ECM和MEMS技术在心肺声学监测中的应用

心肺疾病是全球范围内导致死亡的主要原因。因此，对这些疾病迹象的准确和快速评估对于为患者提供适当的医疗保健至关重要。心血管疾病最重要的迹象之一是心脏周期的异常。大多数呼吸系统疾病则表现为呼吸周期的异常。有多种方法可以监测心脏和肺部的周期。听诊是监测患者健康状况的最重要的诊断方法之一。

人体器官产生的声学信号通过组织传播并到达体表。这些声学信号极其微弱，但包含了大量的与健康相关的信息。为了更好地捕捉这些微弱的声学信号，Rene Laennec发明了机械听诊器。技术的进步揭示了机械听诊器并非最佳选择。因此，3M公司发明了电子听诊器，它通过传感器将声波转换为电信号，然后放大它们以改善结果。

在本文中首先介绍了心肺的声学特性，然后讨论了ECM、MEMS、JFET和压电效应的工作原理。最后介绍并比较利用ECM和MEMS技术的现代心肺听诊传感器。

1 心肺的声学特性

1.1 心脏循环和心音

1.1.1 心脏结构

心脏由四个腔室组成，分别是左心房、左心室、右心房和右心室。心脏内部有四个瓣膜，分别是二尖瓣、三尖瓣、主动脉瓣和肺动脉瓣，它们控制着血液的单向流动。

1.1.2 心脏周期

心脏周期指的是心房和心室的同步活动。它被分为舒张期（心脏放松）和收缩期（心脏收缩）两个阶段。

舒张期：心脏放松，血液流入心脏。
收缩期：心脏收缩，血液泵出心脏。

1.1.3 心音

心脏瓣膜的关闭会产生声音，这些声音被称为心音。正常的心音包括第一心音 (S1) 和第二心音 (S2)。

第一心音 (S1)：由二尖瓣和三尖瓣关闭产生，标志着心脏收缩的开始。
第二心音 (S2)：由主动脉瓣和肺动脉瓣关闭产生，标志着心脏收缩的结束。
异常心音：除了 S1 和 S2 之外，还可能存在异常心音，例如第三心音 (S3) 和第四心音 (S4)，以及心脏杂音。这些异常心音可能与心脏疾病有关。
S1和S2出现在50至500赫兹的频率范围内，而S3和S4发生在20至200赫兹之间。

1.2 呼吸循环和肺音

呼吸周期由两个阶段组成：吸气和呼气阶段，分别是吸入环境空气和呼出二氧化碳。肺部在吸气时扩张，在呼气时放松。横膈膜和肋骨间的肋间肌肉在吸气时积极地使肺部扩张。在所有生命体征中，包括体温、血压、心律和呼吸率，只有呼吸率可以有意识地控制。正常情况下，成年人每分钟呼吸16至20次。呼吸频率低于16次/分钟称为呼吸过缓，而呼吸频率超过20次/分钟则称为呼吸急促或快速呼吸。

肺部声音可以分为三种类型：呼吸声、语音共振声和异常呼吸声。

呼吸声是在呼吸过程中由肺部产生的，可以在胸部区域听到。呼气阶段通常音调较低，而吸气成分则音调较高且持续时间较长。
异常呼吸声是意外的肺部声音，如湿啰音和喘鸣音。湿啰音是由异常闭合的气道突然打开和关闭引起的不连续、爆炸性声音，频率范围在60赫兹到2千赫兹之间。喘鸣音是由气道因支气管阻塞而收缩产生的连续声音，通常频率范围在100到1000赫兹之间。
语音共振声起源于喉部而不是肺部。在正常人中，由于肺组织过滤效果，胸部壁上的语音在听诊时是不清楚的。然而，在肺部实变（支气管语音）的情况下，衰减较少，声音在胸部壁上听得更清楚。

1.3 心肺声学信号的特点

心肺声学信号通常非常微弱，但包含丰富的健康信息。
心音和肺音的频率范围不同，心音主要在 50-500 Hz 范围内，肺音主要在 20-2000 Hz 范围内。
心音和肺音的强度和持续时间也各不相同，如第一心音：音调较低、持续时间较长、约为0.10～0.12秒；第二心音：音调较高、持续时间较短、约为0.08～0.10秒。

2 听诊器的演变和最新进展

2.1 机械听诊器 (1816年)

发明者：仁内·雷奈克 (Rene Laennec)
原理：利用共鸣原理放大声音，通过一个长管将声音传导到医生的耳朵。
局限性：易受环境噪声干扰，且无法放大声音。

2.2 电子听诊器 (20世纪50年代)

原理：将声音转换为电信号，并进行放大和滤波，提高声音清晰度。
优势：克服了机械听诊器的局限性，提高了声音清晰度。
局限性：体积较大，不便携带。

2.3 数字听诊器 (20世纪90年代)

原理：将声音信号数字化，并利用计算机进行处理和分析。
优势：实现了声音信号的存储、回放和分析，提高了诊断效率。
局限性：体积仍然较大，且价格昂贵。

2.4 可穿戴听诊器 (近年来)

原理：基于MEMS技术，实现小型化和便携性，并集成人工智能算法进行自动诊断。
优势：方便长期监测，提高诊断效率和准确性。
局限性：仍然存在环境噪声干扰和成本问题。

3 基于电容式传声器（ECM）的心肺声学传感器

电容器麦克风由两个平行板组成，形成一个电容器，它可以将其板间距离的变化线性转换为电压。在大多数电容麦克风中，使用了一个硅振膜。当声波振动振膜时，板间变化的间隙改变了电容，产生一个电信号。然后这个信号被放大以解释其声学信息。

3.1 工作原理

声音捕捉： ECM 传感器被放置在胸部，用于捕捉心脏和肺部的声音信号。
信号转换：声音信号被 ECM 转换为电信号。
信号放大：电信号经过放大，以便进行进一步的处理和分析。
信号分析：信号分析软件可以对信号进行频谱分析、时域分析等，以提取心脏和肺部的特征信息。
诊断：通过分析心脏和肺部的特征信息，可以诊断心脏和肺部疾病，例如心脏病、肺部感染等。

3.2 ECM 传感器的优势

低成本： ECM 传感器的制造成本较低，使其成为可穿戴设备的理想选择。
小型化： ECM 传感器可以制成小型化，方便携带和使用。
良好的频率响应： ECM 传感器通常具有良好的频率响应，可以捕捉到心脏和肺部的各种声音。
高灵敏度： ECM 传感器对声音的灵敏度较高，可以捕捉到微弱的心脏和肺部声音。
易于集成： ECM 传感器可以容易地集成到可穿戴设备中，例如智能手表、健康监测器等。

3.3 基于 ECM 的心肺声学传感器的研究进展

3.3.1 基于SONY ECM麦克风的心脏声音监测系统

尽管傅里叶变换方法在声学信号处理中广泛使用，但小波变换提供了比短时傅里叶变换（STFT）更优越的时间-频率分辨率。M.V. Shervegar等人开发的心脏声音监测系统，该系统采用带有SONY ECM麦克风的电子胸件、前置放大器电路以及PC或笔记本电脑进行信号处理。系统采用特定的喇叭，以在20Hz至1000Hz的频率范围内均匀捕获声音，并在前置放大器中使用超低噪声LT1115CN8 IC进行显著的声音放大。记录的PCG信号以.wav格式存储，并在MATLAB中进行处理，应用过滤和小波分析来识别关键的心脏声音特征，如S1和S2峰值。这个易于使用的系统旨在为昂贵的数字听诊器提供替代品。

3.3.2 基于电介质麦克风（CZN-15E）的心脏监测

M. A. A. Hamid等人提出了一个低成本系统，用于记录和监测心脏声音信号。该系统采用电介质麦克风（CZN-15E）和放大器（NE5534P）来捕获和放大心脏声音。然后，这些声音通过插孔连接器传输到计算机，在那里它们从模拟信号转换为数字信号并进行去噪。实验观察到S1和S2峰值，证明了系统在捕获详细的心脏声学方面的有效性。