基于物聯(lián)網(wǎng)的心音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊 波, 張 翠, 李 慶, 趙 旭, 唐 慧

（1.成都信息工程學(xué)院物理場(chǎng)生物效應(yīng)及儀器四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610225;2.成都信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院,四川成都 610225）

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)生活節(jié)奏和飲食模式的改變,心血管疾病已成為常見(jiàn)的多發(fā)病,發(fā)病率和死亡率一直在上升,嚴(yán)重危害著人類的健康。目前缺乏對(duì)患有心臟系統(tǒng)疾病如心絞痛、心肌梗塞和高血壓性心臟病等患者的病況進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警的有效手段,以至在患者突發(fā)心臟疾病時(shí),延誤了最好的治療時(shí)機(jī),造成意想不到的后果甚至于死亡[1]。

心血管系統(tǒng)疾病常首先引起心音成分的改變,因此心音分析在臨床診斷中具有重要的意義[2]。心臟的瓣膜和大血管在血流沖擊下形成的振動(dòng),以及心臟內(nèi)血流的加速與減速形成的湍流與渦流及其對(duì)心臟瓣膜、心房、室壁的作用所產(chǎn)生的振動(dòng),再加上心肌在周期性的心電活動(dòng)作用下其剛性的迅速增加和減小形成的振動(dòng),經(jīng)過(guò)心胸傳導(dǎo)系統(tǒng)到達(dá)體表形成了體表心音[2]。心音是人體最重要的聲信號(hào)之一,是幅值較小、頻率較低的非平穩(wěn)的隨機(jī)性很強(qiáng)的信號(hào),是反映心臟生理及病理的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

對(duì)心音的聽(tīng)診是診斷心腦血管疾病和呼吸系統(tǒng)疾病的主要手段之一,是臨床上廣泛應(yīng)用的一種診斷方法,在臨床上聽(tīng)診器聽(tīng)診應(yīng)用非常廣泛。系統(tǒng)在傳統(tǒng)聽(tīng)診器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),實(shí)現(xiàn)了聽(tīng)診器的電子化和遠(yuǎn)程化。國(guó)外目前已有的心音監(jiān)護(hù)系統(tǒng)技術(shù)比較成熟,但價(jià)格昂貴,國(guó)內(nèi)還不可能大范圍地運(yùn)用。中國(guó)現(xiàn)有的通訊基礎(chǔ)設(shè)施已基本完善,手機(jī)的使用在大部分地區(qū)已經(jīng)相當(dāng)普及。因此,提出并研發(fā)的基于物聯(lián)網(wǎng)的心音監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在發(fā)達(dá)地區(qū)緩解看病難、住院難,不發(fā)達(dá)地區(qū)緩解醫(yī)療資源稀缺,具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

圖1 系統(tǒng)的總體框圖

1 遠(yuǎn)程心音監(jiān)護(hù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學(xué)的遠(yuǎn)程心音檢測(cè)系統(tǒng)的總體框圖,如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)以3G網(wǎng)絡(luò)為橋梁,將醫(yī)院監(jiān)護(hù)中心與需要監(jiān)護(hù)的患者人群聯(lián)接起來(lái)。系統(tǒng)分為家庭端和醫(yī)院端兩部分。家庭端是由一部使用3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的手機(jī)、一臺(tái)家用PC機(jī)和一部遠(yuǎn)程心音采集器構(gòu)成。用戶通過(guò)心音采集器的藍(lán)牙與手機(jī)藍(lán)牙正常通信后,待手機(jī)接收顯示的心音波形平穩(wěn),測(cè)量?jī)煞昼姾髮?shí)時(shí)檢測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至醫(yī)院的監(jiān)護(hù)中心。同時(shí),心音采集器藍(lán)牙模塊,可以和家中的PC機(jī)進(jìn)行串口通信,用戶打開(kāi)專用的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)軟件檢測(cè)自己的心音波形曲線和心率,配戴耳機(jī)可聽(tīng)到自己的心音。客戶端的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)軟件還提供不正常心率判斷給出溫馨提示,實(shí)現(xiàn)按需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自己的心臟健康狀態(tài)。

醫(yī)院端主要是一臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主機(jī),啟動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)軟件就可進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)。軟件的設(shè)計(jì)是無(wú)人值守連續(xù)待機(jī),用戶可以隨時(shí)將信息上傳到醫(yī)院主機(jī)上。監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)了患者的信息管理。上班期間醫(yī)生可以將未診斷曲線進(jìn)行診斷并將信息反饋給用戶;緊急情況下的處理給予報(bào)警信號(hào),非正常上班期間值班醫(yī)生可以及時(shí)對(duì)心音曲線診斷,并電話通知用戶就診。

1.2 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

心音信號(hào)采集器硬件的框圖,如圖2所示。

心音信號(hào)采集器通過(guò)聲敏傳感器采集心音信號(hào),采集的信號(hào)經(jīng)前置放大、濾波、電平抬升電路傳送至單片機(jī),然后經(jīng)藍(lán)牙模塊通過(guò)串口發(fā)送至手機(jī)。聲敏傳感器探頭由NE5532芯片的提供一個(gè)恒流源來(lái)供給電源,當(dāng)有聲音被采集的時(shí)候,探頭阻值發(fā)生變化,產(chǎn)生電壓波形。前置放大電路用儀表放大器AD620搭建,該芯片具有低噪聲、使用簡(jiǎn)單、精確度高、低功耗、低輸入偏置電流等優(yōu)點(diǎn),非常適合醫(yī)療儀器的使用。用NE5532加外圍電阻分別設(shè)計(jì)了50Hz的陷波器,10～300Hz的帶通濾波器。鑒于心音的頻率范圍是5～600Hz[3],為便于后續(xù)的信號(hào)處理,得到較純凈的心音信號(hào),取心音包絡(luò),所以將濾波電路的截止頻率設(shè)置為20～300Hz。電平抬升電路主要是便于單片機(jī)采集,所以此處加一個(gè)電平抬升電路（0～5V）,經(jīng)過(guò)NE5532放大2倍輸出至單片機(jī)。本設(shè)備選用STC的增強(qiáng)型51單片機(jī)芯片STC12C5A60S2。該芯片具有是高速、低功耗和超強(qiáng)抗干擾的特點(diǎn),指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,并且自帶8路高速1位A/D轉(zhuǎn)換。該芯片主要完成對(duì)采集的心音模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并發(fā)送至藍(lán)牙模塊。心音信號(hào)采集器采用兩節(jié)五號(hào)電池供電。

遠(yuǎn)程心音采集器電路原理圖,如圖3所示。

圖2 設(shè)備硬件框圖

圖3 電路原理圖

1.3 監(jiān)護(hù)軟件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分包括客戶端監(jiān)護(hù)軟件和醫(yī)院中心監(jiān)護(hù)軟件,兩者在模塊功能上有較大的差異。客戶端監(jiān)護(hù)軟件模塊包括串口通信實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、數(shù)字濾波、心音曲線波形顯示、播放心跳聲音、求取瞬時(shí)心率并顯示、心音數(shù)據(jù)保存與波形重繪幾個(gè)部分,目的是方便用戶對(duì)自身心臟健康狀況的監(jiān)測(cè)。而醫(yī)院中心監(jiān)護(hù)軟件是一套專門(mén)針對(duì)本系統(tǒng)的包括醫(yī)務(wù)工作人員管理、患者病歷管理、心音波形與聲音實(shí)時(shí)播放、波形重繪、心音數(shù)據(jù)保存與數(shù)據(jù)分析等功能的系統(tǒng)管理軟件,目的是提供較為全面的病歷資料方便醫(yī)院對(duì)就診病人病情的精確診斷。

監(jiān)護(hù)軟件的核心部分是心音波形的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示與重繪、心跳聲音的同步實(shí)時(shí)播放以及瞬時(shí)心率的計(jì)算。給出客戶端監(jiān)護(hù)軟件界面,如圖4所示。

1.3.1 心音的希爾伯特黃變換的濾波與去噪

心音信號(hào)屬于強(qiáng)噪聲背景下的十分微弱的人體生理特征信號(hào),心音采集時(shí)極易混入各種噪聲信號(hào),心音信號(hào)中的噪聲主要包括舒張期或收縮期存在的雜音以及由呼吸、心尖搏動(dòng)、采集設(shè)備的心音傳感器探頭與皮膚摩擦、及其他環(huán)境因素引起的噪聲,這些噪聲不利于心音信號(hào)的提取,因此有必要對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行濾波處理,但僅靠采集系統(tǒng)硬件濾波不能完全解決心音信號(hào)的干擾,還需要對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波,保留心音的基本特征成分即第一心音（S1）和第二心音（S2）,S1、S2的頻率集中在 50～200Hz[4]。

目前,準(zhǔn)確提取心音信號(hào)的算法成為生理信號(hào)研究的熱點(diǎn)。全海燕等提出了基于小波多分辨率分析的心音分段算法,這種算法步驟繁瑣,計(jì)算量大,編程復(fù)雜。周靜提出了歸一化平均香農(nóng)能量分布的分段方法,這種方法能夠很好地得出心音信號(hào)的能量分布圖,但由于是對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行分段計(jì)算,得到的分段情況并不理想。姚曉帥等提出了基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的心音分段方法,這種方法的關(guān)鍵是選取合適的結(jié)構(gòu)元素,而針對(duì)多種多樣的、復(fù)雜多變的心音信號(hào),很難找到一個(gè)適合各種信號(hào)的結(jié)構(gòu)元素。趙治棟等利用小波閾值濾波技術(shù)和希爾伯特變換提取心音信號(hào)的包絡(luò),但選取閾值的過(guò)程過(guò)于繁瑣,耗時(shí)較長(zhǎng)[5-6]。近來(lái),Norden E.Huang等人提出了一種新的信號(hào)分解算法—經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥ǎ‥mpirical Mode Decomposition,EMD）[7]。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥ǖ哪康氖菍⒎蔷€性非平穩(wěn)信號(hào)分解為一系列表征信號(hào)特征時(shí)間尺度的固有模態(tài)函數(shù)[8],這些模態(tài)函數(shù)能夠很好地反映信號(hào)在任何時(shí)間局部的頻率特征,根據(jù)希爾伯特黃變換[9-10]的關(guān)鍵部分[11]經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法對(duì)心音信號(hào)濾波去噪,從分解的k個(gè)固有模態(tài)函數(shù)中提取出平均瞬時(shí)頻率在50～200Hz的固有模態(tài)函數(shù),對(duì)保留的固有模態(tài)函數(shù)求和得到所需的信號(hào)。

圖4 客戶端監(jiān)護(hù)軟件界面

測(cè)試需要在安靜環(huán)境下進(jìn)行,受試者一小時(shí)內(nèi)精神放松且無(wú)劇烈運(yùn)動(dòng),靜坐并將心音傳感器的探頭輕輕貼置于心臟跳動(dòng)的位置。取一例正常心音信號(hào)進(jìn)行降噪處理來(lái)驗(yàn)證降噪效果。圖5～圖7中,橫坐標(biāo)表示信號(hào)長(zhǎng)度,圖中顯示了5120個(gè)點(diǎn),縱坐標(biāo)表示信號(hào)幅度,原始心音信號(hào)如圖5所示;經(jīng)EMD分解的前5個(gè)IMF1-IMF5及趨勢(shì)項(xiàng)res如圖6所示;降噪后的心音信號(hào)如圖7所示。

由于EMD分解總是按照特征時(shí)間尺度由小到大的順序?qū)⑿盘?hào)的頻率從高到低分離出來(lái),各個(gè)IMF包含的噪聲強(qiáng)度也逐漸減弱,幾乎可認(rèn)為低頻部分IMF就是所需要的有用信號(hào),即低頻分量。而從分解的IMF波形可以看出,第一個(gè)固有模態(tài)函數(shù)IMF1是從原始心音信號(hào)中分解出的頻率最高,波長(zhǎng)最短,幅度較大,可認(rèn)定其含有的高頻噪聲成分較大,比如心臟收縮期或舒張期雜音。依次下去,IMF分量的頻率越來(lái)越低,波長(zhǎng)越長(zhǎng),幅度明顯降低,這種分布情況是由 EMD的分解特性決定的,表明EMD分解的前幾個(gè)固有模態(tài)函數(shù)包含了心音信號(hào)的最顯著信息。對(duì)50～200Hz的固有模態(tài)函數(shù)相加求和即為降噪后的信號(hào),這里取IMF2～I(xiàn)MF5以及趨勢(shì)項(xiàng)相加重構(gòu)出降噪后的期望信號(hào)。從圖5（c）可以很好地確定S1、S2的峰值,便于瞬時(shí)心率的計(jì)算。

圖5 原始心音信號(hào)

圖6 原始心音信號(hào)經(jīng)EMD分解的前5個(gè)IMF1-IM F5及趨勢(shì)項(xiàng)res

圖7 降噪后的信號(hào)

可以看出,采用的濾波算法能夠獲得較滿意的效果。醫(yī)生根據(jù)醫(yī)院中心監(jiān)護(hù)軟件顯示的心音圖譜進(jìn)行分析診斷,并將健康狀況反饋給用戶。

1.3.2 心率的特點(diǎn)與瞬時(shí)心率的計(jì)算

心率即心臟收縮的頻率,指單位時(shí)間內(nèi)心臟搏動(dòng)的次數(shù),單位為跳/分（bpm）。心率隨著年齡的增長(zhǎng)而減慢,健康胎兒的心率范圍為120～160bpm,兒童為 110～120bpm,成人為 60～100bpm,而老年人可慢至55～75bpm[12]。心率（HR）計(jì)算方法為

其中,fs為心音采樣率,為相鄰的兩個(gè)S1間數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

目前,系統(tǒng)已采集心音13例,并對(duì)13例受試者進(jìn)行一周內(nèi)同一時(shí)間段的連續(xù)測(cè)試,選取一例數(shù)據(jù)做說(shuō)明,取信號(hào)中間部分的2s時(shí)間進(jìn)行心率計(jì)算。本系統(tǒng)設(shè)定的心音采樣率 fs220Hz,計(jì)算該受試者3s時(shí)間（約為3～4個(gè)心音周期）內(nèi)的相鄰S1間的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù) NΔs1s1約為167,即求得瞬時(shí)心率約為79跳/分,與測(cè)試該受試者在同一狀態(tài)下的脈搏,取三次平均數(shù)約為78跳/分相比較,可見(jiàn)相對(duì)誤差較小。并且,文中的算法對(duì)采集的13例心音信號(hào)進(jìn)行平均瞬時(shí)心率的計(jì)算均得到了正確的結(jié)果。

2 結(jié)果和討論

系統(tǒng)對(duì)13例年齡在20到50歲的成年人進(jìn)行了盲測(cè)試,其中有若干人心率異常,只有被測(cè)者本人知曉,測(cè)試人員并不知情。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示其中11人心率正常,2人不正常。經(jīng)2名疑似異常者確認(rèn)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果正確。其中一名為23歲男性,兩年前在四川省警官總醫(yī)院確診患有心率不齊,軟件統(tǒng)計(jì)其心率在90到146之間波動(dòng),且從所顯示的心音波形可以明顯看出其沒(méi)有固定周期性;另一名為35歲女性,患有心動(dòng)過(guò)緩,軟件統(tǒng)計(jì)顯示其心率為47次/分,仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)其心音波形之間的間隔時(shí)間比正常人稍長(zhǎng)。11例健康被測(cè)者的瞬時(shí)心率計(jì)算正確率為96.3%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明希爾伯特黃變換的關(guān)鍵部分經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥椒茌^好的滿足實(shí)時(shí)心音信號(hào)的去噪要求,提供準(zhǔn)確可靠的心音數(shù)據(jù),該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)適合心音信號(hào)的實(shí)驗(yàn)性研究,為心血管疾病提供輔助性診斷,據(jù)有很好的應(yīng)用前景,從而使心音檢測(cè)系統(tǒng)得到廣泛推廣和應(yīng)用。由于對(duì)EMD算法的研究還沒(méi)有在實(shí)時(shí)處理信號(hào)要求上深入,加上EMD算法本身還有一定的缺陷,比如篩法和邊界處理問(wèn)題,因而還待參考各種優(yōu)化算法,總結(jié)出實(shí)時(shí)EMD改進(jìn)算法,也是本課題下一步的研究工作。

3 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的心血管檢測(cè)大都要求被測(cè)試者到指定的地方由專業(yè)人員進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于在特定的場(chǎng)合進(jìn)行測(cè)試的運(yùn)動(dòng)員和行動(dòng)不便的孕婦,以及需長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)心臟疾病的患者,無(wú)疑在生活和經(jīng)濟(jì)上給他們帶來(lái)困擾[13]。傳統(tǒng)聽(tīng)診器難以捕捉一些微弱的生理聲信號(hào)且診斷結(jié)果容易受聽(tīng)診者主觀經(jīng)驗(yàn)的影響,難以定量分析,因而準(zhǔn)確性較差[13],較易造成誤判[14-15]。傳統(tǒng)心音學(xué)與數(shù)字信號(hào)處理的算法結(jié)合,為運(yùn)用心音分析準(zhǔn)確診斷心臟相關(guān)疾病提供了必要的手段。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了家庭心音信號(hào)采集與電信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的遠(yuǎn)程心音監(jiān)護(hù),跨越心血管疾病監(jiān)護(hù)時(shí)間和空間的障礙。醫(yī)院服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用移動(dòng)通信網(wǎng)和Internet網(wǎng)相結(jié)合的方式,在給患者帶來(lái)便利的同時(shí),無(wú)需對(duì)醫(yī)院現(xiàn)有的信息系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模的改變,從而降低了系統(tǒng)的使用成本。

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