一種對心音信號進行有效處理的的數(shù)字方法
一、引言
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/199526.htm心臟聽診是體檢的重要部分,心臟雜音發(fā)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(qū)分第一、第二心音并辨認出雜音發(fā)生在哪個時相,這一直是醫(yī)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(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,基于這種技術的電子聽診器的性能遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)聽診器。使用這種儀器,醫(yī)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,能獲得最佳診斷效果。
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(xiàn)電路設計,現(xiàn)在多用專用IC和單片機實現(xiàn),圖1所示為這種電路的典型結構。
圖1 心音信號處理電路
心音傳感器的信號經放大、濾波后,一路經功率放大進行監(jiān)聽,另一路經脈沖整形送單片機處理,經單片機定時、計數(shù)和數(shù)據(jù)處理后進行心率數(shù)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(xiàn)
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(jù)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最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(shù)器能接收到比較規(guī)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。
圖2 信號采集及放大電路
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(wěn)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(shù)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R8pC3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R5pR6),以保證電路不致?lián)p壞。雙列直插式的5G7650本身有腳3p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。
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、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(wěn)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(jù)干擾或噪聲電平適當調節(jié)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。
圖4 單片機處理電路
經過比較器整形的波形,即心臟跳動次數(shù)的脈沖,送到單片機的T1腳。該腳對脈沖計數(shù),在設定定時時間之后,將脈沖個數(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驅動。數(shù)碼管采用7段共陰數(shù)碼管。經過74LS07驅動的電平,通過上拉電阻提供電源,加到數(shù)碼管對應的管腳。
四、硬件電路調試
調試時從信號發(fā)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。
圖5 濾波前信號
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(xiàn)出來、幾乎看不到雜波干擾為止,如圖6所示。
圖6 濾波后信號
在整形電路中,只要適當調節(jié)電位器R19,即改變滯回比較器的門限電平,就能得到穩(wěn)定的心臟跳動脈沖。最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(guī)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(yī)生更能有效區(qū)分心音和其它生理性聲音。對于在噪音大的環(huán)境中看病的醫(yī)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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