基于FPGA的心音信號采集系統(tǒng)設(shè)計

目前，心血管疾病的診斷主要分為無創(chuàng)診斷和有創(chuàng)診斷法兩種。其中，無創(chuàng)診斷包括心電圖、動態(tài)心電圖和心音圖、超聲心動圖以及現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像技術(shù)[1];有創(chuàng)診斷主要指動脈造影技術(shù)，但是會帶來并發(fā)癥。非常嚴(yán)重的心血管疾病并不能夠通過心電圖做出正確診斷，而早期的心臟病變會引起心音信號成分的變化，通過心音圖分析心音成分以及雜音，能對早期心血管疾病做出正確診斷。心音信號是一種非常微弱的隨機信號，在采集過程中不可避免地引入了噪聲。韋哲等人設(shè)計了基于聲卡的心音信號采集與處理系統(tǒng)[2]，該系統(tǒng)充分利用了計算機資源，但是電腦本身存在較大噪聲，采集到的信號信噪比較低。童英華設(shè)計了基于單片機的心音、脈搏信號采集系統(tǒng)[3]， 但是單片機存在傳輸速率低的問題。本文設(shè)計了基于FPGA的心音采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)采集到的心音信噪比較高，適宜后續(xù)研究。

1 采集系統(tǒng)整體方案設(shè)計

本采集系統(tǒng)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)由心音傳感器、信號預(yù)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路以及PC等構(gòu)成。其中，信號預(yù)處理電路首先對心音信號進行前級放大，然后經(jīng)過帶通濾波(由低通濾波電路和高通濾波電路構(gòu)成)，最后經(jīng)過后級放大電路處理。帶通濾波電路可以通過開關(guān)控制，前級放大的輸出可以通過開關(guān)控制直接跳過帶通濾波電路直接到后級放大電路，由于前級信號只將心音信號放大到幾百毫伏，信號仍然很弱，因此再經(jīng)過后級放大電路把心音信號放大至+5 V范圍內(nèi)，然后輸出到A/D轉(zhuǎn)換電路。A/D轉(zhuǎn)換電路采用8 bit、32 MS/s模數(shù)轉(zhuǎn)換單芯片AD9280，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)直接傳送給FPGA，FPGA通過串口將數(shù)據(jù)實時發(fā)送到PC，實現(xiàn)整個采集系統(tǒng)。

2 采集系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 心音傳感器的研究

心音傳感器是整個系統(tǒng)中的重要部分，它的特性對采集到的信號質(zhì)量至關(guān)重要。本文設(shè)計了一款優(yōu)質(zhì)、廉價的基于駐極體電容話筒的心音傳感器。該傳感器靈敏度高，抗干擾能力強，除了能提取出微弱的心音信號外，還能盡量不受外界噪聲的干擾[4]。本傳感器由一個微型駐極體話筒和一個聽診器的聽頭組成，聽診器選用的帶雙面探頭的歐石130 K。制作時把聽診器的膠管截去，留下約10 cm左右，該傳感器對心音的靈敏度比較高，對外界的聲音幾乎無反應(yīng)[5]。振膜接收到聲波后發(fā)生相應(yīng)的振動，同時引起極板間距離的變化，電容計算公式為：

其中，ε 為電解質(zhì)常數(shù)，S 為極板表面積，d 為極板間距離。由式(1 ) 可知， 當(dāng)電容作相應(yīng)變化時， 由于R 阻值很大， 充電電荷Q 來不及變化， 從而引起電容兩端的電壓發(fā)生變化， 即：

U=Q/C (2 )

這樣， 話筒就將聲音信號轉(zhuǎn)換成了電壓信號。

2.2 心音信號預(yù)處理電路

2.2.1 心音信號前置放大電路設(shè)計

傳感器輸出的心音信號微弱并且夾雜著噪聲， 為了提取出有用信號， 必須進行放大和濾波處理。本文采用同相輸入電路， 并且輸入電路需滿足如下要求：

(1 ) 前置級的輸入阻抗要足夠高， 從而保證心音信號的穩(wěn)定放大。心音信號源本身是一種微弱的振動源， 將聲波轉(zhuǎn)換為電信號的過程又呈現(xiàn)出高內(nèi)阻特性[ 6 ] ， 粗略估計， 與放大器輸入端相連的信號源內(nèi)阻高達100 kΩ。

(2 ) 高共模抑制比(CMRR) 。生物電放大器的CMRR值一般要求達到60 dB~80 dB。但是放大器前邊傳感器系統(tǒng)影響了它的實際共模能力， 使得共模干擾轉(zhuǎn)化成差模干擾， 降低了整個前置級的CMRR。但是通過提高放大器的輸入阻抗可以減小這一轉(zhuǎn)化， 從而保證高的共模抑制比。

(3 ) 低噪聲、低漂移。由于心音信號幅度較低， 僅在毫伏級， 并且夾雜著較大的熱噪聲， 要讓輸出信號具有較高的信噪比， 就要求放大器的內(nèi)部噪聲較低。為了滿足實驗需要， 選取NE5532 運算放大器， 它是一種高性能低噪聲運算放大器。與大多數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)運算放大器相比，它具有更好的噪聲性能， 輸出驅(qū)動能力和相當(dāng)高的小信號和電源帶寬。前置放大電路前端加了電解電容進行濾波， 允許高頻成分通過， 濾掉低頻成分。放大電路如圖2所示， 放大倍數(shù)為1+(R11+R12)/R14。