基于MEMS MIC的心音檢測裝置的設(shè)計和實現(xiàn)

丁大禹 ，李慶，董亞朋 ，王王瑩，楊波 1 物理場生物效應(yīng)及儀器四川省高校重點實驗室，成都市，6105 成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，成都市，6105

0 引言

心音、呼吸音信號是重要的臨床醫(yī)學(xué)信號，是進行心臟疾病、呼吸系統(tǒng)疾病判別的重要依據(jù)，醫(yī)生可依其進行病因、病灶分析[1]。心音信號分析處理對心血管系統(tǒng)疾病的診斷具有重要意義，心音檢測的準(zhǔn)確性和可靠性將直接影響心臟病患者的臨床診斷與愈后效果評價。

傳統(tǒng)的聽診器在聽診時，往往難以捕捉到人體內(nèi)部臟器發(fā)出的一些微弱信號，但它卻是非常重要的心音分量；此外，傳統(tǒng)的聽診器在心音的存儲和記錄上也存在較大的局限性，所以更多時候醫(yī)師的診斷依據(jù)依賴于自身的主觀經(jīng)驗[2]。

基于此背景，本文設(shè)計了一種高增益的實時聽診裝置，將心音信號經(jīng)過運放、濾波等電路，最終得到清晰準(zhǔn)確的心音信號，并對心音信號進行存儲。

1 心音檢測原理

心音是由心肌收縮，心臟瓣膜關(guān)閉和血液撞擊心室壁、大動脈壁等引起的振動所產(chǎn)生的聲音。每一心動周期可產(chǎn)生四個心音，一般均能聽到的是第一心音和第二心音[3]。心音信號具有微弱性、低頻性和不穩(wěn)定性。在時域分析中，第一心音的特點為音響低鈍，第二心音的特點為音調(diào)較高而清脆。第一心音和第二心音的事件間隔稱為心臟收縮期，第二心音和下一心動周期的第一心音的時間間隔稱為心臟舒張期。

心音可聽頻段主要集中在20～600 Hz，由于采集過程中會引入部分噪聲，于是本文采用抗干擾能力強的硅麥克風(fēng)（MEMS MIC）。通過MEMS MIC將心肌收縮，心臟瓣膜關(guān)閉和血液撞擊心室壁等引起的振動轉(zhuǎn)換為電信號，以便于對其進行放大、濾波等量化操作[4-5]。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

該心音采集系統(tǒng)是一個智能化信號采集處理系統(tǒng)，主要是由改進聽診器頭、MEMS麥克風(fēng)傳感器、驅(qū)動模塊、主控模塊、電源模塊和通信模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)整體功能框圖如圖1所示。

圖1 心音采集系統(tǒng)功能框圖Fig.1 Function block diagram of heart sound acquisition system

2.1 前端探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前有多種傳統(tǒng)聽診器可用于心音聽診，其中多數(shù)聽診器具有獨立的鐘型件或膜型件。鐘型件傳導(dǎo)低頻聲音最有效，而膜型件傳導(dǎo)高頻聲音最有效。也有聽診器將這兩種功能整合到單一表面，這樣聽診器對皮膚的壓強決定了聽診器是發(fā)揮鐘型件還是模型件的功能。此外，將鐘型件緊壓于皮膚能夠改變經(jīng)膜型件傳導(dǎo)的最高頻率，使得高頻聲音變得更響而低頻變得更加柔和。

心音的監(jiān)測易受到外界環(huán)境和人體內(nèi)部其他臟器的干擾，且在用傳統(tǒng)的聽診器檢測心音時，也容易受到手持探頭的力度和按壓深度的影響。

為減少人為因素對前端心音采集的干擾，在設(shè)計本系統(tǒng)時根據(jù)傳統(tǒng)聽診器的鐘型件和膜型件進行改進，并設(shè)計出了一款集合了這兩種特性的探頭。然后通過醫(yī)用膠帶固定探頭采集位置，在進行多次試驗后，確定了探頭與人體的接觸壓強，以實現(xiàn)對探頭固定方式和力度的標(biāo)準(zhǔn)化。通過此前置探頭采集到的心音，其數(shù)據(jù)質(zhì)量得以保證。復(fù)合探頭的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中1、2構(gòu)成音頻采集頭；3、4、5構(gòu)成了鼓膜振動結(jié)構(gòu)體；1、2、3、4、5需嚴(yán)格構(gòu)成一個密閉空腔，以實現(xiàn)心音信號的高增益采集；6為醫(yī)用膠帶，7為固定環(huán)，通過6、7將探頭固定于胸口。

2.2 心音傳感器

心音是人體心臟收縮舒張時產(chǎn)生的聲音，該生物特征信號易受到外界環(huán)境的干擾，且它還具有信號微弱和頻率成分混疊等特點。所以采集信號就顯得尤為重要，而傳感器的選型就是本系統(tǒng)的關(guān)鍵點之一。本系統(tǒng)使用了高性能的硅麥克風(fēng)SPH064- 5LM4H作為傳感器，這是一款微型、低功耗且以I2S數(shù)字量輸出的高信噪比MEMS MIC[6]；由圖3的頻率響應(yīng)曲線圖得知，其靈敏度良好，可采集20 Hz以上的信號，滿足心音信號的頻響要求。

圖2 復(fù)合探頭結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Composite probe structure diagram

圖3 頻率響應(yīng)曲線圖Fig.3 Frequency response curve

這款硅麥輸出信號為I2S數(shù)字量，I2S（Inter-IC Sound）總線是飛利浦公司為數(shù)字音頻設(shè)備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸而制定的一種總線標(biāo)準(zhǔn)，該總線專責(zé)音頻設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，具有良好的抗干擾性。硅麥內(nèi)部處理過程如圖4所示。首先將聲壓變化轉(zhuǎn)換為電壓變化；然后把MEMS的輸出電壓放大，以便于給后面的Sigma Delta轉(zhuǎn)換器提供一個穩(wěn)定的信號；進而通過Sigma Delta轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換為脈沖密度調(diào)制（PDM）信號；然后利用抽取器以64倍數(shù)向下轉(zhuǎn)換PDM信號，將單位的PDM信號轉(zhuǎn)換到多位的脈沖編碼調(diào)制（PCM）信號；最后通過一個低通濾波去將PCM信號中的高頻信號濾除，得到包含心音和部分噪聲的復(fù)合信號。

圖4 硅麥處理流程Fig.4 Silicon microphone processing

2.3 驅(qū)動模塊設(shè)計

由于傳感器需要利用大約60 cm的長導(dǎo)線連接到主控板，故傳感器所需的使能信號——時鐘信號（CLK）和采樣信號（SEL），其電流就會變得微弱，以至于無法驅(qū)動傳感器或返回失真數(shù)據(jù)。所以系統(tǒng)需要對傳感器所需的CLK信號和SEL信號增加驅(qū)動電流，以實現(xiàn)對傳感器的使能作用和增加其抗干擾能力。由于這是對兩個高頻信號的驅(qū)動，所以我們這里采用可高頻轉(zhuǎn)換、低功耗、完全可配置雙軌設(shè)計的SN74LVC2T45。它在3.3 V到5 V轉(zhuǎn)換的最大數(shù)據(jù)速率可達420 Mbps，3.3 V時能達到±24 mA的輸出驅(qū)動，靜態(tài)電流最大為4 μA。這種雙位同向總線收發(fā)器使用兩個獨立的可配置電源軌，且SN74LVC2T45是專為異步設(shè)計兩條數(shù)據(jù)總線之間的通信。系統(tǒng)通過邏輯方向控制（DIR）輸入的低電平激活B端口輸出，將CLK和SEL信號的輸出電流提升到24 mA，最終實現(xiàn)對傳感器的驅(qū)動和對信號增益的提高。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計的主要內(nèi)容是通過主控模塊對各模塊的初始化，其中包括I2S、定時器中斷、串口、GPIO初始化等。系統(tǒng)通過設(shè)置DMA的傳輸速率，以控制I2S數(shù)據(jù)的采樣率，再用定時器對心音數(shù)據(jù)進行重采樣，即對DMA所傳輸?shù)木葹?4位的I2S數(shù)據(jù)進行重采樣。然后將其中有效的16位信號數(shù)據(jù)封裝成單幀，通過藍牙模塊將數(shù)據(jù)幀上傳至PC端。具體的軟件流程圖如圖5所示。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Software flow chart

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

在測試過程中，將改進的聽診探頭貼在測試者的心臟部位，通過觀察上傳到PC端的數(shù)據(jù)波形，了解測試者的心音情況。為了對比硬件檢測技術(shù)的性能，我們在采集心音信號的同時，以高精度的AD芯片（1 000Hz，16 bits）進行了同步心電信號采集。圖6為心音和心電的同步信號。

圖6 心音與心電的同步采集Fig.6 Synchronous acquisition of heart sounds and ECG

在圖6中，將心音信號對照心電信號分析可得，其QRS波細(xì)節(jié)清晰、信噪比高，因此本系統(tǒng)采集的心音質(zhì)量良好。為了進一步驗證所采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，將采集到的數(shù)據(jù)在PC端進行簡單的濾波處理和通過EMD、ICA和自相關(guān)算法計算出心率[7-12]。此外還進行了心率結(jié)果對比試驗，測試設(shè)備分別為本系統(tǒng)設(shè)備、老式聽診器。測試對象為健康青年，年齡在23～25歲之間，無心臟病歷史。單組靜息測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 心率對照組Fig.7 Heart rate comparative test

本設(shè)備檢測心率的結(jié)果，根據(jù)誤檢率計算公式，即：式中T為老式聽診器計算測試對象心率結(jié)果（次/min），令其為標(biāo)準(zhǔn)檢測結(jié)果，F(xiàn)為其他設(shè)備計算心率的結(jié)果，R為誤檢率。經(jīng)計算得到平均誤檢率為0.004 3。

分析上面心率對照組實驗和設(shè)備誤檢率對照可得：本系統(tǒng)頻響范圍很好地滿足臨床聽診要求，所采集的數(shù)據(jù)可保證其質(zhì)量。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)利用一款高增益的MEMS MIC，設(shè)計了一個便攜式、高精度數(shù)字心音檢測裝置，其可以實現(xiàn)對心音信號的采集、濾波放大、存儲、實時動態(tài)顯示等功能。解決了傳統(tǒng)聽診不能量化心音信號和存儲心音等問題，且該系統(tǒng)體積小、操作簡單，具有較強的適應(yīng)性，有廣泛的臨床應(yīng)用前景，也為電子聽診技術(shù)的發(fā)展奠定了一定基礎(chǔ)。