電子心音聽診器的可視化研究

李陽軍

（遵義師范學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院 貴州 遵義 563002）

1 引言

聽診技術(shù)很早就已經(jīng)廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)，例如：通過聽心音來判斷心律是否整齊、心臟瓣膜是否病變；通過聽肺的呼吸聲來檢查肺功能；通過聽腸道的蠕動(dòng)聲、胎兒的心跳聲或是胃的活動(dòng)聲音來判斷人體的腹部健康狀況[1-2]。本文研究對(duì)象是電子心音聽診器，不但能實(shí)現(xiàn)心音實(shí)時(shí)播放，同時(shí)還具備心音圖實(shí)時(shí)顯示的功能。

2 心音的產(chǎn)生機(jī)理

心音是心臟各部分本身以及各部分之間相互運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的生理性聲音，總的來說，是指心臟、心血管系統(tǒng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的體現(xiàn)生理、病理方面信息的聲音。就目前臨床醫(yī)學(xué)而言，除了心音聽診，也已經(jīng)逐步用心音圖作為檢測(cè)心腦血管疾病的一種診斷技術(shù)。心音圖是指用一定曲線來反應(yīng)隨心臟搏動(dòng)呈現(xiàn)出周期性的變化的生理性聲音，圖1為正常心音圖。

圖1 正常心音圖

一般而言，S1和S2強(qiáng)度較響，很容易被聽到。第一心音于心尖部聽診最為響亮，歷時(shí)較長(zhǎng)(約為0.1s)，強(qiáng)度較響；第二心音于心底部位聽診最響亮，歷時(shí)較短(約為0.08s)，強(qiáng)度較S1稍弱。S3音調(diào)低鈍而重濁，強(qiáng)度較弱，歷時(shí)較短，因此一般都是從兒童身上被聽診到。S4始于心室舒張末期，頻率較低、振幅較小，歷時(shí)約為0.1s，但正常情況下，都不被聽到，更多是在心臟功能病變的情況下被聽到[3-5]。

3 心音采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

從功能上劃分，可將整個(gè)系統(tǒng)劃分為心音采集模塊、信號(hào)預(yù)處理模塊、主控模塊、顯示模塊四大部分。

3.2 心音傳感器的選取

就目前來看，心音信號(hào)的采集普遍還是通過心音傳感器來獲取。駐極體話筒（咪頭）體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻帶范圍廣，響應(yīng)曲線平直，靈敏度高，價(jià)格低，被廣泛用于錄音機(jī)及其他聲控電路。因此，本設(shè)計(jì)自制心音傳感器就是采用駐極體話筒與傳統(tǒng)聽診頭來改造。駐極體話筒一面是具有若干小孔的金屬電極，即背電極，另一面涂有金屬薄膜，金屬薄膜與背電極相對(duì)。兩面之間存在空氣隙，駐極體與空氣隙作為介質(zhì)，金屬層與背電極構(gòu)成兩個(gè)電極，就形成一個(gè)平行板電容器。當(dāng)聲波以機(jī)械振動(dòng)方式傳播時(shí)，駐極體薄膜因?yàn)檎駝?dòng)產(chǎn)生位移，從而改變電容兩極板間的距離，引起C發(fā)生相應(yīng)變化，而薄膜上的電荷數(shù)Q不變，由：

當(dāng)駐極體電容C變化，Q不變時(shí)，電壓U則與電容構(gòu)成反比例變化關(guān)系，完成聲信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)變。

3.3 預(yù)處理電路

通過前文所述的自制的心音傳感器采集到的心音電信號(hào)（MIC-IN）幅值較小，同時(shí)根據(jù)LM358具有獨(dú)立運(yùn)放，設(shè)計(jì)了如圖2的放大電路。

圖2 放大電路

此電路包含了低通濾波器及同向放大器。低通濾波器將信號(hào)頻率限制在300HZ以下輸入單片機(jī)，而同向放大器，將前級(jí)與后級(jí)隔離后輸入音頻功放。經(jīng)過放大的心音信號(hào)，即圖2中的1腳輸出，我們將其送入功率放大模塊，如圖3，這樣我們保留了傳統(tǒng)聽診器的聽診功能。TDA1308是AB類的數(shù)字音頻(CD)專用耳機(jī)功放IC，其具有低電壓、低失真、高速率、強(qiáng)輸出等優(yōu)異的性能。按照?qǐng)D3設(shè)計(jì)，我們只需在OUT輸出端連上合適的耳機(jī)，就能聽到心音采集模塊采集的心音信號(hào)。

圖3 功率放大電路

4 軟件部分設(shè)計(jì)

我們首先通過數(shù)據(jù)采集模塊將心跳的模擬數(shù)據(jù)送至運(yùn)算放大器模塊放大。然后經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換器將模擬的心音波形轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。單片機(jī)的處理后，建立緩存，把采集到連續(xù)的數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到緩存中；同時(shí)通過單片機(jī)使用UCOSII+GUI3.98建立LCD的液晶圖形界面。程序中還需計(jì)算出心率等有關(guān)數(shù)據(jù)，并不斷刷新。在單片機(jī)中建立FATS文件系統(tǒng)，創(chuàng)建文本，將采集的數(shù)據(jù)按指定格式存儲(chǔ)到文本中。最終可通過觸摸屏可以對(duì)通過顯示的各種控制按鈕控制相關(guān)的功能。

對(duì)設(shè)計(jì)的電子聽診器進(jìn)行結(jié)果檢測(cè)，選擇人體的心臟進(jìn)行聽診，電源只需采用的USB接口即可。通過測(cè)試，可以從耳機(jī)處聽到被測(cè)試者的心音信號(hào)，同時(shí)LCD12864上實(shí)時(shí)記錄了被測(cè)試者的心音圖像，包括心率，更重要的是，還可以保存心音數(shù)據(jù)，以備后期讀取。

5 結(jié)語

本文基于STM32F103V8T6單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款低功耗而又簡(jiǎn)單實(shí)用的電子心音聽診器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)心音的采集、播放、實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)和分析。整個(gè)設(shè)計(jì)中，綜合運(yùn)用了傳感器知識(shí)、電路分析、信號(hào)處理以及單片機(jī)控制等相關(guān)知識(shí)。在綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)能力訓(xùn)練上取得了很好的效果，同時(shí)也帶動(dòng)和提高了學(xué)生參與科研的積極性。后續(xù)研究中，我們可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)信號(hào)的藍(lán)牙傳輸、遠(yuǎn)程診斷，或是將此應(yīng)用植入手機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，取得更好的應(yīng)用效果。

[1]劉娟，趙治棟.基于心音信號(hào)譜分析的身份特征提取算法[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，04：181-185.

[2]王皓，孫成祥，姚榮斌，丁紅星.便攜式無線電聽診器的研究[J].內(nèi)江科技，2013，06：88.

[3]趙志強(qiáng)，田璀，曾垂省.次聲信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2009，06：114-115+117.

[4]黃振江.基于Android的智能心音看診系統(tǒng)的研究[D].南京郵電大學(xué)，2011：1-4.

[5]李戰(zhàn)明，韓陽，韋哲.心音信號(hào)時(shí)頻分析方法研究[J].中國醫(yī)學(xué)裝備，2012，06：1-4.