基于智能移動終端的低成本心音采集系統

徐禮勝，呂文龍，薄紅瑞，康宏宇，柳家進，張柯欣，王強

1.東北大學 中荷生物醫學與信息工程學院，遼寧 沈陽 110016；2.教育部醫學影像計算重點實驗室 遼寧 沈陽110819；3. 遼寧中醫藥大學 遼寧 沈陽110004

基于智能移動終端的低成本心音采集系統

徐禮勝1,2，呂文龍1，薄紅瑞1，康宏宇1，柳家進1，張柯欣3，王強1

1.東北大學 中荷生物醫學與信息工程學院，遼寧 沈陽 110016；2.教育部醫學影像計算重點實驗室 遼寧 沈陽110819；3. 遼寧中醫藥大學 遼寧 沈陽110004

目的為了有效預防心臟疾病，降低電子聽診器成本，本文設計與實現了基于智能終端的低成本心音采集系統。方法通過軟、硬件的結合，實現了基于手機等移動終端的心音采集、傳輸和分析。本系統硬件部分將心音的模擬信號通過AV線傳輸給智能手機。手機上的心音采集軟件實時顯示心音圖，并將數據保存為wav格式，便于傳輸和后續服務器端的分析。同時，本文采用主、客觀測評方法，將本系統與目前市場常用的兩款應用于臨床的聽診器所采集心音的質量進行了對比。結果該系統不僅能隨時實時捕獲心音，而且采集的心音信號質量好，心音圖清晰、準確。與另兩款商業聽診器對比，本系統性能可靠，能滿足臨床要求。結論本系統能方便、準確地采集心音信號，極大地降低了成本，而且并能通過智能終端將心音數據發送給醫生，方便診斷。

聽診器；心音；移動終端；采集系統；低成本

0 引言

心音聽診是心臟病無創性檢測的重要方法，在及時反應心臟雜音和病變方面具有心電圖、超聲所不可取代的優勢。心音作為人體最重要的生理信號之一，它能夠反映心臟心肌收縮、舒張、瓣膜閉合以及其他心臟工作情況。分析心音中出現的雜音和畸變可以對心臟進行疾病的診斷，因此心音分析在診斷中具有重要的意義[1-2]。19世紀之前由于聽診器沒有問世，醫生依靠耳朵在病人胸前進行聽診，聽診器的發病似的在聽著方式上有了很大進步[3]。目前，國內心音信號采集和分析系統仍不成熟，少有實用意義上的心音信號分析診斷方面的電子醫療產品[4]。

目前聽診器在市場上可以分兩種類型:傳統的聽診器和電子聽診器。傳統聽診器由傳導聲音導管、共振片和聲音共振腔組成。傳統聽診器主要受人體聲音強度的限制，特別容易受到使用環境的限制，尤其是在凌亂嘈雜的事故現場，不容易對心音進行采集。另外，傳統聽診器不能進行定量數據分析和顯示，同一時間只能用于聽診一種生理信號，不能綜合聽診[5-6]。此外，通過基于聽到的聲音診斷是一種技巧,但這需要多年工作經驗的醫生才能得到準確的診斷結果，這為醫生對病情的準確診斷帶來了不利的影響。電子聽診器將心音信號通過運放電路、濾波電路，最后得到清晰準確的心音信號；同時電子聽診器放大了身體的心臟和肺部的聲音，電子聽診器的發明為醫生診斷病情提供了準確的病理支持[7-8]。目前電子聽診設備一般采用了藍牙、ZigBee、WiFi等無線模塊，顯示設備則采用了通用的顯示模塊，這種組合無疑增加了功耗，提高了成本，致使目前的電子聽診設備價格昂貴，特別是在國內這種電子聽診設備鮮有使用。

移動醫療作為一種有力的手段，為個人的健康提供了條件[9]。移動醫療作為一個綜合的概念，包括了通過電子傳輸和交換健康信息，能夠降低成本減少病人復發頻率。與常規治療相比，移動醫療能夠降低急診、住院和死亡率，改善病人的意識和自我保健的能力[10]。很多知名公司已加入了研發的熱潮，如飛利浦、愛立信等公司正在對移動醫療服務技術進行研究與開發。愛立信研制的MobiHealth系統在患者身體上佩帶傳感器獲取病人的健康數據，然后通過藍牙技術將數據傳輸給醫生，進行診斷與實時的醫療監護。飛利浦目前正在研究可以對心臟進行實時監護的衣服，由患者著裝后，醫生可以一直對病人進行實時檢測和護理[11]。所以電子心音設備在移動醫療領域具有重要的意義。

據國內外心音采集數據分析結果顯示，業界一般人為心音的產生是由于心臟瓣膜的開閉，正常的 心音信號主要集中在0～500 Hz之間，且為一種典型的非平穩的隨機信號。通過分析心臟收縮所產生的聲音進行系統的研究和分析，可以將心音第一心音、第二心音、第三心音和第四心音，標號分別為S1、S2、S3和S4。完成一次心動周期的持續時間為0.8 s左右，一次心動周期的主要特征見表1[12]。

表1 主要心音特征

由表1研究結果可知，整個心音的有用頻率成分在600 Hz以下，其余為雜音，心臟雜音和心音的不規律，一般是心臟病的重要特征，所以判斷心音的頻率可作為診斷心臟病的重要依據。

為了克服前文中提到的諸多弊端和發揮移動醫療的優勢，本設計采用基于智能移動終端(智能手機)的新型低成本系統，使用AV線將智能手機與模擬電路采集部分連接，將心音信號進行顯示和保存。本文通過對數據的主客觀測評對本設計的心音進行優良性的驗證。

1 心音聽診

國內外主要在以下幾個方面進行了研究：① 對S1和S2的生理病理研究；② 對人工心臟瓣膜的無創傷檢測；③對微軟心音成分的分析和研究，主要是針對第三心音和第四心音部分；④ 分析心臟雜音的頻率變化規律；⑤ 從一個心動周期中定位提取心音成分；⑥ 對心音傳導機制建模[13]。第一心音和第二心音包含的信息在心臟聽診中起著重要的作用，因此S1和S2是本設計采集心音的重點。

心室的收縮期的開始發生在第一心音，采集心音清晰度最高處位于心尖搏動處，頻率為40～60 Hz，持續時間為0.1～0.12 s，聲音大。心舒期發生在第二心音，開始進行心室舒張，此部分的心音主要由兩部分構成，分別為肺動脈音和主動脈音。第三心音持續時間為0.04～0.05 s，聲音較弱。圖1所示為由本聽診器記錄的正常心音，能夠清晰的識別出第一心音和第二心音部分。

圖1 正常心音實例

2 系統設計

2.1 系統整體設計

本心音系統由聽診頭、模擬電路、AV線和智能終端四部分構成。其系統結構框見圖2。聽診頭采用通用型醫用聽診頭。模擬電路包括駐極體傳感器、前端放大模塊、高通低通濾波模塊、50 Hz工頻陷波模塊、音頻接口模塊和電源模塊。本系統對于模擬電路和智能終端之間的數據傳輸采用了AV線的設計，AV線能有效的排除外來電磁干擾，以免造成信號失真。智能終端中的電源模塊通過AV線與模擬電路進行共地，與采用無線傳輸模塊相比，不僅降低了功耗，保證了信號的質量，而且降低了成本。

圖2 系統結構框圖

本系統首先將駐極體傳感器鑲嵌在醫用聽診頭內，駐極體傳感器將聽診頭內的心音信號傳輸到硬件電路模塊，信號經過硬件電路的前端放大、濾波處理后，再通過連接在智能終端音頻接口上的AV線將心音信號送至智能終端，本設計采用的智能終端為安卓系統手機，在手機軟件上顯示心音圖，并保存心音數據。本系統實物圖見圖3。

圖3 系統實物圖

2.2 系統模塊介紹

（1）聲音信號拾取模塊

據研究結果顯示，心音頻率為0～500 Hz之內，屬于人耳所能識別音頻的中低頻段。駐極體傳感器通過駐極體材料利用電荷的轉變來改變電壓的變化，將聲音信號轉化為電信號，這種微型的聲電換能器具有以下優勢：結構小巧、價格低廉、性能優越，特別是靈敏度極高的優勢，被廣泛運用在醫學、力學和聲學等方面[14-16]。

（2）電源模塊

由于本系統需要5V和-5V電源電壓，為保證為系統提供穩定的電壓源，本設計采用AMS1117-5作為5V的電壓源，-5V電壓則采用MAX828芯片進行5V至-5V的電壓轉換。

（3）信號的放大濾波處理模塊

由于心音信號的主要頻率在500 Hz以內，所以本文所設計的頻帶在800 Hz以內進行對心音信號的拾?。挥捎谛囊粜盘柗浅Ｎ⑷酰词雇ㄟ^駐極體電容式傳感器之后的電壓僅為30至60 MV，根據濾波模塊電路的要求，需要其進行初級放大。本設計提出采用TDA2822進行雙聲道音頻功率放大，本設計的優點在于該電路的電壓范圍為1.8～15 V，要求電源電壓最低降至1.8 V，其次，該設計靜態電流較小，產生的交越失真低。

前置放大器輸出的信號并不是純粹的心音信號，通常包含測試環境、電磁影響及受測人員身體微弱移動帶來的噪音[17]，其中受到工頻干擾，其所具有的低頻分量也不可忽略。這種干擾包含設備與皮膚的接觸摩擦、身體信號與設備的串擾以及呼吸噪音等。同時由于設備電極極化電壓所具有的不平衡特點、運放的失調偏移和人體運動等原因造成信號干擾。這會導致心音信號在雜音中無法有效識別提取，不利于后期電路的處理。本設計通過設計壓控電壓源的高通濾波器進行對低頻分量和直流分量的去除。同時采用雙T型網絡帶阻濾波器進行對心音信號中50 Hz的信號進行濾除。

（4）智能終端模塊

由于智能手機具有良好的移動性、廣泛的普及性以及對數據處理的能力十分優越，本設計采用智能手機作為系統的顯示心音信號、儲存心音信號的設備，通過設計Android系統的應用軟件，設計其功能為接受、顯示和保存心音信號，以及實現對用戶個人信息進行表述的功能。本設計通過使用智能手機能夠為用戶提供心意圖以判斷病情，同時可以通過網絡發送數據到醫生[18-19]。

3 實驗及結果分析

3.1 心音數據采集

通過對照市場上的兩種電子聽診器和本設計制作的電子聽診器進行對實驗室的十名同學進行心音采集，每個樣本采集時間為10 s，每個人分別用三種儀器各采集4組數據，共120個樣本。

本實驗要求采用容積為20～120 m3的房間作為測試房間，環境噪聲要求降低到最低水平。進行實驗時，要求被采集者應保持正常坐在椅子上，保持呼吸平靜，采集者將聽診頭放在心尖處，導通模擬電路部分電源，打開手機軟件進行心音采集，保持安靜，等待采集心音結束。本實驗采集心音現場見圖4。數據采集參數見表2。

圖4 系統采集心音數據現場

表2 心音采集的參數設置

本系統數據采集采用脈沖編碼調制（Pulse-Code Modulation，PCM）音頻編碼格式，即一種將模擬信號轉換為數字信號的基本方法。PCM將信號的強度依照同樣的間距分成數段，然后用獨特的數碼記號（通常是二進制）來量化。PCM常被用于數碼電信系統上，也是電腦等設備中的標準形式。主要包括抽樣、量化與編碼3個過程。我國采納A律13折線壓縮特征，8段量化線段，格式為D0～D7，其中D0為極性碼，D1、D2、D3為段落碼，D4、D5、D6、D7為段內碼[20]。為保證最大程度上忠實于原音，本實驗采用PCM格式避免對音頻的損耗。

3.2 系統性能分析

本實驗采用主觀、客觀測評對本系統進行性能驗證，通過對比3種儀器同時采集的數據進行驗證，其中儀器1為本系統設計的電子聽診器，儀器2為偉倫公司的“The stethoscope system”電子聽診器，儀器3為Hanbyul Meditech Co.,Ltd.公司的SP-S2型電子聽診器。

3.2.1 主觀測評

本實驗主觀測評參考ITU_UP語音質量測評標準，應用“絕對種類定級”的測評方法進行測評[21]。主觀測評包括兩個部分：響度偏好尺度與聲音質量尺度，每5個等級作為一個尺度進行測評[22-26]，見表3。

表3 評測等級及分數

從采集的數據中，隨機挑選3個人的由每種儀器采集的數據樣本，共9個數據樣本，另外十名同學對這9個數據進行測評，得出的結果見圖5。

圖5 3種儀器測得數據主觀得分

3種儀器主觀測評的聲音質量尺度得分平均分分別如下：3.80、3.47、2.87。響度偏好尺度的主觀測評的平均得分分別如下：3.17、3.40、4.00。

3.2.2 客觀測評

本系統的客觀測試著重于數據樣本信噪比（Signal-Noise Ratio，SNR）的對比。對9個心音數據樣本，通過Matlab工具，利用小波軟閾值方法提取每個心音數據的噪聲，進而測量樣本的SNR。測量的三種儀器的SNR大小見表4。

表4 三種儀器的樣本信噪比值（SNR值）

對三個儀器的SNR值分別取平均值，儀器1 SNR值、儀器2 SNR值和儀器3 SNR所得到客觀測試結果為：38.6275、43.5834、38.6015。

4 結論

針對本系統的主觀及客觀測試表明，在主觀測試中，本系統采集的心音數據質量以及響度測試比其他兩款產品要優越。在客觀測試中，本系統的SNR值比偉倫公司的“The stethoscope system”電子聽診器要低，與Hanbyul Meditech Co.,Ltd.公司的SP-S2型電子聽診器基本相同。同時，在時域和頻域方面對心音信號進行分析得出其基本相同。

同時本設計實現了低成本的設計要求，并保證了系統工作穩定的性能。本文所設計的電子聽診器原材料成本約80元。實驗室購買的偉倫公司的“The stethoscope system”電子聽診器為5000元，Hanbyul Meditech Co.,Ltd.公司的SP-S2型電子聽診器為2500元，達到了低成本的目的。

綜上分析，本文件設計的電子聽診器與其他兩款電子聽診器相比，本文所設計的心音采集系統的性能優于Hanbyul Meditech Co.,Ltd.公司的電子聽診器，與偉倫公司的電子聽診器性能相同。

本文所設計的系統距成為一款產品化、商業化的可適合多場合應用的產品還很遠，今后應主要改善和提高對心音波形的提取質量，建立對心音病態的識別，并根據數據進行對心臟疾病的初步診斷。

致謝

該項目得到國家自然科學基金資助項目（61374015）；教育部博士點基金項目（20110042120037）；中央高校基本科研業務費探索導向重點項目（N110219001）；遼寧省自然基金項目（201102067）的支持。

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Low-Cost Heart Sound Acquisition System Based on Intelligent Mobile Terminal

Objective To prevent cardiovascular diseases,and reduce the cost of the electronic stethoscope,this article designs and implements a heart sound acquisition system based on low-cost smart phone and Android system. Methods In this paper,the acquisition of the heart sounds is achieved by combining the design of hardware and software.Viaan AV cable,the designed hardware of this system transmits analog heart sounds signal to a smart phone. The heart sounds can be real-time displayed on the smart phone and can be saved as wav format for further analysis and transmission through our designed software based on Android system. By using subjective evaluation and objective evaluation method,the performance of our designed stethoscope was compared with these of two commercial stethoscopes,which have widely clinical applications currently on the market. Results The designed system can stably capture heart sounds with high quality. The SNR of the phonocardiogram is high enough. Compared with two kinds of clinical stethoscopes,the performance of our designed system is satisfactory. Conclusion The system is portable. The acquisition of heart sound signal is convenient and accurate. Through intelligent terminals,this system can send heart sound data to doctors for further diagnosis.

stethoscope;heart sounds;mobile terminals;acquisition system;low cost

XU Li-sheng1,2,LV Wen-long1,BO Hong-rui1,KANG Hong-yu1,LIU Jia-jin1,ZHANG Ke-xin3,WANG Qiang1
1.Sino-Dutch Biomedical and Information Engineering School of Northeastern University,Shenyang Liaoning 110016,China;2.Medical Image Computing Key Laboratory of Ministry of Education,Shenyang Liaoning 110819,China;3. Liaoning University of Traditional Chinese Medicine,Liaoning 110004,China

TN929.53;R318.6

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.09.006

1674-1633(2016)09-0024-05

2016-08-31

國家自然科學基金資助項目(61374015)；教育部博士點

基金項目(20110042120037)；中央高?；究蒲袠I務費探索導向重點項目(N110219001)；遼寧省自然基金項目(201102067)。

徐禮勝，教授，博士生導師，研究方向：生物醫學信號處理。

通訊作者郵箱：xuls@bmie.neu.edu.cn