心音、脈搏信號(hào)采集、調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

 心音和脈搏是反映人體生理及病理的兩項(xiàng)重要指標(biāo)，它們分別是診斷人體疾病的重要手段之一，具有非常重要的臨床意義。為此，對(duì)該領(lǐng)域的研究背景、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了充分調(diào)研，認(rèn)為現(xiàn)有系統(tǒng)一般是單獨(dú)的心音或者單獨(dú)的脈搏采集調(diào)理電路，但是由于心動(dòng)是脈動(dòng)的源，心音與脈搏本身就存在著嚴(yán)密的醫(yī)學(xué)聯(lián)系，單獨(dú)的心音或者單獨(dú)的脈搏采集調(diào)理電路，無(wú)法對(duì)心音和脈搏信號(hào)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析提供大量可靠的數(shù)據(jù)樣本，因此本文詳細(xì)介紹了用通用器材制作心音、脈搏傳感器的方法以及信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)方案。

1 心音、脈搏傳感器的制作方法

1.1 心音傳感器選擇及制作

心音是人體最重要的聲信號(hào)之一。它是在心動(dòng)周期中，由于心肌收縮和舒張、瓣膜啟閉、血流沖擊心室壁和大動(dòng)脈等因素引起的機(jī)械振動(dòng)，該振動(dòng)通過(guò)周圍組織傳到胸壁成為可聽(tīng)到的聲音。心音信號(hào)中含有關(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，是臨床評(píng)估心臟功能狀態(tài)的最基本方法。當(dāng)心血管疾病尚未發(fā)展到足以產(chǎn)生臨床及病理改變(如ECG變化)以前，心音中出現(xiàn)的雜音和畸變就是重要的診斷信息。

1.1.1 心音傳感器的選擇

心音采集系統(tǒng)首先要解決的是如何將心音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的問(wèn)題。由于心音信號(hào)的頻譜范圍在人耳所能聽(tīng)到聲音的低頻段，約在20～600 Hz，因此可選用低頻響應(yīng)較好的話筒作為心音傳感器。駐極體式電容話筒低頻特性能滿足要求而價(jià)格低，該設(shè)計(jì)中選用直徑6 mm的駐極體話筒。

1.1.2 心音傳感頭的制作

制作心音傳感頭時(shí)，選用了由江蘇魚(yú)躍醫(yī)療設(shè)備股份有限公司出品的單用聽(tīng)診器全銅聽(tīng)頭部分，在聽(tīng)頭耳把上套上約20 cm長(zhǎng)的醫(yī)用橡皮管，對(duì)心音進(jìn)行物理增強(qiáng)，橡皮管的另一頭擠壓入微型駐極體話筒，話筒的兩根導(dǎo)線用屏蔽電纜接到放大電路中。

1.2 脈搏傳感器的選擇及制作

脈搏波是以心臟搏動(dòng)為動(dòng)力源，通過(guò)血管系的傳導(dǎo)而產(chǎn)生的容積變化和振動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)心臟收縮時(shí)，有相當(dāng)數(shù)量的血液進(jìn)入原已充滿血液的主動(dòng)脈內(nèi)，使得該處的彈性管壁被撐開(kāi)，此時(shí)心臟推動(dòng)血液所作的功轉(zhuǎn)化為血管的彈性勢(shì)能;心臟停止收縮時(shí)，擴(kuò)張了的那部分血管也跟著收縮，驅(qū)使血液向前流動(dòng)，結(jié)果又使前面血管的管壁跟著擴(kuò)張，以此類推。這種過(guò)程和波動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播有些類似，因此稱為脈搏波(Pulse Wave)。人體手指末端含有豐富的小動(dòng)脈，它們和其他部位的動(dòng)脈一樣，含有豐富的信息，用光電法拾取這些信息是無(wú)損傷方法，而且簡(jiǎn)單易行。實(shí)驗(yàn)表明，用紅外光電法通過(guò)指尖測(cè)量脈搏波是一種比較好的方法。

1.3 脈搏波測(cè)量電路

紅外光電法脈搏采集的基本方法是：發(fā)光二極管發(fā)出的光照射到手指上，被手指組織的血液吸收和衰減后由光敏二極管接收，由于手指動(dòng)脈血在血液循環(huán)過(guò)程中呈周期性的脈動(dòng)變化，它對(duì)光的吸收和衰減也是周期性脈動(dòng)的，于是光敏二極管輸出信號(hào)的變化也就是周期性變化，反映了動(dòng)脈血的變化。

光電傳感器按光的接收方式可分為透射式和反射式兩種。透射式的光源與光敏接收器件對(duì)稱布置于手指兩邊，從光源發(fā)出的光穿過(guò)皮膚進(jìn)入深層組織，除被皮膚、色素、指甲、血液等吸收及反射外，還有一部分會(huì)透射出去到達(dá)光敏二極管。這種方法可較好地指示心律的時(shí)間關(guān)系，并可用于脈搏測(cè)量，但不適于精確度量容積;反射式的是測(cè)頭當(dāng)中的發(fā)射光源和光敏器件位于同一側(cè)，接收的是漫反射回來(lái)的光，該信號(hào)可精確地測(cè)得血管內(nèi)容積變化。該方案采用了透射型指套式光電傳感器。發(fā)光二極管采用紅色單色光，傳感器做成遮光指套式，減少了外界光的干擾，使用方便，靈敏度高，性能穩(wěn)定。在光源電路中，關(guān)鍵是要保持發(fā)光二極管發(fā)射光強(qiáng)穩(wěn)定，即要保證流過(guò)發(fā)光二極管的電流恒定，因此采用了一個(gè)恒流源電路，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)考慮它由單電源供電，R1和D保證了偏置電壓的穩(wěn)定，電路如圖1所示。

2 心音、脈搏調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

心音和脈搏傳感器輸出的信號(hào)微弱并往往夾雜著噪聲干擾，所以必須要進(jìn)行濾波和放大處理，由于是交流放大器，所以在信號(hào)調(diào)理電路中選取了電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價(jià)格低廉的集成運(yùn)放LM324。

2.1 心音調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

2.1.1 心音前置放大電路

如圖2所示，為同相放大電路，在輸入端加了無(wú)源高通濾波，濾除極低頻干擾。通過(guò)調(diào)節(jié)R7的大小就可以獲得所需的放大倍數(shù)，放大倍數(shù)為1+R7/R6。

2.1.2 噪聲的濾除

前置放大器輸出的信號(hào)并不是純粹的心音信號(hào)，其中夾雜著工頻干擾和其它低頻分量。這些干擾，比如：心音傳聲器和皮膚的摩擦音、呼吸噪音、人體的干擾信號(hào)和記錄儀器所產(chǎn)生的干擾等，不僅會(huì)導(dǎo)致心音信號(hào)被淹沒(méi)，也不利于后續(xù)電路的處理。因此首先用一個(gè)8階壓控電壓源高通濾波器來(lái)濾除這些干擾，高通濾波電路的截止頻率為15 Hz，如圖3所示。

從高通濾波電路中出來(lái)的心音信號(hào)，還混有較高頻率的傳聲器與人體皮膚摩擦所產(chǎn)生的干擾等，所以有必要在高通濾波器后進(jìn)行低通濾波。為達(dá)到較好的濾波效果而又不使電路過(guò)于復(fù)雜，設(shè)計(jì)了一個(gè)二階壓控電壓源(VCVS)低通濾波器。該低通濾波器的截止頻率選為600 Hz時(shí)比較合適，電路如圖4所示。

2.1.3 可調(diào)放大電路

經(jīng)過(guò)高通、低通濾波電路，最終把600 Hz頻段范圍的心音信號(hào)提取了出來(lái)。但由于不同人的心音信號(hào)幅度不同，在前置放大器的基礎(chǔ)之上又加了一個(gè)可調(diào)的放大器。這樣通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)，使輸出信號(hào)幅度使用相當(dāng)方便。對(duì)正常人來(lái)說(shuō)，該部分放大倍數(shù)選為10～20倍即可，如圖5所示。

2.2 脈搏調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

脈搏調(diào)理電路也由3部分組成。前級(jí)為由一個(gè)隔直低通反向放大器，以去除直流和極低頻干擾，并抑制高頻干擾，并對(duì)50 Hz工頻有初步的衰減，同時(shí)對(duì)有用的脈搏信號(hào)進(jìn)行了放大。設(shè)置此級(jí)的放大倍數(shù)為10倍，截至頻率范圍為0.05～20 Hz，如圖6所示。

放大倍數(shù)A=R5/R3，選取R3=100 kΩ，R5=1 MΩ。同時(shí)為消除偏置電壓，在正輸入和地間接入R4=100 kΩ。低通截止頻率設(shè)為20 Hz，R5=1MΩ，選取C4為6 800 pF，截止頻率約為23 Hz。

濾波部分采用三階巴特沃斯低通濾波器，如圖7所示，設(shè)置截至頻率f=20 Hz，根據(jù)歸一化方法查表選擇R7=R8=R9=100 kΩ，C6=0.47μF，C7=0.033μF，C8=0.033μF。該低通濾波電路保留了有用的脈搏低頻信號(hào)，對(duì)50 Hz工頻等噪聲進(jìn)行了較大的衰減。

2.2.2 后級(jí)放大電路

采用可變?cè)鲆娣聪蚍糯箅娐?，反向放大器由于電阻最大取值不能超過(guò)10 MΩ，如果要提高反向放大器的輸入阻抗，則電路的增益就要受到限制。該系統(tǒng)采用的反向放大器可以避免這種限制，既有較高的輸入阻抗又可取得足夠的增益。如果選取R13遠(yuǎn)大于R14，R15，則放大器的增益可用下式近似計(jì)算：

R11=100 kΩ，R13=1 MΩ，R15用10 kΩ的電位器，R14=1 kΩ。R13，C9構(gòu)成低通濾波，截止頻率為20 Hz，根據(jù)式(1)增益可調(diào)范圍為11～110倍，電路如圖8所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該電路通過(guò)對(duì)人體心音和脈搏信號(hào)進(jìn)行采集和調(diào)理后，用示波器觀察到的兩路信號(hào)如圖9和圖10所示。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)該電路已采集了大量可靠病例和正常心音脈搏數(shù)據(jù)。使用表明，該電路穩(wěn)定可靠，結(jié)果理想。這也為后續(xù)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換和PC機(jī)顯示、分析奠定了基礎(chǔ)。