基于智能手機(jī)的心音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

李傳鵬，郭興明，張文英，何彥青，代婉迪

重慶大學(xué)生物工程學(xué)院，重慶400044

1 引言

心血管疾病嚴(yán)重威脅著我國(guó)居民的身體健康，其死亡率高于其他疾病。近年來(lái)隨著我國(guó)心血管疾病的患者逐年增多，帶來(lái)的醫(yī)療負(fù)擔(dān)越來(lái)越重[1-2]。因此，對(duì)其早期的診斷和預(yù)防顯得尤其重要。心音信號(hào)作為人體最重要的生理信號(hào)之一，能夠反映心臟瓣膜活動(dòng)和血液流動(dòng)狀況[3-4]。它包含的生理信息特征，如心率（HR）、心臟舒張期與心臟收縮期的時(shí)限比（D/S）、第一心音和第二心音的幅值比（S1/S2），對(duì)心血管疾病的預(yù)防和診斷有重要的參考價(jià)值[5]。傳統(tǒng)的心音監(jiān)測(cè)與分析存在操作不便，成本高，不易普及等缺點(diǎn)[6]，基于此，研究并設(shè)計(jì)了一種基于智能手機(jī)的心音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)心音的監(jiān)測(cè)，能夠有效地對(duì)心音的異常作出預(yù)警，同時(shí)提取心音的特征指標(biāo)（HR、D/S、S1/S2）對(duì)心臟狀態(tài)作出深入的分析評(píng)價(jià)。該系統(tǒng)以智能手機(jī)為平臺(tái)，具有使用方便，成本低，易于普及等優(yōu)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

基于智能手機(jī)的心音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由三部分組成，具體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

整個(gè)系統(tǒng)以智能手機(jī)節(jié)點(diǎn)為樞紐，將用戶和服務(wù)器端的專家連接在一起。在圖1中，心音信號(hào)測(cè)量節(jié)點(diǎn)通過(guò)模擬電路和數(shù)字電路將采集到心音信號(hào)經(jīng)藍(lán)牙模塊進(jìn)行傳輸；智能手機(jī)節(jié)點(diǎn)接收測(cè)量節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)心音數(shù)據(jù)的顯示和特征的分析監(jiān)測(cè)用戶心臟狀態(tài)，用戶可以選擇存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)的心音數(shù)據(jù)用于回放或分析評(píng)價(jià)等；服務(wù)器端接收智能手機(jī)傳遞的數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示，同時(shí)專家根據(jù)顯示的心音以及特征值給予分析評(píng)價(jià)，最后結(jié)果反饋給用戶。

3 系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

3.1 心音測(cè)量節(jié)點(diǎn)

心音信號(hào)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的電路實(shí)現(xiàn)如框圖2所示，其主要由信號(hào)采集模擬電路部分和數(shù)字電路部分組成。

圖2 心音測(cè)量節(jié)點(diǎn)框圖

如圖2所示的心音傳感器選用的是航天醫(yī)學(xué)研究所研發(fā)的一款接觸壓電式JXH-5型有源心音脈搏多用途傳感器，其頻率響應(yīng)為0.05～1 500 Hz，輸出阻抗小于1 kΩ，從而大大提高了抗干擾能力，絕緣電阻大于1 000MΩ，保證了其電安全性；主控芯片選取MSP430F149單片機(jī)，該單片機(jī)具有超低功耗，適合便攜式的監(jiān)測(cè)設(shè)備，同時(shí)其內(nèi)部具有60 KB的FLASH空間，2 KB RAM，12位ADC，2個(gè)USART口和硬件乘法器，滿足心音采集處理的需求；藍(lán)牙模塊采用HC-06從模塊，該模塊封裝了藍(lán)牙協(xié)議，降低了開發(fā)難度，能與帶藍(lán)牙功能的手機(jī)適配，配對(duì)以后當(dāng)全雙工串口使用，支持8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)的通信格式。

心音經(jīng)過(guò)JXH-5傳感器后，由振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成為電生理信號(hào)。轉(zhuǎn)換后的電生理信號(hào)幅值低，含有大量的噪聲，為此設(shè)計(jì)了前置放大和主放大用于信號(hào)幅值的提升，設(shè)計(jì)了二階高低通濾波和50 Hz陷波用于噪聲和工頻干擾的濾除。因?yàn)樾囊粜盘?hào)的主要成份的頻率范圍主要集中在10～150 Hz之間，所以信號(hào)調(diào)理電路部分高通濾波的截止頻率設(shè)置為12.48 Hz，低通濾波的截止頻率設(shè)置為145.70 Hz，保證了心音信號(hào)的有效采集。同時(shí)，設(shè)計(jì)了電平調(diào)整電路保證了數(shù)字信號(hào)電路的采集要求，光電隔離電路保證了電路的電氣安全性。

采集到的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)MSP430F149內(nèi)部的AD進(jìn)行采樣，根據(jù)采樣定理以及心音的頻率特性，設(shè)置AD采樣的頻率是300 Hz。由于每個(gè)采樣點(diǎn)是12位的數(shù)據(jù)，也就是等效于每個(gè)數(shù)據(jù)占兩個(gè)字節(jié)，為了保證數(shù)據(jù)的有效傳遞，設(shè)置串口異步通信的波特率為384 000。單片機(jī)串口端與藍(lán)牙模塊連接成功以后將數(shù)據(jù)傳遞至手機(jī)測(cè)量節(jié)點(diǎn)。最后，為了硬件電路的穩(wěn)定工作，電源模塊采用AMS1117-3.3芯片為藍(lán)牙模塊和主控芯片，提供穩(wěn)定的3.3 V的工作電壓。

3.2 智能手機(jī)節(jié)點(diǎn)

智能手機(jī)得到迅速發(fā)展和普及，同時(shí)智能手機(jī)硬件配置尤其是CPU的性能得到極大的提升，以智能手機(jī)為便攜式的平臺(tái)具有成本低，易推廣等優(yōu)點(diǎn)[7-9]。選用三星智能機(jī)S5660，該機(jī)搭載Android操作系統(tǒng)，具有800MHz運(yùn)行速率的CPU和480像素×320像素的屏幕分辯率。應(yīng)用程序是在Eclipse環(huán)境下采用Java語(yǔ)言來(lái)開發(fā)的，其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。其中數(shù)據(jù)處理與控制模塊是整個(gè)應(yīng)用程序的核心，包括心音信號(hào)的預(yù)處理和心音信號(hào)的特診提取等。在數(shù)據(jù)處理模塊的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)心音的實(shí)時(shí)顯示，心音數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸、心音預(yù)警、存儲(chǔ)回放等功能。

3.2.1 數(shù)據(jù)的接收

圖3 測(cè)量節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖

手機(jī)藍(lán)牙通過(guò)Anroid SDK封裝的API調(diào)用實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙數(shù)據(jù)的接受。只有獲得適配器的情況下，手機(jī)藍(lán)牙才能進(jìn)行藍(lán)牙設(shè)備的搜索、配對(duì)。應(yīng)用程序通過(guò)android.bluetooth.getDefaultAdapter類來(lái)獲取本地設(shè)備的藍(lán)牙適配器，通過(guò)android.bluetooth.BluetoothDevice類來(lái)搜索藍(lán)牙設(shè)備。選擇搜索到的藍(lán)牙模塊同時(shí)根據(jù)相應(yīng)服務(wù)的UUID號(hào)建立數(shù)據(jù)通道連接，連接以后獲取Bluetooth-Socket套接字接口管理數(shù)據(jù)的接收。接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)格式解析后存放于緩沖區(qū)，供后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

3.2.2 數(shù)據(jù)的處理

數(shù)據(jù)的處理包括去噪、S1和S2的定位、指標(biāo)提取三個(gè)步驟。

（1）去噪。心音采集過(guò)程中伴隨有呼吸信號(hào)、傳感器與皮膚的摩擦等干擾，對(duì)后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析會(huì)帶來(lái)誤差。因此在心音波形的繪制，心音特征的提取之前需要對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行軟件的去噪處理。選取dB6小波進(jìn)行5層分解消噪方法[10-11]，該方法能有效地去除噪聲分量同時(shí)保留了有用的信號(hào)成份，提高了性噪比，同時(shí)該方法結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，運(yùn)算快，適用于實(shí)時(shí)的信號(hào)處理。將上述預(yù)處理去噪的方法封裝成一個(gè)類添加到工具包中，方便后續(xù)相關(guān)線程的處理調(diào)用。圖4顯示了去噪前后的心音在手機(jī)上的對(duì)比圖。

圖4 心音去噪前后效果對(duì)比圖

（2）S1和S2的定位。目前，對(duì)心音信號(hào)S1和S2的定位方法中常見的有：時(shí)頻特征分析、香農(nóng)能量提取心音包絡(luò)法[12]、希爾伯特黃變換方法[13]和LZ復(fù)雜度法等。在上述算法中，選用LZ復(fù)雜度算法[14-15]，該算法避免了時(shí)頻特征分析方法中選用絕對(duì)參量，香農(nóng)能量算法中幅值誤判，希爾伯特黃變換中插值費(fèi)時(shí)等缺點(diǎn)，具有簡(jiǎn)單快速的特性。為了提高算法的實(shí)時(shí)性，運(yùn)用該算法前需要對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行二值化處理，設(shè)處理后的信號(hào)序列是：P=S1，S2，…，Sn，定義P的兩子序列S和Q，SQ為子序列S和Q合并的序列。SQ_minus是刪除最后一個(gè)元素后剩余的序列。算法的詳細(xì)步驟如下：

①進(jìn)行初始化操作，設(shè)初始復(fù)雜度C(n)=1，S=S1，Q=S2，SQ=S1S2，R=S1。

（1）電流頻率 為實(shí)現(xiàn)規(guī)定深度的高質(zhì)量的感應(yīng)加熱，首先必須正確選擇設(shè)備的頻率。設(shè)備頻率除對(duì)實(shí)現(xiàn)技術(shù)要求和提高熱處理質(zhì)量有很大作用外，對(duì)于充分發(fā)揮設(shè)備的效能、提高生產(chǎn)率、節(jié)省電能也很重要。所謂頻率的選擇，這里指的是選擇合理的頻帶或頻率范圍，并不是嚴(yán)格的具體數(shù)值。

②判斷Q∈SQ_minus與否，如果是則轉(zhuǎn)步驟③；否則轉(zhuǎn)步驟④。

③C(n)和S保持不變，Q后移一位，繼續(xù)步驟②。

④C(n)自增1，然后SQ替換為S，SQ的第一個(gè)字符作為新的Q，繼續(xù)步驟②，當(dāng)Q取得序列最后一個(gè)字符循環(huán)停止；此時(shí)的C(n)表示表示不同字符串的數(shù)目，亦即序列的復(fù)雜度，最后采用歸一化的方法處理復(fù)雜度，即，計(jì)算0-1序列的復(fù)雜度，最后轉(zhuǎn)化為相對(duì)復(fù)雜度C(n)。

⑤以該段二值化序列的長(zhǎng)度進(jìn)行移動(dòng)并計(jì)算，直到信號(hào)末尾，這樣就可以求得信號(hào)二值化后序列的復(fù)雜度。

心音序列二值化處理的閾值是將序列中大于零的部分取均值得到的。設(shè)心音信號(hào)的采樣率是fs，每次復(fù)雜度運(yùn)算的點(diǎn)數(shù)為n，則復(fù)雜度的時(shí)間跨度是n/fs。算法時(shí)間跨度的選取要考慮S1和S2持續(xù)的時(shí)間，根據(jù)心音特性知道S1持續(xù)110ms左右，S2持續(xù)80m s左右，采樣頻率是300 Hz，設(shè)置采樣跨度的點(diǎn)數(shù)為3，則知道時(shí)間跨度為（3/300）s即為10ms，能夠較好地區(qū)分S1和S2。一例心音信號(hào)經(jīng)過(guò)L-Z復(fù)雜度算法定位S1和S2的結(jié)果圖，如圖5所示。由圖可知，該算法能夠很好地區(qū)分S1和S2區(qū)域，同時(shí)可用于后續(xù)的指標(biāo)提取。設(shè)定復(fù)雜度的分割閾值，信號(hào)復(fù)雜度大于閾值的序列S1區(qū)域和S2區(qū)域映射到心音信號(hào)序列中的有效成份即S1和S2。

（3）特征指標(biāo)提取。步驟（2）定位了心音中S1和S2成份區(qū)域，S1區(qū)域映射到原始信號(hào)序列區(qū)域的最大值即為第一心音幅值apt1，S2區(qū)域映射到原始信號(hào)序列區(qū)域的最大值即為第二心音幅值apt2，然后依次標(biāo)記S1S2位置L11，L21，L12，L22，…，L1i，L2i對(duì)應(yīng)的幅值為apt11，apt21，apt12，apt22，…，apt1i，apt2i，其中i表示數(shù)據(jù)段中心動(dòng)周期的數(shù)目，i≥2如此直到數(shù)據(jù)段截止。根據(jù)此可以求得三個(gè)特征參數(shù)。其中心率HR的計(jì)算如式（1）所示：

心臟舒張期與心臟收縮期的時(shí)限比D/S的計(jì)算方法如式（2）：

圖5 LZ復(fù)雜段算法分割示意圖

式（1）、（2）中，fs是采樣頻率；K表示數(shù)據(jù)段截止時(shí)的總的心動(dòng)周期的數(shù)目；i表示第i個(gè)心動(dòng)周期，且i≥2。

第一心音幅值與第二心音幅值比S1/S2，根據(jù)公式（3）求得：

為了驗(yàn)證上述特征指標(biāo)的準(zhǔn)確性，本文采用了兩組不同人群，包括102個(gè)大學(xué)生和65個(gè)老年人。結(jié)果如表1所示，檢測(cè)允許的誤差范圍為：心率HR是±3，S1/S2是±0.2，D/S是±0.1。其中，精確的特征指標(biāo)是通過(guò)重慶博精醫(yī)學(xué)信息研究所研制的“運(yùn)動(dòng)心力監(jiān)測(cè)儀”（ECCM，專利號(hào)01256971.2，第一代產(chǎn)品注冊(cè)證號(hào)：渝藥管械（試）字99第220007）獲取的。

表1 特征值準(zhǔn)確檢測(cè)率

通過(guò)以上測(cè)試可知，該算法能較好地提取特征值，滿足實(shí)際要求。最后將調(diào)試的LZ算法封裝為特征提取類添加到工具包中，供相關(guān)模塊功能的實(shí)現(xiàn)調(diào)用。

3.2.3 手機(jī)功能模塊

顯示模塊，首先調(diào)用工具包中的預(yù)處理去噪類對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行處理，然后將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)添加到A rraylist數(shù)組中，最后使用draw Line的方式繪制心音波形。心音在手機(jī)上動(dòng)態(tài)的顯示有兩種方式：第一種是刷屏的顯示；第二種是逐點(diǎn)漸變的顯示?？紤]到視覺效果和心音監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)連續(xù)性，選擇刷屏的顯示，這樣界面比較友好，易于使用者觀察。

在實(shí)時(shí)繪制心音波形的同時(shí)，需要對(duì)心音異常給予警示，通過(guò)多線程的途徑實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程。提取心音信號(hào)的特征值(S1/S2、D/S、HR)，對(duì)D/S＜1，HR＜40或者HR＞100，S1/S2＜1或者S1/S2＞3.7的情況[5]給予預(yù)警。圖6顯示了監(jiān)測(cè)中的心音，特征值的狀態(tài)標(biāo)識(shí)有紅色、黃色、白色三種顏色，紅色的特征值表示超出了健康監(jiān)測(cè)的范圍，黃色的特征值表示在健康監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)但是心臟處于亞健康狀態(tài)，白色的特征值表示心臟處于健康的范圍；對(duì)無(wú)法精確提取特診值的心音或異常的情況，特征值的狀態(tài)顯示為Null。

當(dāng)用戶選擇分析評(píng)價(jià)選項(xiàng)按鈕的時(shí)候，通過(guò)Intent（意圖）傳遞監(jiān)測(cè)時(shí)得到的特征參數(shù)均值作為分析評(píng)價(jià)的依據(jù)。其中D/S、S1/S2、HR的評(píng)價(jià)依據(jù)參見文獻(xiàn)[5]。如圖7顯示了分析評(píng)價(jià)的界面。

圖6 運(yùn)行結(jié)果示意圖

圖7 分析評(píng)價(jià)界面示意圖

當(dāng)點(diǎn)擊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)選項(xiàng)按鈕的時(shí)候會(huì)進(jìn)入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)活動(dòng)。該活動(dòng)獲取系統(tǒng)時(shí)間作為保存數(shù)據(jù)文件的名稱，當(dāng)點(diǎn)擊返回按鈕的時(shí)候?qū)?huì)停止數(shù)據(jù)的錄入，最后錄入的數(shù)據(jù)以.txt的形式保存在SDcard的文件目錄ecgData下。

當(dāng)點(diǎn)擊心音數(shù)據(jù)回放功能按鈕的時(shí)候進(jìn)入數(shù)據(jù)回放活動(dòng)。該活動(dòng)首先獲取心音保存文件夾的路徑，然后將該文件夾下的心音數(shù)據(jù)記錄以ListView的形式顯示出來(lái)，最后為每個(gè)ListView行選項(xiàng)設(shè)置Click事件，通過(guò)Intent啟動(dòng)數(shù)據(jù)回放活動(dòng)來(lái)進(jìn)行。

當(dāng)點(diǎn)擊數(shù)據(jù)發(fā)送按鈕的時(shí)候進(jìn)入數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸活動(dòng)。Java環(huán)境下實(shí)現(xiàn)基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)編程需要采用Socket機(jī)制。Socket（string host，int pot）對(duì)象創(chuàng)建客戶端的Socket實(shí)例，客戶端通過(guò)主機(jī)地址和端口號(hào)與遠(yuǎn)程端建立連接，然后通過(guò)Netdata類可以完成手機(jī)端數(shù)據(jù)的發(fā)送以及接受服務(wù)器端的專家分析評(píng)價(jià)結(jié)果。

3.3 心音監(jiān)測(cè)中心

選用Labview設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)中心，其提供了封裝的TCP子VI，可便捷地進(jìn)行服務(wù)器網(wǎng)路編程。服務(wù)器端應(yīng)用程序通過(guò)Internet接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)的讀通過(guò)TCP Read.VI來(lái)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)的寫通過(guò)TCP W rite.VI來(lái)實(shí)現(xiàn)。TCP Listen.VI對(duì)端口號(hào)進(jìn)行監(jiān)聽，當(dāng)監(jiān)聽到手機(jī)客戶端發(fā)出的請(qǐng)求后建立連接。連接以后接收心音數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從手機(jī)客戶端發(fā)送至Labview搭建的服務(wù)器端的流程圖，如圖8所示。

圖8 連接示意圖

接收到的心音數(shù)據(jù)在心音監(jiān)測(cè)中心顯示效果，如圖9所示。監(jiān)測(cè)中心由數(shù)據(jù)接收發(fā)送模塊、心音顯示模塊、特征值顯示預(yù)警模塊、專家診斷模塊四部分組成。當(dāng)特征值超出正常范圍時(shí)，特征值相對(duì)應(yīng)的指示燈變紅色給以警示。專家診斷模塊是根據(jù)心音的波形特征結(jié)合臨床經(jīng)驗(yàn)知識(shí)給予診斷分析，分析評(píng)價(jià)的結(jié)果將反饋到手機(jī)上供讀者參考。

圖9 服務(wù)器端心音監(jiān)測(cè)示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著智能手機(jī)硬件性能的提高和軟件平臺(tái)開發(fā)的簡(jiǎn)化，以智能手機(jī)為平臺(tái)的醫(yī)療監(jiān)測(cè)技術(shù)逐步成為研究熱點(diǎn)。研究并設(shè)計(jì)了基于智能手機(jī)的心音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本文系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行，具有易攜帶、易操作、易普及等優(yōu)點(diǎn)；然而本文系統(tǒng)存在著續(xù)航時(shí)間短，特征指標(biāo)的精確性不高，適用范圍比較局限等問題，需要后續(xù)進(jìn)一步完善改進(jìn)。

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