心音采集电子综合实验项目设计与实现

周立青， 胡 爽， 瞿修远， 陈小桥， 王 琦(武汉大学 电子信息学院， 湖北 武汉 430072)



·实验教学与创新·

心音采集电子综合实验项目设计与实现

周立青， 胡 爽， 瞿修远， 陈小桥， 王 琦
(武汉大学 电子信息学院， 湖北 武汉 430072)

面对目前高等教育中实验教学跨课程综合环节教学缺失的问题，提出了建设跨课程、跨学期的综合性实验课程的思想。采用心音采集作为示范项目，综合应用了信号传感、电路技术、微处理器技术以及简单的数字信号处理和控制原理等相关知识，以MSP430F6638微处理器为控制核心实现了对微弱心音信号的采集、存储、显示和传输。实验结果表明采集的心音信号能够清晰的显示出第一心音和第二心音。

电子听诊器； 心音信号； 心音信号检测； 心音图

0 引 言

随着实验教学改革的不断深入，在实验课程体系和实验课程内容建设方面取得显著的成果，例如电路设计、计算机原理、数字信号处理、通信技术等电子类专业核心课程的实验项目日渐完善，对培养学生的专业技能方面取得了不错的效果[1]。然而由于课程学时、课程内容衔接等问题的限制，目前大部分的实验项目仍然集中在单一课程内部进行，如杨磊等设计了关于电阻噪声测量的实验项目[2]，胡小玲等设计了关于低功耗单片机的实验装置[3]等，这些研究基于某一门课程的知识点进行了有效的总结和尝试，取得了不错的效果。也有部分教学研究如王杰人设计的基于嵌入式的电子琴[4]、杨智明人提出了便携式数字信号处理课程实验教学平台设计[5]等针对数字信号处理与电路、微处理器进行结合展开尝试，但仍然偏向于数字信号处理，其他课程设计的内容只是作了解性介绍。在跨课程、跨学期的开展综合型实验训练，真正按照一个电子系统设计的模式来开展实验教学方面的尝试还比较少。武汉大学电子综合设计课程组在总结十几年电子竞赛培训经验基础上，开设了以电子系统设计为课程主线的电子系统综合设计课程，课程将实际电子系统设计的内容分解到不同的课程和学期中来完成，开展了跨课程、跨学期实验教学模式的探索，让学生综合应用不同的专业课程知识和技能，按照实际项目需求制定方案并整合各种课内外知识开展设计，取得不错的实际效果[6-7]。心音采集系统就是其中的一个典型项目，它综合了传感技术、电子线路、单片机、数字电路以及信号处理等专业课程知识，来实现可用于测量自己心音的简易医疗设备，深受学生欢迎也吸引很多学生投入大量的课外时间进行实验。同时该实验项目还可继续开展数字信号处理、模式识别、数据融合等后续课程知识的学习甚至开展研究性工作，具有非常突出的趣味性、综合性、创新性和扩展性。

1 心音检测原理及采集系统结构

1.1 心音特征及听诊原理

目前已发现的正常心音有4个，其发生机理如下：① 第一心音(55～58 Hz): 音调低主要是心室收缩开始时二尖瓣、三尖瓣骤然关闭时的震动所产生。此外，心室肌收缩、心房收缩的终末部分、半月瓣开放以及血流冲入大血管等所产生的震动，均参与第一心音的形成。② 第二心音(62 Hz)：主要是心室舒张开始时肺动脉瓣和主动脉瓣关闭的震动所产生的。此外的驰缓、大血管内血流以及二尖瓣、三尖瓣开放等所产生的震动，亦参与第二心音形成。③ 第三心音：在心室舒张早期，血液自心房急速流入心室，使心室壁(包括乳头肌和腱索)产生震动所致。④ 第四心音：是由心房收缩的震动所产生的。此音很弱，一般不易听到[8]。

随着环境问题、食品安全、生活习惯改变等因素的影响，近50年来不论在农村或城市，心脑血管疾病的发病率和死亡率均呈上升趋势[9]。各类心血管疾病的发病率逐年提高，高血压性心脏病、心肌冠心病、风心病、心肌炎、心律失常、慢性肺心病和心包炎等各类疾病成为影响国民健康的重要病源。声音听诊作为较早用于检查心脏、肺、呼吸等生理特征的诊断手段至今仍是最基础、最常用、最方便的诊断方式之一，它采用声学传播特性将人体内部声音信息传输至入耳处供医生诊断[10]。随着心音听诊设备的进步和数字化的发展，使其成为家庭诊断和社区诊断的有效手段。

心音听诊用于心脏疾病诊断有着显著地优点、它操作方便，对环境和设备要求低、无创伤。但同时由于心音听诊主要依靠心音的特征和异常来判断心脏的生理情况，因此对医生的经验和专业技能要求很高，经验丰富的医生才能敏锐地发现心音的异常[11]。本文采用微处理器技术实现心音信号的采集、处理、存储和显示，将微弱的心音信号转化为屏幕显示的心音波形供医生和患者观察和回看，一些异常心音可以通过回放非常清晰的显示，更加方便医生进行诊断。同时，由于实现了心音存储功能，可以长时间记录心音活动，对医生分析一些间歇性和偶发性心脏疾病非常有帮助。本系统的另一优势是可以将低频信息采用屏幕显示的方式展现出来，这使得以往由于人耳听觉灵敏度的限制而无法感知的低频信息得以获取。

1.2 心音采集系统结构

心音信号的频率成份是系统设计的关键依据，研究发现第一心音S1的频率成份主要集中在50～150 Hz以内，第二心音S2的频率成份主要集中在50～200 Hz以内。也有的心音图医学书籍中记录S1、S2 的频谱分布是50～ 100 Hz，一般研究认为整个心音的有用频率成分在600 Hz以下[12]。

针对心音的频谱特征，为保证信号的完整采样，本设计将信号采样频率设置在8 KSPS，采样精度12 bit。同时人体声音本来就是非常微弱的信号，由于一些疾病会导致部分器官的声音与正常声音之间区别就更加细微，想要捕捉有效的诊断信息必须实现对心音的高精度采样。在整个系统中首先采用一般的听诊头实现将心音信号传导到橡皮导管中，在橡皮导管的末端使用高灵敏度拾音器实现声电转换。然后采用精密小信号仪表放大器电路搭建模拟前端小信号放大器，将微弱信号进行放大。再经过截止频率为600 Hz的模拟低通滤波器，滤除信号中的高频干扰信号。随后通过压控放大器将信号放大到AD采样的有效范围内，以提高信号的采样精度，压控增益放大器的增益控制电压由MCU根据AD的采样值来控制产生。采集到的信号同时实现屏幕显示、存储和声音放大输出，同时也可以通过USB口输出至PC或者其他终端。

2 系统硬件电路设计

在系统具体实现中，选择TI公司的超低功耗单片机MSP430F6638作为主控单元，该芯片除了具有一般微控制器的控制和接口功能外，同时还集成了16通道12 bit的片上AD转换模块，双路12 bit的DA转换模块，USB接口控制器等资源[13]，可以满足本设计对采样速率和精度、控制输出和数据传输的需求。采用MSP430F6638后系统框图如图2所示。

图2 基于MSP430F6638的心音采集系统框图

2.1 心音传感电路

心音信号是一种微弱生物信号，容易受到人体诸多因素的影响，通常情况下，心音信号具有信号弱、噪声强、频率成分复杂、随机性强等特点。心音传感部分是心音采集系统的一级传感器，它的信号转换精度直接决定系统能够达到的最高精度。在心动周期中，由心肌收缩和舒张，瓣膜启闭，血流冲击心室壁和大动脉等因素引起的机械振动，并通过周围组织传到胸壁而产生微弱信号。心音传感器就是检测这一微弱信号并将其转换为电信号，以供后期信号放大和处理。心音传感器的类型主要包括空气传导式、接触传导式和加速度式等种类，我们这里选择使用最广泛的空气传导式心音传感器，采用标准听诊头感知胸壁传递出的音波，然后由橡皮管联通至高灵敏度的拾音器，通过拾音器上膜片的震动产生与心音强度成比例的输出信号。图3时拾音器采集的原始心音信号输出，可见采集到的信号噪声很大，基本上和有用信号的幅度相当，但是噪声频率明显较高，可以通过后续的信号处理提取出有效的心音信号。

图3 拾音器采集的原始心音信号

2.2 前级小信号放大电路

前置放大电路也是检测系统的重要单元，它直接用于将拾音器传感输出的微弱电信号进行放大。因此它必须具有高输入阻抗和低输出阻抗特性，以满足阻抗变换要求，有效放大信号，并具有温飘低、共模抑制比高等特点，以便尽可能的抑制和减少引入噪声。因此我们选择TI公司的精密低功耗仪表放大器IN129作为我们的前级放大芯片。该芯片具有高精度、低噪声、低功耗等特性，最大失调电压为50 μV，失调漂移最大值为0.5 μV/°C，共模抑制比120 dB以上，最低工作电压地址2.25 V，静态电流只有700 μA[14]，非常适合用于低功耗便携式设备。同时INA129电路简单，通过1脚和8脚间的一个外接电阻RG，即可确定电路增益G。增益计算式为：G=49.4 kΩ/RG+1，实际电路中用50 kΩ电位器调试。

图4 语音信号放大电路图

2.3 低通滤波电路

考虑到心音信号的有效成份主要集中在600 Hz以下的频率范围，因此在信号采集系统中设计一个600 Hz的低通滤波器，以滤除频带外的干扰信号。如图5所示，设计中采用两级二阶巴特沃斯低通滤波器级联以实现对带外信号的抑制。图6为该电路在Multisim中的仿真结果，3 dB截止频率为600 Hz。

图5 两级二阶巴特沃斯低通滤波器

2.4 MSP430F6638控制单元

系统选择TI公司的低功耗16 bit控制器MSP430F6638作为主控单元，在3 V供电以及8 MHz主频的工作模式下，功耗仅为270 μA/MHz。该控制器集成了丰富的IO资源、定时器、中断以及通信接口。更为重要的是该处理器内部集成了ADC、DAC以及USB控制器，这三个资源都是系统设计不可缺少的重要资源。其中16通道的ADC采样精度达12 bit，最高采样速率可达200KSPS，足够满足系统需求。同时内部自带参考电压发生器，可选择产生1.5、2.5 V等参考电压，也可外接参考电压，方便系统使用。两通道12 bit的DAC是完全独立的两个DA模块，正好用于心音信号放大控制电压输出和心音的回放。USB控制器可以将采样数据传输至PC或者其他终端供后续分析和处理使用。

图6 两级二阶巴特沃斯低通滤波器

2.5 心音回放电路

回放的心音信号需要用到喇叭外放后者输出到耳机，本系统增加了外放功能。前端放大器采用通用型的音频功率放大器LM386来完成。电路如图7，该电路的增益为50～200倍连续可调，增益由R1，R2控制输出端接R3，C4串联电路，以校正喇叭的频率特性，防止高频自激。脚7接110 μf去耦电容，以消除低频自激。为了便于该功放在高增益的情况下工作，将不使用的输入端脚2对地短路。

图7 心音信号回放功率放大电路

3 系统软件设计

在系统控制软件设计方面，主要包括采样控制、采样增益控制、数据存储与显示、数据传输等模块。MSP430F6638首先对AD采样通道、采样模式、采样速率进行设置，设置为单一通道循环采样模式，采样时钟设置为8 kHz，参考电压2.5 V，并开辟出专门的采样区用于临时存放采样数据。在采样数据更新的情况下，经过统计计算出数据的有效范围，然后根据此范围计算反馈增益。因设置AD的采样基准电压为2.5 V，因此前向通道输入到AD输入端的电压峰峰值保持在1.5 V左右，充分利用AD的有效精度区域。采用128×64点的液晶对心率进行显示，从数据区中近3秒钟即24 K个点的数据中抽取出128个点(每192个点抽取一个)，将此128个点的值显示在液晶上实现心率刷新。图8所示为心音采集系统的主程序流程图。

4 心音采集系统测试

对设计的心音采集系统进行测试，选择离散分布的心脏、心脏上方、胸窝、胃部和肋骨等5处采集健康人体的心音信息，采集位置如图9所示。分别记录原始传感器输出信号和放大、滤波等处理后的信号，如图10所示。

图8 心音采集系统软件流程

图9 心音采集位置示意图

图10 各个区域采集到的心音信号

测试结果表明，在图10(b)心脏区域亦即医学上的“主动脉瓣第二听诊区”采集的信号强度最大，第一心音和第二心音非常清晰，其他几个区域信号强度相对较低，但也基本能够分辨出第一心音和第二心音，但同时间杂别的器官声音。采集信号的噪音幅度在各个区域基本相同，没有明显的差异。所有区域的心音均很难分辨出第三心音。需要进一步进行数字信号处理才有可能得到相关信息。

5 结 语

本设计基于MSP430F6638微处理器设计了一款低功耗心音采集系统，实现了对微弱心音信号的采集、存储、显示和传输。系统设计中综合应用了信号传感、电路技术、微处理器技术以及简单的数字信号处理和控制原理等相关知识，在综合应用跨课程知识开展设计方面开展了有益的尝试，经过在武汉大学“电子系统综合设计”跨学期课程的实施，对学生贯通专业知识体系取得了明显的效果，同时对增强学生的专业信心和兴趣也起到了意外的效果。在此基础上，还可以继续开展数字信号处理相关实验以实现心率测量、畸变检测等功能[15-16]，可以实现更多课程知识的融合。

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Integrated Experiment Design and Implementation of Heart Sound Sampling System

ZHOULi-qing,HUShuang,QUXiu-yuan,ChenXiao-qiao,WANGQi
(School of Electronic Information， Wuhan University， Wuhan 430072， China)

In this paper, a cross-course and cross-term experiment course is designed to enhance the integrated design capability of using multi-course knowledge and technique. The heart sound sampling system, which needs a combination of signal sensing, circuitry technique, microcontroller as well as digital signal processing while implementation, is design as a demonstration project of the course. The heart sound sensing, sampling, storing, displaying and transmitting are achieved based on the control of microcontroller MSP430F6638. The experiment results show that heart sounds sampled contain with purified first heart sound and second heart sound.

electric stethoscope; heart sound signals; heart sound signals detection; PCG

2014-04-03

国家自然科学基金项目(61271400，61371198)； 湖北省高等学校省级教学研究项目(2012015)； 武汉大学实验教学中心开放实验项目(201403)

周立青(1981-)，男，江苏淮安人，博士，实验师，电子信息学院实验中心副主任，主要研究方向为高速信号采集与处理。

Tel.:15902795559; E-mail:zlq@whu.edu.cn

TP 273

A

1006-7167(2015)02-0155-05