一种心音信号的数字处理方法.doc

一种心音信号的数字处理方法摘要：本文介绍一种自行研制的采用单片机实现的心音信号处理电路。这种电路可实现心率数字显示和心音放大监听。该电路稳定可靠，较好的解决了抗干扰问题，具有精度高、成本低等优点。关键词：心音信号；单片机；数字处理一、引言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。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20Hz600Hz，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。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R8C3分别取1M和1F等。为了消除5G7650的输出过载，在正负电源端串接200510的限流电阻（如图中的R5R6），以保证电路不致损坏。双列直插式的5G7650本身有脚3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。前面提到，心音在20Hz600Hz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/（23.14RC）=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。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0Hz2000Hz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。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。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