人体心电心音信号同步检测系统设计

摘要：设计了一种动态心电心音信号同步检测系统，对系统的整体设计方案进行了介绍，采用内置A／D的MSP430F149单片机和USB通信接口传输的采集系统进行同步采集、实时存储，并用VC++6．0开发了客户定征分析软件系统。最后经过临床验证，本系统误差小，实用意义很大。
关键词：心电信号；心音信号；小波变换：数据采集

O 引言
    心电信号是心脏电生理活动在体表的表现，提供了心脏功能等生理状况的有重要价值的临床医学信息，是临床心脏病智能诊断的基础。心音同样也能够反映心脏活动及血液流动的状况，但目前用心音尤其心音图诊断疾病经验少，而且目前临床存在着动态心电和心音图检查相分离状况，二者不能同步采集数据、进行同步分析，即使有也只是短时、瞬间的心音心电检测，而无连续长时间记录心电和心音的同步动态检测仪，因此为心血管疾病的早期准确诊断和进行心血管病的发病机理并及早预防研究带来一定的困难。为此，开展对动态心音心电同步定征检测技术分析研究，可为心血管疾病的早期诊断提供理论和关键技术基础。
    本系统是以心电心音同步定征检测为目标，设计了相应的电路和同步采集系统，并进行了临床实验验证。本系统填补了现在临床不能进行心电和心音同步实时采集的空白，同时仪器操作简单，体积小巧便于携带，功耗低，在医院和家庭都可使用，且所用检测方法可以辅助医生更快速、更准确地做出诊断，减轻病人的痛苦甚至拯救病人的生命。

1 系统硬件设计
1．1 系统总体设计方案
    本系统主要由两部分组成：模拟部分和数字部分。模拟部分由心电和心音两个回路组成，心电回路由心电电极、前置放大、光电隔离、滤波电路、电平抬升电路和后置放大电路组成，主要是将人体获得的微弱心电信号变成没有负值的、干扰和噪声较小的、放大在MSP430F149采集范围之内的模拟信号，然后送入内置A／D转换的单片机中。心音回路由心音传感器、心音放大、有源滤波、绝对值检波和后置放大电路组成，主要也是获取准确的不带干扰和噪声的微弱心音信号并放大到MSP430F149采集范围之内。两个回路是同步检测的。数字部分由A／D转换、MSP430F149单片机、USB通信接口电路和PC机组成，以MSP430F149单片机作为核心器件，实现对系统工作流程的控制，既能满足速度要求又成本简单，体积小巧，便于携带。数字系统主要是将前面的模拟信号数字化，并以单片机作为下位机，PC机作为上位机，将单片机采集到的人体心电和心音信号通过USB接口电路传给上位机，通过PC机强大的运算能力对数字化的人体心电和心音信号进行分析处理及显示。采用双通道、双采样率、高精度同步数据采集方法实现心音和心电信号同步检测。系统总体原理框图见图1。

1．2 模拟电路部分
1．2．1 心电前置放大
    由于人体心电信号是频率范围约为O．05 Hz～150 Hz、幅度约为0-4 mV的低频微弱信号，且测量时噪声背景却很强，故需前置放大，且要求具有高输入阻抗和高共模抑制比，所以我们设计了具有屏蔽驱动和右腿接地电路以及抑制高频电刀干扰的同相差模放大电路，放大倍数约为20。具体电路图见图2。

1．2．2 光电隔离
    为了人体的安全和抗外界电气干扰，我们在强电信号(220 V交流市电)与弱电信号之间采用了光电隔离技术。使用DCP010512DP 5V输入DC／DC变换器给信号放大部分电路供电，隔离了强电信号与人体的直接接触。使用芯片TILll7实现信号前置放大和后级电路的隔离。具体电路见图3。

1．2．3 滤波与电平抬升电路
    由于心电与心音信号都是低频微弱强噪声背景信号，在采集过程中极易引入干扰和噪声，这些干扰主要有基线漂移、50 Hz工频干扰、高频噪声等，为了获取相对纯净的心电与心音信号，设计了二阶有源带通滤波电路和50 Hz双T陷波电路。由于心电的频率范围为O．05 Hz～150 Hz，所以心电带通滤波器低频截止频率取为0．05 Hz，高频截止频率取为150 Hz。心音的频率范围为5 Hz～600 Hz，所以心音带通滤波器低频截止频率取为5 Hz，高频截止频率取为600 Hz。
    由电极和传感器获取的心电心音信号在经过前置放大和滤波之后，其信号电压范围约是-0．5 V～1．5 V，由于输出有负值，所以用同相放大电路来做一个线性调整，实现电平抬升，将输出电压调整至1．5 V～3．5 V，抬高了2 V。
    然后经过后置放大把信号送入A／D转换器，为下一步的模数转换做准备。
1．3 数字电路部分
    数字电路由A／D转换、MSP430F149单片机、USB通信接口电路和PC机组成，
1．3．1 A／D转换与单片机
    单片机选用MSP430F149单片机，MSP430F149单片机是16位RISC系列单片机之一。具有低电源电压、超低功耗、具有60 k的ROM、2 k的RAM、8个通道采样率可高达200 kb／s的内置12位的AD转换器，使得系统集成度提高、抗干扰能力增强。
    A／D转换利用MSP430F149单片机的内置12位的AD转换器，将模拟信号转换为数字信号输入单片机，根据采样定理，采样频率取为500 Hz，可以保证元失真的采集心电和心音信号。MSP430F149的ADCl2模块提供了4种转换模式：单通道单次转换，系列通道单次转换，单通道多次转换，多通道多次转换。我们采用双通道、双采样、两次转换的方法实现同步采样。并由单片机、控制电路和软件实现采样通道号、采样速度，采样时长等的控制选取。
1．3．2 USB通信接口电路
    USB选用带并行总线的USB接口器件PDIUSBDl2，它是一款符合通用串行总线USB 1．1版规范，高性能USB接口器件，集成了SIE、FIF存储器、收发器以及电压调整器，可与任何外部微控制器／微处理实现高速并行连接的低成本、高可靠性器件。
    MSP430F149单片机与USB接口器件PDIUSBDl2连接时，MSP430F149端口P5作为数据总线，ALE接地，使用P4．2与AO连接作为命令和数据的控制线，A0为低电平时传输数据，A0为高电平时传输命令。由于MSP430F1149的P1．2边沿触发中断，而PDIUSBDl2产生的INT_N是电平触发中断，所以需要计时器Timer_B产生一个1 000 kHz的PWM方波信号，D12中断引脚信号与该信号相“或”以后输出到MSP430F149的中断输入引脚。

2 系统软件设计
    本系统软件包括单片机采集和控制软件以及PC机客户软件两部分。单片机部分主要包括A／D数据采集模块和USB通信传输模块。
    单片机控制程序由三部分组成：第一，初始化单片机和所有的外围电路(包括PDIUSBDl2)；第二，主循环部分，其任务可以中断；第三，中断服务程序，其任务是对时间敏感的必须马上执行。根据USB协议，主机首先发令牌包给PDIUSBDl2，PDIUSBDl2接收到令牌后就给单片机发中断，单片机进入中断服务程序，首先读PDIUSBDl2的中断寄存器，判断USB令牌包的类型，查询是进行数据采集还是进行数据传输，如果是数据采集则进入数据采集模块，如果是数据传输则进入USB通信传输模块。
    PC机的客户端应用程序是在VC++6．O环境下开发，主要完成对采集到的数据进行接收、存储、分析处理、实时显示和定征分析功能。心电图和心音图可以独立显示，也可以同步显示。

3 实验与结果
    利用本仪器临床采集了50例健康大学生和50例心率失常患者的心电和心音信号，采集波形见图4，并对这些信号一一进行定征分析，心率失常误判率仅为5％。

4 结论
    本仪器具有操作简便、测量准确可靠、功耗低、体积小、便于携带、具有强大数据分析处理功能，且可实现心电心音同步采样等特点，填补了现在临床不能进行心电和心音同步实时采集的空白，为医生早期准确的诊断心血管疾病提供了必要的参考依据，在临床具有重要的实用意义。