电子心音听诊器的可视化研究

李阳军

（遵义师范学院 物理与电子科学学院 贵州 遵义 563002）

1 引言

听诊技术很早就已经广泛应用于临床医学，例如：通过听心音来判断心律是否整齐、心脏瓣膜是否病变；通过听肺的呼吸声来检查肺功能；通过听肠道的蠕动声、胎儿的心跳声或是胃的活动声音来判断人体的腹部健康状况[1-2]。本文研究对象是电子心音听诊器，不但能实现心音实时播放，同时还具备心音图实时显示的功能。

2 心音的产生机理

心音是心脏各部分本身以及各部分之间相互运动所产生的生理性声音，总的来说，是指心脏、心血管系统机械运动产生的体现生理、病理方面信息的声音。就目前临床医学而言，除了心音听诊，也已经逐步用心音图作为检测心脑血管疾病的一种诊断技术。心音图是指用一定曲线来反应随心脏搏动呈现出周期性的变化的生理性声音，图1为正常心音图。

图1 正常心音图

一般而言，S1和S2强度较响，很容易被听到。第一心音于心尖部听诊最为响亮，历时较长(约为0.1s)，强度较响；第二心音于心底部位听诊最响亮，历时较短(约为0.08s)，强度较S1稍弱。S3音调低钝而重浊，强度较弱，历时较短，因此一般都是从儿童身上被听诊到。S4始于心室舒张末期，频率较低、振幅较小，历时约为0.1s，但正常情况下，都不被听到，更多是在心脏功能病变的情况下被听到[3-5]。

3 心音采集系统硬件设计

3.1 总体设计

从功能上划分，可将整个系统划分为心音采集模块、信号预处理模块、主控模块、显示模块四大部分。

3.2 心音传感器的选取

就目前来看，心音信号的采集普遍还是通过心音传感器来获取。驻极体话筒（咪头）体积小，结构简单，频带范围广，响应曲线平直，灵敏度高，价格低，被广泛用于录音机及其他声控电路。因此，本设计自制心音传感器就是采用驻极体话筒与传统听诊头来改造。驻极体话筒一面是具有若干小孔的金属电极，即背电极，另一面涂有金属薄膜，金属薄膜与背电极相对。两面之间存在空气隙，驻极体与空气隙作为介质，金属层与背电极构成两个电极，就形成一个平行板电容器。当声波以机械振动方式传播时，驻极体薄膜因为振动产生位移，从而改变电容两极板间的距离，引起C发生相应变化，而薄膜上的电荷数Q不变，由：

当驻极体电容C变化，Q不变时，电压U则与电容构成反比例变化关系，完成声信号到电信号的转变。

3.3 预处理电路

通过前文所述的自制的心音传感器采集到的心音电信号（MIC-IN）幅值较小，同时根据LM358具有独立运放，设计了如图2的放大电路。

图2 放大电路

此电路包含了低通滤波器及同向放大器。低通滤波器将信号频率限制在300HZ以下输入单片机，而同向放大器，将前级与后级隔离后输入音频功放。经过放大的心音信号，即图2中的1脚输出，我们将其送入功率放大模块，如图3，这样我们保留了传统听诊器的听诊功能。TDA1308是AB类的数字音频(CD)专用耳机功放IC，其具有低电压、低失真、高速率、强输出等优异的性能。按照图3设计，我们只需在OUT输出端连上合适的耳机，就能听到心音采集模块采集的心音信号。

图3 功率放大电路

4 软件部分设计

我们首先通过数据采集模块将心跳的模拟数据送至运算放大器模块放大。然后经ADC转换器将模拟的心音波形转换为数字信号。单片机的处理后，建立缓存，把采集到连续的数字信号存储到缓存中；同时通过单片机使用UCOSII+GUI3.98建立LCD的液晶图形界面。程序中还需计算出心率等有关数据，并不断刷新。在单片机中建立FATS文件系统，创建文本，将采集的数据按指定格式存储到文本中。最终可通过触摸屏可以对通过显示的各种控制按钮控制相关的功能。

对设计的电子听诊器进行结果检测，选择人体的心脏进行听诊，电源只需采用的USB接口即可。通过测试，可以从耳机处听到被测试者的心音信号，同时LCD12864上实时记录了被测试者的心音图像，包括心率，更重要的是，还可以保存心音数据，以备后期读取。

5 结语

本文基于STM32F103V8T6单片机设计了一款低功耗而又简单实用的电子心音听诊器，实现了对心音的采集、播放、实时显示、存储和分析。整个设计中，综合运用了传感器知识、电路分析、信号处理以及单片机控制等相关知识。在综合运用专业知识能力训练上取得了很好的效果，同时也带动和提高了学生参与科研的积极性。后续研究中，我们可以进一步实现信号的蓝牙传输、远程诊断，或是将此应用植入手机应用系统，取得更好的应用效果。

[1]刘娟，赵治栋.基于心音信号谱分析的身份特征提取算法[J].杭州电子科技大学学报，2010，04：181-185.

[2]王皓，孙成祥，姚荣斌，丁红星.便携式无线电听诊器的研究[J].内江科技，2013，06：88.

[3]赵志强，田璀，曾垂省.次声信号采集系统的设计与实现[J].自动化与仪器仪表，2009，06：114-115+117.

[4]黄振江.基于Android的智能心音看诊系统的研究[D].南京邮电大学，2011：1-4.

[5]李战明，韩阳，韦哲.心音信号时频分析方法研究[J].中国医学装备，2012，06：1-4.