心音心电同步采集系统的设计与实现*

王朔彤 张国军 崔建功 史鹏程 力乙瑞 王 博 汪 涛

（1.省部共建动态测试技术国家重点实验室 太原 030051）（2.中国人民解放军总医院 北京 100853）

1 引言

世界卫生组织将心血管类疾病列为威胁人类生命的“第一杀手”，心血管疾病的防治是全人类面临的共同挑战。心血管疾病的早发现、早治疗是控制死亡率的关键［1］。心脏在收缩与舒张时，有微小的生物电产生，电位变化就是心电信号［2～3］。心音是由于血流的冲击及心血管壁的振动、肌肉和肌腱的收缩、心脏瓣膜的开关而制造的一种复合音［4］，能够反映血液流动及心脏活动的情况。将心电和心音信号相结合进行联合分析，可有效提高心血管类疾病的检测［5］。目前，市场上的心电图仪只能实现心电信号检测，电子听诊器只能够进行心音听诊［6］。因此，本文将MEMS 先进制造技术引入传统的医疗器械领域，提出基于MEMS 高灵敏心音心电传感器对心电和心音信号相结合进行联合分析的新思路，利用心电信号对心音信号准确定位、分段，将传统的听诊电子化、数字化，将生理心音信息直观展示出来，有效结合心音信号与心电信号，便于医生诊断。并且将采集到的心音心电信号经过预处理电路后，经过AD7606 进行模数转换，将数字信号传输进STM32进行采集，最后经由USB 模块将数据传输到电脑端。本文可对心音心电信号进行实时采集、同步显示、数据存储、心音音频播放、能长时间稳定运行的同步采集系统。医生通过观察心音和心电的波形，可判断受检者的心血管生理、病理特征等状况。

2 系统整体设计

本文中的心音心电同步采集系统是指能够实时记录、同步显示心音信号与心电信号，记录的心音心电各波段清晰不失真，并具有数据存储和心音音频同步播放功能。MEMS 声传感器基于鱼类测线器官的拾音机理，并结合仿生原理、压阻原理来检测心音信号［7］。本文使用的采集探头是将MEMS声传感器与心音心电预处理电路集成并封装后构成的心音心电检测探头，将心电导联线插在探头上进行心电信号的检测。将其采集到的心音信号与心电信号传输到调理电路系统中，进行微弱信号的放大、滤波降噪等处理，实现了心音心电微弱信号的实时原位感知。再经过AD7606 进行模数转换，将数字信号传输进STM32进行采集，最后经由USB模块传输到上位机进行心音心电信号的同步显示以及存储。将心音与心电信号结合起来，通过输出波形的关联关系，可以更好地提取病理信息，从而判断心血管系统的健康状况。系统整体设计框图如图1所示。

图1 系统整体设计

图2 MEMS传感器微结构

3 工作原理分析

3.1 心音测量原理

本系统采用的传感器为采用压阻原理的MEMS 心音传感器。该传感器由仿生纤毛和十字梁微结构组成。仿生纤毛用于感知人体的心音信号，将声压信号转化为梁的扭转变化［8］。十字梁上有压敏电阻，压敏电阻组成一个惠斯通电桥，惠斯通电桥将梁的扭转变化转化为电信号。最终实现声信号到电信号的转换。再将转化后心音电信号进行调理、放大就可以对心音信号进行采集。

3.2 心电测量原理

心脏在机械性收缩之前，首先产生电激动，产生生物电流，并经组织和体液的传导至体表，于身体的不同部分产生不同的电位变化，形成体表电位差［9］。将电极片分别贴在左手腕、右手腕以及左脚踝处，电极片与采集探头用导联线连接，进而实现对心电信号的探测。再将心电信号进行调理、放大就可以对心电信号进行采集。心电测试连接图如图3所示。

图3 心电测试连接图

4 系统硬件设计

4.1 心音信号调理模块

心音信号属于人体微弱信号，易受环境噪声的影响［10］。心音电路前端主要是将差分信号进行放大和滤波，由R1、R7、C1、C10 构成无源高通滤波器，并使用AD8226 进行信号放大，放大增益为495。后端部分利用AD823 搭建2 阶压控Sallen-Key结构型带通滤波器进行滤波。根据心音信号的特性，主要采集到的心音为第一心音和第二心音，其频率主要分布在20Hz～600Hz，因此将带通滤波的带宽设为20Hz～1kHz，高通截止频率为15.9Hz，通带内增益为0。心音电路原理图如图4所示。

图4 心音电路原理图

4.2 心电信号调理模块

人的心脏每次收缩之前会产生电激励，形成微弱的电流，将测量电极片放在人体心脏侧和右腹部，即可检测到人体的电信号的变化曲线，从而形成心电图［11］。

AD8232是用于心电等生物电测量的单导联集成化信号调理专用模块。心电信号用于监护系统时主要信号频率范围在0.5Hz-40Hz 内，因此采用R8、R17、C28、C25 构成无源低通滤波器，以及R9、R12、R13、C14、C17 构成无源高通滤波器。其中利用R9 来控制品质因数Q，来将频率限定在0.5Hz～40Hz 内。心电信号经过上述滤波模块后，再经由R22、R29、C31、C32 构成的无源高通滤波器，及R23、R24、R25、R27、R28、C29、C30、C33 构成的带阻滤波器连接到AD823 上滤掉50Hz 的工频干扰。心电电路原理图如图5所示。

图5 心电电路原理图

4.3 A/D 转换模块设计

A/D 转换模块采用AD7606 芯片来实现，AD7606芯片是一款低功耗、8通道同步采样的模数转换芯片［12］。在本系统中，AD7606 芯片对经过预处理后的模拟心音信号与心电信号进行模数转换。采用5V单电源供电，并且采用并行接口模式，6 号引脚与逻辑低电平相连，将STM32 芯片与并行输出数据位DB0～DB15 相连接。通过STM32 设置DB15为低电平，使得AD7606芯片工作在并行接口模式，将转换好的数字信号传输给STM32芯片进行数据采集。A/D转换模块原理图如图6所示。

图6 A/D转换模块原理图

4.4 STM32主控单元设计

STM32 主控芯片采用的是STM32F407ZGT6 微控制器。它具有稳定的工作状态，可快速处理大量数据，可满足本系统的工作需求。设计时钟电路与复位电路搭建STM32 的配置环境。为保证高精度采集，不使用STM32 内部的模数转换器，而是选择利用STM32 外接16 位的AD7606 芯片，对AD7606传输出的数字信号进行采集。采集到的数字信号通过USB模块传输到上位机进行同步显示、数据存储以及心音音频的同步播放。采样率设置为8 kHz，采样周期为125μs。整体系统流程图如图7所示。

图7 系统流程图

4.5 USB接口模块

通用串行总线（USB）因具备数据传输速率较快、支持热插拔、便于扩充和即插即用等优势，成为电脑和其他外部设备之间进行数据交换的最常用接口。因此选用USB模块进行数据传输，接口芯片选用Cypress 公司的cy7c68013 芯片来实现。该芯片在数据传输过程中速率最高可以达到480MBit/s，完全满足本采集系统传输速率的要求。将芯片的工作模式配置为Slave FIFO 的工作模式下，STM32可以控制cy7c68013芯片按照Slave FIFO 的传输时序将采集到的数据传输到上位机中。

5 系统测试

MEMS心音心电同步采集系统实物图如图8所示。使用本系统对心音心电信号进行测量，得到的上位机显示界面如图9所示，图中可清晰地看到心音与心电波形。

图8 系统实物图

图9 测试结果图

经过多次测试，得出结论：心音、心电信号的同步显示相位相同，测得的心电信号P 波、QRS 波、T波群特征明显，心音信号第一心音和第二心音区分明显，S1S2 间期与S2S1 间期比例约为1：2，收缩期与舒张期的时限比是3：5，符合标准心音信号的特征。且经过连续实时测量后信号显示稳定、清晰，播放的心音音频清晰、连续。说明本系统可以实现单导联心音和心电的实时采集与同步显示，便于专业医生应用于临床上心血管疾病患者的病理信息诊断。

6 结语

本文主要介绍了一种基于MEMS 传感器的新型心音心电同步采集系统。该系统具有实时采集和同步显示心音心电波形、存储数据和实时播放心音音频等功能。相比于传统的电子听诊器和心电图仪，本系统具有可同步准确显示心音和心电波形的优点，心电信号对心音信号准确定位、分段，便于医生综合心音和心电两种参数进行联合诊断。本工作对心血管系统疾病的检测方面具有重要意义。