一種Android平臺(tái)的便攜心音心電實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)

摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)心電儀及心音聽診設(shè)備相互獨(dú)立且不易攜帶的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于Android平臺(tái)的便攜式心音心電采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)由心音和心電采集及信號(hào)調(diào)理模塊，藍(lán)牙數(shù)據(jù)通信模塊和Android系統(tǒng)上位機(jī)構(gòu)成。首先在心音與心電采集與放大電路中將信號(hào)進(jìn)行分別放大和去噪處理，然后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換將處理后的信號(hào)經(jīng)由藍(lán)牙模塊發(fā)出；最后使用Android平臺(tái)設(shè)備上位機(jī)程序?qū)Σ杉降男囊襞c心電信號(hào)進(jìn)行接收與實(shí)時(shí)顯示。實(shí)際效果表明，所設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路能夠有效濾除外界噪聲干擾，可以清楚地分辨信號(hào)的診療特征，極大程度上克服了現(xiàn)有診斷設(shè)備的諸多缺點(diǎn)，為個(gè)人健康監(jiān)護(hù)以及醫(yī)務(wù)人員外出診斷都提供了一個(gè)良好的解決方案。

關(guān)鍵詞： Android平臺(tái)； 心音； 心電； 便攜式采集系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN926?34； TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）02?0085?04

A portable ECG and PCG real?time acquisition system based on Android platform

HUANG Bin， ZENG Qingning， LONG Chao

（College of Information and Communication， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China）

Abstract： Since the traditional ECG monitor and cardiophony equipment are mutually independent and uneasy to carry， a portable ECG and PCG acquisition system based on Android platform was designed and realized. The acquisition system is constituted of heart sounds and ECG acquisition and signal conditioning module， Bluetooth data communication module and upper computer of Android system. The signals are amplified and denoised respectively in ECG and PCG acquisition and amplification circuit， and then send out through Bluetooth module after AD conversion. The upper computer procedure of the Android platform is used to receive and display the collected ECG and PCG signals in real?time. The actual results show that the signal conditioning circuit can filter out the outside noise effectively， and distinguish the treatment features of the signals clearly. The system has overcome many shortcomings of the existing diagnostic equipments to the maximum extent， and provides a good solution for the personal health supervision and medical personnel out?call.

Keywords： Android platform； PCG； ECG； portable acquisition system

0 引 言

隨著現(xiàn)代生活條件水平的提高，人類飲食結(jié)構(gòu)與睡眠規(guī)律都發(fā)生了顯著變化。人們攝入的膽固醇和各類動(dòng)物脂肪已經(jīng)大大超出人體的健康日攝入量，同時(shí)社會(huì)的壓力以及各種不良生活習(xí)慣，都直接或間接導(dǎo)致了心臟疾病發(fā)病率的明顯增加。

心電信號(hào)和心音信號(hào)是心臟肌肉進(jìn)行工作時(shí)產(chǎn)生的生理信號(hào)，對(duì)心電和心音信號(hào)的分析，是診斷心臟疾病的重要手段和標(biāo)準(zhǔn)。心電信號(hào)對(duì)于檢測(cè)常見心臟病，特別是心機(jī)梗塞和心律失常而言，相對(duì)于其他的診斷手段具有快速便捷、簡(jiǎn)單實(shí)用、費(fèi)用廉價(jià)以及無(wú)創(chuàng)傷等優(yōu)點(diǎn)。但對(duì)于一些心臟組織自身的病變，并不會(huì)直接在心電信號(hào)中反應(yīng)出來(lái)，但卻能在心音信號(hào)中較好的體現(xiàn)出來(lái)，比如先天性的變力性心中瓣膜受損即是如此[1]。因此心電與心音信號(hào)是不可相互取代的一組極重要的信號(hào)，在臨床診斷中最合適的診斷途徑是兩種信號(hào)相結(jié)合，共同完成心臟疾病的診斷。

對(duì)于醫(yī)生出診以及家庭日常使用而言，一款通用價(jià)廉的便攜式心電與心音實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)是非常有必要的，而智能手機(jī)的普及，給這種方案提供了極大便利[2]。本文設(shè)計(jì)了一種基于Android系統(tǒng)的便攜式心電與心音信號(hào)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，由前端傳感器采集到的心電和心音信號(hào)能實(shí)時(shí)在上位機(jī)上顯示并儲(chǔ)存，進(jìn)而達(dá)到后繼詳細(xì)診療的目的。

1 心電與心音信號(hào)采集及調(diào)理電路

本文所設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的采集系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

由于心電和心音信號(hào)比較微弱，易受干擾，因而在設(shè)計(jì)放大電路時(shí)均采用多級(jí)放大器進(jìn)行放大，并加以濾波，以得到較為理想的信號(hào)波形。傳感器所采集到的毫伏級(jí)信號(hào)在經(jīng)過(guò)前置放大電路進(jìn)行初步放大后，再通過(guò)帶通濾波器進(jìn)行濾波處理，之后送入中間級(jí)和后級(jí)的放大電路放大，得到的信號(hào)可用于A/D轉(zhuǎn)換等后期處理。

1.1 心電信號(hào)部分

心電信號(hào)可由傳統(tǒng)的v6導(dǎo)聯(lián)的采集位進(jìn)行采集，右腿驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償采集點(diǎn)在右腳處。本文所設(shè)計(jì)的心電信號(hào)采集電路由前置放大電路、右腿驅(qū)動(dòng)電路、帶通濾波電路、陷波器電路和后級(jí)放大電路組成。

1.1.1 前置放大電路

通過(guò)人體電極傳導(dǎo)出來(lái)的心電信號(hào)十分微弱，而前置放大的精度將影響到整個(gè)電路系統(tǒng)的最終效果，所以必須選用低噪聲抑制性能比較好的運(yùn)放。AD620是一款比較優(yōu)秀的儀表放大器，具有低噪聲、低輸入偏置電流和低功耗特性，而且有貼片封裝形式，大大提高了電路的集成度。采集到的兩路原始信號(hào)輸入AD620后，通過(guò)可調(diào)電阻Rg的阻值能夠改變放大倍數(shù)。由于輸入信號(hào)是兩個(gè)電極點(diǎn)間的電位差，易造成AD620的靜態(tài)工作點(diǎn)偏移，使之進(jìn)入截止或飽和狀態(tài)。為了避免這種情況，基于AD620的前置放大器電路的增益不能太大[3]，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，此電路的增益可由下式進(jìn)行計(jì)算：

[1+R3+R4RgR3+R4+Rg≈21] （1）

1.1.2 右腿驅(qū)動(dòng)電路

在人們周圍通常都環(huán)繞著市電供電電路，因人體皮膚電阻阻抗不相等而引起的電壓分配效應(yīng)，使得采集到的信號(hào)受到市電交流電路干擾，要消除交流干擾，右腿驅(qū)動(dòng)電路是一種較好的方法[4]，其在信號(hào)采集的過(guò)程中可起到減少共模干擾的作用。右腿驅(qū)動(dòng)電路所使用的運(yùn)算放大器為OPA2134，其原理是從R3和R4中取出的人體共模電壓反向加載到人體，消除分布電容以提高共模抑制比。右腿驅(qū)動(dòng)電路與前置放大電路如圖2所示。

圖2 右腿驅(qū)動(dòng)與前置放大電路

1.1.3 帶通濾波電路

心電信號(hào)的頻譜范圍主要集中在0.05～100 Hz之間，需要用帶通濾波器來(lái)濾除不必要的高頻成分。帶通濾波電路也沿用運(yùn)算放大器OPA2134作為放大器件，電路構(gòu)造一個(gè)截止頻率為100 Hz的低通濾波器和一個(gè)截止頻率為0.05 Hz的高通濾波器，均采用壓控電壓源二階濾波電路。

1.1.4 陷波電路

在采集過(guò)程中，外界干擾源為50 Hz的工頻干擾尤為突出，濾除工頻干擾的主要手段就是構(gòu)造一個(gè)陷波電路，其可有效的抑制工頻干擾[5]。本系統(tǒng)中陷波電路圖如圖3所示，其中運(yùn)放U4，R13～R20和C9～C12組成了陷波頻率為50 Hz的雙T有源陷波器。

圖3 陷波電路

1.1.5 后級(jí)放大電路

經(jīng)過(guò)陷波電路處理后的信號(hào)最大幅度能達(dá)到100 mV級(jí)別，但由于后期A/D的需要，還需把信號(hào)通過(guò)后級(jí)放大電路進(jìn)行一次放大，以達(dá)到 5 V左右。

1.2 心音信號(hào)部分

心音信號(hào)采集同樣是通過(guò)傳感器，將采集到的心音信號(hào)送進(jìn)前置放大電路中，然后經(jīng)過(guò)帶通濾波后送給中間級(jí)放大電路，最后由后級(jí)放大電路輸出放大信號(hào)。其中間級(jí)放大電路可配置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的3.5 mm耳機(jī)插孔，以便于實(shí)時(shí)監(jiān)聽。

1.2.1 前置放大電路

心音信號(hào)也屬于微弱音頻信號(hào)，故需要前置放大器有很優(yōu)秀的低失真性能，在心電采集部分所使用的OPA2134運(yùn)放亦滿足該要求，其低失真率僅為0.000 08%，且在同一系統(tǒng)中使用統(tǒng)一的元器件可以有效提高系統(tǒng)集成度以及降低成本。

為了抑制采集到的噪音，心音采集部分增益倍數(shù)不宜過(guò)大，實(shí)際試聽結(jié)果表明6～10倍的放大倍數(shù)是比較合適的。

1.2.2 低通濾波電路

心音信號(hào)主要的信號(hào)能量集中在20～500 Hz，少量高頻成分可達(dá)800 Hz左右，低頻分量在2 Hz左右。因此需要構(gòu)造一個(gè)截止頻率在1 000 Hz左右的低通濾波器，用以濾除傳感器自身以及衣服摩擦所產(chǎn)生的高頻噪聲。低通濾波器同樣采用壓控電壓源二階濾波電路，其自身增益應(yīng)小于3。

1.2.3 中間級(jí)放大器

中間級(jí)放大器承擔(dān)著整個(gè)信號(hào)放大電路的放大質(zhì)量，是至關(guān)重要的一環(huán)，因此需要選用一款較合適的音頻運(yùn)放。本系統(tǒng)中使用了經(jīng)常應(yīng)用在專業(yè)音響儀器設(shè)備中的NE5532AP運(yùn)放芯片，并為其外接了一個(gè)3.5 mm標(biāo)準(zhǔn)音頻接口，整個(gè)中間級(jí)放大器設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 中間級(jí)放大器

同樣由于中間級(jí)放大電路輸出的信號(hào)只有幾百毫伏，故需要使用后級(jí)放大電路把信號(hào)放大至 5 V左右的區(qū)間值，以便于A/D處理。

2 A/D轉(zhuǎn)換

本系統(tǒng)中采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為A/D轉(zhuǎn)換主控芯片。STC12C5A60S2單片機(jī)中包含中央處理器（CPU）、程序存儲(chǔ)器（FLASH）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（SRAM）、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D轉(zhuǎn)換、SPI接口、PCA、看門狗及片內(nèi)R/C振蕩器和外部晶體振蕩電路等模塊[6]。自帶的8路高速A/D轉(zhuǎn)換最高精度為10位，最高速度為25萬(wàn)次/s，完全滿足設(shè)計(jì)需要。

為了提高系統(tǒng)集成度，減少系統(tǒng)空間占用，選用封裝形式為L(zhǎng)QFP?44貼片封裝的STC12C5A60S2主控芯片。LQFP?44貼片封裝大小僅為10 mm×10 mm，具有超低功耗特性，空閑模式下典型功耗小于1.3 mA，正常工作模式為2～7 mA。且STC12C5A60S2具有寬工作電壓特性，正常工作電壓為3.3～5.5 V，因?yàn)樵撔酒谶M(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程中使用的參考電壓為電源供電電壓，所以要用5 V標(biāo)準(zhǔn)電壓供電。

3 藍(lán)牙通信

本系統(tǒng)所采用的HM?06藍(lán)牙模塊的主控IC為CSR BlueCore的BC41C671芯片，通信協(xié)議為藍(lán)牙V2.1+EDR版本，適配市面上幾乎絕大部分的Android系統(tǒng)智能手機(jī)，該協(xié)議的理論傳輸速度高達(dá)3 Mb/s，實(shí)際傳輸速率在2.1 Mb/s左右。該模塊采用全貼片最小封裝形式，只有13.5 mm×18.5 mm×2.3 mm大小，適用于便攜式設(shè)備的使用，方便靈活。A/D轉(zhuǎn)換完成后，數(shù)據(jù)通過(guò)STC12C5A60S2串口發(fā)送給藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊與Android系統(tǒng)智能手機(jī)配對(duì)后將采集到的數(shù)據(jù)傳入客戶端。

4 Android系統(tǒng)客戶端編寫

Android本身是一個(gè)基于Linux內(nèi)核的操作系統(tǒng)，并且完全開源。由于其開放和自由的特性，使之具有相對(duì)于封閉的iOS系統(tǒng)更為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。在Android 2.0及以后的系統(tǒng)，Google公司加入了完善的藍(lán)牙支持，并給出了相應(yīng)的API，方便程序員使用Android SDK開發(fā)基于藍(lán)牙技術(shù)的程序。

4.1 藍(lán)牙數(shù)據(jù)接收

安卓支持藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸要求的最低版本為Android 2.0，所以建立的工程目標(biāo)SDK必須至少適配Android 2.0以上的系統(tǒng)。與藍(lán)牙相關(guān)的類和接口位于android.bluetooth包中，要使用藍(lán)牙設(shè)備，就必須調(diào)用此包的API。BluetoothAdapter是藍(lán)牙API中的核心類[7]，使用這個(gè)類可以打開、關(guān)閉藍(lán)牙，以及搜索周圍的藍(lán)牙設(shè)備。當(dāng)客戶端連接上目標(biāo)設(shè)備的時(shí)候，通過(guò)包里的BluetoothSocket類以及BluetoothServerSocket類來(lái)創(chuàng)建對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和傳輸。

4.2 信號(hào)圖形實(shí)時(shí)顯示

客戶端的信號(hào)顯示模塊使用圖表引擎AChartEngine進(jìn)行繪圖。該圖表引擎對(duì)繪圖功能進(jìn)行了優(yōu)化處理，它可以處理和顯示值的數(shù)量非常大，并且能夠自由放大，以便查看信號(hào)圖細(xì)節(jié)。

AChartEngine可通過(guò)坐標(biāo)點(diǎn)集addSeries來(lái)繪制圖形的，客戶端接受到采集模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)后，將第一項(xiàng)數(shù)據(jù)打入點(diǎn)集后畫面上就能顯示第一個(gè)點(diǎn)。然后再將第二項(xiàng)數(shù)據(jù)打入點(diǎn)集，并用chart.invalidate方法刷新一次畫面，依次循環(huán)，并把刷新頻率與數(shù)據(jù)采樣頻率進(jìn)行同步，即可實(shí)現(xiàn)在Android系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)顯示的功能。在程序中接收到的實(shí)時(shí)心電信號(hào)與心音信號(hào)結(jié)果如圖5所示。

圖5 心電與心音波形

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)心電導(dǎo)聯(lián)線與心音探頭采集信號(hào)并傳入到Android設(shè)備中，在程序中接收到的實(shí)時(shí)心電信號(hào)與心音信號(hào)。參照未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，搭建一臺(tái)服務(wù)器接受信號(hào)資料實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療，是一項(xiàng)非常有前景的科研課題。

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