多通道肺音信號采集系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多通道肺音信號采集系統(tǒng)和方法，屬于數(shù)字醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域。所述系統(tǒng)包括肺音信號采集模塊、肺音數(shù)據(jù)存儲模塊和肺音數(shù)據(jù)管理模塊。所述的肺音信號采集模塊采集肺音信號并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；所述的肺音數(shù)據(jù)存儲模塊是將采集的肺音數(shù)據(jù)存入SD卡或計算機的硬盤，同時顯示、監(jiān)聽采集數(shù)據(jù)；所述的肺音數(shù)據(jù)管理模塊負責(zé)對采集信息的綜合管理和與其他模塊的數(shù)據(jù)接口任務(wù)。本發(fā)明能夠做到一次呼吸同時采集，以消除分別采集的呼吸能量的差異性，同步誤差4.5微秒。對采集到的肺音數(shù)據(jù)，設(shè)計了數(shù)據(jù)管理軟件，保證被檢測者檔案及其身份特征與采集到的原始數(shù)據(jù)建立聯(lián)系，做到可檢索、可溯源、可統(tǒng)計、可分析。
【專利說明】
多通道肺音信號采集系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于數(shù)字醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一個多通道肺音信號采集系統(tǒng)及方法， 為利用數(shù)字肺音進行診斷提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)源?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]大氣污染日益加劇，霧霾天氣嚴重影響著我們的健康，特別呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)病率急劇增加。呼吸系統(tǒng)是人體重要的生命系統(tǒng)，肺臟是其核心器官，肺部健康狀態(tài)監(jiān)測至關(guān)重要。
[0003]呼吸運動過程中，氣體進出肺部產(chǎn)生呼吸音。許多呼吸疾病會導(dǎo)致肺部異常變化， 進而引起呼吸音變化并形成獨特的肺音聲學(xué)特征。由于呼吸音包含了豐富的肺部病理及生理學(xué)信息，肺音診斷是被國際醫(yī)學(xué)界普遍認同的預(yù)防性診斷方法。
[0004]如何實時有效的采集肺音，并進行顯示、存儲，是運用肺音診斷的基礎(chǔ)。自從1816 年聽診器被發(fā)明以來，作為肺部聽診的主要工具被使用至今，對于呼吸系統(tǒng)疾病的診斷方法，聽診一直起著重要的作用，但仍存在聲音傳導(dǎo)性能比較差，頻響范圍也比較窄，準(zhǔn)確性較差、客觀性差等缺點。隨著計算機技術(shù)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，以及優(yōu)質(zhì)傳聲器的誕生， 肺音數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也迅速地得到應(yīng)用，可獲得大量肺部動態(tài)信息，是研究肺部生理與病理特征的有力工具。
[0005]國外研究機構(gòu)對肺音的采集在早期采用駐極體麥克風(fēng)作為前端傳感器，利用電腦聲卡或者NI公司的數(shù)據(jù)采集卡作為ADC(Analog to Digital Converter)器件，結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)對肺音信號進行處理，后期美國和以色列等國家將研究的重點轉(zhuǎn)移到研究肺音的空間特征，相應(yīng)的肺音采集系統(tǒng)采用傳感器陣列技術(shù)在背部的特定位置設(shè)置傳感器陣列，通過同步采集多通道肺音數(shù)據(jù)。國內(nèi)的肺音采集技術(shù)起步較晚，也已取得一定的成績，目前的肺音采集系統(tǒng)主要有3種類型，一種是以壓電傳感器和計算機聲卡為硬件，結(jié)合 PC(Personal Computer)機上的基于windows的軟件程序，實現(xiàn)肺音信號的采集和存儲；一種是基于微處理器的米集系統(tǒng)，如以ARM(Advanced RISC Machines)和Linux技術(shù)為核心的肺音米集器，和以FPGA(Field Programmable Gate Array)和DSP(Digital Signal Processing)為核心架構(gòu)的肺音采集系統(tǒng);還有一種是基于微控制器的采集系統(tǒng)，如基于 STM32的肺音采集系統(tǒng)，以SD(Secure Digital Memory)卡為存儲載體，記錄病人肺音的數(shù)據(jù)。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在國內(nèi)現(xiàn)有肺音信號采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明提供一種多通道同步肺音信號采集系統(tǒng)，首次集信號采集、存儲及數(shù)據(jù)管理的功能于一體，并可以做到從數(shù)據(jù)到被測對象的追溯，為利用數(shù)字肺音進行分析和診斷提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)源。本發(fā)明提供的多通道肺音信號采集系統(tǒng)包括肺音信號采集模塊、肺音數(shù)據(jù)存儲模塊、肺音數(shù)據(jù)管理模塊。所述的肺音信號采集模塊利用聲音-電壓傳感器將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)過放大電路和帶通濾波電路將電信號轉(zhuǎn)換成利于采樣的形式，最后通過ADC將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號;所述的肺音數(shù)據(jù)存儲模塊是將采集的肺音數(shù)據(jù)存入SD卡或計算機的硬盤，同時顯示、監(jiān)聽采集數(shù)據(jù);所述的肺音數(shù)據(jù)管理模塊負責(zé)對采集信息的綜合管理和與其他模塊的數(shù)據(jù)接口任務(wù)。
[0007]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0008]1.能夠同時采集9個部位的肺音，包括喉部、左上、左中、左下、左后、右上、右中、右下、右后，做到一次呼吸同時采集，以消除分別采集的呼吸能量的差異性，同步誤差4.5微秒。
[0009]2.數(shù)據(jù)存儲方式充分考慮到了實際的采集場景和需求，在外出和隨機場合采集， 肺音數(shù)據(jù)以WAV音頻格式存儲于SD卡上，小巧方便，速度快，便于聽診;在醫(yī)院門診、診所、病房等位置固定的采集場合，肺音數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸直接保存到計算機硬盤，同時計算機端可以監(jiān)視9路信號的實時波形，繪制肺音特征曲線，用于肺音診斷。
[0010]3.對采集到的肺音數(shù)據(jù)，設(shè)計了數(shù)據(jù)管理軟件，保證被檢測者檔案及其身份特征與采集到的原始數(shù)據(jù)建立聯(lián)系，做到可檢索、可溯源、可統(tǒng)計、可分析?！靖綀D說明】
[0011]圖1是本發(fā)明的肺音信號采集系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)圖；
[0012]圖2是本發(fā)明中肺音信號采集和存儲模塊的硬件結(jié)構(gòu)框圖；
[0013]圖3是本發(fā)明中肺音數(shù)據(jù)管理軟件總體結(jié)構(gòu)圖?！揪唧w實施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的多通道肺音信號采集系統(tǒng)進行詳細說明。
[0015]本發(fā)明提供了一個多通道肺音信號采集系統(tǒng)，如圖1所示，所述的系統(tǒng)包含肺音信號采集模塊、肺音數(shù)據(jù)存儲模塊和肺音數(shù)據(jù)管理模塊。所述的肺音數(shù)據(jù)存儲模塊有SD卡存儲和用以太網(wǎng)傳輸?shù)接嬎銠C硬盤上存儲兩種存儲方式。系統(tǒng)共有三種接口，分別為人-機接口、內(nèi)部接口和外部接口，被測對象肺音數(shù)據(jù)是先后通過這三個接口傳輸?shù)摹Ｈ?機接口是將被測對象的肺音數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒我粜盘柌杉K；內(nèi)部接口是將肺音數(shù)據(jù)從肺音信號采集模塊傳輸?shù)椒我魯?shù)據(jù)存儲模塊;外部接口是將肺音數(shù)據(jù)從肺音數(shù)據(jù)存儲模塊傳輸?shù)絇C機上。
[0016]圖2是所述的肺音信號采集模塊和所述的肺音數(shù)據(jù)存儲模塊的硬件結(jié)構(gòu)圖。[〇〇17]所述的肺音信號采集模塊負責(zé)采集被測對象的原始肺音信號，輸出數(shù)字化肺音數(shù)據(jù)，對一次呼吸同時采集9個采集點的肺音信號，包括喉部、左上、左中、左下、左后、右上、右中、右下、右后9個位置，克服了單獨采集時肺音信號能量不均衡的弊病。所述的肺音信號采集模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，由聲音-電壓傳感器、放大電路、帶通濾波電路、ADC組成。聲音-電壓傳感器可以將肺音信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，這樣才能利用電學(xué)的手段對其進行處理。 需注意的是，采用不同的聲音-電壓傳感器，對于肺音的采集結(jié)果有很大的影響。在肺音檢測中，實際需要記錄的是聲音壓的變化，不應(yīng)使用加速度或電容傳感器。根據(jù)呼吸音的特點，以及綜合考慮各類型聲音-電壓傳感器的性能，最終選定單向性駐極體電容式傳感器作為呼吸音采集的傳感器，型號為EM-B6050UL。經(jīng)過單向性駐極體電容式傳感器得到的電壓信號幅度很小，不到l〇mV，所述的放大電路負責(zé)放大肺音電壓信號的幅度。肺音電壓信號主要頻率范圍集中到5KHz以下，不可避免的包含有其他頻段的噪聲，所述的帶通濾波電路可濾除帶外雜波，獲得幅度較大和雜波較少的電壓信號，但此時的肺音電壓信號為交流信號。 一般的ADC只能采集幅度范圍為0到正參考電壓(Vref+)之間的信號，所以，為了有效采集肺音信號，需要對放大、濾波后的電壓信號進行電壓抬升，最終使之幅度范圍落在〇到Vref+之間。所述的ADC位于肺音信號采集模塊的末端，將放大、濾波和電壓抬升后的模擬肺音信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字肺音數(shù)據(jù)。
[0018]如圖2所示，所述的肺音數(shù)據(jù)存儲模塊采用兩種方式將肺音數(shù)據(jù)采集模塊輸出的數(shù)字肺音數(shù)據(jù)存儲為WAV音頻格式的文件，并有數(shù)據(jù)顯示的功能。兩種存儲方式所適用的場合不同。一種是采用SD卡存儲器，小巧方便，速度快，主要用于外出和隨機場合;另一種方式是將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸直接保存到PC機上，主要用于醫(yī)院門診、診所、病房等位置固定的采集場合，同時利用設(shè)計的上位機軟件在計算機中實現(xiàn)對9路信號的存儲、顯示和監(jiān)聽采集，并繪制肺音特征曲線。
[0019]肺信信號采集和存儲的軟件程序設(shè)計基于核心控制芯片STM32F103ZET6,如圖2所示的MCU(Microcontroller Unit)，開發(fā)板上有可觸摸液晶屏和LED燈可顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，便于人機互動。ADC的采樣率設(shè)為40*1024Hz，程序中采用DMA(Direct Memory Access) 的方式將ADC得到的數(shù)據(jù)傳遞給芯片內(nèi)部的RAM(Random Access Memory)，在芯片內(nèi)部開辟大小為20KB的RAM存儲區(qū)，定義成數(shù)組的形式。ADC每完成一次采樣，則由DMA控制自動向數(shù)組里寫一次數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)大小為2B)，同時數(shù)組的下標(biāo)自動加2。當(dāng)?shù)刂愤_到最大值(20K)的時候，自動歸零。利用DMA中斷服務(wù)子程序判斷中斷的類型，如果是全傳中斷(20KB的RAM全被填滿)則將RAM的后半部分(10KB)寫入到SD卡或計算機硬盤，如果是半傳中斷(前10KB的RAM 被填滿)，則將RAM的前半部分(10KB)寫入SD卡或計算機硬盤，這樣就實現(xiàn)了 “兵兵”機制，確保采樣的數(shù)據(jù)能夠正確無誤的存入SD卡或計算機硬盤。
[0020]所述的肺音數(shù)據(jù)管理模塊由肺音數(shù)據(jù)管理軟件實現(xiàn)其功能，該肺音數(shù)據(jù)管理模塊保證被測對象檔案及其身份特征與采集到的原始數(shù)據(jù)建立聯(lián)系，以便隨時可以提供檢索和數(shù)據(jù)溯源，同時對數(shù)據(jù)格式進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。根據(jù)肺音采集的特點和原始數(shù)據(jù)、身份數(shù)據(jù)、 醫(yī)學(xué)特征、檢索等要求，所述的肺音數(shù)據(jù)管理模塊一共有7個功能模塊，分別為身份信息采集模塊、數(shù)據(jù)采集表模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、數(shù)據(jù)維護模塊、統(tǒng)計分析模塊、設(shè)備及人員管理模塊、樣本數(shù)據(jù)維護及管理模塊，如圖3所示。其中的身份信息采集模塊是通過信息人工輸入和身份證自動采集器兩種方式將采集人信息輸入系統(tǒng);其中的數(shù)據(jù)采集表模塊是根據(jù)醫(yī)學(xué)專家設(shè)計的專用表格，設(shè)計錄入界面引導(dǎo)錄入采集數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)文件和身份信息建立關(guān)聯(lián);其中的數(shù)據(jù)查詢模塊提供多條件組合查詢，為數(shù)據(jù)檢查提供方便;其中的數(shù)據(jù)維護模塊完成數(shù)據(jù)庫自動整理，重新建立關(guān)聯(lián)，自動清除作廢數(shù)據(jù)等功能;其中的統(tǒng)計分析模塊可組合條件查詢、統(tǒng)計、分析信息并生成統(tǒng)計表;其中的設(shè)備及人員管理模塊用來管理采集設(shè)備，記錄設(shè)備更換、配件使用情況以及使用人員的登記、變更管理;其中的樣本數(shù)據(jù)維護及管理模塊完成樣本數(shù)據(jù)的目錄管理，合理放置采集文件，可以批量轉(zhuǎn)換指定格式的數(shù)據(jù)文件，為樣本分析提供數(shù)據(jù)服務(wù)。
[0021]基于所述的多通道肺音信號采集系統(tǒng)，本發(fā)明還提供一種多通道肺音信號采集方法，所述方法包括:[〇〇22]第一步，采集原始肺音信號；
[0023]對于被測對象，一次呼吸同時采集9個采集點的肺音信號，包括喉部、左上、左中、 左下、左后、右上、右中、右下、右后9個位置。所述的肺音信號依次通過聲音-電壓傳感器、放大電路、帶通濾波電路和ADC，輸出數(shù)字肺音數(shù)據(jù)。[〇〇24]第二步，數(shù)字肺音數(shù)據(jù)存儲。
[0025]利用設(shè)計的上位機軟件在計算機中實現(xiàn)對9路肺音信號的存儲、顯示和監(jiān)聽采集， 并繪制肺音特征曲線。所述的存儲包括SD卡存儲器存儲和計算機硬盤存儲兩種。[〇〇26]第三步，肺音信號管理。[〇〇27]采用肺音數(shù)據(jù)管理模塊中的肺音數(shù)據(jù)管理軟件實現(xiàn)管理功能，該肺音數(shù)據(jù)管理模塊保證被測對象檔案及其身份特征與采集到的原始數(shù)據(jù)建立聯(lián)系，以便隨時可以提供檢索和數(shù)據(jù)溯源，同時對數(shù)據(jù)格式進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。
【主權(quán)項】
1.多通道肺音信號采集系統(tǒng)，其特征在于:包括肺音信號采集模塊、肺音數(shù)據(jù)存儲模塊 和肺音數(shù)據(jù)管理模塊;所述的肺音信號采集模塊采集被測對象的原始肺音信號，并輸出數(shù) 字化肺音數(shù)據(jù)給肺音數(shù)據(jù)存儲模塊;所述的肺音數(shù)據(jù)存儲模塊將肺音數(shù)據(jù)采集模塊輸出的 數(shù)字肺音數(shù)據(jù)存儲為WAV音頻格式的文件，并進行數(shù)據(jù)顯示和繪制肺音特征曲線;肺音數(shù)據(jù) 管理模塊保證被測對象檔案及其身份特征與采集到的原始肺音數(shù)據(jù)建立聯(lián)系，以便隨時提 供檢索和數(shù)據(jù)溯源，同時對數(shù)據(jù)格式進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道肺音信號采集系統(tǒng)，其特征在于:所述的肺音數(shù)據(jù)采集 模塊包括聲音-電壓傳感器、放大電路、帶通濾波電路和ADC，原始肺音信號通過聲音-電壓 傳感器將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)過放大電路和帶通濾波電路將電信號轉(zhuǎn)換成利于采 樣的形式，最后通過ADC將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸出。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道肺音信號采集系統(tǒng)，其特征在于:所述的肺音數(shù)據(jù)存儲 模塊將采集的肺音數(shù)據(jù)存入SD卡或計算機的硬盤，同時顯示、監(jiān)聽采集數(shù)據(jù)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道肺音信號采集系統(tǒng)，其特征在于:所述的肺音數(shù)據(jù)采集 模塊對一次呼吸同時采集9個采集點的肺音信號，包括喉部、左上、左中、左下、左后、右上、 右中、右下、右后9個位置。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道肺音信號采集系統(tǒng)，其特征在于:所述的肺音數(shù)據(jù)管理 模塊有7個功能模塊，分別為身份信息采集模塊、數(shù)據(jù)采集表模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、數(shù)據(jù)維護 模塊、統(tǒng)計分析模塊、設(shè)備及人員管理模塊、樣本數(shù)據(jù)維護及管理模塊，其中的身份信息采 集模塊是通過信息人工輸入和身份證自動采集器兩種方式將采集人信息輸入系統(tǒng);其中的 數(shù)據(jù)采集表模塊是根據(jù)醫(yī)學(xué)專家設(shè)計的專用表格，設(shè)計錄入界面引導(dǎo)錄入采集數(shù)據(jù)，將采 集的數(shù)據(jù)文件和身份信息建立關(guān)聯(lián);其中的數(shù)據(jù)查詢模塊提供多條件組合查詢，為數(shù)據(jù)檢 查提供方便;其中的數(shù)據(jù)維護模塊完成數(shù)據(jù)庫自動整理，重新建立關(guān)聯(lián)，自動清除作廢數(shù) 據(jù);其中的統(tǒng)計分析模塊可組合條件查詢、統(tǒng)計、分析信息并生成統(tǒng)計表;其中的設(shè)備及人 員管理模塊用來管理采集設(shè)備，記錄設(shè)備更換、配件使用情況以及使用人員的登記、變更管 理;其中的樣本數(shù)據(jù)維護及管理模塊完成樣本數(shù)據(jù)的目錄管理，合理放置采集文件，批量轉(zhuǎn) 換指定格式的數(shù)據(jù)文件，為樣本分析提供數(shù)據(jù)服務(wù)。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多通道肺音信號采集系統(tǒng)，其特征在于:所述的聲音-電壓傳 感器選定單向性駐極體電容式傳感器，型號為EM-B6050UL。7.多通道肺音信號采集方法，其特征在于:所述方法包括，第一步，采集原始肺音信號；對于被測對象，一次呼吸同時采集9個采集點的肺音信號，包括喉部、左上、左中、左下、 左后、右上、右中、右下、右后9個位置；第二步，數(shù)字肺音數(shù)據(jù)存儲；對9路肺音信號以SD卡存儲器存儲和計算機硬盤存儲兩種方式存儲；第三步，肺音信號管理；采用肺音數(shù)據(jù)管理模塊中的肺音數(shù)據(jù)管理軟件實現(xiàn)管理功能，保證被測對象檔案及其 身份特征與采集到的原始數(shù)據(jù)建立聯(lián)系，以便隨時提供檢索和數(shù)據(jù)溯源，同時對數(shù)據(jù)格式 進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。
【文檔編號】A61B7/00GK105997134SQ201610443229
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月20日
【發(fā)明人】劉國棟
【申請人】劉國棟