基于智能移動終端的低成本心音采集系統(tǒng)

徐禮勝，呂文龍，薄紅瑞，康宏宇，柳家進(jìn)，張柯欣，王強(qiáng)

1.東北大學(xué) 中荷生物醫(yī)學(xué)與信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110016；2.教育部醫(yī)學(xué)影像計(jì)算重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 遼寧 沈陽110819；3. 遼寧中醫(yī)藥大學(xué) 遼寧 沈陽110004

基于智能移動終端的低成本心音采集系統(tǒng)

徐禮勝1,2，呂文龍1，薄紅瑞1，康宏宇1，柳家進(jìn)1，張柯欣3，王強(qiáng)1

1.東北大學(xué) 中荷生物醫(yī)學(xué)與信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110016；2.教育部醫(yī)學(xué)影像計(jì)算重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 遼寧 沈陽110819；3. 遼寧中醫(yī)藥大學(xué) 遼寧 沈陽110004

目的為了有效預(yù)防心臟疾病，降低電子聽診器成本，本文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了基于智能終端的低成本心音采集系統(tǒng)。方法通過軟、硬件的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了基于手機(jī)等移動終端的心音采集、傳輸和分析。本系統(tǒng)硬件部分將心音的模擬信號通過AV線傳輸給智能手機(jī)。手機(jī)上的心音采集軟件實(shí)時顯示心音圖，并將數(shù)據(jù)保存為wav格式，便于傳輸和后續(xù)服務(wù)器端的分析。同時，本文采用主、客觀測評方法，將本系統(tǒng)與目前市場常用的兩款應(yīng)用于臨床的聽診器所采集心音的質(zhì)量進(jìn)行了對比。結(jié)果該系統(tǒng)不僅能隨時實(shí)時捕獲心音，而且采集的心音信號質(zhì)量好，心音圖清晰、準(zhǔn)確。與另兩款商業(yè)聽診器對比，本系統(tǒng)性能可靠，能滿足臨床要求。結(jié)論本系統(tǒng)能方便、準(zhǔn)確地采集心音信號，極大地降低了成本，而且并能通過智能終端將心音數(shù)據(jù)發(fā)送給醫(yī)生，方便診斷。

聽診器；心音；移動終端；采集系統(tǒng)；低成本

0 引言

心音聽診是心臟病無創(chuàng)性檢測的重要方法，在及時反應(yīng)心臟雜音和病變方面具有心電圖、超聲所不可取代的優(yōu)勢。心音作為人體最重要的生理信號之一，它能夠反映心臟心肌收縮、舒張、瓣膜閉合以及其他心臟工作情況。分析心音中出現(xiàn)的雜音和畸變可以對心臟進(jìn)行疾病的診斷，因此心音分析在診斷中具有重要的意義[1-2]。19世紀(jì)之前由于聽診器沒有問世，醫(yī)生依靠耳朵在病人胸前進(jìn)行聽診，聽診器的發(fā)病似的在聽著方式上有了很大進(jìn)步[3]。目前，國內(nèi)心音信號采集和分析系統(tǒng)仍不成熟，少有實(shí)用意義上的心音信號分析診斷方面的電子醫(yī)療產(chǎn)品[4]。

目前聽診器在市場上可以分兩種類型:傳統(tǒng)的聽診器和電子聽診器。傳統(tǒng)聽診器由傳導(dǎo)聲音導(dǎo)管、共振片和聲音共振腔組成。傳統(tǒng)聽診器主要受人體聲音強(qiáng)度的限制，特別容易受到使用環(huán)境的限制，尤其是在凌亂嘈雜的事故現(xiàn)場，不容易對心音進(jìn)行采集。另外，傳統(tǒng)聽診器不能進(jìn)行定量數(shù)據(jù)分析和顯示，同一時間只能用于聽診一種生理信號，不能綜合聽診[5-6]。此外，通過基于聽到的聲音診斷是一種技巧,但這需要多年工作經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生才能得到準(zhǔn)確的診斷結(jié)果，這為醫(yī)生對病情的準(zhǔn)確診斷帶來了不利的影響。電子聽診器將心音信號通過運(yùn)放電路、濾波電路，最后得到清晰準(zhǔn)確的心音信號；同時電子聽診器放大了身體的心臟和肺部的聲音，電子聽診器的發(fā)明為醫(yī)生診斷病情提供了準(zhǔn)確的病理支持[7-8]。目前電子聽診設(shè)備一般采用了藍(lán)牙、ZigBee、WiFi等無線模塊，顯示設(shè)備則采用了通用的顯示模塊，這種組合無疑增加了功耗，提高了成本，致使目前的電子聽診設(shè)備價格昂貴，特別是在國內(nèi)這種電子聽診設(shè)備鮮有使用。

移動醫(yī)療作為一種有力的手段，為個人的健康提供了條件[9]。移動醫(yī)療作為一個綜合的概念，包括了通過電子傳輸和交換健康信息，能夠降低成本減少病人復(fù)發(fā)頻率。與常規(guī)治療相比，移動醫(yī)療能夠降低急診、住院和死亡率，改善病人的意識和自我保健的能力[10]。很多知名公司已加入了研發(fā)的熱潮，如飛利浦、愛立信等公司正在對移動醫(yī)療服務(wù)技術(shù)進(jìn)行研究與開發(fā)。愛立信研制的MobiHealth系統(tǒng)在患者身體上佩帶傳感器獲取病人的健康數(shù)據(jù)，然后通過藍(lán)牙技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸給醫(yī)生，進(jìn)行診斷與實(shí)時的醫(yī)療監(jiān)護(hù)。飛利浦目前正在研究可以對心臟進(jìn)行實(shí)時監(jiān)護(hù)的衣服，由患者著裝后，醫(yī)生可以一直對病人進(jìn)行實(shí)時檢測和護(hù)理[11]。所以電子心音設(shè)備在移動醫(yī)療領(lǐng)域具有重要的意義。

據(jù)國內(nèi)外心音采集數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，業(yè)界一般人為心音的產(chǎn)生是由于心臟瓣膜的開閉，正常的 心音信號主要集中在0～500 Hz之間，且為一種典型的非平穩(wěn)的隨機(jī)信號。通過分析心臟收縮所產(chǎn)生的聲音進(jìn)行系統(tǒng)的研究和分析，可以將心音第一心音、第二心音、第三心音和第四心音，標(biāo)號分別為S1、S2、S3和S4。完成一次心動周期的持續(xù)時間為0.8 s左右，一次心動周期的主要特征見表1[12]。

表1 主要心音特征

由表1研究結(jié)果可知，整個心音的有用頻率成分在600 Hz以下，其余為雜音，心臟雜音和心音的不規(guī)律，一般是心臟病的重要特征，所以判斷心音的頻率可作為診斷心臟病的重要依據(jù)。

為了克服前文中提到的諸多弊端和發(fā)揮移動醫(yī)療的優(yōu)勢，本設(shè)計(jì)采用基于智能移動終端(智能手機(jī))的新型低成本系統(tǒng)，使用AV線將智能手機(jī)與模擬電路采集部分連接，將心音信號進(jìn)行顯示和保存。本文通過對數(shù)據(jù)的主客觀測評對本設(shè)計(jì)的心音進(jìn)行優(yōu)良性的驗(yàn)證。

1 心音聽診

國內(nèi)外主要在以下幾個方面進(jìn)行了研究：① 對S1和S2的生理病理研究；② 對人工心臟瓣膜的無創(chuàng)傷檢測；③對微軟心音成分的分析和研究，主要是針對第三心音和第四心音部分；④ 分析心臟雜音的頻率變化規(guī)律；⑤ 從一個心動周期中定位提取心音成分；⑥ 對心音傳導(dǎo)機(jī)制建模[13]。第一心音和第二心音包含的信息在心臟聽診中起著重要的作用，因此S1和S2是本設(shè)計(jì)采集心音的重點(diǎn)。

心室的收縮期的開始發(fā)生在第一心音，采集心音清晰度最高處位于心尖搏動處，頻率為40～60 Hz，持續(xù)時間為0.1～0.12 s，聲音大。心舒期發(fā)生在第二心音，開始進(jìn)行心室舒張，此部分的心音主要由兩部分構(gòu)成，分別為肺動脈音和主動脈音。第三心音持續(xù)時間為0.04～0.05 s，聲音較弱。圖1所示為由本聽診器記錄的正常心音，能夠清晰的識別出第一心音和第二心音部分。

圖1 正常心音實(shí)例

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本心音系統(tǒng)由聽診頭、模擬電路、AV線和智能終端四部分構(gòu)成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框見圖2。聽診頭采用通用型醫(yī)用聽診頭。模擬電路包括駐極體傳感器、前端放大模塊、高通低通濾波模塊、50 Hz工頻陷波模塊、音頻接口模塊和電源模塊。本系統(tǒng)對于模擬電路和智能終端之間的數(shù)據(jù)傳輸采用了AV線的設(shè)計(jì)，AV線能有效的排除外來電磁干擾，以免造成信號失真。智能終端中的電源模塊通過AV線與模擬電路進(jìn)行共地，與采用無線傳輸模塊相比，不僅降低了功耗，保證了信號的質(zhì)量，而且降低了成本。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)首先將駐極體傳感器鑲嵌在醫(yī)用聽診頭內(nèi)，駐極體傳感器將聽診頭內(nèi)的心音信號傳輸?shù)接布娐纺K，信號經(jīng)過硬件電路的前端放大、濾波處理后，再通過連接在智能終端音頻接口上的AV線將心音信號送至智能終端，本設(shè)計(jì)采用的智能終端為安卓系統(tǒng)手機(jī)，在手機(jī)軟件上顯示心音圖，并保存心音數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)實(shí)物圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)實(shí)物圖

2.2 系統(tǒng)模塊介紹

（1）聲音信號拾取模塊

據(jù)研究結(jié)果顯示，心音頻率為0～500 Hz之內(nèi)，屬于人耳所能識別音頻的中低頻段。駐極體傳感器通過駐極體材料利用電荷的轉(zhuǎn)變來改變電壓的變化，將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號，這種微型的聲電換能器具有以下優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)小巧、價格低廉、性能優(yōu)越，特別是靈敏度極高的優(yōu)勢，被廣泛運(yùn)用在醫(yī)學(xué)、力學(xué)和聲學(xué)等方面[14-16]。

（2）電源模塊

由于本系統(tǒng)需要5V和-5V電源電壓，為保證為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓源，本設(shè)計(jì)采用AMS1117-5作為5V的電壓源，-5V電壓則采用MAX828芯片進(jìn)行5V至-5V的電壓轉(zhuǎn)換。

（3）信號的放大濾波處理模塊

由于心音信號的主要頻率在500 Hz以內(nèi)，所以本文所設(shè)計(jì)的頻帶在800 Hz以內(nèi)進(jìn)行對心音信號的拾?。挥捎谛囊粜盘柗浅Ｎ⑷?，即使通過駐極體電容式傳感器之后的電壓僅為30至60 MV，根據(jù)濾波模塊電路的要求，需要其進(jìn)行初級放大。本設(shè)計(jì)提出采用TDA2822進(jìn)行雙聲道音頻功率放大，本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于該電路的電壓范圍為1.8～15 V，要求電源電壓最低降至1.8 V，其次，該設(shè)計(jì)靜態(tài)電流較小，產(chǎn)生的交越失真低。

前置放大器輸出的信號并不是純粹的心音信號，通常包含測試環(huán)境、電磁影響及受測人員身體微弱移動帶來的噪音[17]，其中受到工頻干擾，其所具有的低頻分量也不可忽略。這種干擾包含設(shè)備與皮膚的接觸摩擦、身體信號與設(shè)備的串?dāng)_以及呼吸噪音等。同時由于設(shè)備電極極化電壓所具有的不平衡特點(diǎn)、運(yùn)放的失調(diào)偏移和人體運(yùn)動等原因造成信號干擾。這會導(dǎo)致心音信號在雜音中無法有效識別提取，不利于后期電路的處理。本設(shè)計(jì)通過設(shè)計(jì)壓控電壓源的高通濾波器進(jìn)行對低頻分量和直流分量的去除。同時采用雙T型網(wǎng)絡(luò)帶阻濾波器進(jìn)行對心音信號中50 Hz的信號進(jìn)行濾除。

（4）智能終端模塊

由于智能手機(jī)具有良好的移動性、廣泛的普及性以及對數(shù)據(jù)處理的能力十分優(yōu)越，本設(shè)計(jì)采用智能手機(jī)作為系統(tǒng)的顯示心音信號、儲存心音信號的設(shè)備，通過設(shè)計(jì)Android系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，設(shè)計(jì)其功能為接受、顯示和保存心音信號，以及實(shí)現(xiàn)對用戶個人信息進(jìn)行表述的功能。本設(shè)計(jì)通過使用智能手機(jī)能夠?yàn)橛脩籼峁┬囊鈭D以判斷病情，同時可以通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)到醫(yī)生[18-19]。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 心音數(shù)據(jù)采集

通過對照市場上的兩種電子聽診器和本設(shè)計(jì)制作的電子聽診器進(jìn)行對實(shí)驗(yàn)室的十名同學(xué)進(jìn)行心音采集，每個樣本采集時間為10 s，每個人分別用三種儀器各采集4組數(shù)據(jù)，共120個樣本。

本實(shí)驗(yàn)要求采用容積為20～120 m3的房間作為測試房間，環(huán)境噪聲要求降低到最低水平。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，要求被采集者應(yīng)保持正常坐在椅子上，保持呼吸平靜，采集者將聽診頭放在心尖處，導(dǎo)通模擬電路部分電源，打開手機(jī)軟件進(jìn)行心音采集，保持安靜，等待采集心音結(jié)束。本實(shí)驗(yàn)采集心音現(xiàn)場見圖4。數(shù)據(jù)采集參數(shù)見表2。

圖4 系統(tǒng)采集心音數(shù)據(jù)現(xiàn)場

表2 心音采集的參數(shù)設(shè)置

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集采用脈沖編碼調(diào)制（Pulse-Code Modulation，PCM）音頻編碼格式，即一種將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的基本方法。PCM將信號的強(qiáng)度依照同樣的間距分成數(shù)段，然后用獨(dú)特的數(shù)碼記號（通常是二進(jìn)制）來量化。PCM常被用于數(shù)碼電信系統(tǒng)上，也是電腦等設(shè)備中的標(biāo)準(zhǔn)形式。主要包括抽樣、量化與編碼3個過程。我國采納A律13折線壓縮特征，8段量化線段，格式為D0～D7，其中D0為極性碼，D1、D2、D3為段落碼，D4、D5、D6、D7為段內(nèi)碼[20]。為保證最大程度上忠實(shí)于原音，本實(shí)驗(yàn)采用PCM格式避免對音頻的損耗。

3.2 系統(tǒng)性能分析

本實(shí)驗(yàn)采用主觀、客觀測評對本系統(tǒng)進(jìn)行性能驗(yàn)證，通過對比3種儀器同時采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，其中儀器1為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電子聽診器，儀器2為偉倫公司的“The stethoscope system”電子聽診器，儀器3為Hanbyul Meditech Co.,Ltd.公司的SP-S2型電子聽診器。

3.2.1 主觀測評

本實(shí)驗(yàn)主觀測評參考ITU_UP語音質(zhì)量測評標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用“絕對種類定級”的測評方法進(jìn)行測評[21]。主觀測評包括兩個部分：響度偏好尺度與聲音質(zhì)量尺度，每5個等級作為一個尺度進(jìn)行測評[22-26]，見表3。

表3 評測等級及分?jǐn)?shù)

從采集的數(shù)據(jù)中，隨機(jī)挑選3個人的由每種儀器采集的數(shù)據(jù)樣本，共9個數(shù)據(jù)樣本，另外十名同學(xué)對這9個數(shù)據(jù)進(jìn)行測評，得出的結(jié)果見圖5。

圖5 3種儀器測得數(shù)據(jù)主觀得分

3種儀器主觀測評的聲音質(zhì)量尺度得分平均分分別如下：3.80、3.47、2.87。響度偏好尺度的主觀測評的平均得分分別如下：3.17、3.40、4.00。

3.2.2 客觀測評

本系統(tǒng)的客觀測試著重于數(shù)據(jù)樣本信噪比（Signal-Noise Ratio，SNR）的對比。對9個心音數(shù)據(jù)樣本，通過Matlab工具，利用小波軟閾值方法提取每個心音數(shù)據(jù)的噪聲，進(jìn)而測量樣本的SNR。測量的三種儀器的SNR大小見表4。

表4 三種儀器的樣本信噪比值（SNR值）

對三個儀器的SNR值分別取平均值，儀器1 SNR值、儀器2 SNR值和儀器3 SNR所得到客觀測試結(jié)果為：38.6275、43.5834、38.6015。

4 結(jié)論

針對本系統(tǒng)的主觀及客觀測試表明，在主觀測試中，本系統(tǒng)采集的心音數(shù)據(jù)質(zhì)量以及響度測試比其他兩款產(chǎn)品要優(yōu)越。在客觀測試中，本系統(tǒng)的SNR值比偉倫公司的“The stethoscope system”電子聽診器要低，與Hanbyul Meditech Co.,Ltd.公司的SP-S2型電子聽診器基本相同。同時，在時域和頻域方面對心音信號進(jìn)行分析得出其基本相同。

同時本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了低成本的設(shè)計(jì)要求，并保證了系統(tǒng)工作穩(wěn)定的性能。本文所設(shè)計(jì)的電子聽診器原材料成本約80元。實(shí)驗(yàn)室購買的偉倫公司的“The stethoscope system”電子聽診器為5000元，Hanbyul Meditech Co.,Ltd.公司的SP-S2型電子聽診器為2500元，達(dá)到了低成本的目的。

綜上分析，本文件設(shè)計(jì)的電子聽診器與其他兩款電子聽診器相比，本文所設(shè)計(jì)的心音采集系統(tǒng)的性能優(yōu)于Hanbyul Meditech Co.,Ltd.公司的電子聽診器，與偉倫公司的電子聽診器性能相同。

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)距成為一款產(chǎn)品化、商業(yè)化的可適合多場合應(yīng)用的產(chǎn)品還很遠(yuǎn)，今后應(yīng)主要改善和提高對心音波形的提取質(zhì)量，建立對心音病態(tài)的識別，并根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行對心臟疾病的初步診斷。

致謝

該項(xiàng)目得到國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61374015）；教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目（20110042120037）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)探索導(dǎo)向重點(diǎn)項(xiàng)目（N110219001）；遼寧省自然基金項(xiàng)目（201102067）的支持。

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Low-Cost Heart Sound Acquisition System Based on Intelligent Mobile Terminal

Objective To prevent cardiovascular diseases,and reduce the cost of the electronic stethoscope,this article designs and implements a heart sound acquisition system based on low-cost smart phone and Android system. Methods In this paper,the acquisition of the heart sounds is achieved by combining the design of hardware and software.Viaan AV cable,the designed hardware of this system transmits analog heart sounds signal to a smart phone. The heart sounds can be real-time displayed on the smart phone and can be saved as wav format for further analysis and transmission through our designed software based on Android system. By using subjective evaluation and objective evaluation method,the performance of our designed stethoscope was compared with these of two commercial stethoscopes,which have widely clinical applications currently on the market. Results The designed system can stably capture heart sounds with high quality. The SNR of the phonocardiogram is high enough. Compared with two kinds of clinical stethoscopes,the performance of our designed system is satisfactory. Conclusion The system is portable. The acquisition of heart sound signal is convenient and accurate. Through intelligent terminals,this system can send heart sound data to doctors for further diagnosis.

stethoscope;heart sounds;mobile terminals;acquisition system;low cost

XU Li-sheng1,2,LV Wen-long1,BO Hong-rui1,KANG Hong-yu1,LIU Jia-jin1,ZHANG Ke-xin3,WANG Qiang1
1.Sino-Dutch Biomedical and Information Engineering School of Northeastern University,Shenyang Liaoning 110016,China;2.Medical Image Computing Key Laboratory of Ministry of Education,Shenyang Liaoning 110819,China;3. Liaoning University of Traditional Chinese Medicine,Liaoning 110004,China

TN929.53;R318.6

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.09.006

1674-1633(2016)09-0024-05

2016-08-31

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61374015)；教育部博士點(diǎn)

基金項(xiàng)目(20110042120037)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)探索導(dǎo)向重點(diǎn)項(xiàng)目(N110219001)；遼寧省自然基金項(xiàng)目(201102067)。

徐禮勝，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：生物醫(yī)學(xué)信號處理。

通訊作者郵箱：xuls@bmie.neu.edu.cn