心音心電同步采集系統的設計與實現*

王朔彤 張國軍 崔建功 史鵬程 力乙瑞 王 博 汪 濤

（1.省部共建動態測試技術國家重點實驗室 太原 030051）（2.中國人民解放軍總醫院 北京 100853）

1 引言

世界衛生組織將心血管類疾病列為威脅人類生命的“第一殺手”，心血管疾病的防治是全人類面臨的共同挑戰。心血管疾病的早發現、早治療是控制死亡率的關鍵［1］。心臟在收縮與舒張時，有微小的生物電產生，電位變化就是心電信號［2～3］。心音是由于血流的沖擊及心血管壁的振動、肌肉和肌腱的收縮、心臟瓣膜的開關而制造的一種復合音［4］，能夠反映血液流動及心臟活動的情況。將心電和心音信號相結合進行聯合分析，可有效提高心血管類疾病的檢測［5］。目前，市場上的心電圖儀只能實現心電信號檢測，電子聽診器只能夠進行心音聽診［6］。因此，本文將MEMS 先進制造技術引入傳統的醫療器械領域，提出基于MEMS 高靈敏心音心電傳感器對心電和心音信號相結合進行聯合分析的新思路，利用心電信號對心音信號準確定位、分段，將傳統的聽診電子化、數字化，將生理心音信息直觀展示出來，有效結合心音信號與心電信號，便于醫生診斷。并且將采集到的心音心電信號經過預處理電路后，經過AD7606 進行模數轉換，將數字信號傳輸進STM32進行采集，最后經由USB 模塊將數據傳輸到電腦端。本文可對心音心電信號進行實時采集、同步顯示、數據存儲、心音音頻播放、能長時間穩定運行的同步采集系統。醫生通過觀察心音和心電的波形，可判斷受檢者的心血管生理、病理特征等狀況。

2 系統整體設計

本文中的心音心電同步采集系統是指能夠實時記錄、同步顯示心音信號與心電信號，記錄的心音心電各波段清晰不失真，并具有數據存儲和心音音頻同步播放功能。MEMS 聲傳感器基于魚類測線器官的拾音機理，并結合仿生原理、壓阻原理來檢測心音信號［7］。本文使用的采集探頭是將MEMS聲傳感器與心音心電預處理電路集成并封裝后構成的心音心電檢測探頭，將心電導聯線插在探頭上進行心電信號的檢測。將其采集到的心音信號與心電信號傳輸到調理電路系統中，進行微弱信號的放大、濾波降噪等處理，實現了心音心電微弱信號的實時原位感知。再經過AD7606 進行模數轉換，將數字信號傳輸進STM32進行采集，最后經由USB模塊傳輸到上位機進行心音心電信號的同步顯示以及存儲。將心音與心電信號結合起來，通過輸出波形的關聯關系，可以更好地提取病理信息，從而判斷心血管系統的健康狀況。系統整體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統整體設計

圖2 MEMS傳感器微結構

3 工作原理分析

3.1 心音測量原理

本系統采用的傳感器為采用壓阻原理的MEMS 心音傳感器。該傳感器由仿生纖毛和十字梁微結構組成。仿生纖毛用于感知人體的心音信號，將聲壓信號轉化為梁的扭轉變化［8］。十字梁上有壓敏電阻，壓敏電阻組成一個惠斯通電橋，惠斯通電橋將梁的扭轉變化轉化為電信號。最終實現聲信號到電信號的轉換。再將轉化后心音電信號進行調理、放大就可以對心音信號進行采集。

3.2 心電測量原理

心臟在機械性收縮之前，首先產生電激動，產生生物電流，并經組織和體液的傳導至體表，于身體的不同部分產生不同的電位變化，形成體表電位差［9］。將電極片分別貼在左手腕、右手腕以及左腳踝處，電極片與采集探頭用導聯線連接，進而實現對心電信號的探測。再將心電信號進行調理、放大就可以對心電信號進行采集。心電測試連接圖如圖3所示。

圖3 心電測試連接圖

4 系統硬件設計

4.1 心音信號調理模塊

心音信號屬于人體微弱信號，易受環境噪聲的影響［10］。心音電路前端主要是將差分信號進行放大和濾波，由R1、R7、C1、C10 構成無源高通濾波器，并使用AD8226 進行信號放大，放大增益為495。后端部分利用AD823 搭建2 階壓控Sallen-Key結構型帶通濾波器進行濾波。根據心音信號的特性，主要采集到的心音為第一心音和第二心音，其頻率主要分布在20Hz～600Hz，因此將帶通濾波的帶寬設為20Hz～1kHz，高通截止頻率為15.9Hz，通帶內增益為0。心音電路原理圖如圖4所示。

圖4 心音電路原理圖

4.2 心電信號調理模塊

人的心臟每次收縮之前會產生電激勵，形成微弱的電流，將測量電極片放在人體心臟側和右腹部，即可檢測到人體的電信號的變化曲線，從而形成心電圖［11］。

AD8232是用于心電等生物電測量的單導聯集成化信號調理專用模塊。心電信號用于監護系統時主要信號頻率范圍在0.5Hz-40Hz 內，因此采用R8、R17、C28、C25 構成無源低通濾波器，以及R9、R12、R13、C14、C17 構成無源高通濾波器。其中利用R9 來控制品質因數Q，來將頻率限定在0.5Hz～40Hz 內。心電信號經過上述濾波模塊后，再經由R22、R29、C31、C32 構成的無源高通濾波器，及R23、R24、R25、R27、R28、C29、C30、C33 構成的帶阻濾波器連接到AD823 上濾掉50Hz 的工頻干擾。心電電路原理圖如圖5所示。

圖5 心電電路原理圖

4.3 A/D 轉換模塊設計

A/D 轉換模塊采用AD7606 芯片來實現，AD7606芯片是一款低功耗、8通道同步采樣的模數轉換芯片［12］。在本系統中，AD7606 芯片對經過預處理后的模擬心音信號與心電信號進行模數轉換。采用5V單電源供電，并且采用并行接口模式，6 號引腳與邏輯低電平相連，將STM32 芯片與并行輸出數據位DB0～DB15 相連接。通過STM32 設置DB15為低電平，使得AD7606芯片工作在并行接口模式，將轉換好的數字信號傳輸給STM32芯片進行數據采集。A/D轉換模塊原理圖如圖6所示。

圖6 A/D轉換模塊原理圖

4.4 STM32主控單元設計

STM32 主控芯片采用的是STM32F407ZGT6 微控制器。它具有穩定的工作狀態，可快速處理大量數據，可滿足本系統的工作需求。設計時鐘電路與復位電路搭建STM32 的配置環境。為保證高精度采集，不使用STM32 內部的模數轉換器，而是選擇利用STM32 外接16 位的AD7606 芯片，對AD7606傳輸出的數字信號進行采集。采集到的數字信號通過USB模塊傳輸到上位機進行同步顯示、數據存儲以及心音音頻的同步播放。采樣率設置為8 kHz，采樣周期為125μs。整體系統流程圖如圖7所示。

圖7 系統流程圖

4.5 USB接口模塊

通用串行總線（USB）因具備數據傳輸速率較快、支持熱插拔、便于擴充和即插即用等優勢，成為電腦和其他外部設備之間進行數據交換的最常用接口。因此選用USB模塊進行數據傳輸，接口芯片選用Cypress 公司的cy7c68013 芯片來實現。該芯片在數據傳輸過程中速率最高可以達到480MBit/s，完全滿足本采集系統傳輸速率的要求。將芯片的工作模式配置為Slave FIFO 的工作模式下，STM32可以控制cy7c68013芯片按照Slave FIFO 的傳輸時序將采集到的數據傳輸到上位機中。

5 系統測試

MEMS心音心電同步采集系統實物圖如圖8所示。使用本系統對心音心電信號進行測量，得到的上位機顯示界面如圖9所示，圖中可清晰地看到心音與心電波形。

圖8 系統實物圖

圖9 測試結果圖

經過多次測試，得出結論：心音、心電信號的同步顯示相位相同，測得的心電信號P 波、QRS 波、T波群特征明顯，心音信號第一心音和第二心音區分明顯，S1S2 間期與S2S1 間期比例約為1：2，收縮期與舒張期的時限比是3：5，符合標準心音信號的特征。且經過連續實時測量后信號顯示穩定、清晰，播放的心音音頻清晰、連續。說明本系統可以實現單導聯心音和心電的實時采集與同步顯示，便于專業醫生應用于臨床上心血管疾病患者的病理信息診斷。

6 結語

本文主要介紹了一種基于MEMS 傳感器的新型心音心電同步采集系統。該系統具有實時采集和同步顯示心音心電波形、存儲數據和實時播放心音音頻等功能。相比于傳統的電子聽診器和心電圖儀，本系統具有可同步準確顯示心音和心電波形的優點，心電信號對心音信號準確定位、分段，便于醫生綜合心音和心電兩種參數進行聯合診斷。本工作對心血管系統疾病的檢測方面具有重要意義。