一种自动分离心肺音的骨传导式数字听诊系统的制作方法

本发明属于数字医疗器材技术领域，提出了一种自动分离心肺音的骨传导式数字听诊系统。

背景技术：

听诊器，是医生日常工作中离不开的工具，一度成为医生的代名词。至今听诊器已经有200多年的发展，其外形和传音方式不断改进，但基本的结构变化不大，主要有拾音部分、传音部分、听音部分组成。传统听诊器一般采用Y型夹具，存在佩戴不舒适、易受环境音干扰等缺陷，而且听诊器采集到的声音信号中不仅包含了心音,也包含了肺音和外部的环境噪声，这种混合了心音、肺音和环境噪音的声音信号很难用于精细化的病症分析。近几年电子听诊器由于在放大声音、存储声音等方面的独特优势发展迅速，但大多只是单纯将拾音部分收集的声音信号进行了数字化，并没有进行进一步的信号处理以提高心音或肺音的听诊效果。

针对此问题，现行的方案主要有以下：如中国实用新型专利201620968593.5，也提及具有心肺音分离功能，但其采用的是线性带通滤波器，并不能将时频混叠的心音与肺音精细分离，甚至可能导致心音或肺音一部分频带信息缺失，从而使听诊不准确；如中国发明专利201710470514.7，采用差异增强的思想对心肺音信号进行盲信道分离，但是该方法需要多路信号同时采集，难免使听诊器体积大、结构复杂；又如中国发明专利201710651856.9，采用非负矩阵分解进行心肺音分离，由于该方法假设心音和肺音之间的独立性，且未能有效表征心音和肺音之间复杂的非线性耦合关系，这就在无形之中限制了该方法的性能。

另外，一般电子听诊器最终将电信号通过耳机还原成声音，进行听诊，多用的是普通的空气传导耳机，声音信号在空气中传播易受杂音干扰，听诊效果并不够理想。

技术实现要素：

针对现有技术上不足，本发明针对上述存在的问题进行了改进，公开了一种自动分离心音肺音的骨传导式数字听诊系统。本发明采用微型声音传感器将心肺音信号转化为电信号，进一步转化为数字信号，并利用时频掩蔽深度循环神经网络进行心肺音信号分离，最终分离后的信号可通过骨传导的方式传递给人耳听觉神经。基于大数据训练，深度循环神经网络DRNN可以实现精细的降噪滤波；同时，DRNN可以充分学习心音和肺音相互混叠中复杂的非线性耦合关系，对心肺音信号进行非线性去耦，实现良好的分离效果。另外，骨传导方式有独立的传音路径，可绕过外耳道刺激中内耳，不受空气中声波的干扰，使听诊更加准确；其次，由于不需入耳佩戴，骨传导方式也有利于耳道的卫生健康。

为了实现上述目的，自动分离心音肺音，方便数据采集和后期分析，提升听体验，本发明采用具体方案如下：

信号采集单元(2)，通过内置于听诊头(1)中的微型声音传感器采集人体心肺生理活动产生的声音，转化为电信号，并对其进行放大、滤波和A/D转换，最终生成数字音频信号，输入后级的心肺音信号分离单元(3)；

用户界面(5)负责对心肺音模式选择(51)、专家标记存储(52)两个功能进行设置，其中，心肺音模式选择(51)由心音模式、肺音模式、普通模式三种模式组成；专家标记存储(52)负责对患者姓名、心肺音模式、听诊部位、严重程度四条信息进行标记存储，并可设置录音；

心肺音信号分离单元(3)采用时频掩蔽深度循环神经网络分离信号采集单元(2)传来的心肺音混合信号，并根据用户界面(5)的心肺音模式选择(51)功能所选的选项信息，选择输出心音、肺音或未分离的混合信号；

存储单元(4)，采用Micro SD卡，可存储带有专家标记信息的录音；

输出驱动单元(6)，对心肺音信号分离单元(3)输出的信号进行D/A数模转换和功率放大，以驱动后级的骨传导单元(7)产生振动；

骨传导单元(7)，将输出驱动单元(6)输出的电功率信号转化为振动信号，通过C型支撑环，使其左右两个振动单元贴于人耳前的颌骨、头骨，绕过外耳的空气传音路径，直接通过骨传导刺激听觉神经，使人感受到声音；

另外，系统还配备电源，由充放电管理电路和可充电电池组成，为系统各单元提供电力。

作为优选，所述的信号采集单元(2)采用的放大器是跨阻放大器，可有效将微型声音传感器输出的电流信号转换为易于处理的电压信号；采用的滤波器是2阶Sallen-Key型贝塞尔滤波器，因为贝塞尔滤波器具有线性相位，可以避免在抑制带外噪声过程中使原信号相位发生失真；采用的A/D是Δ-Σ型ADC，采用过采样的方式提高采样精度。

作为优选，所述心肺音信号分离单元(3)，采用时频掩蔽深度循环神经网络进行心肺音信号分离，具体网络框架如图2所示，输入心肺音混合信号，经短时傅里叶变换，生成幅度谱A与相位谱P，其中幅度谱A作为特征输入时频掩蔽深度循环神经网络中进行预测分离，分离后的心音幅度谱和肺音幅度谱与相位谱进行短时傅里叶逆变换，还原为各自的时域信号，由此实现心音和肺音的分离。具体的深度循环神经网络的结构如图3所示，介绍如下：

1)网络输入：在时刻t，网络输入心肺音混合信号的幅度谱xt；

2)网络隐层：采用3层深度循环神经网络，每层节点数量在128～1024，激活函数全部为线性整流函数ReLU；

3)网络输出：网络的输出目标是干净的心音幅度谱y1t和肺音幅度谱y2t，相对应的输出分别是预测的心音幅度谱和肺音幅度谱

4)为了进一步平滑分离结果，在网络输出层后附加一层时频掩蔽层，约束分离之后的心肺音频谱幅度之和，使其与分离前心肺音混合信号的频谱幅度相等，其中时频掩蔽定义如下：

mt代表时频掩蔽，f是频率，将mt(f)应用到混合信号的幅度谱xt来获得分离的心音幅度谱和肺音幅度谱

⊙表示哈达玛乘积。

5)损失函数：对比最终的分离输出和与输出目标y1t和y2t，通过最小平方误差来约束神经网络参数：

通过减小JMSE增加预测与目标之间的相似度。

作为优选，整个心肺音分离过程包括训练过程S1和分离过程S2：

训练过程S1为：

1)构造训练集：将右胸远离心脏的位置采集到的肺音作为干净的肺音；憋气，将左胸贴近心脏的位置采集到的心音作为干净的心音，采样率均为16kHz。将干净的心音和干净的肺音按照不同的功率比例([-40,-30,-20,-10,0,10,20,30,40]dB)进行混合得到心肺音混合信号；对该混合信号进行短时傅里叶变换生成混合信号幅度谱xt，其中，帧长是20ms～60ms，帧移是10ms～30ms；将干净的心音和肺音进行同样的短时傅里叶变换；每对训练数据由任意N帧连续心肺音混合信号的幅度谱xt及对应的干净心音的幅度谱y1t和干净的肺音幅度谱y2t组成，N为5～10。

2)训练：将xt作为特征输入训练模型，y1t和y2t作为对应的标签，进行训练，直至模型收敛，得到训练好的模型；

分离过程S2为：

信号采集单元采集的心肺音混合信号进行短时傅立叶变换生成幅度谱A和相位谱P，从幅度谱A中依次选取N帧连续信号输入至S1中训练好的模型，输出分离的心音幅度谱和肺音幅度谱和分别与相位谱P进行短时傅里叶逆变换，生成分离之后的心音时域信号和肺音时域信号。

本发明具有如下有益效果：

本听诊系统在分离心肺音信号，提高听诊质量上具有明显优势，采用时频掩蔽深度循环神经网络进行心肺音信号分离，可以有效对心肺音信号进行非线性去耦，心肺音在听诊时不会受到彼此的干扰；在听诊过程中，可以对心肺音信号进行专家标记存储，方便数据管理、后期查找；本听诊系统区别于一般听诊器，最终通过骨传导刺激听觉神经，可以有效避开外耳的空气传播路径，避免处理后的声音受到二次干扰，提高听诊质量。

附图说明

图1：本发明的结构框图；

图2：应用时频掩蔽深度循环神经网络进行心肺音信号分离的框架；

图3：深度循环神经网络结构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，实施例提供一种自动分离心肺音的骨传导式数字听诊系统，包括：

1)听诊头(1)，其一侧是振动膜，另一侧是钟形罩，在内部共振腔中心正对振动膜的位置安装一个微型驻极体麦克风；

2)信号采集单元(2)，驱动听诊头(1)内部的微型驻极体麦克风，将携带有声音信息的电流信号转换为电压信号并进一步转换为数字信号，具体步骤如下：

步骤1：使用反相跨阻放大器驱动微型麦克风，将电流信号转换为易于处理的电压信号，放大器的输入采用交流耦合；

步骤2：滤除带外噪声，使用截止频率为3KHz的二阶Sallen-Key型贝塞尔滤波器抑制高频噪声；

步骤3：使用Δ-Σ型16位ADC以16KHz的采样频率将滤波器输出的电压信号进行数字化。

3)心肺音信号分离单元(3)接收来自信号采集单元(2)的心肺音混合信号，采用时频掩蔽深度循环神经网络进行心肺音信号分离，

网络训练过程如下：

采集100位被试，每人重复采集3组干净的心音信号和肺音信号，每组持续10s，按9个等级的功率比([-40,-30,-20,-10,0,10,20,30,40]dB)进行混合，从每组混合信号中选取33段连续的5帧，共445500帧心肺音混合信号幅度谱及对应的干净的心音信号幅度谱和肺音信号幅度谱，作为训练集，对网络进行训练；

具体分离步骤参考图2，介绍如下：

步骤1:采样率为16kHz的心肺音混合信号经过短时傅里叶变换生成幅度谱A和相位谱P，其中短时傅里叶变换的帧长为60ms，帧移为30ms；将5帧连续幅度谱A输入时频掩蔽深度神经循环网络；

步骤2：通过3层深度循环神经网络，每层节点数量为512，采用ReLU函数激活，后经时频掩蔽层，生成心音幅度谱和肺音幅度谱

步骤3：将心音幅度谱和肺音幅度谱分别与相位谱P进行短时傅里叶逆变换，生成分离后的心音时域信号和肺音时域信号，根据用户界面中心肺音模式选择(51)提供的“心音模式”选项指令，将心音时域信号传递给后级的输出驱动单元。

4)输出驱动单元(6)，采用双声道16位DAC，采样率16kHz，将分离出的心音时域信号转换为模拟信号，并传输给双声道音频功率放大器，驱动后级的骨传导单元产生振动。

5)骨传导单元(7)，通过振动单元将电功率信号还原为声音信号，不同于传统入耳式听诊器，该声音信号不经过外耳耳道传输，而是直接施加于人耳前侧的颌骨，通过骨传导直接刺激听觉神经，从而进行听诊。

要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。