心音采集電子綜合實驗項目設計與實現

周立青， 胡 爽， 瞿修遠， 陳小橋， 王 琦(武漢大學 電子信息學院， 湖北 武漢 430072)

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·實驗教學與創新·

心音采集電子綜合實驗項目設計與實現

周立青， 胡 爽， 瞿修遠， 陳小橋， 王 琦
(武漢大學 電子信息學院， 湖北 武漢 430072)

面對目前高等教育中實驗教學跨課程綜合環節教學缺失的問題，提出了建設跨課程、跨學期的綜合性實驗課程的思想。采用心音采集作為示范項目，綜合應用了信號傳感、電路技術、微處理器技術以及簡單的數字信號處理和控制原理等相關知識，以MSP430F6638微處理器為控制核心實現了對微弱心音信號的采集、存儲、顯示和傳輸。實驗結果表明采集的心音信號能夠清晰的顯示出第一心音和第二心音。

電子聽診器； 心音信號； 心音信號檢測； 心音圖

0 引 言

隨著實驗教學改革的不斷深入，在實驗課程體系和實驗課程內容建設方面取得顯著的成果，例如電路設計、計算機原理、數字信號處理、通信技術等電子類專業核心課程的實驗項目日漸完善，對培養學生的專業技能方面取得了不錯的效果[1]。然而由于課程學時、課程內容銜接等問題的限制，目前大部分的實驗項目仍然集中在單一課程內部進行，如楊磊等設計了關于電阻噪聲測量的實驗項目[2]，胡小玲等設計了關于低功耗單片機的實驗裝置[3]等，這些研究基于某一門課程的知識點進行了有效的總結和嘗試，取得了不錯的效果。也有部分教學研究如王杰人設計的基于嵌入式的電子琴[4]、楊智明人提出了便攜式數字信號處理課程實驗教學平臺設計[5]等針對數字信號處理與電路、微處理器進行結合展開嘗試，但仍然偏向于數字信號處理，其他課程設計的內容只是作了解性介紹。在跨課程、跨學期的開展綜合型實驗訓練，真正按照一個電子系統設計的模式來開展實驗教學方面的嘗試還比較少。武漢大學電子綜合設計課程組在總結十幾年電子競賽培訓經驗基礎上，開設了以電子系統設計為課程主線的電子系統綜合設計課程，課程將實際電子系統設計的內容分解到不同的課程和學期中來完成，開展了跨課程、跨學期實驗教學模式的探索，讓學生綜合應用不同的專業課程知識和技能，按照實際項目需求制定方案并整合各種課內外知識開展設計，取得不錯的實際效果[6-7]。心音采集系統就是其中的一個典型項目，它綜合了傳感技術、電子線路、單片機、數字電路以及信號處理等專業課程知識，來實現可用于測量自己心音的簡易醫療設備，深受學生歡迎也吸引很多學生投入大量的課外時間進行實驗。同時該實驗項目還可繼續開展數字信號處理、模式識別、數據融合等后續課程知識的學習甚至開展研究性工作，具有非常突出的趣味性、綜合性、創新性和擴展性。

1 心音檢測原理及采集系統結構

1.1 心音特征及聽診原理

目前已發現的正常心音有4個，其發生機理如下：① 第一心音(55～58 Hz): 音調低主要是心室收縮開始時二尖瓣、三尖瓣驟然關閉時的震動所產生。此外，心室肌收縮、心房收縮的終末部分、半月瓣開放以及血流沖入大血管等所產生的震動，均參與第一心音的形成。② 第二心音(62 Hz)：主要是心室舒張開始時肺動脈瓣和主動脈瓣關閉的震動所產生的。此外的馳緩、大血管內血流以及二尖瓣、三尖瓣開放等所產生的震動，亦參與第二心音形成。③ 第三心音：在心室舒張早期，血液自心房急速流入心室，使心室壁(包括乳頭肌和腱索)產生震動所致。④ 第四心音：是由心房收縮的震動所產生的。此音很弱，一般不易聽到[8]。

隨著環境問題、食品安全、生活習慣改變等因素的影響，近50年來不論在農村或城市，心腦血管疾病的發病率和死亡率均呈上升趨勢[9]。各類心血管疾病的發病率逐年提高，高血壓性心臟病、心肌冠心病、風心病、心肌炎、心律失常、慢性肺心病和心包炎等各類疾病成為影響國民健康的重要病源。聲音聽診作為較早用于檢查心臟、肺、呼吸等生理特征的診斷手段至今仍是最基礎、最常用、最方便的診斷方式之一，它采用聲學傳播特性將人體內部聲音信息傳輸至入耳處供醫生診斷[10]。隨著心音聽診設備的進步和數字化的發展，使其成為家庭診斷和社區診斷的有效手段。

心音聽診用于心臟疾病診斷有著顯著地優點、它操作方便，對環境和設備要求低、無創傷。但同時由于心音聽診主要依靠心音的特征和異常來判斷心臟的生理情況，因此對醫生的經驗和專業技能要求很高，經驗豐富的醫生才能敏銳地發現心音的異常[11]。本文采用微處理器技術實現心音信號的采集、處理、存儲和顯示，將微弱的心音信號轉化為屏幕顯示的心音波形供醫生和患者觀察和回看，一些異常心音可以通過回放非常清晰的顯示，更加方便醫生進行診斷。同時，由于實現了心音存儲功能，可以長時間記錄心音活動，對醫生分析一些間歇性和偶發性心臟疾病非常有幫助。本系統的另一優勢是可以將低頻信息采用屏幕顯示的方式展現出來，這使得以往由于人耳聽覺靈敏度的限制而無法感知的低頻信息得以獲取。

1.2 心音采集系統結構

心音信號的頻率成份是系統設計的關鍵依據，研究發現第一心音S1的頻率成份主要集中在50～150 Hz以內，第二心音S2的頻率成份主要集中在50～200 Hz以內。也有的心音圖醫學書籍中記錄S1、S2 的頻譜分布是50～ 100 Hz，一般研究認為整個心音的有用頻率成分在600 Hz以下[12]。

針對心音的頻譜特征，為保證信號的完整采樣，本設計將信號采樣頻率設置在8 KSPS，采樣精度12 bit。同時人體聲音本來就是非常微弱的信號，由于一些疾病會導致部分器官的聲音與正常聲音之間區別就更加細微，想要捕捉有效的診斷信息必須實現對心音的高精度采樣。在整個系統中首先采用一般的聽診頭實現將心音信號傳導到橡皮導管中，在橡皮導管的末端使用高靈敏度拾音器實現聲電轉換。然后采用精密小信號儀表放大器電路搭建模擬前端小信號放大器，將微弱信號進行放大。再經過截止頻率為600 Hz的模擬低通濾波器，濾除信號中的高頻干擾信號。隨后通過壓控放大器將信號放大到AD采樣的有效范圍內，以提高信號的采樣精度，壓控增益放大器的增益控制電壓由MCU根據AD的采樣值來控制產生。采集到的信號同時實現屏幕顯示、存儲和聲音放大輸出，同時也可以通過USB口輸出至PC或者其他終端。

2 系統硬件電路設計

在系統具體實現中，選擇TI公司的超低功耗單片機MSP430F6638作為主控單元，該芯片除了具有一般微控制器的控制和接口功能外，同時還集成了16通道12 bit的片上AD轉換模塊，雙路12 bit的DA轉換模塊，USB接口控制器等資源[13]，可以滿足本設計對采樣速率和精度、控制輸出和數據傳輸的需求。采用MSP430F6638后系統框圖如圖2所示。

圖2 基于MSP430F6638的心音采集系統框圖

2.1 心音傳感電路

心音信號是一種微弱生物信號，容易受到人體諸多因素的影響，通常情況下，心音信號具有信號弱、噪聲強、頻率成分復雜、隨機性強等特點。心音傳感部分是心音采集系統的一級傳感器，它的信號轉換精度直接決定系統能夠達到的最高精度。在心動周期中，由心肌收縮和舒張，瓣膜啟閉，血流沖擊心室壁和大動脈等因素引起的機械振動，并通過周圍組織傳到胸壁而產生微弱信號。心音傳感器就是檢測這一微弱信號并將其轉換為電信號，以供后期信號放大和處理。心音傳感器的類型主要包括空氣傳導式、接觸傳導式和加速度式等種類，我們這里選擇使用最廣泛的空氣傳導式心音傳感器，采用標準聽診頭感知胸壁傳遞出的音波，然后由橡皮管聯通至高靈敏度的拾音器，通過拾音器上膜片的震動產生與心音強度成比例的輸出信號。圖3時拾音器采集的原始心音信號輸出，可見采集到的信號噪聲很大，基本上和有用信號的幅度相當，但是噪聲頻率明顯較高，可以通過后續的信號處理提取出有效的心音信號。

圖3 拾音器采集的原始心音信號

2.2 前級小信號放大電路

前置放大電路也是檢測系統的重要單元，它直接用于將拾音器傳感輸出的微弱電信號進行放大。因此它必須具有高輸入阻抗和低輸出阻抗特性，以滿足阻抗變換要求，有效放大信號，并具有溫飄低、共模抑制比高等特點，以便盡可能的抑制和減少引入噪聲。因此我們選擇TI公司的精密低功耗儀表放大器IN129作為我們的前級放大芯片。該芯片具有高精度、低噪聲、低功耗等特性，最大失調電壓為50 μV，失調漂移最大值為0.5 μV/°C，共模抑制比120 dB以上，最低工作電壓地址2.25 V，靜態電流只有700 μA[14]，非常適合用于低功耗便攜式設備。同時INA129電路簡單，通過1腳和8腳間的一個外接電阻RG，即可確定電路增益G。增益計算式為：G=49.4 kΩ/RG+1，實際電路中用50 kΩ電位器調試。

圖4 語音信號放大電路圖

2.3 低通濾波電路

考慮到心音信號的有效成份主要集中在600 Hz以下的頻率范圍，因此在信號采集系統中設計一個600 Hz的低通濾波器，以濾除頻帶外的干擾信號。如圖5所示，設計中采用兩級二階巴特沃斯低通濾波器級聯以實現對帶外信號的抑制。圖6為該電路在Multisim中的仿真結果，3 dB截止頻率為600 Hz。

圖5 兩級二階巴特沃斯低通濾波器

2.4 MSP430F6638控制單元

系統選擇TI公司的低功耗16 bit控制器MSP430F6638作為主控單元，在3 V供電以及8 MHz主頻的工作模式下，功耗僅為270 μA/MHz。該控制器集成了豐富的IO資源、定時器、中斷以及通信接口。更為重要的是該處理器內部集成了ADC、DAC以及USB控制器，這三個資源都是系統設計不可缺少的重要資源。其中16通道的ADC采樣精度達12 bit，最高采樣速率可達200KSPS，足夠滿足系統需求。同時內部自帶參考電壓發生器，可選擇產生1.5、2.5 V等參考電壓，也可外接參考電壓，方便系統使用。兩通道12 bit的DAC是完全獨立的兩個DA模塊，正好用于心音信號放大控制電壓輸出和心音的回放。USB控制器可以將采樣數據傳輸至PC或者其他終端供后續分析和處理使用。

圖6 兩級二階巴特沃斯低通濾波器

2.5 心音回放電路

回放的心音信號需要用到喇叭外放后者輸出到耳機，本系統增加了外放功能。前端放大器采用通用型的音頻功率放大器LM386來完成。電路如圖7，該電路的增益為50～200倍連續可調，增益由R1，R2控制輸出端接R3，C4串聯電路，以校正喇叭的頻率特性，防止高頻自激。腳7接110 μf去耦電容，以消除低頻自激。為了便于該功放在高增益的情況下工作，將不使用的輸入端腳2對地短路。

圖7 心音信號回放功率放大電路

3 系統軟件設計

在系統控制軟件設計方面，主要包括采樣控制、采樣增益控制、數據存儲與顯示、數據傳輸等模塊。MSP430F6638首先對AD采樣通道、采樣模式、采樣速率進行設置，設置為單一通道循環采樣模式，采樣時鐘設置為8 kHz，參考電壓2.5 V，并開辟出專門的采樣區用于臨時存放采樣數據。在采樣數據更新的情況下，經過統計計算出數據的有效范圍，然后根據此范圍計算反饋增益。因設置AD的采樣基準電壓為2.5 V，因此前向通道輸入到AD輸入端的電壓峰峰值保持在1.5 V左右，充分利用AD的有效精度區域。采用128×64點的液晶對心率進行顯示，從數據區中近3秒鐘即24 K個點的數據中抽取出128個點(每192個點抽取一個)，將此128個點的值顯示在液晶上實現心率刷新。圖8所示為心音采集系統的主程序流程圖。

4 心音采集系統測試

對設計的心音采集系統進行測試，選擇離散分布的心臟、心臟上方、胸窩、胃部和肋骨等5處采集健康人體的心音信息，采集位置如圖9所示。分別記錄原始傳感器輸出信號和放大、濾波等處理后的信號，如圖10所示。

圖8 心音采集系統軟件流程

圖9 心音采集位置示意圖

圖10 各個區域采集到的心音信號

測試結果表明，在圖10(b)心臟區域亦即醫學上的“主動脈瓣第二聽診區”采集的信號強度最大，第一心音和第二心音非常清晰，其他幾個區域信號強度相對較低，但也基本能夠分辨出第一心音和第二心音，但同時間雜別的器官聲音。采集信號的噪音幅度在各個區域基本相同，沒有明顯的差異。所有區域的心音均很難分辨出第三心音。需要進一步進行數字信號處理才有可能得到相關信息。

5 結 語

本設計基于MSP430F6638微處理器設計了一款低功耗心音采集系統，實現了對微弱心音信號的采集、存儲、顯示和傳輸。系統設計中綜合應用了信號傳感、電路技術、微處理器技術以及簡單的數字信號處理和控制原理等相關知識，在綜合應用跨課程知識開展設計方面開展了有益的嘗試，經過在武漢大學“電子系統綜合設計”跨學期課程的實施，對學生貫通專業知識體系取得了明顯的效果，同時對增強學生的專業信心和興趣也起到了意外的效果。在此基礎上，還可以繼續開展數字信號處理相關實驗以實現心率測量、畸變檢測等功能[15-16]，可以實現更多課程知識的融合。

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Integrated Experiment Design and Implementation of Heart Sound Sampling System

ZHOULi-qing,HUShuang,QUXiu-yuan,ChenXiao-qiao,WANGQi
(School of Electronic Information， Wuhan University， Wuhan 430072， China)

In this paper, a cross-course and cross-term experiment course is designed to enhance the integrated design capability of using multi-course knowledge and technique. The heart sound sampling system, which needs a combination of signal sensing, circuitry technique, microcontroller as well as digital signal processing while implementation, is design as a demonstration project of the course. The heart sound sensing, sampling, storing, displaying and transmitting are achieved based on the control of microcontroller MSP430F6638. The experiment results show that heart sounds sampled contain with purified first heart sound and second heart sound.

electric stethoscope; heart sound signals; heart sound signals detection; PCG

2014-04-03

國家自然科學基金項目(61271400，61371198)； 湖北省高等學校省級教學研究項目(2012015)； 武漢大學實驗教學中心開放實驗項目(201403)

周立青(1981-)，男，江蘇淮安人，博士，實驗師，電子信息學院實驗中心副主任，主要研究方向為高速信號采集與處理。

Tel.:15902795559; E-mail:zlq@whu.edu.cn

TP 273

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1006-7167(2015)02-0155-05