人體心電心音信號(hào)同步檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)心電心音信號(hào)同步檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了介紹，采用內(nèi)置A／D的MSP430F149單片機(jī)和USB通信接口傳輸?shù)牟杉到y(tǒng)進(jìn)行同步采集、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，并用VC++6．0開(kāi)發(fā)了客戶定征分析軟件系統(tǒng)。最后經(jīng)過(guò)臨床驗(yàn)證，本系統(tǒng)誤差小，實(shí)用意義很大。
關(guān)鍵詞：心電信號(hào)；心音信號(hào)；小波變換：數(shù)據(jù)采集

O 引言
    心電信號(hào)是心臟電生理活動(dòng)在體表的表現(xiàn)，提供了心臟功能等生理狀況的有重要價(jià)值的臨床醫(yī)學(xué)信息，是臨床心臟病智能診斷的基礎(chǔ)。心音同樣也能夠反映心臟活動(dòng)及血液流動(dòng)的狀況，但目前用心音尤其心音圖診斷疾病經(jīng)驗(yàn)少，而且目前臨床存在著動(dòng)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(jìn)行同步分析，即使有也只是短時(shí)、瞬間的心音心電檢測(cè)，而無(wú)連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間記錄心電和心音的同步動(dòng)態(tài)檢測(cè)儀，因此為心血管疾病的早期準(zhǔn)確診斷和進(jìn)行心血管病的發(fā)病機(jī)理并及早預(yù)防研究帶來(lái)一定的困難。為此，開(kāi)展對(duì)動(dòng)態(tài)心音心電同步定征檢測(cè)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(cè)為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電路和同步采集系統(tǒng)，并進(jìn)行了臨床實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本系統(tǒng)填補(bǔ)了現(xiàn)在臨床不能進(jìn)行心電和心音同步實(shí)時(shí)采集的空白，同時(shí)儀器操作簡(jiǎn)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(cè)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(jì)
1．1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)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(gè)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(hào)變成沒(méi)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(hào)，然后送入內(nèi)置A／D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)中。心音回路由心音傳感器、心音放大、有源濾波、絕對(duì)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(hào)并放大到MSP430F149采集范圍之內(nèi)。兩個(gè)回路是同步檢測(cè)的。數(shù)字部分由A／D轉(zhuǎn)換、MSP430F149單片機(jī)、USB通信接口電路和PC機(jī)組成，以MSP430F149單片機(jī)作為核心器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)工作流程的控制，既能滿足速度要求又成本簡(jiǎn)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(hào)數(shù)字化，并以單片機(jī)作為下位機(jī)，PC機(jī)作為上位機(jī)，將單片機(jī)采集到的人體心電和心音信號(hào)通過(guò)USB接口電路傳給上位機(jī)，通過(guò)PC機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力對(duì)數(shù)字化的人體心電和心音信號(hào)進(jìn)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(shí)現(xiàn)心音和心電信號(hào)同步檢測(cè)。系統(tǒng)總體原理框圖見(jiàn)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(hào)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(hào)，且測(cè)量時(shí)噪聲背景卻很強(qiáng)，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?cè)O(shè)計(jì)了具有屏蔽驅(qū)動(dòng)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(jiàn)圖2。

1．2．2 光電隔離
    為了人體的安全和抗外界電氣干擾，我們?cè)趶?qiáng)電信號(hào)(220 V交流市電)與弱電信號(hào)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(hào)放大部分電路供電，隔離了強(qiáng)電信號(hào)與人體的直接接觸。使用芯片TILll7實(shí)現(xiàn)信號(hào)前置放大和后級(jí)電路的隔離。具體電路見(jiàn)圖3。

1．2．3 濾波與電平抬升電路
    由于心電與心音信號(hào)都是低頻微弱強(qiáng)噪聲背景信號(hào)，在采集過(guò)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(duì)純凈的心電與心音信號(hào)，設(shè)計(jì)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(hào)在經(jīng)過(guò)前置放大和濾波之后，其信號(hào)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(lái)做一個(gè)線性調(diào)整，實(shí)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(guò)后置放大把信號(hào)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(jī)、USB通信接口電路和PC機(jī)組成，
1．3．1 A／D轉(zhuǎn)換與單片機(jī)
    單片機(jī)選用MSP430F149單片機(jī)，MSP430F149單片機(jī)是16位RISC系列單片機(jī)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(gè)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(qiáng)。
    A／D轉(zhuǎn)換利用MSP430F149單片機(jī)的內(nèi)置12位的AD轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)，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(hào)。MSP430F149的ADCl2模塊提供了4種轉(zhuǎn)換模式：?jiǎn)瓮ǖ绬未无D(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(shí)現(xiàn)同步采樣。并由單片機(jī)、控制電路和軟件實(shí)現(xiàn)采樣通道號(hào)、采樣速度，采樣時(shí)長(zhǎng)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)高速并行連接的低成本、高可靠性器件。
    MSP430F149單片機(jī)與USB接口器件PDIUSBDl2連接時(shí)，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(shí)傳輸數(shù)據(jù)，A0為高電平時(shí)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(jì)時(shí)器Timer_B產(chǎn)生一個(gè)1 000 kHz的PWM方波信號(hào)，D12中斷引腳信號(hào)與該信號(hào)相“或”以后輸出到MSP430F149的中斷輸入引腳。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)軟件包括單片機(jī)采集和控制軟件以及PC機(jī)客戶軟件兩部分。單片機(jī)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(jī)控制程序由三部分組成：第一，初始化單片機(jī)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(duì)時(shí)間敏感的必須馬上執(zhí)行。根據(jù)USB協(xié)議，主機(jī)首先發(fā)令牌包給PDIUSBDl2，PDIUSBDl2接收到令牌后就給單片機(jī)發(fā)中斷，單片機(jī)進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集還是進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如果是數(shù)據(jù)采集則進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊，如果是數(shù)據(jù)傳輸則進(jìn)入U(xiǎn)SB通信傳輸模塊。
    PC機(jī)的客戶端應(yīng)用程序是在VC++6．O環(huán)境下開(kāi)發(fā)，主要完成對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、存儲(chǔ)、分析處理、實(shí)時(shí)顯示和定征分析功能。心電圖和心音圖可以獨(dú)立顯示，也可以同步顯示。

3 實(shí)驗(yàn)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?hào)，采集波形見(jiàn)圖4，并對(duì)這些信號(hào)一一進(jìn)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(jiǎn)便、測(cè)量準(zhǔn)確可靠、功耗低、體積小、便于攜帶、具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)分析處理功能，且可實(shí)現(xiàn)心電心音同步采樣等特點(diǎn)，填補(bǔ)了現(xiàn)在臨床不能進(jìn)行心電和心音同步實(shí)時(shí)采集的空白，為醫(yī)生早期準(zhǔn)確的診斷心血管疾病提供了必要的參考依據(jù)，在臨床具有重要的實(shí)用意義。