電子心音聽診器的可視化研究

李陽軍

（遵義師范學院 物理與電子科學學院 貴州 遵義 563002）

1 引言

聽診技術很早就已經廣泛應用于臨床醫學，例如：通過聽心音來判斷心律是否整齊、心臟瓣膜是否病變；通過聽肺的呼吸聲來檢查肺功能；通過聽腸道的蠕動聲、胎兒的心跳聲或是胃的活動聲音來判斷人體的腹部健康狀況[1-2]。本文研究對象是電子心音聽診器，不但能實現心音實時播放，同時還具備心音圖實時顯示的功能。

2 心音的產生機理

心音是心臟各部分本身以及各部分之間相互運動所產生的生理性聲音，總的來說，是指心臟、心血管系統機械運動產生的體現生理、病理方面信息的聲音。就目前臨床醫學而言，除了心音聽診，也已經逐步用心音圖作為檢測心腦血管疾病的一種診斷技術。心音圖是指用一定曲線來反應隨心臟搏動呈現出周期性的變化的生理性聲音，圖1為正常心音圖。

圖1 正常心音圖

一般而言，S1和S2強度較響，很容易被聽到。第一心音于心尖部聽診最為響亮，歷時較長(約為0.1s)，強度較響；第二心音于心底部位聽診最響亮，歷時較短(約為0.08s)，強度較S1稍弱。S3音調低鈍而重濁，強度較弱，歷時較短，因此一般都是從兒童身上被聽診到。S4始于心室舒張末期，頻率較低、振幅較小，歷時約為0.1s，但正常情況下，都不被聽到，更多是在心臟功能病變的情況下被聽到[3-5]。

3 心音采集系統硬件設計

3.1 總體設計

從功能上劃分，可將整個系統劃分為心音采集模塊、信號預處理模塊、主控模塊、顯示模塊四大部分。

3.2 心音傳感器的選取

就目前來看，心音信號的采集普遍還是通過心音傳感器來獲取。駐極體話筒（咪頭）體積小，結構簡單，頻帶范圍廣，響應曲線平直，靈敏度高，價格低，被廣泛用于錄音機及其他聲控電路。因此，本設計自制心音傳感器就是采用駐極體話筒與傳統聽診頭來改造。駐極體話筒一面是具有若干小孔的金屬電極，即背電極，另一面涂有金屬薄膜，金屬薄膜與背電極相對。兩面之間存在空氣隙，駐極體與空氣隙作為介質，金屬層與背電極構成兩個電極，就形成一個平行板電容器。當聲波以機械振動方式傳播時，駐極體薄膜因為振動產生位移，從而改變電容兩極板間的距離，引起C發生相應變化，而薄膜上的電荷數Q不變，由：

當駐極體電容C變化，Q不變時，電壓U則與電容構成反比例變化關系，完成聲信號到電信號的轉變。

3.3 預處理電路

通過前文所述的自制的心音傳感器采集到的心音電信號（MIC-IN）幅值較小，同時根據LM358具有獨立運放，設計了如圖2的放大電路。

圖2 放大電路

此電路包含了低通濾波器及同向放大器。低通濾波器將信號頻率限制在300HZ以下輸入單片機，而同向放大器，將前級與后級隔離后輸入音頻功放。經過放大的心音信號，即圖2中的1腳輸出，我們將其送入功率放大模塊，如圖3，這樣我們保留了傳統聽診器的聽診功能。TDA1308是AB類的數字音頻(CD)專用耳機功放IC，其具有低電壓、低失真、高速率、強輸出等優異的性能。按照圖3設計，我們只需在OUT輸出端連上合適的耳機，就能聽到心音采集模塊采集的心音信號。

圖3 功率放大電路

4 軟件部分設計

我們首先通過數據采集模塊將心跳的模擬數據送至運算放大器模塊放大。然后經ADC轉換器將模擬的心音波形轉換為數字信號。單片機的處理后，建立緩存，把采集到連續的數字信號存儲到緩存中；同時通過單片機使用UCOSII+GUI3.98建立LCD的液晶圖形界面。程序中還需計算出心率等有關數據，并不斷刷新。在單片機中建立FATS文件系統，創建文本，將采集的數據按指定格式存儲到文本中。最終可通過觸摸屏可以對通過顯示的各種控制按鈕控制相關的功能。

對設計的電子聽診器進行結果檢測，選擇人體的心臟進行聽診，電源只需采用的USB接口即可。通過測試，可以從耳機處聽到被測試者的心音信號，同時LCD12864上實時記錄了被測試者的心音圖像，包括心率，更重要的是，還可以保存心音數據，以備后期讀取。

5 結語

本文基于STM32F103V8T6單片機設計了一款低功耗而又簡單實用的電子心音聽診器，實現了對心音的采集、播放、實時顯示、存儲和分析。整個設計中，綜合運用了傳感器知識、電路分析、信號處理以及單片機控制等相關知識。在綜合運用專業知識能力訓練上取得了很好的效果，同時也帶動和提高了學生參與科研的積極性。后續研究中，我們可以進一步實現信號的藍牙傳輸、遠程診斷，或是將此應用植入手機應用系統，取得更好的應用效果。

[1]劉娟，趙治棟.基于心音信號譜分析的身份特征提取算法[J].杭州電子科技大學學報，2010，04：181-185.

[2]王皓，孫成祥，姚榮斌，丁紅星.便攜式無線電聽診器的研究[J].內江科技，2013，06：88.

[3]趙志強，田璀，曾垂省.次聲信號采集系統的設計與實現[J].自動化與儀器儀表，2009，06：114-115+117.

[4]黃振江.基于Android的智能心音看診系統的研究[D].南京郵電大學，2011：1-4.

[5]李戰明，韓陽，韋哲.心音信號時頻分析方法研究[J].中國醫學裝備，2012，06：1-4.