基于PSoC4的可視化心音采集系統(tǒng)*

游菡萏，房　玉，王海濱，劉雪敬，甘鳳萍

（1.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都 610039；2.山口大學(xué) 理工學(xué)研究科，日本 山口縣宇部市 755-8611）

基于PSoC4的可視化心音采集系統(tǒng)*

游菡萏1，房玉2，王海濱1，劉雪敬1，甘鳳萍1

（1.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都 610039；2.山口大學(xué) 理工學(xué)研究科，日本 山口縣宇部市 755-8611）

為提高醫(yī)生心音聽診的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了一種可視化心音采集系統(tǒng)。PSoC4芯片采集心音信號(hào)，經(jīng)片內(nèi)放大、濾波，由音頻功放模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)聽診，采用軟件數(shù)字濾波器算法濾除干擾信號(hào)，處理后的心音數(shù)據(jù)經(jīng)藍(lán)牙無線傳輸至PC進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。采集9名正常成年男性心音數(shù)據(jù)進(jìn)行臨床可行性測(cè)試，并在MATLAB平臺(tái)分析討論。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)成本低，體積小，不僅能在單一芯片上實(shí)現(xiàn)心音的模擬和數(shù)字處理，還能在上位機(jī)準(zhǔn)確反映心音的時(shí)域特征，為后續(xù)心音分析、智能診斷等研究奠定了良好基礎(chǔ)。

PSoC4；心音；可視化；采集系統(tǒng)

0　引言

《中國心血管病報(bào)告 2014概要》數(shù)據(jù)顯示因心血管病死亡的人數(shù)占城鄉(xiāng)居民總死亡人數(shù)的首位，農(nóng)村為44.8%，城市為41.9%［1］。由于地區(qū)環(huán)境、醫(yī)療條件的局限性，心血管疾病普查對(duì)醫(yī)療診斷器械的成本、便攜、準(zhǔn)確等方面提出更高的需求，因此設(shè)計(jì)一種低成本且可靠的心音采集系統(tǒng)尤為重要。

常見的心音采集系統(tǒng)［2-4］一般由多個(gè)模塊組成，模塊與模塊連接不僅調(diào)試?yán)щy，而且會(huì)造成不可知的干擾，大大影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

為了解決傳統(tǒng)系統(tǒng)成本高、體積大、功耗高的缺點(diǎn)，在PSoC技術(shù)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了新型的可視化心音采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以“心音采集、傳輸、播放、存儲(chǔ)一體化”為研究目的，運(yùn)用傳感器、信號(hào)采集、軟件濾波、藍(lán)牙通信等技術(shù)，對(duì)心音采集系統(tǒng)進(jìn)行了有益的研究和探索。

1　系統(tǒng)概述

1.1心音特征及特征參數(shù)定義

心音是心臟及大血管機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀況的反映，心音中出現(xiàn)的雜音是重要的診斷信息［5］。一般正常心音的頻帶范圍主要集中在20～200 Hz，高頻雜音頻率可達(dá)700 Hz［6］。一個(gè)正常心音圖特征參數(shù)定義如圖1所示。

1.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖2所示。心音傳感器采集心音信號(hào)，PSoC4對(duì)心音信號(hào)模擬處理，主要對(duì)輸入的心音信號(hào)自舉放大和低通濾波處理，去除混雜的高頻噪聲；心音信號(hào)數(shù)字處理主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換，并采用軟件數(shù)字濾波器方式去除心音信號(hào)中的干擾信號(hào)，提高信噪比；最后由藍(lán)牙無線傳輸至上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)，聽診模塊用于實(shí)時(shí)聽診，Capsense觸摸控制用于聽診音量控制和數(shù)據(jù)發(fā)送控制。

圖1　正常心音圖

圖2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)分為兩部分，一是PSoC4片上硬件，包括自舉放大電路、低通濾波電路、UART、CapSense等；二是PSoC4片外硬件，包括心音傳感器、藍(lán)牙無線模塊、音頻功放模塊等。

2.1自舉放大電路

心音傳感器輸出的信號(hào)非常微弱，當(dāng)用10 kΩ限流電阻、+3.3 V電壓向心音傳感器供電，通過示波器測(cè)得心音幅值約為-80 mV～+80 mV。由于PSoC4要求輸入模擬信號(hào)在0～3.3 V之間，故設(shè)計(jì)了自舉放大電路，由PSoC4內(nèi)部的運(yùn)算放大器和外圍元器件組成，放大倍數(shù)最高為21倍。

2.2低通濾波電路

本文設(shè)計(jì)的是二階有源低通濾波器，由 PSoC4內(nèi)部運(yùn)算放大器和外圍元器件組成，電路中運(yùn)用了同向輸入運(yùn)放。濾波器截止頻率為 700 Hz，品質(zhì)因數(shù) Q≈0.714，電路基本滿足穩(wěn)定要求。

2.3音頻功放模塊

經(jīng)過濾波后的模擬信號(hào)一路進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，一路輸出作為音頻功放模塊輸入信號(hào)。由于聽診的音源的功率比較小，無法直接驅(qū)動(dòng)耳機(jī)，所以設(shè)計(jì)搭建了以耳機(jī)功放芯片LM4811為核心的音頻功放電路，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的功率放大。設(shè)計(jì)電路如圖3所示，該電路可以通過兩根控制線實(shí)現(xiàn)16級(jí)音量控制。

圖3　音頻功放電路

2.4藍(lán)牙無線模塊

本設(shè)計(jì)采用藍(lán)牙模塊實(shí)時(shí)無線通信。下位機(jī)通過藍(lán)牙串口通信傳輸數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)通過藍(lán)牙虛擬串口接收下位機(jī)傳輸過來的數(shù)據(jù)，無需任何協(xié)議，且成本低，功耗低，操作方便。

3　下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)在 PSoC Creator 3.1上實(shí)現(xiàn)。它采用最先進(jìn)的集成的ARM GCC編譯器編譯代碼，帶有創(chuàng)新性圖形設(shè)計(jì)編輯器，提供多種功能組件和處理器配置API，大大提高了編程效率。下位機(jī)軟件流程如圖4。

圖4　下位機(jī)軟件流程框圖

3.1系統(tǒng)初始化配置

系統(tǒng)初始化配置階段主要對(duì)集成的模擬電路進(jìn)行配置以及設(shè)置相關(guān)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。系統(tǒng)時(shí)鐘為48MHz，2個(gè)運(yùn)算放大器配置為輸出電流強(qiáng)度為 10 mA，A/D轉(zhuǎn)換采樣頻率為 2 kHz，UART通信方式為 115 200 b/s、1個(gè)停止位、無校驗(yàn)位、8個(gè)數(shù)據(jù)位，Capsense為按鍵模式，按鍵掃描分辨率為12 bit。

3.2數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過前面的硬件濾波，在第一心音和第二心音外還存在一定的噪聲信號(hào)，綜合微控制器的運(yùn)算能力和濾波器算法的復(fù)雜度，本文選用軟件設(shè)計(jì)階數(shù)較小的IIR數(shù)字濾波器的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，提高信噪比。

為使計(jì)算簡化，定義2階IIR濾波器表達(dá)式：

本文涉及的心音信號(hào)頻帶范圍為 20 Hz～700 Hz，故設(shè)計(jì)了一個(gè)截止頻率為20 Hz的IIR直接Ⅱ型高通濾波器，衰減至截止頻率點(diǎn)為-3 dB。

3.3無線數(shù)據(jù)傳輸

本設(shè)計(jì)采用 HC-06從機(jī)模塊，默認(rèn)自動(dòng)連接模，即可以被其他藍(lán)牙主機(jī)搜索并連接。使用具有藍(lán)牙的筆記本電腦即可連接采集系統(tǒng)的藍(lán)牙從機(jī)，通過發(fā)送命令控制心音信號(hào)采集系統(tǒng)開始工作并傳輸數(shù)據(jù)。

4　上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)接收、波形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)三部分。以Microsoft Visual Studio 2010中的MFC為開發(fā)平臺(tái)，選擇基于對(duì)話框的編程進(jìn)行開發(fā)。用戶首先配置采樣時(shí)間和采樣串口，打開串口后，若下位機(jī)發(fā)送，上位機(jī)開始接收數(shù)據(jù)并繪制心音波形，當(dāng)?shù)竭_(dá)采樣時(shí)間便停止。點(diǎn)擊保存，心音數(shù)據(jù)將以TXT格式保存在PC上，其最大存儲(chǔ)容量可以達(dá)到231個(gè)數(shù)據(jù)，根據(jù)采樣頻率2 kHz可知，上位機(jī)持續(xù)采集時(shí)間可達(dá)298 h。點(diǎn)擊關(guān)閉，初始化所有參數(shù)并向采集板發(fā)送復(fù)位指令。

5　系統(tǒng)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)需求，進(jìn)行了硬件處理測(cè)試、軟件濾波測(cè)試、系統(tǒng)可靠性測(cè)試。

5.1硬件處理測(cè)試

本部分測(cè)試對(duì)象為一名正常成年男性，平躺且穿有帶聽診頭的聽診服，利用Agilent DS05014A示波器觀察三尖瓣聽診區(qū)的心音波形，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。圖中，CH1為原始心音信號(hào)，可看出峰峰值為 189 mV，且信號(hào)含有大量的毛刺噪聲；CH2為圖中經(jīng)過自舉放大和低通濾波后的心音信號(hào)，峰峰值為1.5 V，相比處理前的信號(hào)，放大了約8倍，毛刺噪聲基本濾除，且保留了原始信號(hào)的特征。

圖5　心音信號(hào)模擬處理前后對(duì)比

5.2軟件濾波測(cè)試

本部分測(cè)試對(duì)象和采集部位同前，利用上位機(jī)采集心音數(shù)據(jù)10 s并保存，將保存的數(shù)據(jù)在MATLAB中進(jìn)行濾波對(duì)比。軟件濾波前后心音信號(hào)的對(duì)比圖如圖6所示。從圖中可明顯的看出，經(jīng)過20 Hz數(shù)字高通濾波器后，第一心音與第二心音的間隔更加分明，為后續(xù)處理提供了便利。在處理器中加入軟件濾波程序后，筆記本電腦上實(shí)時(shí)顯示的心音信號(hào)波形界面如圖7所示。從圖中可以看出，經(jīng)過實(shí)際處理后的心音波形和MATLAB中的預(yù)期波形一致，第一心音和第二心音間隔明晰。

圖6　濾波前后信號(hào)對(duì)比圖

圖7　M_ML心音波形實(shí)時(shí)采集界面

5.3系統(tǒng)可靠性測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下，采集了9名正常成年男性三尖瓣聽診區(qū)的心音數(shù)據(jù)10 s并保存，在MATLAB平臺(tái)上分析數(shù)據(jù)采用的是西華大學(xué)電氣學(xué)院生物醫(yī)學(xué)信息處理研究室開發(fā)的心音時(shí)域分析算法。第一步，利用改進(jìn)的小波閾值收縮降噪［7］對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行降噪處理；第二步，利用單自由度模型提取特征波形［8-9］；第三步，劃取適當(dāng)?shù)拈撝稻€，提取心音信號(hào)的 T1、T2、T11、T12四個(gè)時(shí)域特征值；第四步，繪制特征參數(shù)散點(diǎn)圖［10］，計(jì)算心率，其中心率的計(jì)算公式為：HR=60/T11，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1　測(cè)試結(jié)果

由表1可以看出，除受測(cè)者M(jìn)_ML的心音為異常，其他都為正常。M_ML的心音波形如圖7所示。M_ML的心音波形周期（T11）相比正常心音更短，舒張期也更短，通過查閱文獻(xiàn)可知，在心率增快時(shí)，收縮期和舒張期均會(huì)縮短，舒張期縮短的比例更大。從分析結(jié)果可以得出M_ML的心率為97次/分，接近正常人心率上限，且散點(diǎn)圖顯示，部分特征參數(shù) T11～T12不在正常范圍內(nèi)，和時(shí)域波形特征吻合。對(duì)M_ML進(jìn)行了多次心音采集和分析，后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明該受測(cè)者心音正常，本次采集心音異常為緊張所致。

6　結(jié)論

通過硬件和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了心音采集、播放、傳輸、顯示及存儲(chǔ)一體化設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)不僅可以實(shí)時(shí)聽診，還可以通過筆記本電腦實(shí)時(shí)地觀察心音波形并存儲(chǔ)心音數(shù)據(jù)。系統(tǒng)集成度高、體積小、成本低，為后續(xù)心音數(shù)據(jù)分析、智能診斷等研究提供了便利。通過臨床測(cè)試，驗(yàn)證該系統(tǒng)能準(zhǔn)確反映受測(cè)者的心音時(shí)域特征，可靠實(shí)用，為心血管疾病普查的推廣提供研究基礎(chǔ)，同時(shí)也將為遠(yuǎn)程醫(yī)療、家庭護(hù)理等提供思路，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)

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Visualized heart sounds acquisition system based on PSoC4

You Handan1，F(xiàn)ang Yu2，Wang Haibin1，Liu Xuejing1，Gan Fengping1
(1.School of Electrical and Electronic Information，XiHua University，Chengdu 610039，China；2.Graduate School of Science and Engineering，Yamaguchi University，Yamaguchi 755-8611，Japan)

A visualized heart sounds acquisition system is designed to improve the accuracy of heart sounds auscultation of doctor.Heart sound signal is acquired,amplified and filtered by PSoC4 chip.Real-time auscultation is implemented by an audio power amplifier module.A digital filter is designed by software to filter interference signals.The processed heart sound data is wirelessly transmitted to the PC for waveform display and storage via a bluetooth module.Heart sounds data of nine normal male adults are collected for clinical feasibility tests,and analyzed and discussed in the MATLAB platform.Experimental results show that the system is low cost,small volume,not only can realize analog and digital processing of heart sounds on a single chip,but also can reflect time-domain features of heart sounds in the upper machine，laying a good foundation for subsequent heart sounds research in data analysis and intelligent diagnosis.

PSoC4；heart sound(HS)；visualization；acquisition system

R318.6；TP311.1

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.023

國家自然科學(xué)基金（61571371）；四川省科技創(chuàng)新苗子工程（2015084）；四川省科技創(chuàng)新苗子工程（2015100）

2015-11-30)

游菡萏（1992-），女，碩士研究生，主要研究方向：生物醫(yī)學(xué)信息的檢測(cè)與處理。

房玉（1986-），女，博士研究生，主要研究方向：生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)預(yù)處理。

王海濱（1964-），女，教授，博士，主要研究方向：生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)與處理。

中文引用格式：游菡萏，房玉，王海濱，等.基于 PSoC4的可視化心音采集系統(tǒng)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(4)：81-84.

英文引用格式：You Handan，F(xiàn)ang Yu，Wang Haibin，et al.Visualized heart sounds acquisition system based on PSoC4［J］.Application of Electronic Technique，2016，42(4)：81-84.