心音采集分析系统设计

　　自从 1816 年第一个听诊器诞生以来，听诊器在心脏病学的历史中起到了非常重要的作用。迄今为止，听诊器仍然是心脏检查的基本工具。然而，使用听诊器诊断人体的异常需要长期的训练和经验[1]。通过听诊器，一个有经验的医生可很敏感地察觉出病理性心杂音，但是对一个没经验的医生或没有医学知识的人来说，却很困难; 所以，越来越多的年轻医生开始依赖可以进行准确诊断的高科技医疗设备[2]。但是，这些高科技检查往往伴随着普通家庭难以承担的高费用，而且这些高科技设备不适于家用心功能检测。

　　为解决上述问题，本文提出一种廉价的心音采集分析系统，用于家庭心功能检查。该系统分为 2部分: 心音采集板和采集分析软件。首先，心音采集板检测心音信号并通过 USB 接口将心音数据发送至上位机。然后，在上位机端，分析软件以实时曲线的形式显示心音数据，并采用基于单自由度模型的心音特征波形提取法对数据进行分析，同时采用易于理解的图形给出分析结果。系统原理框图如图 1 所示。

　　1 心音

　　心音是由心肌收缩，心脏瓣膜关闭和血液撞击心室壁、大动脉壁等引起的振动所产生的声音。一个正常的心动周期内包含 2 种明显的听起来像“咚—哒”的声音。“咚”代表第一心音，主要是由于心室收缩时，血流急速冲击房室瓣而折返所引起的心室壁振动，标志心室收缩期的开始。“哒”代表第二心音，由于主动脉瓣和肺动脉瓣迅速关闭，血流冲击，使主动脉和肺动脉壁根部以及心室内壁振动而产生，标志着心室舒张期的开始。所以，第一心音和第二心音之间的时间间隔代表心室收缩期的持续时间，第二心音和下一个第一心音之间的时间间隔代表心室舒张期的持续时间。

　　通常情况下正常心音信号的频率是 20 ～ 200Hz，然而有些病理性杂音的频率可达 700 Hz。一个正常心音如图 2 所示。

　　心音可在胸腔一定部位用听诊器听取。常见的听取部位为主动脉瓣听诊区、肺动脉瓣听诊区、二尖瓣听诊区和三尖瓣听诊区，各听诊位置图 3所示。

　　2 心音采集板

　　心音采集板由心音传感器和信号处理模块组成，其作用是: 首先，检测心音信号并将其转换为数字信号; 其次，通过 USB 接口将数字信号发送至上位机。

　　2. 1 心音传感器

　　由于心音信号非常微弱，而且频率大约为 20 ～700 Hz，因此，为了有效拾取心音，必须使用高灵敏度而且通带平滑的心音传感器。经过测试，选择美国 3M 公司的一款震动腔( Littman，ClassicIISE) 和日本铁三角公司的一款麦克风( audio - technica ，AT899) 构成心音传感器来检测心音。心音传感器实物图如图 4 所示，麦克风的性能指标如表 1 所示。