一種對心音信號進(jìn)行有效處理的的數字方法

一、引言

心臟聽(tīng)診是體檢的重要部分，心臟雜音發(fā)生的時(shí)期對臨床診斷具有重要價(jià)值，例如心臟收縮期中較輕的雜音一般是生理性的，而舒張期的雜音多為病理性的。在心臟聽(tīng)診時(shí)必須能夠準確地區分第一、第二心音并辨認出雜音發(fā)生在哪個(gè)時(shí)相，這一直是醫科聽(tīng)診的難點(diǎn)。

利用電子信息技術(shù)可以對心音信號進(jìn)行有效處理，濾去不相干的雜音及環(huán)境噪音，并放大有用的聲音，為醫生臨床診斷提供穩定、清晰的心率數字顯示及良好的心音音質(zhì)，基于這種技術(shù)的電子聽(tīng)診器的性能遠遠優(yōu)于傳統聽(tīng)診器。使用這種儀器，醫生可選擇對單個(gè)器官進(jìn)行檢查，只聽(tīng)取這一器官的聲音，而無(wú)來(lái)自鄰近器官的聲音干擾，能獲得最佳診斷效果。

二、心音信號處理電路的構成

近年來(lái)國內外多采用電子信息技術(shù)對心音信號進(jìn)行處理。早期曾采用分離元件和普通模擬電路實(shí)現電路設計，現在多用專(zhuān)用IC和單片機實(shí)現，圖1所示為這種電路的典型結構。

圖1 心音信號處理電路

心音傳感器的信號經(jīng)放大、濾波后，一路經(jīng)功率放大進(jìn)行監聽(tīng)，另一路經(jīng)脈沖整形送單片機處理，經(jīng)單片機定時(shí)、計數和數據處理后進(jìn)行心率數字顯示。其可靠性強、測量精度和轉換效率都較高。

三、心音信號處理電路的實(shí)現

1、信號采集及放大電路

鑒于心音的聽(tīng)音范圍為20Hz～600Hz，又要求在提取微弱的心音信號的同時(shí)盡量不接收外來(lái)的雜波等信號，因此在心音傳感器的選擇上，需要靈敏度比較高、抗干擾能力比較強的傳感器。根據我們對駐極體式、動(dòng)圈式、電容式等幾種傳感器的比較，我們選擇了駐極體式話(huà)筒作為最初的心音采集傳感器。

由于傳聲器接收到的頻率信號是很微弱且是寬帶的，我們需要把它放大并濾除對聽(tīng)診無(wú)用的雜波，因此需要高精度的放大、濾波電路。

為了能聽(tīng)到心音，需要加一個(gè)功率放大電路來(lái)推動(dòng)揚聲器;為了能顯示心率，需要將濾波電路過(guò)來(lái)的信號送到比較器，通過(guò)比較整形，使計數器能接收到比較規則的脈沖信號，以利于電路工作，然后將脈沖信號送單片機處理，處理后的信號送顯示電路。圖2所示是信號采集及放大電路，R1、R2、R3、R4形成一個(gè)電阻平衡電路，目的是將信號分配到互補對稱(chēng)的雙電源放大器，從而獲得功率足夠的信號。

圖2 信號采集及放大電路

通過(guò)R3、R4將采集到的信號送到U1A和U1B的輸入端，U1A和U1B是集成運放NE5532中兩個(gè)獨立的放大器。

為了有效抑制干擾，對U1A和U1B的輸出信號我們又用脈搏處理芯片5G7650濾除干擾。5G7650是采用CMOS工藝制作的第四代集成運算放大器，又稱(chēng)斬波穩零運算放大器。U1A和U1B的輸出信號連接到5G7650的4腳和5腳構成反相放大器。R7和R8是5G7650的輸入電阻，R9和R10是反饋電阻，本電路的放大倍數為R10/R7=200倍。

為了能有效地濾掉5G7650電路內部時(shí)鐘斬波頻率所引起的微小尖峰脈沖干擾，在輸出端接了一個(gè)RC低通濾波器，如R8pC3分別取1MΩ和1µF等。為了消除5G7650的輸出過(guò)載，在正負電源端串接200Ω～510Ω的限流電阻(如圖中的R5pR6)，以保證電路不致?lián)p壞。雙列直插式的5G7650本身有腳3p腳6兩個(gè)輸入保護端，能方便地構成輸入保護裝置。

2、濾波、整形電路

具體電路如圖3所示。

圖3 濾波及整形電路

前面提到，心音在20Hz～600Hz范圍，所以必須將其它信號、噪聲濾除掉。在放大電路的末級，采用了二階壓控電壓源低通濾波器，濾除心音范圍外的干擾信號，分頻點(diǎn)設為：

f0=1/(2×3.14×RC)=600Hz

這樣，心臟跳動(dòng)的幅度很明顯的分離出來(lái)。。

U8B是一個(gè)同相跟隨器，用于增強帶負載能力，使信號有足夠的幅度提供給比較器。U8A、R17、R18、R19、R20和兩只穩壓二極管構成了一個(gè)滯回比較器。當輸入信號受干擾或因噪聲的影響而上下波動(dòng)時(shí)，只要根據干擾或噪聲電平適當調節滯回比較器兩個(gè)門(mén)限電平的值，就可以避免比較器的輸出電壓在高低電平之間反復跳動(dòng)。

3、單片機處理電路

單片機處理電路如圖4所示，單片機選擇 89C51。

圖4 單片機處理電路

經(jīng)過(guò)比較器整形的波形，即心臟跳動(dòng)次數的脈沖，送到單片機的T1腳。該腳對脈沖計數，在設定定時(shí)時(shí)間之后，將脈沖個(gè)數送累加器處理，再送到P2口顯示。P2口作輸出，P1口作位選，并用74LS07驅動(dòng)。數碼管采用7段共陰數碼管。經(jīng)過(guò)74LS07驅動(dòng)的電平，通過(guò)上拉電阻提供電源，加到數碼管對應的管腳。

四、硬件電路調試

調試時(shí)從信號發(fā)生器輸出0Hz～2000Hz的正弦波用示波器觀(guān)測硬件電路各觀(guān)測點(diǎn)輸出信號變化情況。首先可以觀(guān)測到傳感器采集到的信號包括很多頻率成分，見(jiàn)圖5。

圖5 濾波前信號

在濾波電路中通過(guò)調整R38、R39使截止頻率逼近600Hz;通過(guò)調整R40、R41使Q值逼近0.707，直至觀(guān)測到較為理想的輸出響應，即心臟跳動(dòng)的幅度很明顯地凸現出來(lái)、幾乎看不到雜波干擾為止，如圖6所示。

圖6 濾波后信號

在整形電路中，只要適當調節電位器R19，即改變滯回比較器的門(mén)限電平，就能得到穩定的心臟跳動(dòng)脈沖。最后再將心音傳感器貼放在人體實(shí)測，使心率測量誤差控制在±1次即可滿(mǎn)足測量要求。

五、小結

采用這種電路設計的聽(tīng)診器對聲音的擴大能力是常規聽(tīng)診器的14倍，合理的濾波電路設計大大減少了聽(tīng)診部位邊緣地帶噪音的傳入，并使醫生更能有效區分心音和其它生理性聲音。對于在噪音大的環(huán)境中看病的醫生來(lái)說(shuō)，采用這種處理電路可以得到非常理想的結果。

參考文獻：

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