基于DSP的数字听诊器的设计与实现

作者 张石 李昂 袁粤林 于秀 东北大学 计算机科学与工程学院(辽宁 沈阳 110819)

　　张石(1963-)，男，博士，教授，研究方向：生物医学电子学、医学影像处理。

摘要：设计了一种数字化的基于DSP的听诊器，该听诊器采用TI公司低功耗DSP处理芯片TMS320C5515作为核心处理芯片，系统集电源部分、外部存储部分、显示部分、前端音频采集处理部分、蓝牙传输部分于一身。与传统听诊器相比，本设计能够对心肺音信号进行了实时FIR滤波处理、心率计算，且通过蓝牙将声音信号传给用户，有更高的医学诊断价值。

0 引言

　　听诊器作为医生常用的医疗工具，是诊断心血管系统疾病、呼吸系统疾病的重要手段之一。但在车祸等事故现场的特殊环境、临床诊断以及医学教学中迫切需要一种体积小、成本低、具有良好抗干扰能力，并能实现多人同时听诊的数字听诊器。因此，在目前的医疗环境下，数字听诊器具有很大的市场、经济以及应用价值。

　　文献[1]提出了一种利用DSP芯片设计数字听诊器的参考设计方案，文献[2]提出了利用希尔伯特黄变换对声音信号进行包络提取，并利用BP神经网络进行模式识别的办法。文献[3-7]提出了各种基于不同平台的数字听诊器，为本文的实现奠定了基础。

1 系统整体方案

　　整个系统的方案框图如图1所示，当模拟前端(AFE)采集到声音信号后，该声音信号经过模拟的放大、滤波、AD转换后通过I2S总线传给DSP芯片。

　　DSP芯片在高速外部存储的协助下处理大量的声音数据，并最终将所需信息显示在LCD上。

　　在这个过程中DSP芯片主要进行的工作有数字滤波、心率检测及波形显示等，DSP芯片的应用使得廉价、高性能的数字听诊器的实现成为可能。

2 硬件方案

　　本方案模拟前端采用低漂移、高共模抑制比的OPA335对麦克风输出的毫伏范围内的信号进行适当的放大、滤波，并包含可变增益部分以提高信噪比。

　　DSP芯片采用TI公司低功耗处理芯片TMS320C5515，内部含有4个DMA通道和4个I2S总线，且对于FFT有硬件加速，功耗低、处理能力强，非常适合用在此处。

　　选用TI公司可编程控制输入输出的TLV320AIC3254作为编解码芯片。CPU通过I2S总线与音频编解码器交换数据信号，通过I2C总线发送控制信号对编解码器进行配置。

　　本系统所采用的SDRAM容量为256 Mb，型号为MT48LC16M16A2，利用DSP芯片内部DMA的ping-pong机制配合外部高速RAM能够实现在下一帧数据到来之前完成数据的处理，从而保证系统的实时性。考虑到程序存储问题，本系统选择外扩FLASH，型号为PC28F128P30B85。

　　声音最后通过蓝牙模块传输至蓝牙耳机，实现无线听诊。蓝牙模块采用SHION-M60蓝牙模块，该模块内部集成CSR8670蓝牙芯片，是业界保真度最高的芯片之一，该模块可直接将解码之后的模拟声音信号传输给蓝牙耳机。

　　本系统采用外部5 V DC输入，电源芯片采用TPS70302，该芯片可将5 V左右输入转化为3.3 V和1.8 V，供给DSP及外设，此外，DSP芯片的LDOI引脚供3.3 V电压，从而使DSP芯片自身输出1.3 V给内核供电。整体框图如图2所示。

3 软件方案

　　程序整体的思路：首先通过DSP对前端编解码芯片TLV320AIC3254配置来启动采集，然后DSP对采集的信号进行相应的处理，再通过I2S传输给编解码器，通过蓝牙耳机将心音实时播放出来，从而实现无线听诊以及多人同时听诊。在数据传输方面采用DMA，使DSP芯片主要工作集中在数字信号的处理上。并且用户可通过按键进行听诊模式选择，包括心音、肺音等(通过改变FIR滤波器参数)，音量调节，是否保存等操作。软件系统的架构如图3所示。

　　为了实现心音实时的显示，需要对输入缓存与输出缓存进行一些处理，在输入端采用Ping-Pong Buffer模式，将数据的采集以及处理分开来，避免数据处理期间声音信号的丢失。在输出端将输出缓存分为四个小的缓存，将数据进出缓存区相互错开，解决了数据之间的冲突问题。图4为程序整体的流程图。

4 DSP滤波

　　前文已经提到DSP芯片的主要工作是进行数字滤波以及心率计算。由于传统的听诊头有膜型听诊头和钟型听诊头两种，钟型听诊头对于低频的声音较敏感，而膜型听诊头会滤除一部分低频的声音对高频的声音较敏感，在此我们通过数字滤波来实现。为了实现更高的运行效率，我们调用TMS320C5515 DSP库中的FIR函数，这样我们只需要计算出满足我们要求的FIR滤波器系数和阶数传递给FIR函数即可。

　　钟模式的频率范围20~220 Hz，膜模式的范围为50~600 Hz。使用MATLAB中FDATOOL来进行滤波器的设计，然后对滤波器的系数量化后导出即可。在设计过程中，首先需要保证在通带内为线性相位防止相位失真，然后阶数要适合在DSP的计算速度允许的情况下保证足够的阻带衰减。所以这里使用窗函数设计方法，窗函数为哈明窗，阶数为161阶。当频率范围为20~220 Hz时，缩放x轴后滤波器幅频与相频响应如图5所示。

　　当频率范围为50~600 Hz时，缩放x轴后滤波器幅频与相频响应如图6所示。

　　图7是一段采样心音信号等间隔抽取后得到的图形，可以看出这段信用被干扰是比较严重的，尤其是第二心音，根据频谱可以发现高频的噪声成分是比较多的。对以上信号使用所设计的FIR滤波器进行滤波得到图9。

　　滤波后信号从频域图中可以看出高频信号得到了很好的抑制，基本能够满足设计需求。

5 心率算法

　　对于心率的计算，本方案采用的是自适应心率求取。传统的心率求取方法主要有两种，一种是频域的方法，即求出频域尖峰间隔Δf，Δf说明了信号的周期性，以此来求取心率，但是通过对采集的信号进行频域分析时发现，噪声干扰对心率的求取影响很大，计算的心率波动大、准确率低。在此采用第二种时域的方法，在已知的时间间隔Δt内计算心音信号的峰值数量n，则心率为，实现简单且不失准确性。由于不同的情况下人的心跳信号的强度会不一样，所以要想求取准确的心率对于峰值阀值TH的选取很重要。由于心音强度的变化，固定的阀值在强度过高或过低时不能满足准确性的要求，所以这里选择自适应阀值。在每次求取心率之前，对采集的一段信号先进行分析，求出信号的峰值 MAX(i)，然后将这个峰值的0.7倍作为心率计算的阀值即TH(i)=0.7MAX(i)，每次在新阀值的基础上进行计算，当采样值从x[n]TH(i)时，峰值数n 加1，最后心率h=n/Δt。这样的自适应阀值适应了心音强度的变化，保证了心率的准确性。当然这需要稳定低噪的模拟电路作为前提。

6 结论

　　本文从硬件设计部分、软件编写部分以及整体实现对数字听诊系统进行了具体的阐述。本系统是一套完整的基于DSP的数字听诊器，集心音的采集、处理以及蓝牙传输与一体，实现了心音的现代听诊。心音信息更加完整的再现、心音实时的回放以及通过蓝牙传输是本系统的特点。有了蓝牙听诊，本系统可以使用在医学的教学当中，医师与学生同时听诊，实时指导，让教学更加高效与方便。

　　当然本系统还有需要提升的地方。未来数字听诊器一定会取代传统听诊器，我们需要它发挥更加重要的作用，这就需要更加小的体积和非常强的抗干扰能力，且功耗和成本也需要合理控制。此外，随着时代的发展，人工智能也将是大势所趋，故本系统也需要进一步完善，下一步打算根据希尔伯特黄变换取出的包络进行BP神经网络模式识别，从而实现适应于时代发展的智能听诊。

　　参考文献：

　　[1]TMS320C5515:心电图(ECG)MDK开发方案[J].世界电子元器件,2011,(02):11-14.

　　[2]胡泊.智能电子听诊器设计与实现[D].天津大学,2010.

　　[3]张家康.Android手机电子听诊器系统的研究[D].沈阳工业大学,2016.

　　[4]陈晴.基于MSP430的电子听诊器

　　的设计[J].现代经济信息,2015(15):369+371.

　　[5]骆懿,吴颖.便携式蓝牙电子听诊器的研究[J].杭州电子科技大学学报,2010,30(04):142-145.

　　[6]张虎军.便携式超低功耗心电听诊仪的研制[D].第一军医大学,2004.

　　[7]樊容.基于嵌入式平台的智能电子听诊器的研制[D].天津大学,2014.

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第7期第41页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。