里叶变换，提取出该频率的音频幅值以排除外界干扰造成的其他频率混杂而使频率响应产生测试误差。然后，程序将该次循环中的频率与幅值成分存入数组中，当所有频率都循环结束后，将数组中的频率作为X轴，幅值作为Y轴，进行频响曲线图的绘制。

在具体的实施方式中，扫频曲线生成模块采用等步长频率生成方式进行扫频，避免使用对数频率生成方式时因频率增加、采样间隔增大，导致测试精确度下降的问题。其中，步长、步数、开始与结束频率都可以进行更改。正弦扫频测试信号的频率生成方法为对数采集法，即从标准频率开始，按照二倍频程的关系向上和向下取点。正弦扫频测试信号的函数生成公式为下式(1)：

在上式(1)中，f_i为当前扫频频率，f₁为起始频率，f₂为最终频率，i为当前循环次数，N为总循环步数。

在生成当前扫频频率后，程序首先生成该频率的正弦信号进行播放，因此在该过程中，上位机程序使用L_abVIEW中的信号生成工具配置声音输出工具和声音播放工具，具体的，输入信号频率，信号幅值，将输出的动态类型数据接入至声音播放工具中。声音播放工具配置声音输出工具来进行任务配置，通过设备ID，采样模式，采样数，与声音格式来生成声音播放任务ID。

当进行频率响应计算，需要获取某一频率所对应的幅值成分。在上位机程序获取到来自USB信号采集卡输出的电压信号之后，先将其数据结构转换为波形数据，再进行幅值测量操作。具体为，使用LabVIEW编写的DAQ通道读取工具选定波形数据类型，将电压数据转换为波形数据。之后，将波形数据进行傅里叶变换，使用L_abVIEW编写频谱测量工具提取出该段波形中包含的频率幅值信息。

通过上述技术方案，测试系统根据被测电子听诊器对上位机程序所发出的测试信号的响应，能够自动便捷地计算频率响应，完成对电子听诊器的声频性能测试。测试过程可以反复多次进行，测试的可重复性好。测试结果可视化，直接通过上位机显示到屏幕上，方便数据的存储与管理。

本实施例提供的测试系统，还可以用于电子听诊器的灵敏度、信噪比测试。

在测试灵敏度时，是通过对电子听诊器的声压级特征来测试其灵敏度；具体的，跟频率响应的测试类似，上位机指定程序端发出正弦测试信号，再接收传回来的待测信号并对其进行处理与声压级的测算。

在测试信噪比时，是通过对能量的测试计算信噪比的。具体的，在信噪比的测试流程中，测试信号的总能量时，由上位机程序端发出正弦激励信号，在整个测试系统进行一个循环后，计算出信号总能量；接着停止正弦激励信号的发送，即让空置激励信号在测试系统中进行一个循环后，计算出系统内的噪声总能量；根据信号总能量和噪声总能量计算出信噪比。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (11)

1.一种电子听诊器声频性能测试系统，其特征在于，包括硬件系统和上位机软件系统；

所述硬件系统包括依顺次闭环连接的PC机、测试声源、测试耳机、仿真耳、信号调理器和信号采集卡；当进行测试时，所述测试声源和测试耳机之间接入电子听诊器；所述硬件系统还包括声压级校准器，所述声压级校准器用于对仿真耳进行声压级校准；

所述上位机软件系统安装于所述PC机上，用于测试电子听诊器的频率响应、灵敏度、信噪比。

2.根据权利要求1所述的电子听诊器声频性能测试系统，其特征在于，所述测试声源为音箱，用于播放测试信号。

3.根据权利要求1所述的电子听诊器声频性能测试系统，其特征在于，所述测试耳机包括听头，所述听头为入耳式听头，用于与仿真耳耦合腔进行耦合。

4.根据权利要求1所述的电子听诊器声频性能测试系统，其特征在于，所述仿真耳包括声压型传声器和前置放大器；

所述声压传感器用于耦合所述声压级校准器和测试耳机，还用于将声音能量产生的压力信号转换为电压信号，并将电压信号传至前置放大器；

所述前置放大器用于阻抗变换和前置放大。

5.根据权利要求1所述的电子听诊器声频性能测试系统，其特征在于，所述信号调理器为带有压电集成电路的信号调理器，用于调理所述仿真耳传来的电压信号，并将调理后的电压信号传至所述信号采集卡。

6.根据权利要求1所述的电子听诊器声频性能测试系统，其特征在于，所述信号采集卡为USB信号采集卡，用于采集动态模拟电压信号，抑制所述信号调理器所接收电压信号的带外噪声，并将电压信号转换为上位机软件可以接收的信号类型。

7.一种电子听诊器的频率响应测试方法，其特征在于，使用权利要求1-6中任一所述的电子听诊器声频性能测试系统对电子听诊器的频率响应进行测试，包括：

上位机软件输出的测试信号通过测试声源播放，并输入到被测电子听诊器，再依次通过测试耳机、仿真耳、信号调理器、信号采集卡，最后传至上位机软件进行频率响应计算；

在测试时采用循环滤波输出法测试电子听诊器用的音频，上位机软件在每播出一段音频时进行一次检测；上位机软件在提取音频的幅值后，先经过滤波再放入数组。

8.根据权利要求7所述的电子听诊器的频率响应测试方法，其特征在于，所述频率响应为幅频特性；所述频率响应测试方法包括：

配置输出环境；

根据设置的循环步数生成扫频频率；

提取音频幅值；

将频率和幅值存入数组中；

判定循环步数是否到达指定值；如达到了指定值，结束扫频；如未达到指定值，继续循环扫频。

9.根据权利要求7所述的电子听诊器的频率响应测试方法，其特征在于，所述测试信号为正弦扫频测试信号，所述正弦扫频测试信号的生成方法为对数采集法，从标准频率开始，按照二倍频程的关系向上和向下取点。

10.根据权利要求9所述的电子听诊器的频率响应测试方法，其特征在于，所述正弦扫频测试信号的函数生成公式为下式：

在上式中，f_i为当前扫频频率，f₁为起始频率，f₂为最终频率，i为当前循环次数，N为总循环步数。

11.根据权利要求8所述的电子听诊器的频率响应测试方法，其特征在于，测试声源播放测试信号时，输入信号频率、 信号幅值，将输出的动态类型数据接入至声音播放工具中；声音播放工具配置声音输出工具来进行任务配置，通过设备ID、 采样模式、 采样数与声音格式来生成声音播放任务ID。

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