專利名稱：基于聽診音頻譜分析的多功能數(shù)字式聽診器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于聽診音頻譜分析的多功能數(shù)字式聽診器電路，屬于數(shù)字醫(yī) 療器械和設(shè)備系統(tǒng)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自1816年法國醫(yī)師林奈克發(fā)明聽診器以來，在過去近200年中，它一直是現(xiàn)代 醫(yī)學(xué)診治的一個重要檢測設(shè)備。掛著聽診器的醫(yī)生形象出現(xiàn)在手冊、廣告、畫報等各種 媒體資料上，已成為最深入人心的代表醫(yī)學(xué)、醫(yī)療、醫(yī)生的文化符號。學(xué)習(xí)使用聽診 器，并利用其輔助判診氣管炎、肺炎、胸腔積液等疾病，曾是學(xué)醫(yī)者的一項重要必修技 術(shù)。然而，隨著醫(yī)療科技手段的進(jìn)步，現(xiàn)在的醫(yī)生卻越來越不重視這種傳統(tǒng)的醫(yī)療器 械。醫(yī)生即使行使聽診，也往往只是簡單地、甚至象征性地在病人身體前面聽一下，后 面聽一下，就草草結(jié)束了，使得聽診器更像是掛在醫(yī)生脖子上的一個裝飾品。造成這種現(xiàn)象的原因是多方面的。一方面，通過傳統(tǒng)聽診器進(jìn)行常規(guī)檢測可能 會有一定的診斷誤差。隨著醫(yī)療官司和糾紛的日益增加，醫(yī)生更傾向于讓患者花較多的 費(fèi)用去進(jìn)行各種電子、化學(xué)檢測，用當(dāng)代先進(jìn)醫(yī)療設(shè)備來消滅誤診。另一方面，很多患 者在心理上也逐漸依賴CT、B超、心電圖、抽血化驗、X光透視等相對復(fù)雜的檢測手 段，生怕少檢查一樣會導(dǎo)致診斷發(fā)生偏差。然而實際上，醫(yī)學(xué)界人士也認(rèn)為，除了某些 重病或疑難雜癥，大部分疾病并沒有必要動用昂貴而費(fèi)時的CT和核磁共振等大型設(shè)備。對傳統(tǒng)聽診器的不重視，另一個很重要的原因是它不能生成詳細(xì)科學(xué)的數(shù)據(jù)報 告，醫(yī)生憑經(jīng)驗聽得不確定，患者看不到具體的數(shù)據(jù)報告，醫(yī)患雙方漸漸地都對這種 看上去很簡單的聽診抱以懷疑的態(tài)度，最后索性還是求助CT、核磁共振等手段，醫(yī)生本專利設(shè)計的是一種基于聽診音頻譜分析的多功能數(shù)字式聽診器，著重從聽診 音頻率的角度出發(fā)，精確定量分析聽診音頻譜，從而給出科學(xué)的聽診預(yù)判。以喘鳴音為 例喘鳴音為持續(xù)時間大于250 ms的連續(xù)性聲音。在發(fā)作期哮喘中，由于支氣管可逆性 痙攣導(dǎo)致喘鳴音的產(chǎn)生。研究結(jié)果表明，發(fā)作期哮喘的呼吸音頻率增高，強(qiáng)度也增大， 但緩解期與正常對照無差別，這與其病理生理特點(diǎn)相符。其他的器官同樣存在類似的現(xiàn) 象。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服傳統(tǒng)聽診器無法適應(yīng)現(xiàn)代醫(yī)療的現(xiàn)狀，提供一種基于聽診 音頻譜分析的多功能數(shù)字式聽診器電路，通過生成并分析聽診音的頻譜，利用液晶顯示 器等數(shù)據(jù)輸出終端顯示詳細(xì)的頻譜分析結(jié)果，以達(dá)到輔助聽診的功能。采用這種電路的 聽診器不僅可為醫(yī)生診斷提供了便利，方便聽診技術(shù)的教學(xué)培訓(xùn)，而且可顯著提高聽診 的正確率。
按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述基于聽診音頻譜分析的多功能數(shù)字式聽診器 電路包括音頻信號采樣端，通過基于MEMS技術(shù)的硅麥克風(fēng)傳感器采集人體器官音頻 信號；模擬信號處理模塊，連接至所述音頻信號采樣端，并通過運(yùn)算放大、低通濾波、 模數(shù)轉(zhuǎn)換生成數(shù)字信號；數(shù)字信號處理單元，使用流水線的方式處理經(jīng)模擬信號處理模 塊轉(zhuǎn)換過來的數(shù)字信號，根據(jù)聽診部位配置濾波系數(shù)，進(jìn)行音頻頻譜分析，生成聽診音 的特征頻譜，并通過數(shù)據(jù)接收終端輸出詳細(xì)頻譜分析結(jié)果；所述數(shù)字信號處理單元為專 用集成電路。所述硅麥克風(fēng)傳感器內(nèi)置于聽診頭中，硅麥克風(fēng)傳感器下方與聽診頭之間墊有 一個塑料片，硅麥克風(fēng)傳感器的電源及數(shù)據(jù)線通過聽診器的皮管引出。所述模擬信號處理模塊包括硅麥克風(fēng)傳感器的信號輸出端通過第一電容和第 一電阻連接運(yùn)算放大器的“ + ”輸入端；運(yùn)算放大器的“一”輸入端接參考電壓；運(yùn)算 放大器的“ + ”輸入端和運(yùn)算放大器輸出端之間接第四電阻；運(yùn)算放大器的輸出端連接 第二電阻的一端，第二電阻另一端通過第二電容接地，并連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端，將 采集的模擬信號傳入模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，生成對應(yīng)的8位數(shù)字信號，通過數(shù)據(jù)總線將該8位數(shù) 字信號傳給所述專用集成電路。所述專用集成電路包括數(shù)字濾波處理單元、FFT核心運(yùn)算單元、系統(tǒng)主狀態(tài)控 制單元、頻譜篩選核心運(yùn)算單元、數(shù)據(jù)發(fā)送單元；數(shù)字濾波處理單元的輸入端同模擬數(shù) 字轉(zhuǎn)換器相連接，輸出連接至FFT核心運(yùn)算單元，頻譜篩選核心運(yùn)算單元的輸入連接 至FFT核心運(yùn)算單元，輸出連接至數(shù)據(jù)發(fā)送單元，數(shù)據(jù)發(fā)送單元的輸出連接至外部的數(shù) 據(jù)接收終端；系統(tǒng)主狀態(tài)控制單元輸出端口同所述數(shù)字濾波處理單元、FFT核心運(yùn)算單 元、頻譜篩選核心運(yùn)算單元、數(shù)據(jù)發(fā)送單元的控制端口相連接。所述數(shù)字濾波處理單元通過不同模式的配置，針對所聽診的人體器官部位修改 FIR濾波系數(shù)，所述數(shù)字濾波處理單元包括相互連接的模式選擇單元和FIR濾波器，F(xiàn)IR 濾波器的數(shù)據(jù)接收端同模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出連接，F(xiàn)IR濾波器的控制端口同系統(tǒng)主狀態(tài) 控制單元連接，在系統(tǒng)主狀態(tài)為處理狀態(tài)時，輸出相應(yīng)音頻濾波結(jié)果。所述FFT核心運(yùn)算單元包括FFT運(yùn)算模塊和復(fù)數(shù)取模模塊；FFT運(yùn)算模塊 實部輸入端口和FIR濾波器的的輸出相連，虛部輸入端口接地，其他控制端口同系統(tǒng)主 狀態(tài)控制單元相連，F(xiàn)FT運(yùn)算模塊實部輸出端、虛部輸出端和輸出使能端分別連接到復(fù) 數(shù)取模模塊進(jìn)行進(jìn)一步的運(yùn)算處理，并通過輸出讀信號控制頻譜篩選核心運(yùn)算單元的寫 入。所述頻譜篩選核心運(yùn)算單元根據(jù)不同的模式，按照不同的方式處理FFT核心 運(yùn)算單元的頻譜數(shù)據(jù)，頻譜篩選核心運(yùn)算單元包括主從兩片隨機(jī)存取存儲器模塊和獨(dú)立 的核心篩選模塊；核心篩選模塊的數(shù)據(jù)輸入端同復(fù)數(shù)取模模塊的數(shù)據(jù)輸出端相連接，核 心篩選模塊的控制單元的寫控制端口同樣連接至復(fù)數(shù)取模模塊的寫有效端口；當(dāng)復(fù)數(shù)取 模模塊開始讀出數(shù)據(jù)的時候，核心篩選模塊便能及時響應(yīng)該輸出數(shù)據(jù)；在核心篩選模塊 中，設(shè)置的參考變量包括最大幅值、最大頻率、特征頻段頻譜功率、特征頻譜中頻譜區(qū) 間的四等分值，進(jìn)行頻譜篩選，決定是否將當(dāng)前頻譜保存至主隨機(jī)存取存儲器中；當(dāng)系 統(tǒng)狀態(tài)跳變?yōu)榘l(fā)射狀態(tài)時，主隨機(jī)存取存儲器開始向片外發(fā)送數(shù)據(jù)。所述數(shù)據(jù)發(fā)送單元包括使用通用異步接收/發(fā)送模塊生成請求發(fā)送的信號并連接至RS232接口的請求發(fā)送管腳，同時接收RS232接口的允許發(fā)送管腳后，通過通用 異步接收/發(fā)送模塊的輸出管腳連接至RS232接口的發(fā)送數(shù)據(jù)管腳，將分析好存儲在主隨 機(jī)存取存儲器中的頻譜數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)接收終端。所述系統(tǒng)主狀態(tài)控制單元將系統(tǒng)分為三種系統(tǒng)狀態(tài)空閑、處理、發(fā)射，并使 用內(nèi)部延時技術(shù)控制ASIC專用集成電路系統(tǒng)內(nèi)部各個子模塊的包括復(fù)位、使能、開始 的控制信號協(xié)調(diào)工作；當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位后系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)同時使能 端為高電平，系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)為處理狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)處于處理狀態(tài)且采樣時間超過了系統(tǒng)定義的 時間，系統(tǒng)自動停止采樣轉(zhuǎn)而跳轉(zhuǎn)為發(fā)射狀態(tài)，開始發(fā)送已經(jīng)處理完畢的頻譜數(shù)據(jù)；發(fā) 送結(jié)束后系統(tǒng)自動跳轉(zhuǎn)為空閑狀態(tài)；系統(tǒng)主狀態(tài)控制單元還連接至外部的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換
ο所述數(shù)據(jù)接收終端與數(shù)字信號處理單元之間的數(shù)據(jù)傳輸方式包括以下一種或多 種USB接口、顯示器接口、耳機(jī)接口、無線射頻發(fā)射、RS232串口電路。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是該發(fā)明根據(jù)聽診音頻譜篩選分析，從而得到詳細(xì)科學(xué)的聽診 音頻譜分析結(jié)果，一改傳統(tǒng)聽診器單純依靠醫(yī)生聽覺和個人經(jīng)驗進(jìn)行診斷的狀況，醫(yī)生 和病人都可得到準(zhǔn)確而又直觀的聽診結(jié)果，既方便了臨床診斷，又方便了聽診技術(shù)的教 學(xué)；同時該聽診器還可針對人體三個不同的部位(心、肺、腸道)進(jìn)行獨(dú)立的數(shù)字濾波 去噪，顯著提高了聽診器抗干擾的能力。
圖1是本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖2是前端模擬信號處理電路原理圖。圖3是本發(fā)明ASIC的設(shè)計圖。圖4是本發(fā)明ASIC仿真時序結(jié)果。圖5是輸入為諧波200Hz和500Hz時的特征頻譜。圖6是輸入為諧波500Hz和2000Hz時的特征頻譜。
具體實施例方式本發(fā)明通過專用集成電路生成聽診音的特征頻譜，并輸出詳細(xì)的頻譜分析結(jié) 果，達(dá)到輔助聽診、方便聽診技術(shù)教學(xué)的功能。本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括 音頻信號采樣端，通過基于MEMS技術(shù)的硅麥克風(fēng)傳感器采集人體器官音頻信號；模 擬信號處理模塊，連接至所述音頻信號采樣端，并通過運(yùn)算放大、低通濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換 生成數(shù)字信號；數(shù)字信號處理單元，使用流水線的方式處理經(jīng)模擬信號處理模塊轉(zhuǎn)換過 來的數(shù)字信號，根據(jù)聽診部位配置濾波系數(shù)，進(jìn)行音頻頻譜分析，生成聽診音的特征頻 譜，并通過數(shù)據(jù)接收終端輸出詳細(xì)頻譜分析結(jié)果反饋給醫(yī)生、病人；所述數(shù)字信號處理 單元為ASIC (專用集成電路)。硅麥克風(fēng)同運(yùn)算放大抗混疊電路相連，之后信號由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行模 數(shù)轉(zhuǎn)換；隨后將數(shù)字結(jié)果傳送給專用集成電路(ASIC)核心模塊，同ASIC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳 輸?shù)倪€有數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(DAC)，用來輸出經(jīng)濾波、放大的音頻信號給耳機(jī)接口 ；將頻 譜數(shù)據(jù)發(fā)送給LCD液晶顯示器，以輔助使用者觀察聽診音的頻譜；還可將數(shù)據(jù)通過USB或射頻(RF)電路或RS232串口電路發(fā)送給數(shù)據(jù)接收終端。電能轉(zhuǎn)換模塊可轉(zhuǎn)換TTL 和CMOS電平，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源驅(qū)動。同時專用集成電路接有模式選擇端 口，用來配置心、肺、腸道等不同的聽診部位；使能復(fù)位端口，用來控制系統(tǒng)的工作和 復(fù)位。本發(fā)明的數(shù)字式聽診頭是將硅麥克風(fēng)傳感器內(nèi)置于聽診頭中，在傳感器下方墊 上一小片塑料以保持傳感器和聽診頭之間絕緣，電源及數(shù)據(jù)線通過傳統(tǒng)聽診器的皮管引 出，連接到后面的模擬電路中。前端模擬信號處理電路如圖2所示，硅麥克風(fēng)傳感器的1腳(信號輸出端)通 過第一電容Cl和第一電阻Rl連接運(yùn)算放大器的“ + ”輸入端。Rl接在運(yùn)算放大器的
“ + ”輸入端可去除傳感器輸出的直流偏置。傳感器的2腳和電壓源相連，傳感器的3腳 和地線相連，可保證傳感器的正常工作。運(yùn)算放大器的“一”輸入端接參考電壓，可靈 活配置運(yùn)算放大器的輸出直流偏置電壓；運(yùn)算放大器的“ + ”輸入端和運(yùn)算放大器輸出 端之間接第四電阻Rf，使運(yùn)算放大器形成閉環(huán)反饋電路，放大倍數(shù)External Gain= 一 Rf/ Rl0為了實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的抗混疊(根據(jù)奈奎斯特效應(yīng)采樣頻率應(yīng)至少是采樣數(shù)據(jù) 最大頻率的兩倍)，在運(yùn)算放大器的輸出端接入無源低通濾波電路，即運(yùn)算放大器的輸 出端連接第二電阻R2的一端，第二電阻R2另一端通過第二電容C2接地，并連接模數(shù)轉(zhuǎn) 換器的輸入端，最后經(jīng)由R2將采集的模擬信號傳入ADC中，并生成對應(yīng)的8位數(shù)字信 號，通過數(shù)據(jù)總線QcrQ7將該8位數(shù)字信號傳給ASIC。ASIC設(shè)計如圖3所示，主要包括
數(shù)字濾波處理單元1、FFT核心運(yùn)算單元2、系統(tǒng)主狀態(tài)控制單元3、頻譜篩選核心 運(yùn)算單元4、數(shù)據(jù)發(fā)送單元5。數(shù)字濾波處理單元1的輸入端同模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器相連接， 輸出連接至FFT核心運(yùn)算單元2，頻譜篩選核心運(yùn)算單元4的輸入連接至FFT核心運(yùn)算單 元2，輸出連接至數(shù)據(jù)發(fā)送單元5，數(shù)據(jù)發(fā)送單元5的輸出連接至外部的數(shù)據(jù)接收終端； 系統(tǒng)主狀態(tài)控制單元3輸出端口同其他四個主要單元模塊的控制端口相連接。1、所述數(shù)字濾波處理單元通過外部模式選擇端配置不同模式參數(shù)，針對所聽診 的人體器官部位(心、肺、腸)修改FIR濾波系數(shù)，靈活處理輸入數(shù)據(jù)，將不是該模式下 的音頻濾掉，極大的提高抗干擾和精確分析的能力。FIR是有限沖擊響應(yīng)(Finite Impulse Response)的簡稱。所述數(shù)字濾波處理單元包括相互連接的模式選擇單元和FIR濾波器， FIR濾波器的數(shù)據(jù)接收端同模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出連接，F(xiàn)IR濾波器的控制端口同系統(tǒng)主 狀態(tài)控制單元連接，在系統(tǒng)主狀態(tài)為處理狀態(tài)時，輸出相應(yīng)音頻濾波結(jié)果。2、所述數(shù)據(jù)發(fā)送單元包括使用通用異步接收/發(fā)送模塊(UART)生成請求 發(fā)送的信號并連接至RS232接口的請求發(fā)送管腳，同時接收RS232接口的允許發(fā)送管腳 后，通過通用異步接收/發(fā)送模塊的輸出管腳連接至RS232接口的發(fā)送數(shù)據(jù)管腳，將分析 好存儲在主隨機(jī)存取存儲器中的頻譜數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)接收終端。3、所述系統(tǒng)主狀態(tài)控制單元將系統(tǒng)分為三種系統(tǒng)狀態(tài)(空閑、處理、發(fā)射)， 并使用內(nèi)部延時技術(shù)控制ASIC專用集成電路系統(tǒng)內(nèi)部各個子模塊的包括復(fù)位、使能、開 始的控制信號協(xié)調(diào)工作；當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位后系統(tǒng)處于“空閑”狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)處于“空閑”狀 態(tài)同時使能端為高電平，系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)為“處理”狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)處于“處理”狀態(tài)且采樣時 間超過了系統(tǒng)定義的時間，系統(tǒng)自動停止采樣轉(zhuǎn)而跳轉(zhuǎn)為“發(fā)射”狀態(tài)，開始發(fā)送已經(jīng)處理完畢的頻譜數(shù)據(jù)；發(fā)送結(jié)束后系統(tǒng)自動跳轉(zhuǎn)為“空閑”狀態(tài)；系統(tǒng)主狀態(tài)控制單元 還連接至外部的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。4、所述FFT核心運(yùn)算單元包括FFT運(yùn)算模塊和復(fù)數(shù)取模模塊。FFT是離散 傅里葉變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅里葉變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅 里葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的。相對于離散傅里葉變換，在處理點(diǎn)數(shù)較大的情況下， FFT在乘加運(yùn)算次數(shù)上遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)離散傅里葉變換，極大地縮短了處理時間，降低了功 耗。通過該FFT核心運(yùn)算單元對由前級數(shù)字濾波處理單元處理過的數(shù)字音頻信號進(jìn)行傅 里葉變換，分析其頻譜特性。其中FFT運(yùn)算模塊復(fù)位端接高電平有效的復(fù)位信號，時鐘 信號采用ADC采樣時鐘頻率，確保數(shù)據(jù)的正確銜接，實部輸入端口和FIR濾波器的的輸 出相連，虛部輸入端口接地(采樣的時序音頻信號并無虛部，因此將其接地)，其他控 制端口同系統(tǒng)主狀態(tài)控制單元相連，實部輸出端、虛部輸出端和輸出使能端分別連接到 復(fù)數(shù)取模模塊進(jìn)行進(jìn)一步的運(yùn)算處理，并通過輸出讀信號控制頻譜篩選核心運(yùn)算單元的 寫入。5、所述頻譜篩選核心運(yùn)算單元根據(jù)不同的模式，按照不同的方式處理FFT核心 運(yùn)算單元的頻譜數(shù)據(jù)，頻譜篩選核心運(yùn)算單元包括主從兩片隨機(jī)存取存儲器模塊和獨(dú)立 的核心篩選模塊；核心篩選模塊的數(shù)據(jù)輸入端同復(fù)數(shù)取模模塊的數(shù)據(jù)輸出端相連接，核 心篩選模塊的控制單元的寫控制端口同樣連接至復(fù)數(shù)取模模塊的寫有效端口；當(dāng)復(fù)數(shù)取 模模塊開始讀出數(shù)據(jù)的時候，核心篩選模塊便能及時響應(yīng)該輸出數(shù)據(jù)；在核心篩選模塊 中，設(shè)置的參考變量包括最大幅值、最大頻率、特征頻段頻譜功率、特征頻譜中頻譜區(qū) 間的四等分值，進(jìn)行頻譜篩選，決定是否將當(dāng)前頻譜保存至主隨機(jī)存取存儲器中；當(dāng)系 統(tǒng)狀態(tài)跳變?yōu)榘l(fā)射狀態(tài)時，主隨機(jī)存取存儲器開始向片外發(fā)送數(shù)據(jù)。在多功能數(shù)字式聽診器中可配置多種數(shù)據(jù)發(fā)送方式，通過USB接口、顯示器接 口、耳機(jī)接口、無線射頻發(fā)射、RS232串口電路等將數(shù)據(jù)傳輸、顯示出來。整個聽診器電路工作流程如下
1.聽診音的采集。通過技術(shù)先進(jìn)、體積小、聲音靈敏度高的硅麥克風(fēng)傳感器采 集人體器官(心、肺、腸道)的音頻信號。2.采用模擬濾波放大電路對采集的音頻小信號進(jìn)行放大、抗混疊濾波。3.將濾波后的模擬信號經(jīng)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字信號。4.將數(shù)字信號發(fā)送至專用集成電路(ASIC)處理。首先對模式選擇端口進(jìn)行判 斷。其次，根據(jù)不同的模式選擇，使用相應(yīng)的有限沖擊響應(yīng)FIR數(shù)字濾波系數(shù)對數(shù)字信 號進(jìn)行FIR濾波處理。隨后，將濾波后的信號送入快速傅里葉變換(FFT)運(yùn)算單元， 求得該時域信號的復(fù)頻域值。最后，利用求幅值運(yùn)算單元求出頻域?qū)?yīng)的幅值。5.頻譜篩選核心運(yùn)算算法。針對人體器官在發(fā)生病變時音頻頻譜會發(fā)生變化的 特點(diǎn)，設(shè)計一種可判斷聽診音是否正常的分析算法，提取相應(yīng)的特征頻譜，并保存在最 后一級的隨機(jī)存儲單元(RAM)當(dāng)中。6.當(dāng)聽診結(jié)束時，系統(tǒng)自動輸出/顯示保存在RAM中的特征頻譜數(shù)據(jù)，供醫(yī)生 和病人參考。對ASIC進(jìn)行時序上的仿真，驗證其主要功能單元是否正常工作，結(jié)果如圖4所 示起始時刻，nOE跳轉(zhuǎn)為低電平，允許ADC向ASIC發(fā)送時域數(shù)據(jù)，function_en跳轉(zhuǎn)為低電平(該管腳為fen控制線的取反輸出管腳)，系統(tǒng)進(jìn)入process狀態(tài)；在150ms左 右時fft_outen跳轉(zhuǎn)為高電平，表示FFT開始向core_process寫頻域數(shù)據(jù)，同時ampt_dout 開始輸出頻譜擺幅；在300ms時刻function_en跳轉(zhuǎn)為高電平，系統(tǒng)進(jìn)入Trans狀態(tài)，nOE
跳轉(zhuǎn)為高電平，停止ADC輸出8位數(shù)字信號，reacLen跳轉(zhuǎn)為高電平，允許MEM3發(fā)送 數(shù)據(jù)，Qout開始密集的發(fā)送串口數(shù)據(jù)。符合電路的主要設(shè)計期望。使用諧波200和500Hz作為激勵源進(jìn)行測試，模式選擇端設(shè)置為Lung (肺) 模式(100 1500Hz帶通)，由圖5可以看出系統(tǒng)正確辨別出該時序信號的頻域擺幅；使 用諧波500和2000Hz作為激勵源進(jìn)行測試，由圖6可以看出系統(tǒng)正確識別了 500Hz的信 號，同時有效濾除了 2000Hz的信號(衰減_22dB)。符合電路的設(shè)計要求。本專利設(shè)計的多功能數(shù)字式聽診器不但體積小，價格適中，而且對于人體不同 器官(心臟、肺、腸道等)的聽診，可以靈活而有針對性地配置濾波參數(shù)，去除環(huán)境和 其他器官音頻的干擾。同時該多功能數(shù)字式聽診器還可對聽診音的頻譜給予科學(xué)分析， 生成詳細(xì)的聽診報告。對于患者來說，多功能數(shù)字式的聽診器可以讓過去完全依靠醫(yī)生 個人經(jīng)驗的聽診變得透明、有依據(jù)；對于醫(yī)生來說，多功能數(shù)字式聽診器為其聽診提供 輔助和參考，不僅方便簡單，而且有效增加了聽診的準(zhǔn)確率。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的興起，這種新型的多功能數(shù)字式聽診器為實現(xiàn)遠(yuǎn)距在 宅聽診、遠(yuǎn)距多方會診、建立全民的人體器官音頻頻譜庫等數(shù)字醫(yī)療提供了一種有效可 行的解決方案。
權(quán)利要求
1.基于聽診音頻譜分析的多功能數(shù)字式聽診器電路，其特征是包括音頻信號采樣端，通過基于MEMS技術(shù)的硅麥克風(fēng)傳感器采集人體器官音頻信號；模擬信號處理模塊，連接至所述音頻信號采樣端，并通過運(yùn)算放大、低通濾波、模 數(shù)轉(zhuǎn)換生成數(shù)字信號；數(shù)字信號處理單元，使用流水線的方式處理經(jīng)模擬信號處理模塊轉(zhuǎn)換過來的數(shù)字信 號，根據(jù)聽診部位配置濾波系數(shù)，進(jìn)行音頻頻譜分析，生成聽診音的特征頻譜，并通過 數(shù)據(jù)接收終端輸出詳細(xì)頻譜分析結(jié)果；所述數(shù)字信號處理單元為專用集成電路。
2.如權(quán)利要求1所述基于聽診音頻譜分析的多功能數(shù)字式聽診器電路，其特征是， 所述硅麥克風(fēng)傳感器內(nèi)置于聽診頭中，硅麥克風(fēng)傳感器下方與聽診頭之間墊有一個塑料 片，硅麥克風(fēng)傳感器的電源及數(shù)據(jù)線通過聽診器的皮管引出。
3.如權(quán)利要求1所述基于聽診音頻譜分析的多功能數(shù)字式聽診器電路，其特征是，所 述模擬信號處理模塊包括硅麥克風(fēng)傳感器的信號輸出端通過第一電容(Cl)和第一電 阻(Rl)連接運(yùn)算放大器的“ + ”輸入端；運(yùn)算放大器的“一”輸入端接參考電壓；運(yùn) 算放大器的“ + ”輸入端和運(yùn)算放大器輸出端之間接第四電阻(Rf)；運(yùn)算放大器的輸 出端連接第二電阻(R2)的一端，第二電阻(R2)另一端通過第二電容(C2)接地， 并連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端，將采集的模擬信號傳入模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，生成對應(yīng)的8位數(shù) 字信號，通過數(shù)據(jù)總線(QcrQ7)將該8位數(shù)字信號傳給所述專用集成電路。
4.如權(quán)利要求1所述基于聽診音頻譜分析的多功能數(shù)字式聽診器電路，其特征是，所 述專用集成電路包括數(shù)字濾波處理單元、FFT核心運(yùn)算單元、系統(tǒng)主狀態(tài)控制單元、頻 譜篩選核心運(yùn)算單元、數(shù)據(jù)發(fā)送單元；數(shù)字濾波處理單元的輸入端同模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器相 連接，輸出連接至FFT核心運(yùn)算單元，頻譜篩選核心運(yùn)算單元的輸入連接至FFT核心運(yùn) 算單元，輸出連接至數(shù)據(jù)發(fā)送單元，數(shù)據(jù)發(fā)送單元的輸出連接至外部的數(shù)據(jù)接收終端； 系統(tǒng)主狀態(tài)控制單元輸出端口同所述數(shù)字濾波處理單元、FFT核心運(yùn)算單元、頻譜篩選 核心運(yùn)算單元、數(shù)據(jù)發(fā)送單元的控制端口相連接。
5.如權(quán)利要求4所述基于聽診音頻譜分析的多功能數(shù)字式聽診器電路，其特征是，所 述數(shù)字濾波處理單元通過不同模式的配置，針對所聽診的人體器官部位修改FIR濾波系 數(shù)，所述數(shù)字濾波處理單元包括相互連接的模式選擇單元和FIR濾波器，F(xiàn)IR濾波器的數(shù) 據(jù)接收端同模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出連接，F(xiàn)IR濾波器的控制端口同系統(tǒng)主狀態(tài)控制單元連 接，在系統(tǒng)主狀態(tài)為處理狀態(tài)時，輸出相應(yīng)音頻濾波結(jié)果。
6.如權(quán)利要求4所述基于聽診音頻譜分析的多功能數(shù)字式聽診器電路，其特征是，所 述FFT核心運(yùn)算單元包括FFT運(yùn)算模塊和復(fù)數(shù)取模模塊；FFT運(yùn)算模塊實部輸入端口 和FIR濾波器的的輸出相連，虛部輸入端口接地，其他控制端口同系統(tǒng)主狀態(tài)控制單元 相連，F(xiàn)FT運(yùn)算模塊實部輸出端、虛部輸出端和輸出使能端分別連接到復(fù)數(shù)取模模塊進(jìn) 行進(jìn)一步的運(yùn)算處理，并通過輸出讀信號控制頻譜篩選核心運(yùn)算單元的寫入。
7.如權(quán)利要求4所述基于聽診音頻譜分析的多功能數(shù)字式聽診器電路，其特征是， 所述頻譜篩選核心運(yùn)算單元根據(jù)不同的模式，按照不同的方式處理FFT核心運(yùn)算單元的 頻譜數(shù)據(jù)，頻譜篩選核心運(yùn)算單元包括主從兩片隨機(jī)存取存儲器模塊和獨(dú)立的核心篩選 模塊；核心篩選模塊的數(shù)據(jù)輸入端同復(fù)數(shù)取模模塊的數(shù)據(jù)輸出端相連接，核心篩選模塊 的控制單元的寫控制端口同樣連接至復(fù)數(shù)取模模塊的寫有效端口；當(dāng)復(fù)數(shù)取模模塊開始讀出數(shù)據(jù)的時候，核心篩選模塊便能及時響應(yīng)該輸出數(shù)據(jù)；在核心篩選模塊中，設(shè)置的 參考變量包括最大幅值、最大頻率、特征頻段頻譜功率、特征頻譜中頻譜區(qū)間的四等分 值，進(jìn)行頻譜篩選，決定是否將當(dāng)前頻譜保存至主隨機(jī)存取存儲器中；當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)跳變 為發(fā)射狀態(tài)時，主隨機(jī)存取存儲器開始向片外發(fā)送數(shù)據(jù)。
8.如權(quán)利要求7所述基于聽診音頻譜分析的多功能數(shù)字式聽診器電路，其特征是，所 述數(shù)據(jù)發(fā)送單元包括使用通用異步接收/發(fā)送模塊生成請求發(fā)送的信號并連接至RS232 接口的請求發(fā)送管腳，同時接收RS232接口的允許發(fā)送管腳后，通過通用異步接收/發(fā)送 模塊的輸出管腳連接至RS232接口的發(fā)送數(shù)據(jù)管腳，將分析好存儲在主隨機(jī)存取存儲器 中的頻譜數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)接收終端。
9.如權(quán)利要求4所述基于聽診音頻譜分析的多功能數(shù)字式聽診器電路，其特征是，所 述系統(tǒng)主狀態(tài)控制單元將系統(tǒng)分為三種系統(tǒng)狀態(tài)空閑、處理、發(fā)射，并使用內(nèi)部延時 技術(shù)控制ASIC專用集成電路系統(tǒng)內(nèi)部各個子模塊的包括復(fù)位、使能、開始的控制信號協(xié) 調(diào)工作；當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位后系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)同時使能端為高電平， 系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)為處理狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)處于處理狀態(tài)且采樣時間超過了系統(tǒng)定義的時間，系統(tǒng)自 動停止采樣轉(zhuǎn)而跳轉(zhuǎn)為發(fā)射狀態(tài)，開始發(fā)送已經(jīng)處理完畢的頻譜數(shù)據(jù)；發(fā)送結(jié)束后系統(tǒng) 自動跳轉(zhuǎn)為空閑狀態(tài)；系統(tǒng)主狀態(tài)控制單元還連接至外部的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
10.如權(quán)利要求1所述基于聽診音頻譜分析的多功能數(shù)字式聽診器電路，其特征是， 所述數(shù)據(jù)接收終端與數(shù)字信號處理單元之間的數(shù)據(jù)傳輸方式包括以下一種或多種USB 接口、顯示器接口、耳機(jī)接口、無線射頻發(fā)射、RS232串口電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于聽診音頻譜分析的多功能數(shù)字式聽診器電路，該聽診器的內(nèi)部設(shè)有基于CMOS技術(shù)的硅麥克風(fēng)傳感器；該傳感器可將人體各器官所發(fā)出的各種聲音轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電平信號，再經(jīng)過運(yùn)算放大、濾波器抗混疊、模數(shù)轉(zhuǎn)換將信號送入ASIC進(jìn)行數(shù)字信號處理。其中數(shù)字信號處理部分的特征在于包括針對不同人體器官頻譜的FIR濾波器單元、系統(tǒng)主控制單元、FFT運(yùn)算單元、頻譜篩選核心運(yùn)算單元、數(shù)據(jù)通信單元等邏輯單元，最終通過耳機(jī)接口、UART或VGA，醫(yī)生可經(jīng)由耳機(jī)聽取音頻或由所接的顯示器顯示頻譜來進(jìn)行聽診，可方便地記錄、評價和保存診斷結(jié)果；同時可結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建實現(xiàn)遠(yuǎn)距在宅聽診、遠(yuǎn)距多方會診、建立全民的人體器官音頻頻譜庫等數(shù)字醫(yī)療解決方案。
文檔編號A61B7/04GK102008316SQ20101053307
公開日2011年4月13日 申請日期2010年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月5日
發(fā)明者吳濱, 吳錫生, 徐子軒, 梁海蓮, 谷暢霞, 顧曉峰 申請人:江南大學(xué)