便攜式冠狀動脈狹窄無損診斷儀的研制

田縣庭，趙治棟

(杭州電子科技大學通信工程學院，浙江杭州310018)

0 引言

醫(yī)療監(jiān)護技術(shù)的長期發(fā)展和不斷進步，已經(jīng)將人們的健康水平推進到了前所未有的高度，而對當前危害人類生命的冠心病，實現(xiàn)早期發(fā)現(xiàn)、診斷和治療，已經(jīng)成為以社區(qū)醫(yī)院和家庭為單位的新型醫(yī)療模式的技術(shù)關(guān)鍵。隨著電子、通訊以及相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代醫(yī)學研究已經(jīng)對醫(yī)療儀器領(lǐng)域產(chǎn)生了新的要求，醫(yī)療儀器逐步向小型化、便攜化、家庭化發(fā)展。例如，基于掌上電腦(Personal Digital Assistant，PDA)的嵌入式ECG監(jiān)護分析儀，儀器功能包括低功耗單片機控制心電信號的采集、放大、濾波和在PDA實時顯示、存儲和分析［1］?；跓o線傳輸?shù)谋銛y式心電監(jiān)護儀，實現(xiàn)了心電數(shù)據(jù)的采集以及與PDA的藍牙通訊［2］。本文基于LabVIEW開發(fā)環(huán)境設(shè)計了便攜式冠脈堵塞無損診斷系統(tǒng)，所設(shè)計的系統(tǒng)集電子聽診器與PDA上位機為一體。電子聽診系統(tǒng)采集到的心音無線傳輸?shù)絇DA，在PDA上設(shè)計相應(yīng)的冠狀動脈堵塞無損診斷算法，對心臟疾病做出判斷或個人評估自身健康狀況。亦可采用PDA內(nèi)部的GPRS模塊與網(wǎng)絡(luò)連接進行遠程通信，由專家進行及時的診斷。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)由心音采集模塊與PDA組成，如圖1所示，心音采集模塊以dsPIC芯片為核心來控制心音的采集與傳輸，通過芯片通過HC-06藍牙模塊將心音數(shù)據(jù)發(fā)送到PDA上，PDA作為終端設(shè)備，對心音信號進行實時顯示、存儲、回放、冠脈堵塞的智能診斷等。

本設(shè)計中選擇心音濾波器的頻率范圍為30－500Hz，設(shè)計了兩組有源濾波器的組合來完成心音濾波，30Hz四階巴特沃斯高通濾波器和500Hz四階巴特沃斯低通濾波器。采集心音信號的傳感器采用醫(yī)用傳感器，它將人體生理信號轉(zhuǎn)化為電信號，由于人體心音信號十分微弱，因此在AD轉(zhuǎn)換或聽診之前要對心音進行放大，圖1中，采用芯片LM4811設(shè)計放大電路，對心音固定放大15倍，放大后的模擬信號一路經(jīng)過dsPIC的IO口RB15送入AD模塊進行12位AD轉(zhuǎn)換，UART模塊讀取轉(zhuǎn)換后的結(jié)果，通過HC-06藍牙模塊進行發(fā)送。另一路送入可調(diào)音頻放大電路，音量加減按鍵連接dsPIC的RB3，RB4端口，控制dsPIC的RG7端口產(chǎn)生高或低的電平來調(diào)節(jié)可調(diào)音頻放大電路的放大倍數(shù)，實現(xiàn)聽診時對音量的調(diào)節(jié)，可調(diào)音頻放大電路的時鐘信號由dsPIC的RG6端口輸出。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 藍牙通信模塊

本設(shè)計選用藍牙轉(zhuǎn)串口HC-06無線模塊，它采用CSR主流藍牙芯片，藍牙V2.0協(xié)議標準，串口模塊工作電壓3.3V，工作電流40mA，休眠電流小于1mA?？梢耘c藍牙筆記本電腦、PDA等設(shè)備進行無縫連接。模塊運行內(nèi)嵌的藍牙協(xié)議棧，實現(xiàn)了SPP應(yīng)用框架，SPP定義了使用藍牙設(shè)備模擬RS232串口通信的協(xié)議和規(guī)范，使藍牙設(shè)備通過一個虛擬的串口來替代電纜通信，該設(shè)計中，dsPIC通過自身UART模塊連接藍牙模塊，與PDA建立藍牙連接后，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸?？紤]到本設(shè)計中心音信號的采樣率為2kHz，因此將dsPIC的UART模塊與HC-06藍牙模塊均設(shè)置為波特率11.5kbit/s，數(shù)據(jù)位8，1位停止位，無奇偶校驗位，無流控制。

2 心音采集端程序設(shè)計

心音采集端以dsPIC芯片為控制核心，控制心音信號的采集，AD轉(zhuǎn)換，藍牙無線發(fā)送。本系統(tǒng)采用的是微芯的dsPIC33F128MC506芯片，它含有豐富的外圍模塊，包括定時器、UART模塊、AD模塊等。AD轉(zhuǎn)換采用的是12位AD轉(zhuǎn)換器，支持最大500ksps的轉(zhuǎn)換速率。HC-06藍牙模塊與dsPIC的UART模塊相連實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)發(fā)送。該設(shè)計中采用Timer1作為信號采集時鐘源，每隔0.5ms Timer1中斷一次，并采集一個心音數(shù)據(jù)。采集端設(shè)置了4個按鍵，實現(xiàn)復(fù)位，休眠/喚醒、音量加、音量減的功能，用戶可以在采集心音和藍牙傳輸?shù)耐瑫r對心音進行聽診，通過音量加減按鍵來調(diào)節(jié)音量的大小，dsPIC平時工作于休眠模式，當用于聽診或心音采集時dsPIC可由按鍵喚醒，休眠喚醒功能由外部中斷1實現(xiàn)。

dsPIC平時處于休眠模式，當dsPIC由按鍵喚醒后，程序開始每隔相同時間間隔不斷的掃描是否有按鍵按下，當有按鍵按下時觸發(fā)中斷，執(zhí)行中斷程序。當HC-06藍牙模塊收到PDA開始采集的指令后，dsPIC的UART模塊開始讀取AD轉(zhuǎn)化結(jié)果，藍牙模塊向PDA發(fā)送數(shù)據(jù);當藍牙模塊收到PDA停止采集的指令后，UART模塊停止讀取AD轉(zhuǎn)化結(jié)果，藍牙模塊不再向PDA發(fā)送數(shù)據(jù)。

3 PDA端診斷軟件設(shè)計

3.1 PDA與開發(fā)平臺選擇

本設(shè)計選用惠普iPAQ H5550型號PDA，自帶藍牙，預(yù)裝PPC操作系統(tǒng)，12.7cm高分辨率大屏幕，觸摸感應(yīng)式顯示屏，顯示屏分辨率為240×320，處理器頻率為400MHz，處理器類型為Inter PXA255，系統(tǒng)RAM大小128M，ROM大小48M，內(nèi)置Wi-Fi無線網(wǎng)卡。

本設(shè)計中，冠狀動脈診斷軟件的開發(fā)環(huán)境選用NI公司的虛擬軟件開發(fā)平臺LabVIEW，以及Lab-VIEW 2009 Mobile Module移動模塊。LabVIEW 2009 Mobile Module模塊是專門為LabVIEW 2009開發(fā)的可應(yīng)用在移動設(shè)備上的模塊，可為便攜設(shè)備進行設(shè)計和開發(fā)。

3.2 心音信號的實時顯示、存儲與回放

PDA通過向dsPIC發(fā)送特定指令來控制對心音采集的啟動與停止，PDA通過軟件虛擬的串口COM8與采集端HC-06藍牙模塊相連接。在PDA上運行冠狀動脈診斷軟件，按下“打開藍牙”按鍵后，PDA開始搜索采集端藍牙模塊，搜到藍牙模塊后，若是PDA與藍牙模塊第一次建立連接，在PDA上需要輸入藍牙模塊的匹配密碼，即可建立連接。

PDA接收到的藍牙模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是十六進制表示的字節(jié)流數(shù)據(jù)，由于心音采樣率為2kHz，每個采樣點用兩個字節(jié)表示，因此PDA每秒將接收到4 000個字節(jié)，其中每相鄰兩個字節(jié)可以轉(zhuǎn)化為一個心音采樣值。經(jīng)過程序處理后十六進制的心音數(shù)據(jù)值轉(zhuǎn)化為十進制的心音數(shù)據(jù)實時顯示在波形圖上。用戶可以對采集的心音信號進行保存，保存格式為二進制文件，也可以對已保存在PDA上的心音信號進行回放。

3.3 診斷算法設(shè)計

心音是人體基本的生理信號之一，包含著心臟各個部分本身及相互之間作用的生理和病理信息，當心血管疾病尚未發(fā)展到心電圖異常、痛感等癥狀之前，心音中出現(xiàn)的雜音是進行診斷的可靠信息。對于冠心病患者來說，冠狀動脈血管由于堵塞變得狹窄時候，血液流過動脈狹窄處將發(fā)生湍流，從而產(chǎn)生高頻心雜音。實驗表明，冠脈有25%發(fā)生堵塞時舒張期便出現(xiàn)高頻心雜音，因此冠心病病理特征一般隱含于舒張期高頻心雜音中，因此分析血管狹窄而產(chǎn)生的特征性舒張期高頻心音為檢測冠狀動脈堵塞提供了可能。

該設(shè)計中冠狀動脈診斷算法主要包括:心音的分段算法、準確定位出舒張期算法、舒張期心音的特征提取與構(gòu)建支持向量機分類器，如圖2所示，為系統(tǒng)診斷算法流程圖。該設(shè)計基于經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸?Empirical Mode Decomposition，EMD)-Teager算法提取了舒張期平均瞬時頻率特征值。利用EMDTeager算法提取特征的具體步驟:對心音分段后提取的舒張期信號進行5層EMD分解，得到5個內(nèi)蘊模式函數(shù)，然后利用離散能量分離算法計算每個內(nèi)蘊模式函數(shù)的瞬時頻率，最后計算其平均瞬時頻率。

圖2 診斷算法流程圖

離散能量分離算法原理。首先對離散信號x(n)做差分運算y(n)=x(n)－x(n－1)，然后進行Teager能量算子運算，就得到x(n)的瞬時頻率f(n)和瞬時幅度a(t)的估計值，即:

式中，Teager能量算子定義為:ψ［x(n)］=x2(n)－x(n+1)x(n－1)。

利用上述算法的分析結(jié)果表明:正常人的舒張期心音的平均瞬時頻率的均值總體在120Hz左右，大部分的數(shù)據(jù)分部在102－125Hz之間，冠心病患者的舒張期心音的平均瞬時頻率的均值總體在138Hz左右，大部分的數(shù)據(jù)分部在132－150Hz之間。正常人和冠心病患者的平均瞬時頻率的均值具有顯著性差異。

利用心音庫中的數(shù)據(jù)，共有50段心音信號，20個為正常人心音，30個為冠心病患者心音，對這兩組心音數(shù)據(jù)分別提取平均瞬時頻率特征值，構(gòu)建特征向量。選取10個正常人與15個冠心病患者心音對支持向量進行訓(xùn)練，訓(xùn)練后得出支持向量機的參數(shù)和支持向量，支持向量機確定，然后即可對心音信號進行診斷。利用另外10個正常人心音與15個冠心病患者心音進行智能診斷，10個正常人心音有一個診斷為異常，15個冠心病患者心音中有2個診斷為正常。

4 結(jié)束語

本診斷儀具有操作簡單，便攜式的優(yōu)點，利用藍牙無線傳輸技術(shù)取代有線傳輸，使用戶使用起來更加方便。該診斷儀在PDA上實現(xiàn)心音實時顯示，并能將采集到的信號以文件的形式保存，作為醫(yī)療檔案，提供診斷參考，也可以采用PDA內(nèi)部GPRS實現(xiàn)PDA與遠程監(jiān)護中心之間的通信。隨著PDA技術(shù)的不斷發(fā)展，以PDA為平臺的智能醫(yī)療設(shè)備將得到更加廣泛開發(fā)與應(yīng)用，走進家庭和社區(qū)，更好的保障人們的健康生活。

［1］ 許鋒.基于PDA的嵌入式ECG監(jiān)護分析儀［J］.生物醫(yī)學工程與臨床，2004，8(3):177－179.

［2］ 陳軼煒.基于藍牙通訊的便攜式心電監(jiān)護儀的研制［J］.北京生物醫(yī)學工程，2008，27(2):173－177.

［3］ Hassan Amoud，Hichem Snoussi，David Hewson.Intrinsic Mode Entropy for Nonlinear Discriminant Analysis［J］.IEEE Signal Processing Letters，2007，14(5):297 －300.

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