心音心電同步采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

王朔彤 張國軍 崔建功 史鵬程 力乙瑞 王 博 汪 濤

（1.省部共建動態(tài)測試技術(shù)國家重點實驗室 太原 030051）（2.中國人民解放軍總醫(yī)院 北京 100853）

1 引言

世界衛(wèi)生組織將心血管類疾病列為威脅人類生命的“第一殺手”，心血管疾病的防治是全人類面臨的共同挑戰(zhàn)。心血管疾病的早發(fā)現(xiàn)、早治療是控制死亡率的關(guān)鍵［1］。心臟在收縮與舒張時，有微小的生物電產(chǎn)生，電位變化就是心電信號［2～3］。心音是由于血流的沖擊及心血管壁的振動、肌肉和肌腱的收縮、心臟瓣膜的開關(guān)而制造的一種復(fù)合音［4］，能夠反映血液流動及心臟活動的情況。將心電和心音信號相結(jié)合進(jìn)行聯(lián)合分析，可有效提高心血管類疾病的檢測［5］。目前，市場上的心電圖儀只能實現(xiàn)心電信號檢測，電子聽診器只能夠進(jìn)行心音聽診［6］。因此，本文將MEMS 先進(jìn)制造技術(shù)引入傳統(tǒng)的醫(yī)療器械領(lǐng)域，提出基于MEMS 高靈敏心音心電傳感器對心電和心音信號相結(jié)合進(jìn)行聯(lián)合分析的新思路，利用心電信號對心音信號準(zhǔn)確定位、分段，將傳統(tǒng)的聽診電子化、數(shù)字化，將生理心音信息直觀展示出來，有效結(jié)合心音信號與心電信號，便于醫(yī)生診斷。并且將采集到的心音心電信號經(jīng)過預(yù)處理電路后，經(jīng)過AD7606 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號傳輸進(jìn)STM32進(jìn)行采集，最后經(jīng)由USB 模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X端。本文可對心音心電信號進(jìn)行實時采集、同步顯示、數(shù)據(jù)存儲、心音音頻播放、能長時間穩(wěn)定運行的同步采集系統(tǒng)。醫(yī)生通過觀察心音和心電的波形，可判斷受檢者的心血管生理、病理特征等狀況。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

本文中的心音心電同步采集系統(tǒng)是指能夠?qū)崟r記錄、同步顯示心音信號與心電信號，記錄的心音心電各波段清晰不失真，并具有數(shù)據(jù)存儲和心音音頻同步播放功能。MEMS 聲傳感器基于魚類測線器官的拾音機理，并結(jié)合仿生原理、壓阻原理來檢測心音信號［7］。本文使用的采集探頭是將MEMS聲傳感器與心音心電預(yù)處理電路集成并封裝后構(gòu)成的心音心電檢測探頭，將心電導(dǎo)聯(lián)線插在探頭上進(jìn)行心電信號的檢測。將其采集到的心音信號與心電信號傳輸?shù)秸{(diào)理電路系統(tǒng)中，進(jìn)行微弱信號的放大、濾波降噪等處理，實現(xiàn)了心音心電微弱信號的實時原位感知。再經(jīng)過AD7606 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號傳輸進(jìn)STM32進(jìn)行采集，最后經(jīng)由USB模塊傳輸?shù)缴衔粰C進(jìn)行心音心電信號的同步顯示以及存儲。將心音與心電信號結(jié)合起來，通過輸出波形的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以更好地提取病理信息，從而判斷心血管系統(tǒng)的健康狀況。系統(tǒng)整體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計

圖2 MEMS傳感器微結(jié)構(gòu)

3 工作原理分析

3.1 心音測量原理

本系統(tǒng)采用的傳感器為采用壓阻原理的MEMS 心音傳感器。該傳感器由仿生纖毛和十字梁微結(jié)構(gòu)組成。仿生纖毛用于感知人體的心音信號，將聲壓信號轉(zhuǎn)化為梁的扭轉(zhuǎn)變化［8］。十字梁上有壓敏電阻，壓敏電阻組成一個惠斯通電橋，惠斯通電橋?qū)⒘旱呐まD(zhuǎn)變化轉(zhuǎn)化為電信號。最終實現(xiàn)聲信號到電信號的轉(zhuǎn)換。再將轉(zhuǎn)化后心音電信號進(jìn)行調(diào)理、放大就可以對心音信號進(jìn)行采集。

3.2 心電測量原理

心臟在機械性收縮之前，首先產(chǎn)生電激動，產(chǎn)生生物電流，并經(jīng)組織和體液的傳導(dǎo)至體表，于身體的不同部分產(chǎn)生不同的電位變化，形成體表電位差［9］。將電極片分別貼在左手腕、右手腕以及左腳踝處，電極片與采集探頭用導(dǎo)聯(lián)線連接，進(jìn)而實現(xiàn)對心電信號的探測。再將心電信號進(jìn)行調(diào)理、放大就可以對心電信號進(jìn)行采集。心電測試連接圖如圖3所示。

圖3 心電測試連接圖

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

4.1 心音信號調(diào)理模塊

心音信號屬于人體微弱信號，易受環(huán)境噪聲的影響［10］。心音電路前端主要是將差分信號進(jìn)行放大和濾波，由R1、R7、C1、C10 構(gòu)成無源高通濾波器，并使用AD8226 進(jìn)行信號放大，放大增益為495。后端部分利用AD823 搭建2 階壓控Sallen-Key結(jié)構(gòu)型帶通濾波器進(jìn)行濾波。根據(jù)心音信號的特性，主要采集到的心音為第一心音和第二心音，其頻率主要分布在20Hz～600Hz，因此將帶通濾波的帶寬設(shè)為20Hz～1kHz，高通截止頻率為15.9Hz，通帶內(nèi)增益為0。心音電路原理圖如圖4所示。

圖4 心音電路原理圖

4.2 心電信號調(diào)理模塊

人的心臟每次收縮之前會產(chǎn)生電激勵，形成微弱的電流，將測量電極片放在人體心臟側(cè)和右腹部，即可檢測到人體的電信號的變化曲線，從而形成心電圖［11］。

AD8232是用于心電等生物電測量的單導(dǎo)聯(lián)集成化信號調(diào)理專用模塊。心電信號用于監(jiān)護(hù)系統(tǒng)時主要信號頻率范圍在0.5Hz-40Hz 內(nèi)，因此采用R8、R17、C28、C25 構(gòu)成無源低通濾波器，以及R9、R12、R13、C14、C17 構(gòu)成無源高通濾波器。其中利用R9 來控制品質(zhì)因數(shù)Q，來將頻率限定在0.5Hz～40Hz 內(nèi)。心電信號經(jīng)過上述濾波模塊后，再經(jīng)由R22、R29、C31、C32 構(gòu)成的無源高通濾波器，及R23、R24、R25、R27、R28、C29、C30、C33 構(gòu)成的帶阻濾波器連接到AD823 上濾掉50Hz 的工頻干擾。心電電路原理圖如圖5所示。

圖5 心電電路原理圖

4.3 A/D 轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

A/D 轉(zhuǎn)換模塊采用AD7606 芯片來實現(xiàn)，AD7606芯片是一款低功耗、8通道同步采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片［12］。在本系統(tǒng)中，AD7606 芯片對經(jīng)過預(yù)處理后的模擬心音信號與心電信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。采用5V單電源供電，并且采用并行接口模式，6 號引腳與邏輯低電平相連，將STM32 芯片與并行輸出數(shù)據(jù)位DB0～DB15 相連接。通過STM32 設(shè)置DB15為低電平，使得AD7606芯片工作在并行接口模式，將轉(zhuǎn)換好的數(shù)字信號傳輸給STM32芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。A/D轉(zhuǎn)換模塊原理圖如圖6所示。

圖6 A/D轉(zhuǎn)換模塊原理圖

4.4 STM32主控單元設(shè)計

STM32 主控芯片采用的是STM32F407ZGT6 微控制器。它具有穩(wěn)定的工作狀態(tài)，可快速處理大量數(shù)據(jù)，可滿足本系統(tǒng)的工作需求。設(shè)計時鐘電路與復(fù)位電路搭建STM32 的配置環(huán)境。為保證高精度采集，不使用STM32 內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，而是選擇利用STM32 外接16 位的AD7606 芯片，對AD7606傳輸出的數(shù)字信號進(jìn)行采集。采集到的數(shù)字信號通過USB模塊傳輸?shù)缴衔粰C進(jìn)行同步顯示、數(shù)據(jù)存儲以及心音音頻的同步播放。采樣率設(shè)置為8 kHz，采樣周期為125μs。整體系統(tǒng)流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)流程圖

4.5 USB接口模塊

通用串行總線（USB）因具備數(shù)據(jù)傳輸速率較快、支持熱插拔、便于擴(kuò)充和即插即用等優(yōu)勢，成為電腦和其他外部設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的最常用接口。因此選用USB模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，接口芯片選用Cypress 公司的cy7c68013 芯片來實現(xiàn)。該芯片在數(shù)據(jù)傳輸過程中速率最高可以達(dá)到480MBit/s，完全滿足本采集系統(tǒng)傳輸速率的要求。將芯片的工作模式配置為Slave FIFO 的工作模式下，STM32可以控制cy7c68013芯片按照Slave FIFO 的傳輸時序?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C中。

5 系統(tǒng)測試

MEMS心音心電同步采集系統(tǒng)實物圖如圖8所示。使用本系統(tǒng)對心音心電信號進(jìn)行測量，得到的上位機顯示界面如圖9所示，圖中可清晰地看到心音與心電波形。

圖8 系統(tǒng)實物圖

圖9 測試結(jié)果圖

經(jīng)過多次測試，得出結(jié)論：心音、心電信號的同步顯示相位相同，測得的心電信號P 波、QRS 波、T波群特征明顯，心音信號第一心音和第二心音區(qū)分明顯，S1S2 間期與S2S1 間期比例約為1：2，收縮期與舒張期的時限比是3：5，符合標(biāo)準(zhǔn)心音信號的特征。且經(jīng)過連續(xù)實時測量后信號顯示穩(wěn)定、清晰，播放的心音音頻清晰、連續(xù)。說明本系統(tǒng)可以實現(xiàn)單導(dǎo)聯(lián)心音和心電的實時采集與同步顯示，便于專業(yè)醫(yī)生應(yīng)用于臨床上心血管疾病患者的病理信息診斷。

6 結(jié)語

本文主要介紹了一種基于MEMS 傳感器的新型心音心電同步采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有實時采集和同步顯示心音心電波形、存儲數(shù)據(jù)和實時播放心音音頻等功能。相比于傳統(tǒng)的電子聽診器和心電圖儀，本系統(tǒng)具有可同步準(zhǔn)確顯示心音和心電波形的優(yōu)點，心電信號對心音信號準(zhǔn)確定位、分段，便于醫(yī)生綜合心音和心電兩種參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合診斷。本工作對心血管系統(tǒng)疾病的檢測方面具有重要意義。