多導聯(lián)心電心音同步智能聽診器設計*

蘆夜召，郭 珈，張利平，張會新*，趙凱明

(1.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育重點實驗室，山西 太原030051；2.中北大學電子測試技術重點實驗室，山西 太原030051；3.91550 部隊，遼寧 大連116018；4.北京遙測技術研究所，北京100076)

近年來，心血管疾病成為影響人類健康的主要疾病之一，隨著社會的進步該病的發(fā)病率呈逐年上升的趨勢，控制其增長速度成為全球醫(yī)務工作者的主要任務。 心電圖技術為心血管疾病診斷的基石，心音聽診亦不能孤立進行。 傳統(tǒng)聲學聽診器存在著低頻響應差，聽診靈敏度低，對復雜心音癥狀響應不佳；醫(yī)生利用傳統(tǒng)聲學聽診器聽診，需要擁有純熟的聽診技能和豐富的臨床閱歷；傳統(tǒng)聲學聽診器的聽診音不能保存、共享。 目前，國內(nèi)市場上的電子聽診器僅能實現(xiàn)單純的心音聽診，沒有同步顯示回放心電信號的功能；并且市場上的心電圖儀大多為三導聯(lián)或者六導聯(lián)，很少有十二導聯(lián)心電圖儀。 如能將心音和心電圖同步記錄，二者強強聯(lián)合，視聽結合，將能極大地提高醫(yī)生的聽診準確率。 因此需要研制一種可以同步監(jiān)測記錄心電心音的聽診器。

本文研制了一種心電心音同步實時采集、能長時間存儲使用、體積小、靈敏度高、穿戴方便的多功能的心電心音同步智能聽診器[1]。 從輸出波形的相互關系中，不僅能更好地診斷心音和雜音，而且能更好地反映心血管系統(tǒng)的血液動力學及電機械活動等改變，為了解受檢者的心血管病理生理、心臟功能，提供更多的參數(shù)。

1 系統(tǒng)整體設計

本文在市場現(xiàn)有的心電圖的基礎上，設計了一套集成5 個MEMS 心音檢測探頭[2-3]與標準12 導聯(lián)心電圖采集的同步采集測試儀[4]。 系統(tǒng)整體框圖如圖1。 多導聯(lián)心電心音同步監(jiān)測儀是指實時同步記錄12 路心電信號和5 路心音信號的心電心音監(jiān)測設備。 相比于以前的單導或者三導，多導聯(lián)可選擇的導聯(lián)更多，計算機自動生成的模塊也多，精確度也越高。 心電心音監(jiān)測儀有很大優(yōu)勢:記錄心電圖各波段清晰不失真，測量數(shù)據(jù)精度更高。

當聽診器前段采集到聲音信號后，該聲音信號經(jīng)過模擬放大、濾波、AD 轉換后傳給DSP 芯片。DSP 芯片在高速外部存儲的協(xié)助下處理采集回來的數(shù)據(jù)，并最終將信息顯示在屏幕上。

圖1 心電心音信號同步采集系統(tǒng)集成

2 硬件電路設計

2.1 心音采集模塊

心臟瓣膜和大血管在血流沖擊下形成振動，以及心臟內(nèi)的血流的加速與減速形成的湍流與渦流及其對心臟瓣膜、心房、室壁的作用所產(chǎn)生的振動，再加上心肌在周期性的心電活動作用下其彈性的迅速增加和減小形成的振動，經(jīng)過心胸傳導系統(tǒng)到達體表形成了體表心音[5]。

心音采集模塊采用AD7091 芯片[6]，AD7091 是一款12 位逐次逼近型模數(shù)轉換器，可在高吞吐率下實現(xiàn)超低功耗，該芯片內(nèi)置一個寬帶寬采樣保持放大器，可處理7 MHz 以上的輸入頻率。 心音信號經(jīng)過信號放大電路后進入A/D 轉換模塊，A/D 轉換模塊電路原理圖如圖2 所示。 R15、C51構成一階濾波電路，能夠限制噪聲帶寬，減少噪聲干擾，提高心音信號采集精確性[7]。

圖2 心音采集電路

2.2 心電采集模塊

人的心臟每次收縮之前會產(chǎn)生電激勵，形成微弱的電流，人體是一個良好的導體，心臟處于這個導體中，把測量電極放在合適的位置就可以顯示出心臟電位變化曲線，也就是心電圖。

心電采集模塊采用的是ADS1298 芯片[8]。ADS1298 芯片是TI 公司設計的一種高精度多通道同步采樣24 位Δ-Σ 模數(shù)轉換器，內(nèi)置可編程增益放大器。 該芯片是專門用于生物電位測量的低功耗芯片。ADS1298 更大優(yōu)勢在于其便攜性、經(jīng)濟性、緊湊性，便于小型化設計[9-10]。 心電信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后進入A/D 轉換模塊，A/D 轉換模塊電路原理圖如圖3。

圖3 心電采集電路

2.3 USB 接口模塊

本文采用FT232 接口轉換芯片，使用USB 轉串口輸出數(shù)據(jù)，把RS422/RS485 與USB 兩種協(xié)議取長補短，將他們的優(yōu)點集于一身，實現(xiàn)了RS422/RS485和USB 接口之間的可靠連接。 另外，USB 接口支持熱插拔，接口方便連接，可以給RS422/RS485 設備提供了非常容易使用的環(huán)境，而RS422/RS485 彌補了USB 口不能遠距離傳輸?shù)娜毕荨?/p>

2.4 藍牙發(fā)送接收模塊

采用深圳新壹公司的XY-MBD07C，該模塊采用CYW20707 芯片，支持A2DP、HSP、SPP、HID 和GATT/GAP 等藍牙規(guī)范協(xié)議[11-12]，可與藍牙筆記本電腦、智能手機、藍牙耳機、藍牙音箱等完美通信，在連續(xù)發(fā)送模式下，設置的串口波特率最高可達2 Mbit/s，傳輸距離可達40 m。 該藍牙模塊具有尺寸小、傳輸距離遠、靈敏度高等優(yōu)點。 使用藍牙設備聽診可以有效減少醫(yī)生感染的風險。

圖4 USB 接口電路

3 軟件設計

心電心音同步接收及顯示上位機軟件，主要實現(xiàn)心電心音同步采集設備數(shù)據(jù)的接收和顯示，具有實時同步顯示心電心音信號的功能。 液晶顯示屏可以實時顯示聽診波形，實現(xiàn)了心音信號的可視化。軟件流程框圖如圖5 所示。

圖5 心電心音信號軟件流程圖

4 測試結果分析

使用終端設備對心電心音信號進行多次測量，上位機軟件將收到的數(shù)據(jù)進行處理、分析并保存到數(shù)據(jù)庫，最終得到心電心音波形如圖6 所示。

圖6 心電心音圖

人體心電心音波形并不是單一頻率的，而是可以分解成不同頻率、不同比例的正弦波成分，也就是說心電心音信號含有豐富的高次諧波，故需要根據(jù)每個信號的強弱設置不同幅值，有利于提高診斷的精確性和系統(tǒng)穩(wěn)定性。 各個導聯(lián)幅值如表1 和表2 所示。

表1 心電幅值表

表2 心音幅值表

經(jīng)過臨床試驗測試，該設備通過心電標準十二導聯(lián)采集到的心電信號清晰明顯；通過MEMS 心音檢測探頭采集到的心音信號清晰明顯；可以實現(xiàn)十二導聯(lián)心電信號和5 路MEMS 心音信號的同步采集，并在上位機軟件上同步實時顯示。 該系統(tǒng)實現(xiàn)了設計目標，能夠滿足測試和實際應用需求。

5 結束語

本文主要介紹了一種新型的心電心音同步記錄儀，相比于傳統(tǒng)聽診器，該設備支持實時播放、收聽、顯示、存儲和回放等功能，具有低成本、高精度、高信噪比、體積小、靈敏度高等優(yōu)點，同時可以將信號存儲起來，方便后續(xù)查閱。