CN205163106U - 一种便携式胃肠音检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种便携式胃肠音检测装置，涉及医疗机械领域。根据胃肠音信号特征，并结合临床对胃肠音监测技术的需求，该胃肠音检测装置采用蓝牙模块实现无线数据传输,其电源管理模块包括：内置的锂离子电池和USB充电接口，方便易携带；信号采集装置为多通道系统，可同时采集多个胃肠监测部位声音的采集装置，实现了直观、有效地获取并监测胃肠音信号。

Description

一种便携式胃肠音检测装置

技术领域

本实用新型涉及医疗机械领域，特别是涉及一种便携式胃肠音检测装置。

背景技术

近年来,危重病人的胃肠道功能状态越来越受到关注，它既是病人病情的反应，也是病人预后和康复的指征。。胃肠鸣音是人体重要的生理信号之一,是胃肠运动状态的反映,也是检测胃肠道功能的一个重要指标。

现已公开专利CN203591274U一种胃肠音监测系统，包括：采集装置，用于采集多个胃肠监测部位的声音，并发送至转化装置中；转化装置，用于将采集装置采集的多个监测部位的声音分别转化为相应的数字信号；存储和显示装置，用于存储和实时显示获得的多个数字信号。但是该装置不方便携带，需要配备电源，因此，限制了胃肠音监测系统的使用范围。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种便携式胃肠音检测装置，能够解决现有技术中存在的不能直观、有效地获取胃肠音信号，以及无法对多部位进行同步胃肠音监测、方便携带的问题。

为了解决上述问题，本实用新型公开了一种便携式胃肠音检测装置，包括：信号采集模块，用于采集多个胃肠音检测位置的音频；信号处理分析模块，与所述信号采集模块相连接，将采集到的信号模数转换输出；信号存储及显示装置，将信号处理分析模块输出的胃肠音数据信号存储并显示于上位机的屏幕上；蓝牙模块，与所述信号处理分析模块相连，将信号传输到显示装置；所述蓝牙模块包括：封装于PCB板上的天线、滤波器、CSR1000蓝牙芯片、电源管理模块以及两个时钟，所述PCB板上设置有SPI接口、PIOs接口、UART接口以及电源接口；电源管理模块，与所述信号采集模块、所述信号处理分析模块；所述电源管理模块包括：内置的锂离子电池和USB充电接口。

其中，所述信号采集模块包括：若干听诊头和与所述听诊头数量对应的麦克风。

其中，所述听诊头的数量为用于检测胃部、回盲部、乙状结肠部、空肠部和回肠部的五个听诊头。

其中，所述信号采集模块还包括连接管；所述连接管的长度为12cm。

其中，所述信号处理分析模块包括滤波电路、放大电路、单片机；所述滤波电路的输入端与麦克风的输出端相连，输出端与所述放大电路的输入端相连；所述单片机，包括：A/D转换、CPU、存储器、输入/输出端口；所述单片机，输入端口与所述放大电路的输出端相连接。

其中，所述滤波电路为二阶有源低通电路。

其中，所述的放大电路为两级放大器，包括：前置放大器和主放大器。

与现有技术相比，本实用新型包括以下优点：

1.可同时采集多个胃肠监测部位声音的采集装置，实现了直观、有效地获取并监测胃肠音信号；

2.信号传输装置采用能耗小的蓝牙模块，其电源采用内置的锂离子电池和USB充电接口，方便易携带，在更换上位装置时，适用性高。

附图说明

图1是本实用新型的信号采集模块示意图；

图2是本实用新型的蓝牙模块示意图；

图3是本实用新型的单片机电路设计图；

图4是胃肠音自动识别与分析软件的总体技术路线；

图5是点滑动平均多项式；

图6是健康老年人第1通道的胃肠音预测结果；

图7是健康老年人第2通道的胃肠音预测结果；

图8是健康老年人第3通道的胃肠音预测结果；

图9是健康老年人第4通道的胃肠音预测结果；

图10是健康老年人第5通道的胃肠音预测结果；

图11是健康青壮年第1通道的胃肠音预测结果；

图12是健康青壮年第2通道的胃肠音预测结果；

图13是健康青壮年第3通道的胃肠音预测结果；

图14是健康青壮年第4通道的胃肠音预测结果；

图15是健康青壮年第5通道的胃肠音预测结果。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例作进一步详细的说明。

本实用新型实施例包括：信号采集模块、信号处理分析模块、信号存储及显示装置、蓝牙模块、电源管理模块。本实用新型实施例中提供的装置中的部件组合结构，连接关系简单，实用性强，便于维修。

其中，信号采集模块201包括：5个听诊头202、连接管203、与听诊头连接的麦克风204；其中，听诊头为型号为214L的3MLittmann听诊头，能够更好地减少数据采集时干扰音的进入，并且该类型的听诊头通过其内部的物理结构提高了胃肠音信号放大倍数；连接管的长度为12cm，用以减少听诊过程中连接管与周围物体产生摩擦导致的干扰音，以及通过将微型扩音器全封闭地置入连接管中，减少外界环境噪音对采集数据的干扰；麦克风，选用型号为AKU342的模拟型MEMS麦克风，具有低功效、高灵敏度的特点，其有效频率响应范围在50-1400Hz之间，符合胃肠音的音频范围，如图1所示。

优选地，本实用新型实施例所采用的蓝牙模块，包括：封装于PCB板(PrintedCircuitBoard，印刷电路板)上的天线、滤波器、CSR1000蓝牙芯片、电源管理模块以及两个时钟，两个时钟分别为32kHz和48MHz系统时钟，PCB板为本装置集成所采用的电路板，PCB板上还设置有SPI接口(SerialPeripheralInterface，串行外设接口)、PIOs接口(ProgrammingInputOutput，可编程输入输出接口)、UART接口(UniversalAsynchronousReceiverTransmitter，通用型异步接收及发送接口)以及电源接口，其中UART接口用来与其它串行设备传输数据和信号，这些接口用于采集信号传输等。如图2所示。该蓝牙模块是一款低功耗蓝牙，与传统的蓝牙无线技术相比，能在更短的时间就可以建立起连接，其传输速度快、能耗小。

本实用新型实施例的信号处理分析模块，包括：滤波电路、放大电路、单片机；滤波电路的主要功能是去除胃肠音有效频率范围以外的其他干扰信号，初步实现对采集的胃肠音信号滤波降噪，优选地，本实用新型实施例优采用二阶有源低通电路。放大电路，将麦克风转化成幅度较小的电信号放大到模拟/数字转换电路(Analog/digital,A/D)转化要求所需的幅度范围内。本实用新型实施例优选地采用包括前置放大器和主放大器两级放大的方法将电信号放大到要求的幅度。采用的放大器型号为A/D8551。为了不引起增益过大造成转化的信号失真，一级放大倍数为2倍，二级放大倍数为30倍，总共放大倍数为60倍。

经过听诊头采集得到的胃肠音声音信号经过模拟型麦克风转化为模拟电信号后，通过二阶有源低通电路进行初步滤波，再经放大电路将电信号放大到要求的幅度后，在单片机内实现电信号的数字化转换。最终，通过蓝牙模块，将处理数据传输至信号存储及显示装置。

进一步地，单片机采用美国德州仪器公司生产的MSP430型号的单片机，该单片机包括：A/D转换模块、CPU、存储器、输入/输出端口、时钟系统和USB控制器。该MSP430单片机，实现了对五个通道胃肠音信号的控制和数据处理，具有处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富等特点。

本实用新型实施例中的胃肠音检测装置，先通过现有的基于Labview开发的胃肠音数据分析的虚拟仪器，进行胃肠音信号测试、记录和检测；上述记录和检测过程属于本领域技术人员常用的技术，不再赘述。再采用基于MATLAB软件工具开发制作胃肠音自动识别与分析软件的操作平台进行信号处理和分析，其软件平台的功能分区如表1所示：

表1自动识别与分析软件操作平台功能分区

胃肠音自动识别与分析软件的总体技术路线，包括：信号分割、信号去噪、特征提取、分类器学习和识别结果，如图4所示。

由于原始信号含有较多的背景噪声等干扰信息，所以先对原始信号分割根据事先设置的窗口(window)进行长度扫描：

$x_m\left(i\right)=x(m\×L_w+i),0\≤i\≤L_w,0\≤m\≤\frac{length\left(x\right)}{L_w}-1---\left(1\right)$

其中，L_w是窗口长度，length(x)是原始信号长度，x_m(i)为第i个分割出的信号，分割出的胃肠音典型样本。

胃肠音常受到呼吸、摩擦、动脉搏动及环境背景声音的干扰，出现下面的波形如：上下包络(上包络：极大值点的连线，下包络：极小值点的连线)0基线不对称、平缓或大幅杂乱无规律的波形，为非胃肠音等。

由于分割出的信号仍然含有一定噪声，为了提高后续胃肠音识别效果，对分割出信号进一步去噪。采取Savitzky-Golay(S-G)平滑算法，S-G平滑算法主要用于信号去噪，利用在多项式局部窗口中拟合信号，达到滤波的效果。该算法在滤波的同时可以保持信号形状、宽度不变，具体实现方式如图5所示。

为了更好的识别胃肠音样本，需要对原始数据进行特征提取。其中，特征值提取包括：物理参数特征提取和统计参数特征提取。

物理参数特征提取包括：一维信号信息熵，是对信息的一个量化度量，信息熵反映了胃肠信号的不确定度；快速傅里叶变换，可以实现胃肠音信号时域和频域之间的相互转换，通常在时域不易观察到的特征可以将其变换到频域上，将原时域信号的研究转换为频域上对应信号；功率谱估计，将幅度随时间变化的胃肠音变换为功率随频率变化的谱图，可直观地观察到胃肠音信号的能量分布和变化情况。

统计参数特征提取包括：主成分分析和线性判别分析。其中，主成分分析，是一种代数特征提取方法，通过构造一组正交基来分解原始信号，该正交基反映了信号方差变化较大的几个方向。例如：采集胃肠音信号数据较长(特征较多)时,利用主成分分析可以降低空间的维数并去除冗余。

线性判别分析，是通过寻找一个投影方向，将高维问题降低到低维问题来解决，并且要求变换后的低维数据具有如下性质：同类样本尽可能聚集在一起，不同类的样本尽可能地远。

分类器学习：基于监督模式识别方法，通过人工听诊选取一定数量的胃肠音训练样本，通过上述特征提取后，建立分类器模型。

当胃肠音训练样本较为完备时，可以利用线性判别分析和贝叶斯分类器对待测胃肠音样本进行预测分析。在软件系统中，记录原始信号中被识别出的胃肠音区域，并用相应颜色标记。同时增加人工调节功能：对计算机识别错误的样本，手动将该样本添加到训练样本集，丰富训练样本库。

识别结果：为了便于临床使用，对识别出的胃肠音样本进行相关特征分析与统计，具体指标如下表2所示：

表2胃肠音监测指标

为了验证胃肠音自动识别的准确性和可靠性，对胃肠音样本库中的胃肠音样本和非胃肠音样本，随机挑选总数的75％，作为训练集。对训练集内的样本进行特征提取，利用支持向量机方法建立分类模型。将样本库中余下的25％的胃肠音和非胃肠音样本作为测试集，并对测试集也进行特征提取。根据训练集中建立的分类器模型对特征提取后的测试集样本做出是否是胃肠音的预测，并对预测结果与真实结果进行比对，从而验证自动识别的准确性。

根据上述软件分析处理流程，在健康老年人及健康青壮年试验数据中，分别选取各通道的两类样本：胃肠音样本，非胃肠音样本，见表3，4所示。

表3健康老年人胃肠音和非胃肠音数据统计

表4健康青壮年胃肠音和非胃肠音数据统计

试验中随机10次选取每类样本中75％作为训练集，通过S-G平滑、一维信号熵，快速傅里叶变换、功率谱估计、主成分分析等方法进行特征提取，同时利用线性判别分析及贝叶斯方法构建分类器模型，余下25％作为测试集。分类效果如图6～10和图11～15所示。

最终自动识别与分析的正确率，见表5：

表5健康老年人及健康青壮年不同通道胃肠音自动识别的正确率(％)

本实用新型实施例通过选用性能参数涵盖胃肠音特征值指标的元器件，结合蓝牙无线传输技术，研发便携式胃肠音信号采集装置；再联合运用频谱分析、功率谱估计、平滑滤波、主成分分析等几种信号处理方法以及监督模式识别方法，实现了数字化胃肠音的自动识别与分析。

以上对本实用新型实施例所提供的一种便捷式胃肠音检测装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型实施例的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型实施例的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型实施例的限制。

Claims (7)

1.一种便携式胃肠音检测装置，其特征在于，包括：连接各个模块的PCB板；

信号采集模块，用于采集多个胃肠音检测位置的音频；

信号处理分析模块，与所述信号采集模块相连接，将采集到的信号模数转换输出；

信号存储及显示模块，将信号处理分析模块输出的胃肠音数据信号存储并显示于上位机的屏幕上；

蓝牙模块，与所述信号处理分析模块相连，将信号传输到显示装置；

所述蓝牙模块包括：封装于PCB板上的天线、滤波器、CSR1000蓝牙芯片、电源管理模块以及两个时钟，所述PCB板上设置有SPI接口、PIOs接口、UART接口以及电源接口；

电源管理模块，与所述信号采集模块、所述信号处理分析模块连接；

所述电源管理模块包括：内置的锂离子电池和USB充电接口。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述信号采集模块包括：若干听诊头和与所述听诊头数量对应的麦克风。

3.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述听诊头的数量为用于检测胃部、回盲部、乙状结肠部、空肠部和回肠部的五个听诊头。

4.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述信号采集模块还包括连接管；

所述连接管的长度为12cm。

5.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述信号处理分析模块包括滤波电路、放大电路和单片机；

所述滤波电路的输入端与所述麦克风的输出端相连，所述滤波电路的输出端与所述放大电路的输入端相连；

所述单片机，包括：A/D转换、CPU、存储器和输入/输出端口；

所述单片机，输入端口与所述放大电路的输出端相连接。

6.根据权利要求5所述的检测装置，其特征在于，所述滤波电路为二阶有源低通电路。

7.根据权利要求6所述的检测装置，其特征在于，所述的放大电路为两级放大器，包括：前置放大器和主放大器。