基于LabVIEW的心音信號檢測系統設計

心音信號是人體最重要的生理信號之一，含有關(guān)于心臟各個(gè)部分如心房、心室、大血管、心血管及各個(gè)瓣膜功能狀態(tài)的大量病理信息，是心臟及大血管機械運動(dòng)狀況的反映，具有非線(xiàn)性、非平穩的特點(diǎn)[1-2]。心音來(lái)自于人體內部，不容易被復制或模仿，同時(shí)還具有獨特性，個(gè)體的不同，心音信號的表現形式也不相同。對其進(jìn)行檢測分析，可以達到對身份進(jìn)行識別和驗證的目的[3]。此外，通過(guò)聽(tīng)取心音，也可以獲得用以判斷心臟疾病的相關(guān)信息[4]。

本文設計、實(shí)現一套心音信號采集與分析系統，并研究利用心音進(jìn)行被測試者的身份識別。因為傳統的密碼、口令等驗證方法存在容易被忘記或破解的缺陷，而利用人體生物特征進(jìn)行身份識別具有獨特的優(yōu)勢，如指紋、虹膜、手形和面部特征等識別技術(shù)已經(jīng)較為成熟，相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)。但是利用人體生理信號，如心音、脈搏等，進(jìn)行身份識別的研究才剛剛興起，有著(zhù)很大的研究?jì)r(jià)值和發(fā)展空間。隨著(zhù)計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，基于單片機、DSP等核心控制器采集心音信號，利用PC機進(jìn)行定量分析，已成為心音檢測系統的研究趨勢[5-6]。因此，本系統利用STC12C5A單片機采集HKY-06B型 PVDF薄膜式心音傳感器輸出的心音信號，并通過(guò)RS232總線(xiàn)發(fā)送到上位機，實(shí)現了檢測終端與上位機之間的數據通信，同時(shí)在上位機采用虛擬儀器軟件LabVIEW設計開(kāi)發(fā)了一套集數據管理、采集和分析于一體的虛擬心音檢測系統。

1 系統設計

系統的硬件結構框圖如圖1所示，包括以下幾個(gè)部分：(1)心音傳感器模塊。能將心臟搏動(dòng)信號轉化為低阻抗音頻信號;(2)信號預處理模塊。負責對微弱的心音信號進(jìn)行前置放大、低通濾波、高通濾波和功率放大;(3)單片機模塊。負責將預處理后的心音信號進(jìn)行A/D采樣以及通過(guò)鍵盤(pán)執行數據存儲、液晶顯示等功能;(4)串口通信模塊。負責與上位機進(jìn)行數據通信;(5)電源模塊。為系統提供+5 V和+12 V電源。

2 硬件設計

2.1 心音傳感器

HKY-06B型心音傳感器采用新型高分子聚合材料微音傳感元件采集心臟搏動(dòng)和其他體表動(dòng)脈搏動(dòng)信號，再經(jīng)過(guò)高度集成化信號處理電路處理，輸出低阻抗音頻信號。其具有集成度高、可靠性高、靈敏度高、過(guò)載能力強、體積小和使用壽命長(cháng)等特點(diǎn)。其典型的供電電壓為5 V，頻率響應在1 Hz～1 500 Hz，靈敏度為4 mV/Pa。

2.2 信號預處理

在利用單片機對傳感器輸出的音頻信號進(jìn)行A/D轉換之前，需要對信號進(jìn)行預處理，主要包括前置放大、低通濾波、高通濾波和功率放大4個(gè)電路。

前置放大電路如圖2所示，采用NPN型硅晶體三極管3DG6，其偏置電路采用R15、R5和R8組成的分壓電路，并在發(fā)射極接有電阻R17，以穩定放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)。當在放大器的輸入端加入輸入信號時(shí)，放大器的輸出端便可得到一個(gè)與輸入信號相位相反、幅值放大的信號。

采用運算放大器OP07 設計一個(gè)由源低通濾波電路和有源高通濾波電路組合而成的帶通濾波電路。圖3 所示是截止頻率f=5 kHz 時(shí)的四階巴特沃斯低通濾波器。該濾波電路轉移函數為：