HeartSound(心音)滤波

1、 Heart Sound/Pulmonary SoundHeart Sound/Pulmonary Sound檀玉飞Heart Sound/Pulmonary Sound第一第一节节 基本概念基本概念第二节第二节 电子听诊器电子听诊器第三节第三节 滤波器设计滤波器设计第四第四节节 基于基于MATLAB的滤波器设计的滤波器设计 心音是人体的一种重要的生理信号，它含有大量关于心脏病理状况的相关信息，反映了心脏及心血管结构及其生理和病理信息。心音信号的分析对心血管系统疾病的诊断具有重要意义，其准确性和可靠性将直接影响心脏病患者的临床诊断与愈后效果评价。传统的心音识别是临床医生根据听诊结果来完成的，显

2、然这一过程具有一定的主观性和不稳定性，准确性较差。心脏病已成为危害人类健康的多发病和常见病，因此，以冠心病为代表的心血管系统疾病的防治和诊断，特别是基于现代信息技术的无创诊断技术的研究已经成为医学界研究的重要课题之一。引言引言 1、心音的基本概念、心音的基本概念 心音：心脏收缩舒张时产生的声音，可用耳或听诊器在胸壁听到，亦可用电子仪器记录下来（心音图）。可分为第一心音（S1）第二心音（S2）。（正常情况下均可听到）。第三心音(S3通常仅在儿童及青少年可听到)，第四心音（S4正常情况很少听到）。从心脏产生的心音经过组织的介导传到胸壁表面，其中以骨传导最好。第一节第一节 基本概念基本概念第一节第一

3、节 基本概念基本概念第一心音第一心音 第一心音又称为S1，它产生的原因包括心室肌的收缩，房室瓣突然关闭以及随后射血入主动脉等引起的振动。S1发生在心脏收缩期的开始，音调低沉，持续时间较长(约0.15 s左右)，即相当于心电图上QRS波开始后0.020.04s，占时0.080.15s。第二心音第二心音 第二心音又称为s2，它产生的原因是半月瓣关闭，瓣膜互相撞击以及大动脉中血液减速和室内压迅速下降引起的振动。s2发生于心脏舒张期的开始，频率较高，持续时间较短(约0.08s)，相当于心电图上T波的终末部。第一节第一节 基本概念基本概念第三心音第三心音 第三心音又称为S3，它发生在第二心音后0.10.

4、2s，相当于心电图上T波后距第二心音0.120.20s，占时0.05s左右，频率与振幅低。s3的产生与血液快速流人心室使心室和瓣膜发生振动有关，通常仅儿童能够被听到，因为儿童的第三心音较易传导到体表。 第四心音第四心音 第四心音又称为S4，是由于心房收缩时血流急速进入心室，振动心室壁而引起的，相当于心电图上P波后0.150.18s，振幅低。2、心音听诊的优缺点、心音听诊的优缺点l优点：优点： 方便、成本低、无创性、重复性好；先天心脏瓣膜受损、心电传方便、成本低、无创性、重复性好；先天心脏瓣膜受损、心电传导组织病变引起的心脏机械活动障碍都能由心音反映出来，而且某些导组织病变引起的心脏机械活动障碍

5、都能由心音反映出来，而且某些心血管系统的病变在导致心血管系统的病变在导致ECG信号出现异常前，首先导致心脏杂音和信号出现异常前，首先导致心脏杂音和心音变异心音变异l缺点：缺点： 心音和心电信号均属于微弱的非平稳信号，且极易受外界干扰心音和心电信号均属于微弱的非平稳信号，且极易受外界干扰 第一节第一节 基本原理基本原理第二节第二节 电子听诊器电子听诊器听诊器头件听诊器头件听诊器耳塞听诊器耳塞耳管耳管悬浮式可调震动悬浮式可调震动膜技术膜技术听诊器金属杆听诊器金属杆听管听管胸件胸件第二节第二节 电子听诊器电子听诊器第二节第二节 电子听诊器电子听诊器 2.1 电子听诊器的研究过程点电子听诊器的研究过程

6、点 主要有以下四个方面： 1.研究一种高灵敏度、高精度、高稳定性、频响宽、响应平直、动态范围大的心音专用探头；2.研究一种高增益、宽频响、低失真、抗干扰的心音、呼吸音专用前端调理电路；3.选择合适的微控制器和液晶屏，并进行数据采集、数据处理和波形实时显示的软件编程；4.最终研制成功一种准确性高、波形实时显示、能准确听诊心音、简单易用、成本低、体积小的电子听诊器第二节第二节 电子听诊器电子听诊器2.2 电子听诊器技术指标：电子听诊器技术指标： 工作环境：温度：+5+40；相对湿度：80%；大气压强： 760 20kPa； 电源：+9V； 输入方式：心音探头一个； 输出方式：音响输出、液晶屏显示；

7、 滤波频响：心音500Hz； 放大器增益：220。第二节第二节 电子听诊器电子听诊器2.3 系统设计要求系统设计要求l 易操作l 低功耗l 低成本l 可靠性第二节第二节 电子听诊器电子听诊器2.4 系统框图系统框图 电子听诊器由两大部分组成：监听部分和心率显示部分。具体由拾音头MIC、前置级电路、滤波器、功率放大器、比较器和计数显示电路构成。第三节第三节 滤波器设计滤波器设计 心音信号包含了心脏各部分的心理病理信息.更重要的是心音信号易被心血管疾病影响，心音信号检测是心血管疾病无创性检测的重要方法。 鉴于心音的频率范围为5600 Hz ，在采集心音信号的过程中，心音信号易受外界噪声的干扰（人本

8、身呼吸的声音，皮肤摩擦的声音，工频噪声（50HZ），机电干扰（35HZ）和外部环境的高斯白噪声）。这样的情况下部分有用的心音信号就丢失了，导致诊断疾病的准确性和精度降低了。因此，要获取干净的心音信号，需要高精度放大、带通滤波（51 500 Hz）、陷波（3550Hz）等电路以滤除干扰信号。第三节第三节 滤波器设计滤波器设计3.13.1滤波器分类滤波器分类按滤波器元件分类：有源滤波器和无源滤波器l 无源(LC)滤波器：由R、L、C等无源器件组成，利用电容和电感元件的电抗随频率变化而变化的特性。l 有源滤波器：由运算放大器等有源元件和阻容元件组成；实际上可认为是一种具有特定频率相应的放大器。第三节

9、第三节 滤波器设计滤波器设计按滤波器滤除的干扰信号的频率分为：l低通滤波器l高通滤波器l带通滤波器l带阻滤波器第三节第三节 滤波器设计滤波器设计n3.2 有源低通滤波器有源低通滤波器(LPF)l3.2.1 低通滤波器的主要技术指标l3.2.2 简单一阶低通有源滤波器l3.2.3 简单二阶低通有源滤波器第三节第三节 滤波器设计滤波器设计l3.2.1 低通滤波器的主要技术指标低通滤波器的主要技术指标 图3.2-1 LPF的幅频特性曲线 （1）通带增益Avp 通带增益是指滤波器在通频带内的电压放大倍数，如右图所示。性能良好的LPF通带内的幅频特性曲线是平坦的，阻带内的电压放大倍数基本为零。 （2）通

10、带截止频率fp 其定义与放大电路的上限截止频率相同。见图自明。通带与阻带之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的选择性越好。第三节第三节 滤波器设计滤波器设计l3.2.2 简单一阶低通有源滤波器简单一阶低通有源滤波器 一阶低通滤波器的电路如图3.2-2所示，其幅频特性见图3.2-3，图中虚线为理想的情况，实线为实际的情况。特点是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差。图3.2-2 一阶LPF 图3.2-3一阶LPF的幅频特性曲线 第三节第三节 滤波器设计滤波器设计 当 f = 0时，各电容器可视为开路，通带内的增益为： 一阶低通滤波器的传递函数如下 ， 其中 12p1RRAv )(10pIOsAs

11、VsVsAvRC10第三节第三节 滤波器设计滤波器设计l3.2.3 简单二阶低通有源滤波器简单二阶低通有源滤波器 为了使输出电压在高频段以更快的速率下降，以改善滤波效果，再加一节RC低通滤波环节，称为二阶有源滤波电路。它比一阶低通滤波器的滤波效果更好。二阶LPF的电路图如图3.2-4所示，幅频特性曲线如图3.2-5所示。第三节第三节 滤波器设计滤波器设计图3.2-4二阶LPF 图3.2-5二阶LPF的幅频特性曲线第三节第三节 滤波器设计滤波器设计RRAvfp1 )()()()()()()()()(INNoIosVsVsVsVsVsVsVsVsH )()1(1)1(1i2121NsVsCRsCR

12、sCRsCsV（1）通带增益 当 f = 0, 或频率很低时，各电容器可视为开路，通带内的增益为（2）传递函数RsCsVsVsVAsVv2N)()(po11)()()()(第三节第三节 滤波器设计滤波器设计 通常有C1=C2=C，联立求解以上三式，可得滤波器的传递函数 2pIO31sCRsCRAsVsVsHvv第三节第三节 滤波器设计滤波器设计n3.3 有源高通滤波器有源高通滤波器(HPF) 二阶压控型有源高通滤波器的电路图如 下图所示。第三节第三节 滤波器设计滤波器设计 (1)通带增益1fp+1=RRAv(2)传递函数2pp2)()3 (1)(=)(sCRsCRAAsCRsAvvv第三节第三

13、节 滤波器设计滤波器设计n3.4 有源带通滤波器有源带通滤波器(BPF)和带阻滤波器和带阻滤波器(BEF)二阶压控型有源高通滤波器的电路图如 下图所示:二阶压控型BPF二阶压控型BEF第三节第三节 滤波器设计滤波器设计n带通滤波器是由低通RC环节和高通RC环节组合而成的。要将高通的下限截止频率设置的小于低通的上限截止频率。反之则为带阻滤波器。第三节第三节 滤波器设计滤波器设计n3.4 心音滤波器心音滤波器l带通带通带通滤波电路由低噪声双运算放大器NE5532 构成，将图3 所示有源低通滤波电路和图4 所示有源高通滤波电路组合成带通滤波电路，图3 中电阻R42=R43= R44=R45=10 k

14、并与电容C42、C43、C44、C45 构成截止频率f = 5 kHz 的4 阶巴特沃斯低通滤波器。该滤波电路转移函数为：) 1)(1(1=)(2212sbssbssH式中：b1=0.765；b2=1.848。第三节第三节 滤波器设计滤波器设计第三节第三节 滤波器设计滤波器设计l陷波器陷波器工频干扰是心音心电的主要干扰，虽然前置放大电路对共模干扰有较强的抑制作用，但有部分干扰是以差模方式进入电路的，且频率处于心音心电信号的频率范围内，因此，前级电路输出的心音心电信号仍然存在很大的工频干扰，必须专门滤除。如图5 所示，由R61、R62、R63、C61、C62、C63、U25A、U25B 构成50

15、 Hz 陷波电路，选C=0.068 F，则R 的阻值可由 fo =(1/2 )RC = 50Hz 计算得R=47 k。第四节第四节 基于基于MATLABMATLAB的滤波器设的滤波器设计计 有限长冲击响应滤波器，即FIR滤波器，是指离散系统的单位冲击响应h(k)是一个有限长的序列，即系统的单位冲击响应只在给定的时间区间里有非零值。此时，系统的传输函数是： n4.1 有限长冲击响应有限长冲击响应 (Finite Impulse Response, FIR)滤波器滤波器第四节第四节 基于基于MATLABMATLAB的滤波器设的滤波器设计计 无限冲击响应滤波器，即IIR滤波器，是指离散系统的单位冲击响应h(k)是一个无限长的时间序列。这种滤波器滤波的实现结构与一般数字滤波器的结构相同。系统的传输函数是：n4.2 无限长冲击响应无限长冲击响应 (Infinite Impuls