廣東工業(yè)大學(xué)

黃梓欣，蔡健蘋，朱 璟，韓曉嵐

1 作品介紹

智能電子聽診系統(tǒng)分為家用版與醫(yī)用版。

醫(yī)用版聽診器由聽診器和智音APP組成，如圖1所示。醫(yī)生使用藍(lán)牙耳機(jī)連接聽診器后，聽診器顯示屏將輸出患者心率等體征數(shù)據(jù)。醫(yī)生也可配合智音APP使用聽診器，以實(shí)現(xiàn)心肺音高度分離聽診、異地醫(yī)院間的遠(yuǎn)程會(huì)診等。本產(chǎn)品的數(shù)字化聽診方式可滿足無接觸式聽診、在線聽診、遠(yuǎn)程聽診等要求。本產(chǎn)品憑借其無接觸式聽診方式及心肺音高精度分離，在疫情期間，已經(jīng)為國(guó)內(nèi)外十余家醫(yī)院提供了服務(wù)。

圖1 醫(yī)用版電子智能聽診系統(tǒng)

家用版聽診器需配合智音APP和智音云平臺(tái)使用，如圖2所示。采集篩選的心肺音均可在智音APP上長(zhǎng)期記錄與聽取。系統(tǒng)根據(jù)采集的心肺音信號(hào)為用戶提供健康建議報(bào)告。系統(tǒng)可應(yīng)用于早期發(fā)現(xiàn)心血管疾病的征兆，發(fā)現(xiàn)嬰幼兒呼吸道感染，以及長(zhǎng)期的心肺音疾病監(jiān)測(cè)。家庭用戶的心肺音采集完畢后，可直接在APP向醫(yī)生問診或前往在線醫(yī)療平臺(tái)問診，醫(yī)生通過聽診器對(duì)采集的心肺音進(jìn)行高效降噪，分離出心音及肺音，最終得到精準(zhǔn)的問診數(shù)據(jù)，得出有針對(duì)性的醫(yī)療方案。

圖2 家用版電子智能聽診系統(tǒng)

2 技術(shù)原理說明

2.1 數(shù)字感知與噪聲抑制

心肺音信號(hào)微弱是心肺音采集的難題，本產(chǎn)品通過自研的基于自由曲面的聲學(xué)共鳴腔設(shè)計(jì)減少共鳴腔體積，提高心肺音傳導(dǎo)增益。為避免外界環(huán)境噪聲影響醫(yī)生做出準(zhǔn)確判斷，本產(chǎn)品通過前置模擬音頻處理電路，實(shí)現(xiàn)快速環(huán)境噪音衰減濾波，降低微弱聽診信號(hào)的量化誤差。利用心肺音信號(hào)的準(zhǔn)周期特性，借助卷積非負(fù)矩陣分解方法（NMF），在時(shí)頻域?qū)⑿姆我艉铜h(huán)境噪聲分離，提高心肺音信噪比，抑制外部環(huán)境噪聲。

2.2 心肺音分離

一般心音的頻率范圍為10～320 Hz，肺音的頻率范圍為60～600 Hz。由于心音和肺音在時(shí)域和頻域內(nèi)都有重疊，導(dǎo)致難以通過傳統(tǒng)的帶通濾波器有效分離。為解決兩者在線性時(shí)頻域混疊的問題，文中提出了一種基于正則化NMF的心肺音分離方法。該方法對(duì)采集的心肺音混合信號(hào)進(jìn)行處理，獲得心肺音混合信號(hào)的時(shí)頻譜；對(duì)時(shí)頻譜中20～100 Hz部分取列平均，得到心音的幅模時(shí)序模板；根據(jù)心音的幅模時(shí)序模板構(gòu)造心音時(shí)序結(jié)構(gòu)正則項(xiàng)，對(duì)時(shí)頻譜進(jìn)行非負(fù)矩陣分解，抽取心音信號(hào)時(shí)頻譜的估計(jì)和肺音信號(hào)時(shí)頻譜的估計(jì)；心音信號(hào)時(shí)頻譜的估計(jì)和肺音信號(hào)時(shí)頻譜的估計(jì)重構(gòu)出心音和肺音的時(shí)域信號(hào)。

3 作品創(chuàng)新點(diǎn)

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)聲音采集的高保真效果，降噪率高達(dá)82%，有效提高了聽診準(zhǔn)確率及聽診效率。開發(fā)了家用版智能電子聽診系統(tǒng)，基于智音云平臺(tái)和醫(yī)療數(shù)據(jù)庫(kù)檢測(cè)異常心肺音，生成健康建議，并提供遠(yuǎn)程醫(yī)生聽診及線上問診服務(wù)。

4 應(yīng)用市場(chǎng)前景分析

無接觸式聽診有效保護(hù)了醫(yī)患雙方的健康。相對(duì)于國(guó)內(nèi)外電子聽診器采用的帶通濾波器、小波去噪等方法，本產(chǎn)品以卷積非負(fù)矩陣分解法和前置模擬音頻處理電路抑制噪聲，在提高心肺音增益的同時(shí)降低微弱信號(hào)的量化誤差，實(shí)現(xiàn)高精度降噪。同時(shí)，本產(chǎn)品提出了一種盲分離技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)心肺音快速有效分離，提供更準(zhǔn)確的病理指標(biāo)及更可靠的聽診依據(jù)，為遠(yuǎn)程醫(yī)療平臺(tái)提供數(shù)據(jù)接口。目前，占我國(guó)市場(chǎng)份額較大的智能聽診器所面向的人群、地區(qū)較為單一，輻射范圍有限，且功能及檢測(cè)精確度不及本項(xiàng)目產(chǎn)品。設(shè)計(jì)的產(chǎn)品將分時(shí)期、分重點(diǎn)逐步覆蓋醫(yī)院、偏遠(yuǎn)地區(qū)基層醫(yī)療衛(wèi)生站、家庭用戶、養(yǎng)老機(jī)構(gòu)及幼兒園等，價(jià)廉質(zhì)優(yōu)，具有廣闊的應(yīng)用前景。