文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.023
中文引用格式: 游菡萏,房玉,王海濱,等. 基于PSoC4的可視化心音采集系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,42(4):81-84.
英文引用格式: You Handan,F(xiàn)ang Yu,Wang Haibin,et al. Visualized heart sounds acquisition system based on PSoC4[J].Application of Electronic Technique,2016,42(4):81-84.
0 引言
《中國心血管病報告2014概要》數(shù)據(jù)顯示因心血管病死亡的人數(shù)占城鄉(xiāng)居民總死亡人數(shù)的首位,農(nóng)村為44.8%,城市為41.9%[1]。由于地區(qū)環(huán)境、醫(yī)療條件的局限性,心血管疾病普查對醫(yī)療診斷器械的成本、便攜、準(zhǔn)確等方面提出更高的需求,因此設(shè)計一種低成本且可靠的心音采集系統(tǒng)尤為重要。
常見的心音采集系統(tǒng)[2-4]一般由多個模塊組成,模塊與模塊連接不僅調(diào)試?yán)щy,而且會造成不可知的干擾,大大影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。
為了解決傳統(tǒng)系統(tǒng)成本高、體積大、功耗高的缺點,在PSoC技術(shù)基礎(chǔ)上設(shè)計了新型的可視化心音采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以“心音采集、傳輸、播放、存儲一體化”為研究目的,運用傳感器、信號采集、軟件濾波、藍(lán)牙通信等技術(shù),對心音采集系統(tǒng)進(jìn)行了有益的研究和探索。
1 系統(tǒng)概述
1.1 心音特征及特征參數(shù)定義
心音是心臟及大血管機械運動狀況的反映,心音中出現(xiàn)的雜音是重要的診斷信息[5]。一般正常心音的頻帶范圍主要集中在20~200 Hz,高頻雜音頻率可達(dá)700 Hz[6]。一個正常心音圖特征參數(shù)定義如圖1所示。
1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計
系統(tǒng)總體設(shè)計如圖2所示。心音傳感器采集心音信號,PSoC4對心音信號模擬處理,主要對輸入的心音信號自舉放大和低通濾波處理,去除混雜的高頻噪聲;心音信號數(shù)字處理主要實現(xiàn)信號模數(shù)轉(zhuǎn)換,并采用軟件數(shù)字濾波器方式去除心音信號中的干擾信號,提高信噪比;最后由藍(lán)牙無線傳輸至上位機實時顯示和存儲,聽診模塊用于實時聽診,Capsense觸摸控制用于聽診音量控制和數(shù)據(jù)發(fā)送控制。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
系統(tǒng)的硬件設(shè)計分為兩部分,一是PSoC4片上硬件,包括自舉放大電路、低通濾波電路、UART、CapSense等;二是PSoC4片外硬件,包括心音傳感器、藍(lán)牙無線模塊、音頻功放模塊等。
2.1 自舉放大電路
心音傳感器輸出的信號非常微弱,當(dāng)用10 kΩ限流電阻、+3.3 V電壓向心音傳感器供電,通過示波器測得心音幅值約為-80 mV~+80 mV。由于PSoC4要求輸入模擬信號在0~3.3 V之間,故設(shè)計了自舉放大電路,由PSoC4內(nèi)部的運算放大器和外圍元器件組成,放大倍數(shù)最高為21倍。
2.2 低通濾波電路
本文設(shè)計的是二階有源低通濾波器,由PSoC4內(nèi)部運算放大器和外圍元器件組成,電路中運用了同向輸入運放。濾波器截止頻率為700 Hz,品質(zhì)因數(shù)Q≈0.714,電路基本滿足穩(wěn)定要求。
2.3 音頻功放模塊
經(jīng)過濾波后的模擬信號一路進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器,一路輸出作為音頻功放模塊輸入信號。由于聽診的音源的功率比較小,無法直接驅(qū)動耳機,所以設(shè)計搭建了以耳機功放芯片LM4811為核心的音頻功放電路,實現(xiàn)高質(zhì)量的功率放大。設(shè)計電路如圖3所示,該電路可以通過兩根控制線實現(xiàn)16級音量控制。
2.4 藍(lán)牙無線模塊
本設(shè)計采用藍(lán)牙模塊實時無線通信。下位機通過藍(lán)牙串口通信傳輸數(shù)據(jù),計算機通過藍(lán)牙虛擬串口接收下位機傳輸過來的數(shù)據(jù),無需任何協(xié)議,且成本低,功耗低,操作方便。
3 下位機軟件設(shè)計
下位機軟件設(shè)計在PSoC Creator 3.1上實現(xiàn)。它采用最先進(jìn)的集成的ARM GCC編譯器編譯代碼,帶有創(chuàng)新性圖形設(shè)計編輯器,提供多種功能組件和處理器配置API,大大提高了編程效率。下位機軟件流程如圖4。
3.1 系統(tǒng)初始化配置
系統(tǒng)初始化配置階段主要對集成的模擬電路進(jìn)行配置以及設(shè)置相關(guān)系統(tǒng)運行參數(shù)。系統(tǒng)時鐘為48 MHz,2個運算放大器配置為輸出電流強度為10 mA,A/D轉(zhuǎn)換采樣頻率為2 kHz,UART通信方式為115 200 b/s、1個停止位、無校驗位、8個數(shù)據(jù)位,Capsense為按鍵模式,按鍵掃描分辨率為12 bit。
3.2 數(shù)字濾波器的實現(xiàn)
經(jīng)過前面的硬件濾波,在第一心音和第二心音外還存在一定的噪聲信號,綜合微控制器的運算能力和濾波器算法的復(fù)雜度,本文選用軟件設(shè)計階數(shù)較小的IIR數(shù)字濾波器的方法對信號進(jìn)行濾波,提高信噪比。
為使計算簡化,定義2階IIR濾波器表達(dá)式:
本文涉及的心音信號頻帶范圍為20 Hz~700 Hz,故設(shè)計了一個截止頻率為20 Hz的IIR直接Ⅱ型高通濾波器,衰減至截止頻率點為-3 dB。
3.3 無線數(shù)據(jù)傳輸
本設(shè)計采用HC-06從機模塊,默認(rèn)自動連接模,即可以被其他藍(lán)牙主機搜索并連接。使用具有藍(lán)牙的筆記本電腦即可連接采集系統(tǒng)的藍(lán)牙從機,通過發(fā)送命令控制心音信號采集系統(tǒng)開始工作并傳輸數(shù)據(jù)。
4 上位機軟件設(shè)計
上位機軟件設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)接收、波形顯示、數(shù)據(jù)存儲三部分。以Microsoft Visual Studio 2010中的MFC為開發(fā)平臺,選擇基于對話框的編程進(jìn)行開發(fā)。用戶首先配置采樣時間和采樣串口,打開串口后,若下位機發(fā)送,上位機開始接收數(shù)據(jù)并繪制心音波形,當(dāng)?shù)竭_(dá)采樣時間便停止。點擊保存,心音數(shù)據(jù)將以TXT格式保存在PC上,其最大存儲容量可以達(dá)到231個數(shù)據(jù),根據(jù)采樣頻率2 kHz可知,上位機持續(xù)采集時間可達(dá)298 h。點擊關(guān)閉,初始化所有參數(shù)并向采集板發(fā)送復(fù)位指令。
5 系統(tǒng)驗證
為了驗證系統(tǒng)是否滿足設(shè)計需求,進(jìn)行了硬件處理測試、軟件濾波測試、系統(tǒng)可靠性測試。
5.1 硬件處理測試
本部分測試對象為一名正常成年男性,平躺且穿有帶聽診頭的聽診服,利用Agilent DS05014A示波器觀察三尖瓣聽診區(qū)的心音波形,測試結(jié)果如圖5所示。圖中,CH1為原始心音信號,可看出峰峰值為189 mV,且信號含有大量的毛刺噪聲;CH2為圖中經(jīng)過自舉放大和低通濾波后的心音信號,峰峰值為1.5 V,相比處理前的信號,放大了約8倍,毛刺噪聲基本濾除,且保留了原始信號的特征。
5.2 軟件濾波測試
本部分測試對象和采集部位同前,利用上位機采集心音數(shù)據(jù)10 s并保存,將保存的數(shù)據(jù)在MATLAB中進(jìn)行濾波對比。軟件濾波前后心音信號的對比圖如圖6所示。從圖中可明顯的看出,經(jīng)過20 Hz數(shù)字高通濾波器后,第一心音與第二心音的間隔更加分明,為后續(xù)處理提供了便利。在處理器中加入軟件濾波程序后,筆記本電腦上實時顯示的心音信號波形界面如圖7所示。從圖中可以看出,經(jīng)過實際處理后的心音波形和MATLAB中的預(yù)期波形一致,第一心音和第二心音間隔明晰。
5.3 系統(tǒng)可靠性測試
在實驗室環(huán)境條件下,采集了9名正常成年男性三尖瓣聽診區(qū)的心音數(shù)據(jù)10 s并保存,在MATLAB平臺上分析數(shù)據(jù)采用的是西華大學(xué)電氣學(xué)院生物醫(yī)學(xué)信息處理研究室開發(fā)的心音時域分析算法。第一步,利用改進(jìn)的小波閾值收縮降噪[7]對心音信號進(jìn)行降噪處理;第二步,利用單自由度模型提取特征波形[8-9];第三步,劃取適當(dāng)?shù)拈撝稻€,提取心音信號的T1、T2、T11、T12四個時域特征值;第四步,繪制特征參數(shù)散點圖[10],計算心率,其中心率的計算公式為:HR=60/T11,測試結(jié)果如表1所示。
由表1可以看出,除受測者M(jìn)_ML的心音為異常,其他都為正常。M_ML的心音波形如圖7所示。M_ML的心音波形周期(T11)相比正常心音更短,舒張期也更短,通過查閱文獻(xiàn)可知,在心率增快時,收縮期和舒張期均會縮短,舒張期縮短的比例更大。從分析結(jié)果可以得出M_ML的心率為97次/分,接近正常人心率上限,且散點圖顯示,部分特征參數(shù)T11~T12不在正常范圍內(nèi),和時域波形特征吻合。對M_ML進(jìn)行了多次心音采集和分析,后續(xù)實驗結(jié)果均表明該受測者心音正常,本次采集心音異常為緊張所致。
6 結(jié)論
通過硬件和軟件設(shè)計,實現(xiàn)了心音采集、播放、傳輸、顯示及存儲一體化設(shè)計。本系統(tǒng)不僅可以實時聽診,還可以通過筆記本電腦實時地觀察心音波形并存儲心音數(shù)據(jù)。系統(tǒng)集成度高、體積小、成本低,為后續(xù)心音數(shù)據(jù)分析、智能診斷等研究提供了便利。通過臨床測試,驗證該系統(tǒng)能準(zhǔn)確反映受測者的心音時域特征,可靠實用,為心血管疾病普查的推廣提供研究基礎(chǔ),同時也將為遠(yuǎn)程醫(yī)療、家庭護(hù)理等提供思路,具有很強的實用價值。
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