一、引言
心臟疾病是造成病殘和死亡的常見(jiàn)疾病，在發(fā)達(dá)國(guó)家中，心血管系統(tǒng)疾病已成為最為常見(jiàn)的疾病和致死的重要原因，而隨著我國(guó)人口老齡化，心血管疾病的比例也一年比一年高。心血管診斷除了臨床外，主要依靠醫(yī)療器械。心電和心音是檢測(cè)心血管疾病的兩種不同的手段，心電主要應(yīng)用于心率失常及心肌缺血的定性與定量分析診斷，心血管藥物的療效評(píng)價(jià)。心音圖能夠有效的彌補(bǔ)心臟聽(tīng)診的不足，將心臟聽(tīng)診不能記錄的心音信號(hào)或不容易分辨的信號(hào)用圖形的形式記錄下來(lái)，供醫(yī)生分析使用[1]。心音圖結(jié)合心電圖，能夠大大提高心血管疾病的鑒別和診斷水平，對(duì)于了解心血管功能，選擇治療，判斷病理以及研究某些疾病的機(jī)理都提供了很有價(jià)值的資料，應(yīng)用日益廣泛。對(duì)人體微弱生理信號(hào)的有效采集和處理一直是醫(yī)療器械領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前有多種用于人體微弱信號(hào)采集的傳感器，如壓電陶瓷傳感器、多普勒效應(yīng)傳感器等，但在結(jié)構(gòu)和成本上都存在一定的問(wèn)題。目前有一種采用新型高分子壓電材料聚偏氟乙烯研制的壓電傳感器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，能準(zhǔn)確測(cè)量微弱的人體信號(hào)。我們將其應(yīng)用于對(duì)人體心音信號(hào)的采集，研制了兩通道的綜合微型記錄儀，分別動(dòng)態(tài)記錄心音信號(hào)和心電信號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明，該薄膜傳感器與整機(jī)之間結(jié)構(gòu)、性能匹配，該心音心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠比較準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)分析人體心音心電信號(hào)，為系統(tǒng)以后的產(chǎn)品化奠定了基礎(chǔ)。
二、壓電薄膜傳感器的設(shè)計(jì)
PVDF壓電薄膜是一種新型的高分子壓電材料，在醫(yī)用傳感器中應(yīng)用很普遍[2，3]。它既具有壓電性又有薄膜柔軟的機(jī)械性能，用它制作壓力傳感器，具有設(shè)計(jì)精巧、使用方便、靈敏度高、頻帶寬、與人體接觸安全舒適，能緊貼體壁，以及聲阻抗與人體組織聲阻抗十分接近等一系列特點(diǎn)[4]，可用于脈搏心音等人體信號(hào)的檢測(cè)。脈搏心音信號(hào)攜帶有人體重要的生理參數(shù)信息，通過(guò)對(duì)該信號(hào)的有效處理，可準(zhǔn)確得到波形、心率次數(shù)等可為醫(yī)生提供可靠的診斷依據(jù)。
壓電薄膜傳感器的設(shè)計(jì)主要考慮了傳感器的靈敏度和信噪比，根據(jù)測(cè)量信號(hào)的頻率和響應(yīng)幅度，我們?cè)O(shè)計(jì)薄膜傳感器的結(jié)構(gòu)有如同圖1所示的幾種。在采集人體心音的信號(hào)時(shí)，由于心音的頻響范圍較寬，同時(shí)其輸出的物理信號(hào)值也很微弱，采用硬質(zhì)襯底和中空的設(shè)計(jì)。這樣可以提高傳感器中薄膜在收到心音信號(hào)時(shí)的形變量，從而提高信號(hào)強(qiáng)度。這樣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)不牢固，使用時(shí)間長(zhǎng)了需要校正。 PVDF壓電薄膜的壓電常數(shù)一般為D33=15×10-12C/N，g值比較高，但是具有很高的內(nèi)阻抗，一般高達(dá)1012Ω，制作出的傳感器的輸出阻抗較大，不利于后面的信號(hào)采集和放大。為防止信號(hào)的衰減，我們采用高輸出阻抗的場(chǎng)效應(yīng)管作為阻抗變換器，即為測(cè)量系統(tǒng)的前置電路。我們利用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的高輸入阻抗的特點(diǎn)，根據(jù)其靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)計(jì)阻抗變換器，如圖2(a)所示，傳感器獲得的人體信號(hào)經(jīng)過(guò)阻抗變換器后，得到可靠的低阻抗的輸出信號(hào)。其輸出阻抗如圖 2(b)圖所示?？梢钥闯?，在信號(hào)頻率變化的情況下，傳感器的輸出阻抗?；颈３植蛔儭?/p>
三、心臟監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件
整個(gè)硬件系統(tǒng)可以分為三個(gè)部分：信號(hào)的采集部分、信號(hào)的處理控制部分、信號(hào)的輸出部分。信號(hào)的采集包括心音傳感器、心電電極、阻抗變換電路、濾波器、同相放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。信號(hào)的處理控制部分主要由8031單片機(jī)完成，信號(hào)的輸出由8255芯片完成。
1、信號(hào)采集部分心音和心電綜合檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)拾取包括心電和心音信號(hào)的拾取，鑒于二者的產(chǎn)生機(jī)理不同，該部分由心電電極和心音傳感器組成。心電電極我們采用市售的普通一次性心電電極，心音傳感器采用我們自己研制PVDF壓電薄膜傳感器。通過(guò)壓電薄膜傳感器采集的心音信號(hào)強(qiáng)度僅有幾個(gè)毫伏的數(shù)量級(jí)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，我們利用一種高共模抑制比、高輸入阻抗的運(yùn)算放大器，利用電路的高度對(duì)稱(chēng)性，來(lái)控制放大倍數(shù)。心電放大單元包括輸入緩沖電路、高共模抑制比高增益差動(dòng)放大器、低通濾波器、QRS波檢測(cè)電路等部分。圖3是我們的設(shè)計(jì)的前兩級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)圖譜。從圖中可以看出來(lái)，在包括心音和心電信號(hào)的很大的一個(gè)寬頻率范圍內(nèi)，電路能夠?qū)π盘?hào)有效放大，并且其增益基本相同。有效的減少了由于基線和信號(hào)放大不均所造成的誤診和漏診。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是很多應(yīng)用領(lǐng)域中不可缺少的部分。它是實(shí)時(shí)采集與溫度、濕度、壓力、流量、速度等有關(guān)的連續(xù)變化的模擬量信號(hào)，通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器把這些模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)或直接采集代表某些狀態(tài)特性的開(kāi)關(guān)量，送計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。我們的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4中，譯碼器用最高3位進(jìn)行譯碼。它的輸出分別作為ROM、RAM、通道地址鎖存器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、8255等片選信號(hào)。系統(tǒng)配置8K字節(jié)的EPROM監(jiān)控程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自檢、輸入/輸出驅(qū)動(dòng);提供擴(kuò)展8K字節(jié)RAM的能力。8路開(kāi)關(guān)輸入量通過(guò)光隔離器件后，直接連到P1口的8 位。8路開(kāi)關(guān)輸出接口到8255P的B通道。8模擬輸入通道連接到模擬開(kāi)關(guān)，用軟件控制切換，分時(shí)使用一片模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。模擬輸出通道采用帶輸入數(shù)據(jù)緩沖器的數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片。系統(tǒng)直接使用8031片內(nèi)的串行輸入、輸出功能作為全雙工的串行輸入、輸出口。數(shù)據(jù)的采樣是依據(jù)采樣定理，采樣定理可以描述為：只要采樣頻率大于模擬信號(hào)中最高頻率分量頻率的兩倍，則模擬信號(hào)中所包含的全部信息，也包含在它的采樣值中。根據(jù)這個(gè)定理我們可通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，定時(shí)(滿(mǎn)足采樣頻率大于模擬信號(hào)最高頻率)對(duì)檢測(cè)波形進(jìn)行采樣，得到的采樣數(shù)據(jù)(攜帶有檢測(cè)波形的全部信息)可保存在存儲(chǔ)器中，來(lái)實(shí)現(xiàn)波形的存儲(chǔ)和輸出。我們使用8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器AD0804，采用差動(dòng)雙端模擬輸入。AD0804的WR信號(hào)控制三態(tài)門(mén)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出線與系統(tǒng)數(shù)據(jù)線的連接。
2、信號(hào)處理控制部分
信號(hào)處理控制器，該控制器由8031單片機(jī)完成。壓電傳感器獲得通道一(心音)數(shù)據(jù)、心電電極獲得通道二(心電)數(shù)據(jù)后，通過(guò)模擬電路先對(duì)其放大，后對(duì)其模擬信號(hào)進(jìn)行整形，轉(zhuǎn)化為脈沖形式(開(kāi)關(guān)量)。利用8031單片機(jī)中的兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0和T1分別工作于定時(shí)和計(jì)數(shù)方式，對(duì)心音心電波形整形后的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后通過(guò)軟件計(jì)算脈搏心率每分鐘跳動(dòng)次數(shù)，并根據(jù)軟件分析心電心音數(shù)據(jù)相關(guān)的量。
3、信號(hào)的輸出部分
信號(hào)的輸出部分包括接口電路和顯示。接口電路部分采用了可編程輸入輸出接口片子8255，通過(guò)它可直接將CPU總線接向外設(shè)。我們選用8255 的能輸入/輸出方式，完成微型記錄盒與PC機(jī)數(shù)據(jù)傳送。為了方便計(jì)算機(jī)正確地找到該接口電路，賦予8255接口特定的地址，通過(guò)口地址譯碼確定接口電路地址。譯碼電路如圖5所示。選擇采用數(shù)據(jù)查詢(xún)式傳送方式向外界傳送數(shù)據(jù)，其優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)CPU與外部過(guò)程不同步時(shí)，也可以很好地解決CPU的時(shí)序和I/O端口的時(shí)序之間的配合問(wèn)題，從而不同外設(shè)的狀態(tài)信息，可以使用同一端口，而使用不同的位就行。結(jié)果顯示部分由液晶顯示塊顯示。選用點(diǎn)陣式液晶顯示塊顯示心音和心電中心臟跳動(dòng)次數(shù)及記錄儀的工作時(shí)間、狀態(tài)等。
四、心率計(jì)算程序
計(jì)算程序中，根據(jù)實(shí)際測(cè)量精度，選擇單片機(jī)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0作為定時(shí)器，而定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1作為計(jì)數(shù)器，且都工作于16位計(jì)數(shù)器操作模式0 為定時(shí)器時(shí)，選取定時(shí)時(shí)間為5ms，另設(shè)定一計(jì)數(shù)器CR。根據(jù)公式：(216-X)×T1=T2計(jì)算出X值。其中T1為一個(gè)機(jī)器周期時(shí)間，T2為定時(shí)時(shí)間。首先設(shè)定模式控制字，接通T1計(jì)數(shù)器，當(dāng)外部脈沖的第一個(gè)下降沿到時(shí)即TL1=1時(shí)，T0開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)其溢出產(chǎn)生中斷時(shí)，CR開(kāi)始計(jì)數(shù)，直到TL1= 4時(shí)，T0、T1停止計(jì)數(shù)，讀取寄存器值，計(jì)算最終結(jié)果。簡(jiǎn)單的程序流程圖如圖6。
五、結(jié)果討論
利用高分子壓電材料聚偏氟乙稀研制成壓電薄膜傳感器應(yīng)用于心音心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確不失真的采集人體微弱的心音脈搏信號(hào)。該薄膜傳感器與心音心電整機(jī)之間結(jié)構(gòu)、性能匹配，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，本心音心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以初步監(jiān)測(cè)人體的心音心電信號(hào)，該系統(tǒng)將應(yīng)用于臨床試驗(yàn)，預(yù)計(jì)不久將可能推廣應(yīng)用。