心音采集電子綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周立青， 胡 爽， 瞿修遠(yuǎn)， 陳小橋， 王 琦(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院， 湖北 武漢 430072)

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·實(shí)驗(yàn)教學(xué)與創(chuàng)新·

心音采集電子綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周立青， 胡 爽， 瞿修遠(yuǎn)， 陳小橋， 王 琦
(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院， 湖北 武漢 430072)

面對(duì)目前高等教育中實(shí)驗(yàn)教學(xué)跨課程綜合環(huán)節(jié)教學(xué)缺失的問題，提出了建設(shè)跨課程、跨學(xué)期的綜合性實(shí)驗(yàn)課程的思想。采用心音采集作為示范項(xiàng)目，綜合應(yīng)用了信號(hào)傳感、電路技術(shù)、微處理器技術(shù)以及簡單的數(shù)字信號(hào)處理和控制原理等相關(guān)知識(shí)，以MSP430F6638微處理器為控制核心實(shí)現(xiàn)了對(duì)微弱心音信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、顯示和傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采集的心音信號(hào)能夠清晰的顯示出第一心音和第二心音。

電子聽診器； 心音信號(hào)； 心音信號(hào)檢測； 心音圖

0 引 言

隨著實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的不斷深入，在實(shí)驗(yàn)課程體系和實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容建設(shè)方面取得顯著的成果，例如電路設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)原理、數(shù)字信號(hào)處理、通信技術(shù)等電子類專業(yè)核心課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目日漸完善，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技能方面取得了不錯(cuò)的效果[1]。然而由于課程學(xué)時(shí)、課程內(nèi)容銜接等問題的限制，目前大部分的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目仍然集中在單一課程內(nèi)部進(jìn)行，如楊磊等設(shè)計(jì)了關(guān)于電阻噪聲測量的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[2]，胡小玲等設(shè)計(jì)了關(guān)于低功耗單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)裝置[3]等，這些研究基于某一門課程的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了有效的總結(jié)和嘗試，取得了不錯(cuò)的效果。也有部分教學(xué)研究如王杰人設(shè)計(jì)的基于嵌入式的電子琴[4]、楊智明人提出了便攜式數(shù)字信號(hào)處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)[5]等針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理與電路、微處理器進(jìn)行結(jié)合展開嘗試，但仍然偏向于數(shù)字信號(hào)處理，其他課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容只是作了解性介紹。在跨課程、跨學(xué)期的開展綜合型實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，真正按照一個(gè)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模式來開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的嘗試還比較少。武漢大學(xué)電子綜合設(shè)計(jì)課程組在總結(jié)十幾年電子競賽培訓(xùn)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，開設(shè)了以電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)為課程主線的電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)課程，課程將實(shí)際電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容分解到不同的課程和學(xué)期中來完成，開展了跨課程、跨學(xué)期實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索，讓學(xué)生綜合應(yīng)用不同的專業(yè)課程知識(shí)和技能，按照實(shí)際項(xiàng)目需求制定方案并整合各種課內(nèi)外知識(shí)開展設(shè)計(jì)，取得不錯(cuò)的實(shí)際效果[6-7]。心音采集系統(tǒng)就是其中的一個(gè)典型項(xiàng)目，它綜合了傳感技術(shù)、電子線路、單片機(jī)、數(shù)字電路以及信號(hào)處理等專業(yè)課程知識(shí)，來實(shí)現(xiàn)可用于測量自己心音的簡易醫(yī)療設(shè)備，深受學(xué)生歡迎也吸引很多學(xué)生投入大量的課外時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。同時(shí)該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目還可繼續(xù)開展數(shù)字信號(hào)處理、模式識(shí)別、數(shù)據(jù)融合等后續(xù)課程知識(shí)的學(xué)習(xí)甚至開展研究性工作，具有非常突出的趣味性、綜合性、創(chuàng)新性和擴(kuò)展性。

1 心音檢測原理及采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 心音特征及聽診原理

目前已發(fā)現(xiàn)的正常心音有4個(gè)，其發(fā)生機(jī)理如下：① 第一心音(55～58 Hz): 音調(diào)低主要是心室收縮開始時(shí)二尖瓣、三尖瓣驟然關(guān)閉時(shí)的震動(dòng)所產(chǎn)生。此外，心室肌收縮、心房收縮的終末部分、半月瓣開放以及血流沖入大血管等所產(chǎn)生的震動(dòng)，均參與第一心音的形成。② 第二心音(62 Hz)：主要是心室舒張開始時(shí)肺動(dòng)脈瓣和主動(dòng)脈瓣關(guān)閉的震動(dòng)所產(chǎn)生的。此外的馳緩、大血管內(nèi)血流以及二尖瓣、三尖瓣開放等所產(chǎn)生的震動(dòng)，亦參與第二心音形成。③ 第三心音：在心室舒張?jiān)缙?，血液自心房急速流入心室，使心室?包括乳頭肌和腱索)產(chǎn)生震動(dòng)所致。④ 第四心音：是由心房收縮的震動(dòng)所產(chǎn)生的。此音很弱，一般不易聽到[8]。

隨著環(huán)境問題、食品安全、生活習(xí)慣改變等因素的影響，近50年來不論在農(nóng)村或城市，心腦血管疾病的發(fā)病率和死亡率均呈上升趨勢[9]。各類心血管疾病的發(fā)病率逐年提高，高血壓性心臟病、心肌冠心病、風(fēng)心病、心肌炎、心律失常、慢性肺心病和心包炎等各類疾病成為影響國民健康的重要病源。聲音聽診作為較早用于檢查心臟、肺、呼吸等生理特征的診斷手段至今仍是最基礎(chǔ)、最常用、最方便的診斷方式之一，它采用聲學(xué)傳播特性將人體內(nèi)部聲音信息傳輸至入耳處供醫(yī)生診斷[10]。隨著心音聽診設(shè)備的進(jìn)步和數(shù)字化的發(fā)展，使其成為家庭診斷和社區(qū)診斷的有效手段。

心音聽診用于心臟疾病診斷有著顯著地優(yōu)點(diǎn)、它操作方便，對(duì)環(huán)境和設(shè)備要求低、無創(chuàng)傷。但同時(shí)由于心音聽診主要依靠心音的特征和異常來判斷心臟的生理情況，因此對(duì)醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)技能要求很高，經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生才能敏銳地發(fā)現(xiàn)心音的異常[11]。本文采用微處理器技術(shù)實(shí)現(xiàn)心音信號(hào)的采集、處理、存儲(chǔ)和顯示，將微弱的心音信號(hào)轉(zhuǎn)化為屏幕顯示的心音波形供醫(yī)生和患者觀察和回看，一些異常心音可以通過回放非常清晰的顯示，更加方便醫(yī)生進(jìn)行診斷。同時(shí)，由于實(shí)現(xiàn)了心音存儲(chǔ)功能，可以長時(shí)間記錄心音活動(dòng)，對(duì)醫(yī)生分析一些間歇性和偶發(fā)性心臟疾病非常有幫助。本系統(tǒng)的另一優(yōu)勢是可以將低頻信息采用屏幕顯示的方式展現(xiàn)出來，這使得以往由于人耳聽覺靈敏度的限制而無法感知的低頻信息得以獲取。

1.2 心音采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

心音信號(hào)的頻率成份是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵依據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)第一心音S1的頻率成份主要集中在50～150 Hz以內(nèi)，第二心音S2的頻率成份主要集中在50～200 Hz以內(nèi)。也有的心音圖醫(yī)學(xué)書籍中記錄S1、S2 的頻譜分布是50～ 100 Hz，一般研究認(rèn)為整個(gè)心音的有用頻率成分在600 Hz以下[12]。

針對(duì)心音的頻譜特征，為保證信號(hào)的完整采樣，本設(shè)計(jì)將信號(hào)采樣頻率設(shè)置在8 KSPS，采樣精度12 bit。同時(shí)人體聲音本來就是非常微弱的信號(hào)，由于一些疾病會(huì)導(dǎo)致部分器官的聲音與正常聲音之間區(qū)別就更加細(xì)微，想要捕捉有效的診斷信息必須實(shí)現(xiàn)對(duì)心音的高精度采樣。在整個(gè)系統(tǒng)中首先采用一般的聽診頭實(shí)現(xiàn)將心音信號(hào)傳導(dǎo)到橡皮導(dǎo)管中，在橡皮導(dǎo)管的末端使用高靈敏度拾音器實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換。然后采用精密小信號(hào)儀表放大器電路搭建模擬前端小信號(hào)放大器，將微弱信號(hào)進(jìn)行放大。再經(jīng)過截止頻率為600 Hz的模擬低通濾波器，濾除信號(hào)中的高頻干擾信號(hào)。隨后通過壓控放大器將信號(hào)放大到AD采樣的有效范圍內(nèi)，以提高信號(hào)的采樣精度，壓控增益放大器的增益控制電壓由MCU根據(jù)AD的采樣值來控制產(chǎn)生。采集到的信號(hào)同時(shí)實(shí)現(xiàn)屏幕顯示、存儲(chǔ)和聲音放大輸出，同時(shí)也可以通過USB口輸出至PC或者其他終端。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)中，選擇TI公司的超低功耗單片機(jī)MSP430F6638作為主控單元，該芯片除了具有一般微控制器的控制和接口功能外，同時(shí)還集成了16通道12 bit的片上AD轉(zhuǎn)換模塊，雙路12 bit的DA轉(zhuǎn)換模塊，USB接口控制器等資源[13]，可以滿足本設(shè)計(jì)對(duì)采樣速率和精度、控制輸出和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。采用MSP430F6638后系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 基于MSP430F6638的心音采集系統(tǒng)框圖

2.1 心音傳感電路

心音信號(hào)是一種微弱生物信號(hào)，容易受到人體諸多因素的影響，通常情況下，心音信號(hào)具有信號(hào)弱、噪聲強(qiáng)、頻率成分復(fù)雜、隨機(jī)性強(qiáng)等特點(diǎn)。心音傳感部分是心音采集系統(tǒng)的一級(jí)傳感器，它的信號(hào)轉(zhuǎn)換精度直接決定系統(tǒng)能夠達(dá)到的最高精度。在心動(dòng)周期中，由心肌收縮和舒張，瓣膜啟閉，血流沖擊心室壁和大動(dòng)脈等因素引起的機(jī)械振動(dòng)，并通過周圍組織傳到胸壁而產(chǎn)生微弱信號(hào)。心音傳感器就是檢測這一微弱信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以供后期信號(hào)放大和處理。心音傳感器的類型主要包括空氣傳導(dǎo)式、接觸傳導(dǎo)式和加速度式等種類，我們這里選擇使用最廣泛的空氣傳導(dǎo)式心音傳感器，采用標(biāo)準(zhǔn)聽診頭感知胸壁傳遞出的音波，然后由橡皮管聯(lián)通至高靈敏度的拾音器，通過拾音器上膜片的震動(dòng)產(chǎn)生與心音強(qiáng)度成比例的輸出信號(hào)。圖3時(shí)拾音器采集的原始心音信號(hào)輸出，可見采集到的信號(hào)噪聲很大，基本上和有用信號(hào)的幅度相當(dāng)，但是噪聲頻率明顯較高，可以通過后續(xù)的信號(hào)處理提取出有效的心音信號(hào)。

圖3 拾音器采集的原始心音信號(hào)

2.2 前級(jí)小信號(hào)放大電路

前置放大電路也是檢測系統(tǒng)的重要單元，它直接用于將拾音器傳感輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大。因此它必須具有高輸入阻抗和低輸出阻抗特性，以滿足阻抗變換要求，有效放大信號(hào)，并具有溫飄低、共模抑制比高等特點(diǎn)，以便盡可能的抑制和減少引入噪聲。因此我們選擇TI公司的精密低功耗儀表放大器IN129作為我們的前級(jí)放大芯片。該芯片具有高精度、低噪聲、低功耗等特性，最大失調(diào)電壓為50 μV，失調(diào)漂移最大值為0.5 μV/°C，共模抑制比120 dB以上，最低工作電壓地址2.25 V，靜態(tài)電流只有700 μA[14]，非常適合用于低功耗便攜式設(shè)備。同時(shí)INA129電路簡單，通過1腳和8腳間的一個(gè)外接電阻RG，即可確定電路增益G。增益計(jì)算式為：G=49.4 kΩ/RG+1，實(shí)際電路中用50 kΩ電位器調(diào)試。

圖4 語音信號(hào)放大電路圖

2.3 低通濾波電路

考慮到心音信號(hào)的有效成份主要集中在600 Hz以下的頻率范圍，因此在信號(hào)采集系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一個(gè)600 Hz的低通濾波器，以濾除頻帶外的干擾信號(hào)。如圖5所示，設(shè)計(jì)中采用兩級(jí)二階巴特沃斯低通濾波器級(jí)聯(lián)以實(shí)現(xiàn)對(duì)帶外信號(hào)的抑制。圖6為該電路在Multisim中的仿真結(jié)果，3 dB截止頻率為600 Hz。

圖5 兩級(jí)二階巴特沃斯低通濾波器

2.4 MSP430F6638控制單元

系統(tǒng)選擇TI公司的低功耗16 bit控制器MSP430F6638作為主控單元，在3 V供電以及8 MHz主頻的工作模式下，功耗僅為270 μA/MHz。該控制器集成了豐富的IO資源、定時(shí)器、中斷以及通信接口。更為重要的是該處理器內(nèi)部集成了ADC、DAC以及USB控制器，這三個(gè)資源都是系統(tǒng)設(shè)計(jì)不可缺少的重要資源。其中16通道的ADC采樣精度達(dá)12 bit，最高采樣速率可達(dá)200KSPS，足夠滿足系統(tǒng)需求。同時(shí)內(nèi)部自帶參考電壓發(fā)生器，可選擇產(chǎn)生1.5、2.5 V等參考電壓，也可外接參考電壓，方便系統(tǒng)使用。兩通道12 bit的DAC是完全獨(dú)立的兩個(gè)DA模塊，正好用于心音信號(hào)放大控制電壓輸出和心音的回放。USB控制器可以將采樣數(shù)據(jù)傳輸至PC或者其他終端供后續(xù)分析和處理使用。

圖6 兩級(jí)二階巴特沃斯低通濾波器

2.5 心音回放電路

回放的心音信號(hào)需要用到喇叭外放后者輸出到耳機(jī)，本系統(tǒng)增加了外放功能。前端放大器采用通用型的音頻功率放大器LM386來完成。電路如圖7，該電路的增益為50～200倍連續(xù)可調(diào)，增益由R1，R2控制輸出端接R3，C4串聯(lián)電路，以校正喇叭的頻率特性，防止高頻自激。腳7接110 μf去耦電容，以消除低頻自激。為了便于該功放在高增益的情況下工作，將不使用的輸入端腳2對(duì)地短路。

圖7 心音信號(hào)回放功率放大電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)方面，主要包括采樣控制、采樣增益控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示、數(shù)據(jù)傳輸?shù)饶K。MSP430F6638首先對(duì)AD采樣通道、采樣模式、采樣速率進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置為單一通道循環(huán)采樣模式，采樣時(shí)鐘設(shè)置為8 kHz，參考電壓2.5 V，并開辟出專門的采樣區(qū)用于臨時(shí)存放采樣數(shù)據(jù)。在采樣數(shù)據(jù)更新的情況下，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)計(jì)算出數(shù)據(jù)的有效范圍，然后根據(jù)此范圍計(jì)算反饋增益。因設(shè)置AD的采樣基準(zhǔn)電壓為2.5 V，因此前向通道輸入到AD輸入端的電壓峰峰值保持在1.5 V左右，充分利用AD的有效精度區(qū)域。采用128×64點(diǎn)的液晶對(duì)心率進(jìn)行顯示，從數(shù)據(jù)區(qū)中近3秒鐘即24 K個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)中抽取出128個(gè)點(diǎn)(每192個(gè)點(diǎn)抽取一個(gè))，將此128個(gè)點(diǎn)的值顯示在液晶上實(shí)現(xiàn)心率刷新。圖8所示為心音采集系統(tǒng)的主程序流程圖。

4 心音采集系統(tǒng)測試

對(duì)設(shè)計(jì)的心音采集系統(tǒng)進(jìn)行測試，選擇離散分布的心臟、心臟上方、胸窩、胃部和肋骨等5處采集健康人體的心音信息，采集位置如圖9所示。分別記錄原始傳感器輸出信號(hào)和放大、濾波等處理后的信號(hào)，如圖10所示。

圖8 心音采集系統(tǒng)軟件流程

圖9 心音采集位置示意圖

圖10 各個(gè)區(qū)域采集到的心音信號(hào)

測試結(jié)果表明，在圖10(b)心臟區(qū)域亦即醫(yī)學(xué)上的“主動(dòng)脈瓣第二聽診區(qū)”采集的信號(hào)強(qiáng)度最大，第一心音和第二心音非常清晰，其他幾個(gè)區(qū)域信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)較低，但也基本能夠分辨出第一心音和第二心音，但同時(shí)間雜別的器官聲音。采集信號(hào)的噪音幅度在各個(gè)區(qū)域基本相同，沒有明顯的差異。所有區(qū)域的心音均很難分辨出第三心音。需要進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理才有可能得到相關(guān)信息。

5 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)基于MSP430F6638微處理器設(shè)計(jì)了一款低功耗心音采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微弱心音信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、顯示和傳輸。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中綜合應(yīng)用了信號(hào)傳感、電路技術(shù)、微處理器技術(shù)以及簡單的數(shù)字信號(hào)處理和控制原理等相關(guān)知識(shí)，在綜合應(yīng)用跨課程知識(shí)開展設(shè)計(jì)方面開展了有益的嘗試，經(jīng)過在武漢大學(xué)“電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”跨學(xué)期課程的實(shí)施，對(duì)學(xué)生貫通專業(yè)知識(shí)體系取得了明顯的效果，同時(shí)對(duì)增強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)信心和興趣也起到了意外的效果。在此基礎(chǔ)上，還可以繼續(xù)開展數(shù)字信號(hào)處理相關(guān)實(shí)驗(yàn)以實(shí)現(xiàn)心率測量、畸變檢測等功能[15-16]，可以實(shí)現(xiàn)更多課程知識(shí)的融合。

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Integrated Experiment Design and Implementation of Heart Sound Sampling System

ZHOULi-qing,HUShuang,QUXiu-yuan,ChenXiao-qiao,WANGQi
(School of Electronic Information， Wuhan University， Wuhan 430072， China)

In this paper, a cross-course and cross-term experiment course is designed to enhance the integrated design capability of using multi-course knowledge and technique. The heart sound sampling system, which needs a combination of signal sensing, circuitry technique, microcontroller as well as digital signal processing while implementation, is design as a demonstration project of the course. The heart sound sensing, sampling, storing, displaying and transmitting are achieved based on the control of microcontroller MSP430F6638. The experiment results show that heart sounds sampled contain with purified first heart sound and second heart sound.

electric stethoscope; heart sound signals; heart sound signals detection; PCG

2014-04-03

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61271400，61371198)； 湖北省高等學(xué)校省級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目(2012015)； 武漢大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(201403)

周立青(1981-)，男，江蘇淮安人，博士，實(shí)驗(yàn)師，電子信息學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心副主任，主要研究方向?yàn)楦咚傩盘?hào)采集與處理。

Tel.:15902795559; E-mail:zlq@whu.edu.cn

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1006-7167(2015)02-0155-05