一種對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行有效處理的的數(shù)字方法

一、引言

心臟聽診是體檢的重要部分，心臟雜音發(fā)生的時(shí)期對(duì)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。在心臟聽診時(shí)必須能夠準(zhǔn)確地區(qū)分第一、第二心音并辨認(rèn)出雜音發(fā)生在哪個(gè)時(shí)相，這一直是醫(yī)科聽診的難點(diǎn)。

利用電子信息技術(shù)可以對(duì)心音信號(hào)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(yī)生臨床診斷提供穩(wěn)定、清晰的心率數(shù)字顯示及良好的心音音質(zhì)，基于這種技術(shù)的電子聽診器的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)聽診器。使用這種儀器，醫(yī)生可選擇對(duì)單個(gè)器官進(jìn)行檢查，只聽取這一器官的聲音，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(hào)處理電路的構(gòu)成

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外多采用電子信息技術(shù)對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行處理。早期曾采用分離元件和普通模擬電路實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)，現(xiàn)在多用專用IC和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，圖1所示為這種電路的典型結(jié)構(gòu)。

圖1  心音信號(hào)處理電路

心音傳感器的信號(hào)經(jīng)放大、濾波后，一路經(jīng)功率放大進(jìn)行監(jiān)聽，另一路經(jīng)脈沖整形送單片機(jī)處理，經(jīng)單片機(jī)定時(shí)、計(jì)數(shù)和數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行心率數(shù)字顯示。其可靠性強(qiáng)、測(cè)量精度和轉(zhuǎn)換效率都較高。

三、心音信號(hào)處理電路的實(shí)現(xiàn)

1、信號(hào)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(hào)的同時(shí)盡量不接收外來(lái)的雜波等信號(hào)，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(qiáng)的傳感器。根據(jù)我們對(duì)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(hào)是很微弱且是寬帶的，我們需要把它放大并濾除對(duì)聽診無(wú)用的雜波，因此需要高精度的放大、濾波電路。

為了能聽到心音，需要加一個(gè)功率放大電路來(lái)推動(dòng)揚(yáng)聲器;為了能顯示心率，需要將濾波電路過來(lái)的信號(hào)送到比較器，通過比較整形，使計(jì)數(shù)器能接收到比較規(guī)則的脈沖信號(hào)，以利于電路工作，然后將脈沖信號(hào)送單片機(jī)處理，處理后的信號(hào)送顯示電路。圖2所示是信號(hào)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(hào)分配到互補(bǔ)對(duì)稱的雙電源放大器，從而獲得功率足夠的信號(hào)。

圖2 信號(hào)采集及放大電路
 
通過R3、R4將采集到的信號(hào)送到U1A和U1B的輸入端，U1A和U1B是集成運(yùn)放NE5532中兩個(gè)獨(dú)立的放大器。

為了有效抑制干擾，對(duì)U1A和U1B的輸出信號(hào)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(yùn)算放大器，又稱斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器。U1A和U1B的輸出信號(hào)連接到5G7650的4腳和5腳構(gòu)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(shù)為R10/R7=200倍。

為了能有效地濾掉5G7650電路內(nèi)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R8﹑C3分別取1MΩ和1µF等。為了消除5G7650的輸出過載，在正負(fù)電源端串接200Ω～510Ω的限流電阻(如圖中的R5﹑R6)，以保證電路不致?lián)p壞。雙列直插式的5G7650本身有腳3﹑腳6兩個(gè)輸入保護(hù)端，能方便地構(gòu)成輸入保護(hù)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(hào)、噪聲濾除掉。在放大電路的末級(jí)，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(hào)，分頻點(diǎn)設(shè)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(qiáng)帶負(fù)載能力，使信號(hào)有足夠的幅度提供給比較器。U8A、R17、R18、R19、R20和兩只穩(wěn)壓二極管構(gòu)成了一個(gè)滯回比較器。當(dāng)輸入信號(hào)受干擾或因噪聲的影響而上下波動(dòng)時(shí)，只要根據(jù)干擾或噪聲電平適當(dāng)調(diào)節(jié)滯回比較器兩個(gè)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(fù)跳動(dòng)。

3、單片機(jī)處理電路

單片機(jī)處理電路如圖4所示，單片機(jī)選擇 89C51。

                                                                         圖4 單片機(jī)處理電路
 
經(jīng)過比較器整形的波形，即心臟跳動(dòng)次數(shù)的脈沖，送到單片機(jī)的T1腳。該腳對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，在設(shè)定定時(shí)時(shí)間之后，將脈沖個(gè)數(shù)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(qū)動(dòng)。數(shù)碼管采用7段共陰數(shù)碼管。經(jīng)過74LS07驅(qū)動(dòng)的電平，通過上拉電阻提供電源，加到數(shù)碼管對(duì)應(yīng)的管腳。

四、硬件電路調(diào)試

調(diào)試時(shí)從信號(hào)發(fā)生器輸出0Hz～2000Hz的正弦波用示波器觀測(cè)硬件電路各觀測(cè)點(diǎn)輸出信號(hào)變化情況。首先可以觀測(cè)到傳感器采集到的信號(hào)包括很多頻率成分，見圖5。

圖5 濾波前信號(hào)
 
在濾波電路中通過調(diào)整R38、R39使截止頻率逼近600Hz;通過調(diào)整R40、R41使Q值逼近0.707，直至觀測(cè)到較為理想的輸出響應(yīng)，即心臟跳動(dòng)的幅度很明顯地凸現(xiàn)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(hào)
 
在整形電路中，只要適當(dāng)調(diào)節(jié)電位器R19，即改變滯回比較器的門限電平，就能得到穩(wěn)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(cè)，使心率測(cè)量誤差控制在±1次即可滿足測(cè)量要求。

五、小結(jié)

采用這種電路設(shè)計(jì)的聽診器對(duì)聲音的擴(kuò)大能力是常規(guī)聽診器的14倍，合理的濾波電路設(shè)計(jì)大大減少了聽診部位邊緣地帶噪音的傳入，并使醫(yī)生更能有效區(qū)分心音和其它生理性聲音。對(duì)于在噪音大的環(huán)境中看病的醫(yī)生來(lái)說(shuō)，采用這種處理電路可以得到非常理想的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 丁元杰.單片微機(jī)原理及應(yīng)用第2版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999

[2] 何立民.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編第1版[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1996

[3] 黃賢武，鄭筱霞.傳感器原理與應(yīng)用第6版[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，2001