一種心音信號的數字處理方法

來源：上海雙旭電子有限公司 2009年05月05日 21:00

一、引言

　心臟聽診是體檢的重要部分，心臟雜音發生的時期對臨床診斷具有重要價值，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。在心臟聽診時必須能夠準確地區分*、第二心音并辨認出雜音發生在哪個時相，這一直是醫科聽診的難點。利用電子信息技術可以對心音信號進行有效處理，濾去不相干的雜音及環境噪音，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，基于這種技術的電子聽診器的性能遠遠優于傳統聽診器。使用這種儀器，醫生可選擇對單個器官進行檢查，只聽取這一器官的聲音，而無來自鄰近器官的聲音干擾，能獲得*診斷效果。

二、心音信號處理電路的構成

　近年來國內外多采用電子信息技術對心音信號進行處理。早期曾采用分離元件和普通模擬電路實現電路設計，現在多用IC和單片機實現，圖1所示為這種電路的典型結構。心音傳感器的信號經放大、濾波后，一路經功率放大進行監聽，另一路經脈沖整形送單片機處理，經單片機定時、計數和數據處理后進行心率數字顯示。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現

1、信號采集及放大電路

　鑒于心音的聽音范圍為20Hz～600Hz，又要求在提取微弱的心音信號的同時盡量不接收外來的雜波等信號，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、動圈式、電容式等幾種傳感器的比較，我們選擇了駐極體式話筒作為zui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診無用的雜波，因此需要高精度的放大、濾波電路。

　為了能聽到心音，需要加一個功率放大電路來推動揚聲器；為了能顯示心率，需要將濾波電路過來的信號送到比較器，通過比較整形，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形成一個電阻平衡電路，目的是將信號分配到互補對稱的雙電源放大器，從而獲得功率足夠的信號。通過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RC低通濾波器，如R8?pC3分別取1MΩ和1µF等。為了消除5G7650的輸出過載，在正負電源端串接200Ω～510Ω的限流電阻（如圖中的R5?pR6），以保證電路不致損壞。雙列直插式的5G7650本身有腳3?p腳6兩個輸入保護端，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。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，分頻點設為： f0=1/（2×3.14×RC）=600Hz

　這樣，心臟跳動的幅度很明顯的分離出來。

　　U8B是一個同相跟隨器，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時，只要根據干擾或噪聲電平適當調節滯回比較器兩個門限電平的值，就可以避免比較器的輸出電壓在高低電平之間反復跳動。

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

四、硬件電路調試

　調試時從信號發生器輸出0Hz～2000Hz的正弦波用示波器觀測硬件電路各觀測點輸出信號變化情況。首先可以觀測到傳感器采集到的信號包括很多頻率成分，見圖5。在濾波電路中通過調整R38、R39使截止頻率逼近600Hz；通過調整R40、R41使Q值逼近0.707，直至觀測到較為理想的輸出響應，即心臟跳動的幅度很明顯地凸現出來、幾乎看不到雜波干擾為止，如圖6所示。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限電平，就能得到穩定的心臟跳動脈沖。zui后再將心音傳感器貼放在人體實測，使心率測量誤差控制在±1次即可滿足測量要求。

五、小結

　　采用這種電路設計的聽診器對聲音的擴大能力是常規聽診器的14倍，合理的濾波電路設計大大減少了聽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。對于在噪音大的環境中看病的醫生來說，采用這種處理電路可以得到非常理想的結果。

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