動態(tài)心電心音信號同步檢測系統(tǒng)
設(shè)計了一種動態(tài)心電心音信號同步檢測系統(tǒng)，對系統(tǒng)的整體設(shè)計方案進行了介紹，采用內(nèi)置A/D的MSP430F149單片機和USB通信接口傳輸?shù)牟杉到y(tǒng)進行同步采集、實時存儲，并用VC++6.0開發(fā)了客戶定征分析軟件系統(tǒng)。最后經(jīng)過臨床驗證，本系統(tǒng)誤差小，實用意義很大。
引言
目前臨床存在著動態(tài)心電和心音圖檢查相分離狀況，二者不能同步采集數(shù)據(jù)、進行同步分析，即使有也只是短時、瞬間的心音心電檢測，而無連續(xù)長時間記錄心電和心音的同步動態(tài)檢測儀，因此為心血管疾病的早期準(zhǔn)確診斷和進行心血管病的發(fā)病機理并及早預(yù)防研究帶來一定的困難。為此，開展對動態(tài)心音心電同步定征檢測技術(shù)分析研究，可為心血管疾病的早期診斷提供理論和關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。
本系統(tǒng)是以心電心音同步定征檢測為目標(biāo)，設(shè)計了相應(yīng)的電路和同步采集系統(tǒng)，并進行了臨床實驗驗證。本系統(tǒng)填補了現(xiàn)在臨床不能進行心電和心音同步實時采集的空白，同時儀器操作簡單，體積小巧便于攜帶，功耗低，在醫(yī)院和家庭都可使用，且所用檢測方法可以輔助醫(yī)生更快速、更準(zhǔn)確地做出診斷，減輕病人的痛苦甚至拯救病人的生命。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案
本系統(tǒng)主要由兩部分組成：模擬部分和數(shù)字部分。模擬部分由心電和心音兩個回路組成，心電回路由心電電極、前置放大、光電隔離、濾波電路、電平抬升電路和后置放大電路組成，主要是將人體獲得的微弱心電信號變成沒有負(fù)值的、干擾和噪聲較小的、放大在MSP430F149采集范圍之內(nèi)的模擬信號，然后送入內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換的單片機中。心音回路由心音傳感器、心音放大、有源濾波、絕對值檢波和后置放大電路組成，主要也是獲取準(zhǔn)確的不帶干擾和噪聲的微弱心音信號并放大到MSP430F149采集范圍之內(nèi)。兩個回路是同步檢測的。數(shù)字部分由A/D轉(zhuǎn)換、MSP430F149單片機、USB通信接口電路和PC機組成，以MSP430F149單片機作為核心器件，實現(xiàn)對系統(tǒng)工作流程的控制，既能滿足速度要求又成本簡單，體積小巧，便于攜帶。數(shù)字系統(tǒng)主要是將前面的模擬信號數(shù)字化，并以單片機作為下位機，PC機作為上位機，將單片機采集到的人體心電和心音信號通過USB接口電路傳給上位機，通過PC機強大的運算能力對數(shù)字化的人體心電和心音信號進行分析處理及顯示。采用雙通道、雙采樣率、高精度同步數(shù)據(jù)采集方法實現(xiàn)心音和心電信號同步檢測。系統(tǒng)總體原理框圖見圖1。
1.2 模擬電路部分
1.2.1 心電前置放大
由于人體心電信號是頻率范圍約為O.05 Hz～150 Hz、幅度約為0-4 mV的低頻微弱信號，且測量時噪聲背景卻很強，故需前置放大，且要求具有高輸入阻抗和高共模抑制比，所以我們設(shè)計了具有屏蔽驅(qū)動和右腿接地電路以及抑制高頻電刀干擾的同相差模放大電路，放大倍數(shù)約為20。具體電路圖見圖2。
為了人體的安全和抗外界電氣干擾，我們在強電信號(220 V交流市電)與弱電信號之間采用了光電隔離技術(shù)。使用DCP010512DP 5V輸入DC/DC變換器給信號放大部分電路供電，隔離了強電信號與人體的直接接觸。使用芯片TILll7實現(xiàn)信號前置放大和后級電路的隔離。具體電路見圖3。
1.2.3 濾波與電平抬升電路
由于心電與心音信號都是低頻微弱強噪聲背景信號，在采集過程中極易引入干擾和噪聲，這些干擾主要有基線漂移、50 Hz工頻干擾、高頻噪聲等，為了獲取相對純凈的心電與心音信號，設(shè)計了二階有源帶通濾波電路和50 Hz雙T陷波電路。由于心電的頻率范圍為O.05 Hz～150 Hz，所以心電帶通濾波器低頻截止頻率取為0.05 Hz，高頻截止頻率取為150 Hz。心音的頻率范圍為5 Hz～600 Hz，所以心音帶通濾波器低頻截止頻率取為5 Hz，高頻截止頻率取為600 Hz。
由電極和傳感器獲取的心電心音信號在經(jīng)過前置放大和濾波之后，其信號電壓范圍約是-0.5 V～1.5 V，由于輸出有負(fù)值，所以用同相放大電路來做一個線性調(diào)整，實現(xiàn)電平抬升，將輸出電壓調(diào)整至1.5 V～3.5 V，抬高了2 V。
然后經(jīng)過后置放大把信號送入A/D轉(zhuǎn)換器，為下一步的模數(shù)轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備。
1.3 數(shù)字電路部分
數(shù)字電路由A/D轉(zhuǎn)換、MSP430F149單片機、USB通信接口電路和PC機組成，
1.3.1 A/D轉(zhuǎn)換與單片機
單片機選用MSP430F149單片機，MSP430F149單片機是16位RISC系列單片機之一。具有低電源電壓、超低功耗、具有60 k的ROM、2 k的RAM、8個通道采樣率可高達(dá)200 kb/s的內(nèi)置12位的AD轉(zhuǎn)換器，使得系統(tǒng)集成度提高、抗干擾能力增強。
A/D轉(zhuǎn)換利用MSP430F149單片機的內(nèi)置12位的AD轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入單片機，根據(jù)采樣定理，采樣頻率取為500 Hz，可以保證元失真的采集心電和心音信號。MSP430F149的ADCl2模塊提供了4種轉(zhuǎn)換模式：單通道單次轉(zhuǎn)換，系列通道單次轉(zhuǎn)換，單通道多次轉(zhuǎn)換，多通道多次轉(zhuǎn)換。我們采用雙通道、雙采樣、兩次轉(zhuǎn)換的方法實現(xiàn)同步采樣。并由單片機、控制電路和軟件實現(xiàn)采樣通道號、采樣速度，采樣時長等的控制選取。
1.3.2 USB通信接口電路
USB選用帶并行總線的USB接口器件PDIUSBDl2，它是一款符合通用串行總線USB 1.1版規(guī)范，高性能USB接口器件，集成了SIE、FIF存儲器、收發(fā)器以及電壓調(diào)整器，可與任何外部微控制器/微處理實現(xiàn)高速并行連接的低成本、高可靠性器件。
MSP430F149單片機與USB接口器件PDIUSBDl2連接時，MSP430F149端口P5作為數(shù)據(jù)總線，ALE接地，使用P4.2與AO連接作為命令和數(shù)據(jù)的控制線，A0為低電平時傳輸數(shù)據(jù)，A0為高電平時傳輸命令。由于MSP430F1149的P1.2邊沿觸發(fā)中斷，而PDIUSBDl2產(chǎn)生的INT_N是電平觸發(fā)中斷，所以需要計時器Timer_B產(chǎn)生一個1 000 kHz的PWM方波信號，D12中斷引腳信號與該信號相“或”以后輸出到MSP430F149的中斷輸入引腳。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
本系統(tǒng)軟件包括單片機采集和控制軟件以及PC機客戶軟件兩部分。單片機部分主要包括A/D數(shù)據(jù)采集模塊和USB通信傳輸模塊。
單片機控制程序由三部分組成：第一，初始化單片機和所有的外圍電路(包括PDIUSBDl2);第二，主循環(huán)部分，其任務(wù)可以中斷;第三，中斷服務(wù)程序，其任務(wù)是對時間敏感的必須馬上執(zhí)行。根據(jù)USB協(xié)議，主機首先發(fā)令牌包給PDIUSBDl2，PDIUSBDl2接收到令牌后就給單片機發(fā)中斷，單片機進入中斷服務(wù)程序，首先讀PDIUSBDl2的中斷寄存器，判斷USB令牌包的類型，查詢是進行數(shù)據(jù)采集還是進行數(shù)據(jù)傳輸，如果是數(shù)據(jù)采集則進入數(shù)據(jù)采集模塊，如果是數(shù)據(jù)傳輸則進入USB通信傳輸模塊。
PC機的客戶端應(yīng)用程序是在VC++6.O環(huán)境下開發(fā)，主要完成對采集到的數(shù)據(jù)進行接收、存儲、分析處理、實時顯示和定征分析功能。心電圖和心音圖可以獨立顯示，也可以同步顯示。
3 實驗與結(jié)果
利用本儀器臨床采集了50例健康大學(xué)生和50例心率失?；颊叩男碾姾托囊粜盘枺杉ㄐ我妶D4，并對這些信號一一進行定征分析，心率失常誤判率僅為5%。
4 結(jié)論
本儀器具有操作簡便、測量準(zhǔn)確可靠、功耗低、體積小、便于攜帶、具有強大數(shù)據(jù)分析處理功能，且可實現(xiàn)心電心音同步采樣等特點，填補了現(xiàn)在臨床不能進行心電和心音同步實時采集的空白。
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