遠程心音采集識別系統(tǒng)的研發(fā)

張國華，袁中凡

（1.山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室，山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；2.四川大學制造科學與工程學院，四川 成都 610065）

0 引 言

心血管疾病（cardiovascular disease，CVD）是嚴重威脅人類健康的疾病之一[1]，心血管疾病的早期診斷和預防已成為人類面臨的巨大挑戰(zhàn)。心電信號的遠程采集傳輸系統(tǒng)已有較成熟的應用[2]。與心電信號相比，心音信號蘊含著大量關(guān)于心臟功能狀態(tài)以及大血管機械運動狀況等重要診斷信息，心血管疾病引起的病理改變會較早地在心音信號上體現(xiàn)出來[3]。心音診斷是心血管疾病無創(chuàng)檢測的重要方法，具有心電診斷不可取代的優(yōu)勢[4-5]。

傳統(tǒng)的心音采集儀器的研究仍停留在現(xiàn)場采集和本地存儲等功能的實現(xiàn)上，隨著近年來通信技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了基于GPRS技術(shù)的心音遠程采集系統(tǒng)的設計[6]，這種系統(tǒng)基于移動蜂窩通信網(wǎng)絡實現(xiàn)，其使用環(huán)境需有良好的GPRS網(wǎng)絡信號。本文結(jié)合嵌入式技術(shù)和Internet網(wǎng)絡技術(shù)開發(fā)了遠程心音采集識別系統(tǒng)，分布式的遠程采集方便對大量人群進行長期監(jiān)測，有線網(wǎng)絡保證了信號傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠，服務器識別軟件可為心血管疾病的早期診斷和愈后觀察提供診斷信息。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

圖1 遠程心音采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

遠程心音采集識別系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，可分為遠程心音采集終端和服務器2部分。遠程心音采集終端由心音傳感器將振動信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，放大調(diào)理電路把微弱電信號進行放大、整形后送入ADC[7]，通過鍵盤控制對數(shù)據(jù)進行顯示和存儲，并可通過USB接口或網(wǎng)絡傳輸至服務器；服務器可以對心音信號進行接收、存儲和識別，為醫(yī)生對心血管疾病的診斷提供依據(jù)，并可將診斷結(jié)果和建議通過網(wǎng)絡發(fā)送至心音采集終端。

2 遠程心音采集終端硬件設計

2.1 心音傳感器

本設計選用了合肥華科電子技術(shù)研究所的HKY-06B型心音傳感器。該傳感器是PVDF壓電膜心音傳感器，采用PCB插件方式封閉，由微音傳感元件采集心臟搏動和其他體表動脈搏動信號，經(jīng)過高度集成化信號放大調(diào)理電路處理后，可直接送入A/D轉(zhuǎn)換器，滿足了遠程心音采集的要求。

2.2 微處理器

選用基于支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S內(nèi)核的微控制器LPC2214。LPC2214對代碼規(guī)模有嚴格的控制，可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%，而性能的損失卻很小。與LPC2210相比，LPC2214內(nèi)帶256 KB的Flash，無需為系統(tǒng)程序外擴存儲器，使得電路設計更簡潔可靠。

2.3 液晶顯示模塊

選用肇慶金鵬電子集團有限公司的點陣式圖形液晶顯示模塊OCM240128-7，它由 240（列）×128（行）點陣組成。

OCM240128-7與LPC2214的接口電路如圖2所示。采用8位總線方式連接，地址和數(shù)據(jù)均通過DB0～DB7接口。由于OCM240128-7的工作電壓是5 V，而LPC2214的I/O電壓是3.3V，所以在總線上串接了470Ω的保護電阻。OCM240128-7的C/D與A1連接，使用A1控制模塊處理數(shù)據(jù)/命令，這樣可使用16位總線方式操作OCM240128-7。模塊的片選信號由LPC2214的A22和外部存儲器Bank3片選CS3進行“或”操作后得到，A22和nCS3同時為0時選中模塊，其數(shù)據(jù)操作地址為0x83000000，命令操作地址為0x83000002。

圖2 OCM240128-7接口電路

2.4 網(wǎng)絡通信模塊

TCP/IP協(xié)議和以太網(wǎng)協(xié)議是目前使用最廣泛的通信協(xié)議。基于底層的以太網(wǎng)協(xié)議的實現(xiàn)由以太網(wǎng)控制器來完成，比較常用的10Mb/s嵌入式以太網(wǎng)控制芯片有 RTL8019AS、CS8900 等，100 Mb/s的有LAN91C111 等[8]。

RTL8019AS是REALTEK公司的專用以太網(wǎng)控制芯片，能簡單地實現(xiàn)即插即用并兼容NE2000、掉電等特性。它具有曼徹斯特編碼、沖突檢測和重發(fā)的功能，支持PNP自動檢測，內(nèi)嵌16 KB的SRAM，具有全雙工的通信接口，可以通過交換機在雙絞線上同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，使傳輸帶寬從10 Mb/s增加到20 Mb/s，是用來進行以太網(wǎng)通信的理想芯片[9]。

圖3 RTL8019AS接口電路

LPC2214是總線開放的，所以電路采用16位總線方式對RTL8019AS進行訪問，即數(shù)據(jù)總線D0～D15與 RTL8019AS的 SD0～SD16連接，RTL8019AS的接口電路如圖3所示。由于RTL8019AS工作電壓為5V，而LPC2214的I/O電壓為3.3V，所以總線上串接470Ω的保護電阻。

RTL8019AS芯片的基地址是0x300，其I/O地址為 0x00300～0x0031F，所以電路上 SA6、SA7、SA10～SA19均接地，SA9接電源。SA8與地址總線的A22相連，SA5與LPC2214外部存儲器Bank3片選CS3相連，當SA8為1且SA5為0時，選通RTL8019AS芯片，即操作地址為0x83400000～0x8340001F[8]。

3 遠程心音采集系統(tǒng)軟件設計

遠程心音采集系統(tǒng)軟件包括心音采集終端軟件和服務器軟件2部分。

3.1 心音采集終端軟件設計

心音采集終端軟件基于μC/OS-II多任務嵌入式實時操作系統(tǒng)開發(fā)，使用匯編語言和C語言混合編程，軟件框圖如圖4所示。編寫了數(shù)據(jù)采集、USB通信、網(wǎng)絡通信、菜單顯示以及按鍵響應等驅(qū)動及任務，實現(xiàn)了心音采集、存儲和傳輸?shù)裙δ堋?/p>

3.2 服務器軟件設計

圖4 心音采集終端軟件框圖

圖5 服務器軟件框圖

服務器軟件基于Visual studio 2005開發(fā)，軟件框圖如圖5所示，根據(jù)功能可劃分為數(shù)據(jù)通信模塊、心音診斷模塊和數(shù)據(jù)管理模塊3個模塊。數(shù)據(jù)通信模塊采用USB主機端和網(wǎng)絡通信服務器端程序設計，心音診斷模塊調(diào)用MATLAB引擎實現(xiàn)心音信號的特征提取算法，數(shù)據(jù)管理模塊基于SQL Server實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全性和患者檔案管理等功能。

4 結(jié)束語

心音采集終端基于LPC2214移植了μC/OS-II實時操作系統(tǒng)，實現(xiàn)采集、存儲和傳輸?shù)裙δ埽环掌鬈浖哂袛?shù)據(jù)傳輸、心音診斷和數(shù)據(jù)管理等功能。遠程心音采集系統(tǒng)終端已通過聯(lián)機測試，心音測量靈敏度為4mV/Pa，測量頻率范圍為1～1500Hz，心音數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，滿足心音信號遠程采集傳輸?shù)囊蟆？蓪Υ罅咳巳哼M行長期監(jiān)測，為醫(yī)生對心血管疾病的早期診斷和愈后觀察提供重要的診斷依據(jù)，對研究心血管疾病的誘因和防控心血管疾病的蔓延都具有積極作用。

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[9]Realtek Semi-conductor CO.，LTD.Specification RTL801 9AS[EB/OL].http://www.realtek.com