一種新型心音檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

【作 者】陳剛，葉繼倫, ，張旭, ，陳蘋

1 深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，深圳市，518060

2 廣東省生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)與超聲成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳市，518060

3 深圳市生物醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳市，518060

0 引言

2017年6月，《中國(guó)心血管病報(bào)告2016》發(fā)布，報(bào)告概要刊登于中國(guó)循環(huán)雜志。目前，心血管病死亡占城鄉(xiāng)居民總死亡原因的首位，農(nóng)村為45.01%，城市為42.61%。我國(guó)心血管病危險(xiǎn)因素流行趨勢(shì)明顯，導(dǎo)致了心血管病的發(fā)病人數(shù)增加。今后10年心血管病患病人數(shù)仍將快速增長(zhǎng)[1]。

心音信號(hào)是人體最重要的生理信號(hào)之一，是醫(yī)生評(píng)估心臟功能狀態(tài)的有效手段。也是評(píng)估心血管疾病、心瓣膜病、先天性心臟病和心率失常的重要手段。傳統(tǒng)的聽(tīng)診器聽(tīng)診心音往往難以捕捉到人體內(nèi)部臟器發(fā)出的一些微弱但卻非常重要的心音分量，可能致使醫(yī)生無(wú)法及時(shí)做出準(zhǔn)確的診斷，診斷依據(jù)更多依賴于醫(yī)師的主觀經(jīng)驗(yàn)，所以傳統(tǒng)聽(tīng)診器的準(zhǔn)確性和重復(fù)性等存在很大的不足。因此，本文在傳統(tǒng)聽(tīng)診器的原理基礎(chǔ)之上，以及伴隨幾十年來(lái)傳感器、單片機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，研制一種數(shù)字式的心音信號(hào)采集裝置。其能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)聽(tīng)診的功能，還可以在心音信號(hào)的時(shí)域和頻域上進(jìn)行評(píng)估，有助于得到有效的診斷信號(hào)，達(dá)到研究目的。

1 心音檢測(cè)原理與方案設(shè)計(jì)

1.1 心音檢測(cè)原理

心音是由心肌收縮，心臟瓣膜關(guān)閉和血液撞擊心室壁大動(dòng)脈壁等引起的振動(dòng)所產(chǎn)生的聲音。每一心動(dòng)周期可產(chǎn)生四個(gè)心音，一般均能聽(tīng)到的是第一心音和第二心音。第一心音與第二心音的時(shí)間間隔稱為心臟收縮期，第二心音和下一心動(dòng)周期的第一心音的時(shí)間隔稱為心臟舒張期[2]。心音可聽(tīng)頻段主要集中在20～600 Hz，本文就是利用壓電薄膜傳感器，將心肌收縮，心臟瓣膜關(guān)閉和血液撞擊心室壁大動(dòng)脈壁等引起的振動(dòng)，轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，便于后面的放大、濾波等處理。

1.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

本心音采集系統(tǒng)主要是由壓電薄膜心音傳感器、模擬信號(hào)處理模塊、音頻AD模塊、功放模塊、主控模塊、電源模塊和通信模塊組成等組成。系統(tǒng)整體功能框圖如圖1所示。

圖1 心音采集系統(tǒng)功能框圖Fig.1 Functional block diagram of heart sound acquisition system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 心音傳感器電路

心音是人體的一種微弱的生物特征信號(hào)，極容易受到各種因素干擾。它具有信號(hào)微弱、頻率成分復(fù)雜、易受干擾等特點(diǎn)。所以說(shuō)心音的前端采集和處理是本系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)之一就是心音的拾取，也就是選擇合適的心音傳感器。本系統(tǒng)使用了自帶高通頻率響應(yīng)的Contact Microphone CM-01B S61025作為傳感器，這是一款壓電薄膜傳感器，可獲取頻率10 Hz以上的信號(hào)，而且具有很高的靈敏度。圖2是此傳感器的頻率響應(yīng)曲線圖，從圖中我們可以清晰看出它在10 Hz以上的頻率響應(yīng)曲線非常平穩(wěn)，所以從頻率特性和靈敏度等特點(diǎn)上，它都能夠滿足本系統(tǒng)的要求。

圖2 頻率響應(yīng)曲線圖Fig.2 Frequency response curve

2.2 前級(jí)放大電路

系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)之二就是系統(tǒng)的信號(hào)處理模塊，由于傳感器獲得的電壓源信號(hào)微弱，同時(shí)信號(hào)中還伴有輸入噪聲。根據(jù)心音的特點(diǎn)，一般有用的信號(hào)主要集中在20～600 Hz之間，所以系統(tǒng)需要對(duì)傳感器獲得的信號(hào)進(jìn)行放大和濾波的處理。對(duì)于人體信號(hào)的前級(jí)，要求具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低飄移等特性的放大。因此，系統(tǒng)選擇了TI公司的OPA2335精密運(yùn)算放大器。它的共模抑制比可以達(dá)到130 dB以上，最大飄移為0.05 μV/℃，失調(diào)電壓大約在5 μV左右。由于運(yùn)放采用的是單電源供電方式，為了避免信號(hào)失真，系統(tǒng)在前端進(jìn)行了直流偏置，一級(jí)放大倍數(shù)為10倍，二級(jí)放大倍數(shù)為20倍，它的整體電路如圖3所示。

圖3 前級(jí)放大電路Fig.3 The fi rst stage amplif i er circuit

2.3 低通濾波電路

因?yàn)閭鞲衅鞯谋旧硖匦裕敵鲈?0 Hz以上，系統(tǒng)只需要在放大后進(jìn)行一個(gè)低通濾波電路的設(shè)計(jì)。本文采用的是二級(jí)低通濾波電路,截止頻率大概在650 Hz左右，電路如圖4所示。

圖4 二階低通濾波電路Fig.4 Two order low pass fi lter circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)軟件設(shè)置方面，主要包括各模塊的硬件初始化。包括定時(shí)中斷、串口、GPIO口等。還有就是對(duì)音頻AD的驅(qū)動(dòng)控制，系統(tǒng)通過(guò)心音信號(hào)的頻率，用定時(shí)器去控制采樣率，讀取音頻AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)。將信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，并且打包成數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行上發(fā)。軟件流程圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果

在測(cè)試過(guò)程中，將傳感器的拾取點(diǎn)位置貼在測(cè)試者的聽(tīng)診部位。通過(guò)信號(hào)的強(qiáng)弱控制合適的增益，然后采樣AD值，將信號(hào)進(jìn)行一個(gè)數(shù)字處理進(jìn)行上發(fā)。在PC機(jī)端，可以清楚地觀測(cè)到測(cè)試者的第一心音和第二心音，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Software fl ow pattern

圖6 心音測(cè)試圖Fig.6 Heart sound test chart

老式聽(tīng)診器作為聽(tīng)診心肺音的金標(biāo)準(zhǔn)，本文的數(shù)字聽(tīng)診器在滿足老式聽(tīng)診器的實(shí)時(shí)聽(tīng)診器的要求下，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)心肺音信號(hào)時(shí)頻特性的分析。本文與老式聽(tīng)診器的重要參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 聽(tīng)診器特性對(duì)比表Tab.1 Characteristic contrast table of stethoscope

由于老式聽(tīng)診器能夠聽(tīng)到的心肺音信號(hào)頻寬在20～1 500 Hz之間，采用的是傳統(tǒng)聲學(xué)的方式。本文采用的新型傳感器頻寬范圍足以滿足傳統(tǒng)的聽(tīng)診要求，而且高速的音頻AD采樣率可以達(dá)到8 000 Hz，滿足奈奎斯特采樣原理，可以保證本文采樣的聲音信號(hào)不失真。

5 結(jié)論

本文是用高靈敏度的壓電薄膜麥克風(fēng)色設(shè)計(jì)的一款微型數(shù)字心音檢測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)心音信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)聽(tīng)診、動(dòng)態(tài)顯示等功能。解決了傳統(tǒng)聽(tīng)診器不能看心音圖的缺陷，而且體積小、便于攜帶，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，有廣泛的臨床應(yīng)用前景，也為推動(dòng)電子聽(tīng)診技術(shù)的發(fā)展提供一個(gè)參考。

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