多導(dǎo)聯(lián)心電心音同步智能聽(tīng)診器設(shè)計(jì)*

蘆夜召，郭 珈，張利平，張會(huì)新*，趙凱明

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051；2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051；3.91550 部隊(duì)，遼寧 大連116018；4.北京遙測(cè)技術(shù)研究所，北京100076)

近年來(lái)，心血管疾病成為影響人類(lèi)健康的主要疾病之一，隨著社會(huì)的進(jìn)步該病的發(fā)病率呈逐年上升的趨勢(shì)，控制其增長(zhǎng)速度成為全球醫(yī)務(wù)工作者的主要任務(wù)。 心電圖技術(shù)為心血管疾病診斷的基石，心音聽(tīng)診亦不能孤立進(jìn)行。 傳統(tǒng)聲學(xué)聽(tīng)診器存在著低頻響應(yīng)差，聽(tīng)診靈敏度低，對(duì)復(fù)雜心音癥狀響應(yīng)不佳；醫(yī)生利用傳統(tǒng)聲學(xué)聽(tīng)診器聽(tīng)診，需要擁有純熟的聽(tīng)診技能和豐富的臨床閱歷；傳統(tǒng)聲學(xué)聽(tīng)診器的聽(tīng)診音不能保存、共享。 目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的電子聽(tīng)診器僅能實(shí)現(xiàn)單純的心音聽(tīng)診，沒(méi)有同步顯示回放心電信號(hào)的功能；并且市場(chǎng)上的心電圖儀大多為三導(dǎo)聯(lián)或者六導(dǎo)聯(lián)，很少有十二導(dǎo)聯(lián)心電圖儀。 如能將心音和心電圖同步記錄，二者強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，視聽(tīng)結(jié)合，將能極大地提高醫(yī)生的聽(tīng)診準(zhǔn)確率。 因此需要研制一種可以同步監(jiān)測(cè)記錄心電心音的聽(tīng)診器。

本文研制了一種心電心音同步實(shí)時(shí)采集、能長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)使用、體積小、靈敏度高、穿戴方便的多功能的心電心音同步智能聽(tīng)診器[1]。 從輸出波形的相互關(guān)系中，不僅能更好地診斷心音和雜音，而且能更好地反映心血管系統(tǒng)的血液動(dòng)力學(xué)及電機(jī)械活動(dòng)等改變，為了解受檢者的心血管病理生理、心臟功能，提供更多的參數(shù)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文在市場(chǎng)現(xiàn)有的心電圖的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套集成5 個(gè)MEMS 心音檢測(cè)探頭[2-3]與標(biāo)準(zhǔn)12 導(dǎo)聯(lián)心電圖采集的同步采集測(cè)試儀[4]。 系統(tǒng)整體框圖如圖1。 多導(dǎo)聯(lián)心電心音同步監(jiān)測(cè)儀是指實(shí)時(shí)同步記錄12 路心電信號(hào)和5 路心音信號(hào)的心電心音監(jiān)測(cè)設(shè)備。 相比于以前的單導(dǎo)或者三導(dǎo)，多導(dǎo)聯(lián)可選擇的導(dǎo)聯(lián)更多，計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成的模塊也多，精確度也越高。 心電心音監(jiān)測(cè)儀有很大優(yōu)勢(shì):記錄心電圖各波段清晰不失真，測(cè)量數(shù)據(jù)精度更高。

當(dāng)聽(tīng)診器前段采集到聲音信號(hào)后，該聲音信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬放大、濾波、AD 轉(zhuǎn)換后傳給DSP 芯片。DSP 芯片在高速外部存儲(chǔ)的協(xié)助下處理采集回來(lái)的數(shù)據(jù)，并最終將信息顯示在屏幕上。

圖1 心電心音信號(hào)同步采集系統(tǒng)集成

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 心音采集模塊

心臟瓣膜和大血管在血流沖擊下形成振動(dòng)，以及心臟內(nèi)的血流的加速與減速形成的湍流與渦流及其對(duì)心臟瓣膜、心房、室壁的作用所產(chǎn)生的振動(dòng)，再加上心肌在周期性的心電活動(dòng)作用下其彈性的迅速增加和減小形成的振動(dòng)，經(jīng)過(guò)心胸傳導(dǎo)系統(tǒng)到達(dá)體表形成了體表心音[5]。

心音采集模塊采用AD7091 芯片[6]，AD7091 是一款12 位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可在高吞吐率下實(shí)現(xiàn)超低功耗，該芯片內(nèi)置一個(gè)寬帶寬采樣保持放大器，可處理7 MHz 以上的輸入頻率。 心音信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)放大電路后進(jìn)入A/D 轉(zhuǎn)換模塊，A/D 轉(zhuǎn)換模塊電路原理圖如圖2 所示。 R15、C51構(gòu)成一階濾波電路，能夠限制噪聲帶寬，減少噪聲干擾，提高心音信號(hào)采集精確性[7]。

圖2 心音采集電路

2.2 心電采集模塊

人的心臟每次收縮之前會(huì)產(chǎn)生電激勵(lì)，形成微弱的電流，人體是一個(gè)良好的導(dǎo)體，心臟處于這個(gè)導(dǎo)體中，把測(cè)量電極放在合適的位置就可以顯示出心臟電位變化曲線，也就是心電圖。

心電采集模塊采用的是ADS1298 芯片[8]。ADS1298 芯片是TI 公司設(shè)計(jì)的一種高精度多通道同步采樣24 位Δ-Σ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置可編程增益放大器。 該芯片是專(zhuān)門(mén)用于生物電位測(cè)量的低功耗芯片。ADS1298 更大優(yōu)勢(shì)在于其便攜性、經(jīng)濟(jì)性、緊湊性，便于小型化設(shè)計(jì)[9-10]。 心電信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后進(jìn)入A/D 轉(zhuǎn)換模塊，A/D 轉(zhuǎn)換模塊電路原理圖如圖3。

圖3 心電采集電路

2.3 USB 接口模塊

本文采用FT232 接口轉(zhuǎn)換芯片，使用USB 轉(zhuǎn)串口輸出數(shù)據(jù)，把RS422/RS485 與USB 兩種協(xié)議取長(zhǎng)補(bǔ)短，將他們的優(yōu)點(diǎn)集于一身，實(shí)現(xiàn)了RS422/RS485和USB 接口之間的可靠連接。 另外，USB 接口支持熱插拔，接口方便連接，可以給RS422/RS485 設(shè)備提供了非常容易使用的環(huán)境，而RS422/RS485 彌補(bǔ)了USB 口不能遠(yuǎn)距離傳輸?shù)娜毕荨?/p>

2.4 藍(lán)牙發(fā)送接收模塊

采用深圳新壹公司的XY-MBD07C，該模塊采用CYW20707 芯片，支持A2DP、HSP、SPP、HID 和GATT/GAP 等藍(lán)牙規(guī)范協(xié)議[11-12]，可與藍(lán)牙筆記本電腦、智能手機(jī)、藍(lán)牙耳機(jī)、藍(lán)牙音箱等完美通信，在連續(xù)發(fā)送模式下，設(shè)置的串口波特率最高可達(dá)2 Mbit/s，傳輸距離可達(dá)40 m。 該藍(lán)牙模塊具有尺寸小、傳輸距離遠(yuǎn)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。 使用藍(lán)牙設(shè)備聽(tīng)診可以有效減少醫(yī)生感染的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 USB 接口電路

3 軟件設(shè)計(jì)

心電心音同步接收及顯示上位機(jī)軟件，主要實(shí)現(xiàn)心電心音同步采集設(shè)備數(shù)據(jù)的接收和顯示，具有實(shí)時(shí)同步顯示心電心音信號(hào)的功能。 液晶顯示屏可以實(shí)時(shí)顯示聽(tīng)診波形，實(shí)現(xiàn)了心音信號(hào)的可視化。軟件流程框圖如圖5 所示。

圖5 心電心音信號(hào)軟件流程圖

4 測(cè)試結(jié)果分析

使用終端設(shè)備對(duì)心電心音信號(hào)進(jìn)行多次測(cè)量，上位機(jī)軟件將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，最終得到心電心音波形如圖6 所示。

圖6 心電心音圖

人體心電心音波形并不是單一頻率的，而是可以分解成不同頻率、不同比例的正弦波成分，也就是說(shuō)心電心音信號(hào)含有豐富的高次諧波，故需要根據(jù)每個(gè)信號(hào)的強(qiáng)弱設(shè)置不同幅值，有利于提高診斷的精確性和系統(tǒng)穩(wěn)定性。 各個(gè)導(dǎo)聯(lián)幅值如表1 和表2 所示。

表1 心電幅值表

表2 心音幅值表

經(jīng)過(guò)臨床試驗(yàn)測(cè)試，該設(shè)備通過(guò)心電標(biāo)準(zhǔn)十二導(dǎo)聯(lián)采集到的心電信號(hào)清晰明顯；通過(guò)MEMS 心音檢測(cè)探頭采集到的心音信號(hào)清晰明顯；可以實(shí)現(xiàn)十二導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)和5 路MEMS 心音信號(hào)的同步采集，并在上位機(jī)軟件上同步實(shí)時(shí)顯示。 該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)，能夠滿足測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了一種新型的心電心音同步記錄儀，相比于傳統(tǒng)聽(tīng)診器，該設(shè)備支持實(shí)時(shí)播放、收聽(tīng)、顯示、存儲(chǔ)和回放等功能，具有低成本、高精度、高信噪比、體積小、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以將信號(hào)存儲(chǔ)起來(lái)，方便后續(xù)查閱。