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一种对心音信号进行有效处理的的数字方法

发布时间:2020-07-21 18:26:34 阅读: 来源:插梳厂家

一、引言

本文引用地址:心脏听诊是体检的重要部分,心脏杂音发生的时期对临床诊断具有重要价值,例如心脏收缩期中较轻的杂音一般是生理性的,而舒张期的杂音多为病理性的。在心脏听诊时必须能够准确地区分第一、第二心音并辨认出杂音发生在哪个时相,这一直是医科听诊的难点。

利用电子信息技术可以对心音信号进行有效处理,滤去不相干的杂音及环境噪音,并放大有用的声音,为医生临床诊断提供稳定、清晰的心率数字显示及良好的心音音质,基于这种技术的电子听诊器的性能远远优于传统听诊器。使用这种仪器,医生可选择对单个器官进行检查,只听取这一器官的声音,而无来自邻近器官的声音干扰,能获得最佳诊断效果。

二、心音信号处理电路的构成

近年来国内外多采用电子信息技术对心音信号进行处理。早期曾采用分离元件和普通模拟电路实现电路设计,现在多用专用IC和单片机实现,图1所示为这种电路的典型结构。

图1 心音信号处理电路

心音传感器的信号经放大、滤波后,一路经功率放大进行监听,另一路经脉冲整形送单片机处理,经单片机定时、计数和数据处理后进行心率数字显示。其可靠性强、测量精度和转换效率都较高。

三、心音信号处理电路的实现

1、信号采集及放大电路

鉴于心音的听音范围为20Hz~600Hz,又要求在提取微弱的心音信号的同时尽量不接收外来的杂波等信号,因此在心音传感器的选择上,需要灵敏度比较高、抗干扰能力比较强的传感器。根据我们对驻极体式、动圈式、电容式等几种传感器的比较,我们选择了驻极体式话筒作为最初的心音采集传感器。

由于传声器接收到的频率信号是很微弱且是宽带的,我们需要把它放大并滤除对听诊无用的杂波,因此需要高精度的放大、滤波电路。

为了能听到心音,需要加一个功率放大电路来推动扬声器;为了能显示心率,需要将滤波电路过来的信号送到比较器,通过比较整形,使计数器能接收到比较规则的脉冲信号,以利于电路工作,然后将脉冲信号送单片机处理,处理后的信号送显示电路。图2所示是信号采集及放大电路,R1、R2、R3、R4形成一个电阻平衡电路,目的是将信号分配到互补对称的双电源放大器,从而获得功率足够的信号。

图2 信号采集及放大电路通过R3、R4将采集到的信号送到U1A和U1B的输入端,U1A和U1B是集成运放NE5532中两个独立的放大器。

为了有效抑制干扰,对U1A和U1B的输出信号我们又用脉搏处理芯片5G7650滤除干扰。5G7650是采用CMOS工艺制作的第四代集成运算放大器,又称斩波稳零运算放大器。U1A和U1B的输出信号连接到5G7650的4脚和5脚构成反相放大器。R7和R8是5G7650的输入电阻,R9和R10是反馈电阻,本电路的放大倍数为R10/R7=200倍。

为了能有效地滤掉5G7650电路内部时钟斩波频率所引起的微小尖峰脉冲干扰,在输出端接了一个RC低通滤波器,如R8pC3分别取1MΩ和1µF等。为了消除5G7650的输出过载,在正负电源端串接200Ω~510Ω的限流电阻(如图中的R5pR6),以保证电路不致损坏。双列直插式的5G7650本身有脚3p脚6两个输入保护端,能方便地构成输入保护装置。

2、滤波、整形电路

具体电路如图3所示。

图3 滤波及整形电路前面提到,心音在20Hz~600Hz范围,所以必须将其它信号、噪声滤除掉。在放大电路的末级,采用了二阶压控电压源低通滤波器,滤除心音范围外的干扰信号,分频点设为:

f0=1/(2×3.14×RC)=600Hz

这样,心脏跳动的幅度很明显的分离出来。。

U8B是一个同相跟随器,用于增强带负载能力,使信号有足够的幅度提供给比较器。U8A、R17、R18、R19、R20和两只稳压二极管构成了一个滞回比较器。当输入信号受干扰或因噪声的影响而上下波动时,只要根据干扰或噪声电平适当调节滞回比较器两个门限电平的值,就可以避免比较器的输出电压在高低电平之间反复跳动。

3、单片机处理电路

单片机处理电路如图4所示,单片机选择 89C51。

图4 单片机处理电路经过比较器整形的波形,即心脏跳动次数的脉冲,送到单片机的T1脚。该脚对脉冲计数,在设定定时时间之后,将脉冲个数送累加器处理,再送到P2口显示。P2口作输出,P1口作位选,并用74LS07驱动。数码管采用7段共阴数码管。经过74LS07驱动的电平,通过上拉电阻提供电源,加到数码管对应的管脚。

四、硬件电路调试

调试时从信号发生器输出0Hz~2000Hz的正弦波用示波器观测硬件电路各观测点输出信号变化情况。首先可以观测到传感器采集到的信号包括很多频率成分,见图5。

图5 滤波前信号在滤波电路中通过调整R38、R39使截止频率逼近600Hz;通过调整R40、R41使Q值逼近0.707,直至观测到较为理想的输出响应,即心脏跳动的幅度很明显地凸现出来、几乎看不到杂波干扰为止,如图6所示。

图6 滤波后信号在整形电路中,只要适当调节电位器R19,即改变滞回比较器的门限电平,就能得到稳定的心脏跳动脉冲。最后再将心音传感器贴放在人体实测,使心率测量误差控制在±1次即可满足测量要求。

五、小结

采用这种电路设计的听诊器对声音的扩大能力是常规听诊器的14倍,合理的滤波电路设计大大减少了听诊部位边缘地带噪音的传入,并使医生更能有效区分心音和其它生理性声音。对于在噪音大的环境中看病的医生来说,采用这种处理电路可以得到非常理想的结果。

参考文献:

[1] 丁元杰.单片微机原理及应用第2版[M].北京:机械工业出版社,1999

[2] 何立民.单片机应用技术选编第1版[M].北京:北京航空航天大学出版社,1996

[3] 黄贤武,郑筱霞.传感器原理与应用第6版[M].成都:电子科技大学出版社,2001

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