CN105997134A - 多通道肺音信号采集系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道肺音信号采集系统和方法，属于数字医疗技术领域。所述系统包括肺音信号采集模块、肺音数据存储模块和肺音数据管理模块。所述的肺音信号采集模块采集肺音信号并转化为数字信号；所述的肺音数据存储模块是将采集的肺音数据存入SD卡或计算机的硬盘，同时显示、监听采集数据；所述的肺音数据管理模块负责对采集信息的综合管理和与其他模块的数据接口任务。本发明能够做到一次呼吸同时采集，以消除分别采集的呼吸能量的差异性，同步误差4.5微秒。对采集到的肺音数据，设计了数据管理软件，保证被检测者档案及其身份特征与采集到的原始数据建立联系，做到可检索、可溯源、可统计、可分析。

Description

多通道肺音信号采集系统和方法

技术领域

本发明属于数字医疗技术领域，具体涉及一个多通道肺音信号采集系统及方法，为利用数字肺音进行诊断提供准确的数据源。

背景技术

大气污染日益加剧，雾霾天气严重影响着我们的健康，特别呼吸系统疾病发病率急剧增加。呼吸系统是人体重要的生命系统，肺脏是其核心器官，肺部健康状态监测至关重要。

呼吸运动过程中，气体进出肺部产生呼吸音。许多呼吸疾病会导致肺部异常变化，进而引起呼吸音变化并形成独特的肺音声学特征。由于呼吸音包含了丰富的肺部病理及生理学信息，肺音诊断是被国际医学界普遍认同的预防性诊断方法。

如何实时有效的采集肺音，并进行显示、存储，是运用肺音诊断的基础。自从1816年听诊器被发明以来，作为肺部听诊的主要工具被使用至今，对于呼吸系统疾病的诊断方法，听诊一直起着重要的作用，但仍存在声音传导性能比较差，频响范围也比较窄，准确性较差、客观性差等缺点。随着计算机技术和电子技术的飞速发展,以及优质传声器的诞生，肺音数据采集系统也迅速地得到应用，可获得大量肺部动态信息，是研究肺部生理与病理特征的有力工具。

国外研究机构对肺音的采集在早期采用驻极体麦克风作为前端传感器,利用电脑声卡或者NI公司的数据采集卡作为ADC(Analog to Digital Converter)器件，结合现代数字信号处理技术对肺音信号进行处理，后期美国和以色列等国家将研究的重点转移到研究肺音的空间特征,相应的肺音采集系统采用传感器阵列技术在背部的特定位置设置传感器阵列，通过同步采集多通道肺音数据。国内的肺音采集技术起步较晚，也已取得一定的成绩，目前的肺音采集系统主要有3种类型，一种是以压电传感器和计算机声卡为硬件，结合PC(Personal Computer)机上的基于windows的软件程序，实现肺音信号的采集和存储；一种是基于微处理器的采集系统，如以ARM(Advanced RISC Machines)和Linux技术为核心的肺音采集器，和以FPGA(Field Programmable Gate Array)和DSP(Digital Signal Processing)为核心架构的肺音采集系统；还有一种是基于微控制器的采集系统，如基于STM32的肺音采集系统，以SD(SecureDigital Memory)卡为存储载体，记录病人肺音的数据。

发明内容

在国内现有肺音信号采集系统的基础上，本发明提供一种多通道同步肺音信号采集系统，首次集信号采集、存储及数据管理的功能于一体，并可以做到从数据到被测对象的追溯，为利用数字肺音进行分析和诊断提供准确的数据源。本发明提供的多通道肺音信号采集系统包括肺音信号采集模块、肺音数据存储模块、肺音数据管理模块。所述的肺音信号采集模块利用声音-电压传感器将声音信号转换为电信号，并经过放大电路和带通滤波电路将电信号转换成利于采样的形式，最后通过ADC将模拟信号转化为数字信号；所述的肺音数据存储模块是将采集的肺音数据存入SD卡或计算机的硬盘，同时显示、监听采集数据；所述的肺音数据管理模块负责对采集信息的综合管理和与其他模块的数据接口任务。

本发明的优点在于：

1.能够同时采集9个部位的肺音，包括喉部、左上、左中、左下、左后、右上、右中、右下、右后，做到一次呼吸同时采集，以消除分别采集的呼吸能量的差异性，同步误差4.5微秒。

2.数据存储方式充分考虑到了实际的采集场景和需求，在外出和随机场合采集，肺音数据以WAV音频格式存储于SD卡上，小巧方便,速度快，便于听诊；在医院门诊、诊所、病房等位置固定的采集场合，肺音数据通过以太网传输直接保存到计算机硬盘，同时计算机端可以监视9路信号的实时波形，绘制肺音特征曲线，用于肺音诊断。

3.对采集到的肺音数据，设计了数据管理软件，保证被检测者档案及其身份特征与采集到的原始数据建立联系，做到可检索、可溯源、可统计、可分析。

附图说明

图1是本发明的肺音信号采集系统的模块结构图；

图2是本发明中肺音信号采集和存储模块的硬件结构框图；

图3是本发明中肺音数据管理软件总体结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的多通道肺音信号采集系统进行详细说明。

本发明提供了一个多通道肺音信号采集系统，如图1所示，所述的系统包含肺音信号采集模块、肺音数据存储模块和肺音数据管理模块。所述的肺音数据存储模块有SD卡存储和用以太网传输到计算机硬盘上存储两种存储方式。系统共有三种接口，分别为人-机接口、内部接口和外部接口，被测对象肺音数据是先后通过这三个接口传输的。人-机接口是将被测对象的肺音数据传输到肺音信号采集模块；内部接口是将肺音数据从肺音信号采集模块传输到肺音数据存储模块；外部接口是将肺音数据从肺音数据存储模块传输到PC机上。

图2是所述的肺音信号采集模块和所述的肺音数据存储模块的硬件结构图。

所述的肺音信号采集模块负责采集被测对象的原始肺音信号，输出数字化肺音数据，对一次呼吸同时采集9个采集点的肺音信号，包括喉部、左上、左中、左下、左后、右上、右中、右下、右后9个位置，克服了单独采集时肺音信号能量不均衡的弊病。所述的肺音信号采集模块的硬件结构如图2所示，由声音-电压传感器、放大电路、带通滤波电路、ADC组成。声音-电压传感器可以将肺音信号转换成电压信号，这样才能利用电学的手段对其进行处理。需注意的是，采用不同的声音-电压传感器，对于肺音的采集结果有很大的影响。在肺音检测中，实际需要记录的是声音压的变化，不应使用加速度或电容传感器。根据呼吸音的特点，以及综合考虑各类型声音-电压传感器的性能，最终选定单向性驻极体电容式传感器作为呼吸音采集的传感器，型号为EM-B6050UL。经过单向性驻极体电容式传感器得到的电压信号幅度很小，不到10mV，所述的放大电路负责放大肺音电压信号的幅度。肺音电压信号主要频率范围集中到5KHz以下，不可避免的包含有其他频段的噪声，所述的带通滤波电路可滤除带外杂波，获得幅度较大和杂波较少的电压信号，但此时的肺音电压信号为交流信号。一般的ADC只能采集幅度范围为0到正参考电压(Vref+)之间的信号，所以，为了有效采集肺音信号，需要对放大、滤波后的电压信号进行电压抬升，最终使之幅度范围落在0到Vref+之间。所述的ADC位于肺音信号采集模块的末端，将放大、滤波和电压抬升后的模拟肺音信号转化为数字肺音数据。

如图2所示，所述的肺音数据存储模块采用两种方式将肺音数据采集模块输出的数字肺音数据存储为WAV音频格式的文件，并有数据显示的功能。两种存储方式所适用的场合不同。一种是采用SD卡存储器，小巧方便，速度快，主要用于外出和随机场合；另一种方式是将数据通过以太网传输直接保存到PC机上，主要用于医院门诊、诊所、病房等位置固定的采集场合，同时利用设计的上位机软件在计算机中实现对9路信号的存储、显示和监听采集，并绘制肺音特征曲线。

肺信信号采集和存储的软件程序设计基于核心控制芯片STM32F103ZET6，如图2所示的MCU(Microcontroller Unit)，开发板上有可触摸液晶屏和LED灯可显示系统的工作状态，便于人机互动。ADC的采样率设为40*1024Hz，程序中采用DMA(Direct Memory Access)的方式将ADC得到的数据传递给芯片内部的RAM(Random Access Memory)，在芯片内部开辟大小为20KB的RAM存储区，定义成数组的形式。ADC每完成一次采样，则由DMA控制自动向数组里写一次数据(数据大小为2B)，同时数组的下标自动加2。当地址达到最大值(20K)的时候，自动归零。利用DMA中断服务子程序判断中断的类型，如果是全传中断(20KB的RAM全被填满)则将RAM的后半部分(10KB)写入到SD卡或计算机硬盘，如果是半传中断(前10KB的RAM被填满)，则将RAM的前半部分(10KB)写入SD卡或计算机硬盘，这样就实现了“乒乓”机制，确保采样的数据能够正确无误的存入SD卡或计算机硬盘。

所述的肺音数据管理模块由肺音数据管理软件实现其功能，该肺音数据管理模块保证被测对象档案及其身份特征与采集到的原始数据建立联系，以便随时可以提供检索和数据溯源，同时对数据格式进行相应的转换。根据肺音采集的特点和原始数据、身份数据、医学特征、检索等要求，所述的肺音数据管理模块一共有7个功能模块，分别为身份信息采集模块、数据采集表模块、数据查询模块、数据维护模块、统计分析模块、设备及人员管理模块、样本数据维护及管理模块，如图3所示。其中的身份信息采集模块是通过信息人工输入和身份证自动采集器两种方式将采集人信息输入系统；其中的数据采集表模块是根据医学专家设计的专用表格，设计录入界面引导录入采集数据，将采集的数据文件和身份信息建立关联；其中的数据查询模块提供多条件组合查询，为数据检查提供方便；其中的数据维护模块完成数据库自动整理，重新建立关联，自动清除作废数据等功能；其中的统计分析模块可组合条件查询、统计、分析信息并生成统计表；其中的设备及人员管理模块用来管理采集设备，记录设备更换、配件使用情况以及使用人员的登记、变更管理；其中的样本数据维护及管理模块完成样本数据的目录管理，合理放置采集文件，可以批量转换指定格式的数据文件，为样本分析提供数据服务。

基于所述的多通道肺音信号采集系统，本发明还提供一种多通道肺音信号采集方法，所述方法包括：

第一步，采集原始肺音信号；

对于被测对象，一次呼吸同时采集9个采集点的肺音信号，包括喉部、左上、左中、左下、左后、右上、右中、右下、右后9个位置。所述的肺音信号依次通过声音-电压传感器、放大电路、带通滤波电路和ADC，输出数字肺音数据。

第二步，数字肺音数据存储。

利用设计的上位机软件在计算机中实现对9路肺音信号的存储、显示和监听采集，并绘制肺音特征曲线。所述的存储包括SD卡存储器存储和计算机硬盘存储两种。

第三步，肺音信号管理。

采用肺音数据管理模块中的肺音数据管理软件实现管理功能，该肺音数据管理模块保证被测对象档案及其身份特征与采集到的原始数据建立联系，以便随时可以提供检索和数据溯源，同时对数据格式进行相应的转换。

Claims (7)

1.多通道肺音信号采集系统，其特征在于：包括肺音信号采集模块、肺音数据存储模块和肺音数据管理模块；所述的肺音信号采集模块采集被测对象的原始肺音信号，并输出数字化肺音数据给肺音数据存储模块；所述的肺音数据存储模块将肺音数据采集模块输出的数字肺音数据存储为WAV音频格式的文件，并进行数据显示和绘制肺音特征曲线；肺音数据管理模块保证被测对象档案及其身份特征与采集到的原始肺音数据建立联系，以便随时提供检索和数据溯源，同时对数据格式进行相应的转换。

2.根据权利要求1所述的多通道肺音信号采集系统，其特征在于：所述的肺音数据采集模块包括声音-电压传感器、放大电路、带通滤波电路和ADC，原始肺音信号通过声音-电压传感器将声音信号转换为电信号，并经过放大电路和带通滤波电路将电信号转换成利于采样的形式，最后通过ADC将模拟信号转化为数字信号输出。

3.根据权利要求1所述的多通道肺音信号采集系统，其特征在于：所述的肺音数据存储模块将采集的肺音数据存入SD卡或计算机的硬盘，同时显示、监听采集数据。

4.根据权利要求1所述的多通道肺音信号采集系统，其特征在于：所述的肺音数据采集模块对一次呼吸同时采集9个采集点的肺音信号，包括喉部、左上、左中、左下、左后、右上、右中、右下、右后9个位置。

5.根据权利要求1所述的多通道肺音信号采集系统，其特征在于：所述的肺音数据管理模块有7个功能模块，分别为身份信息采集模块、数据采集表模块、数据查询模块、数据维护模块、统计分析模块、设备及人员管理模块、样本数据维护及管理模块，其中的身份信息采集模块是通过信息人工输入和身份证自动采集器两种方式将采集人信息输入系统；其中的数据采集表模块是根据医学专家设计的专用表格，设计录入界面引导录入采集数据，将采集的数据文件和身份信息建立关联；其中的数据查询模块提供多条件组合查询，为数据检查提供方便；其中的数据维护模块完成数据库自动整理，重新建立关联，自动清除作废数据；其中的统计分析模块可组合条件查询、统计、分析信息并生成统计表；其中的设备及人员管理模块用来管理采集设备，记录设备更换、配件使用情况以及使用人员的登记、变更管理；其中的样本数据维护及管理模块完成样本数据的目录管理，合理放置采集文件，批量转换指定格式的数据文件，为样本分析提供数据服务。

6.根据权利要求2所述的多通道肺音信号采集系统，其特征在于：所述的声音-电压传感器选定单向性驻极体电容式传感器，型号为EM-B6050UL。

7.多通道肺音信号采集方法，其特征在于：所述方法包括，

第一步，采集原始肺音信号；

对于被测对象，一次呼吸同时采集9个采集点的肺音信号，包括喉部、左上、左中、左下、左后、右上、右中、右下、右后9个位置；

第二步，数字肺音数据存储；

对9路肺音信号以SD卡存储器存储和计算机硬盘存储两种方式存储；

第三步，肺音信号管理；

采用肺音数据管理模块中的肺音数据管理软件实现管理功能，保证被测对象档案及其身份特征与采集到的原始数据建立联系，以便随时提供检索和数据溯源，同时对数据格式进行相应的转换。