O 引言
心電信號是心臟電生理活動在體表的表現(xiàn),，提供了心臟功能等生理狀況的有重要價值的臨床醫(yī)學信息，是臨床心臟病智能診斷的基礎,。心音同樣也能夠反映心臟活動及血液流動的狀況,，但目前用心音尤其心音圖診斷疾病經(jīng)驗少，而且目前臨床存在著動態(tài)心電和心音圖檢查相分離狀況,，二者不能同步采集數(shù)據(jù),、進行同步分析，即使有也只是短時,、瞬間的心音心電檢測,，而無連續(xù)長時間記錄心電和心音的同步動態(tài)檢測儀，因此為心血管疾病的早期準確診斷和進行心血管病的發(fā)病機理并及早預防研究帶來一定的困難,。為此,，開展對動態(tài)心音心電同步定征檢測技術分析研究，可為心血管疾病的早期診斷提供理論和關鍵技術基礎,。
本系統(tǒng)是以心電心音同步定征檢測為目標,，設計了相應的電路和同步采集系統(tǒng),，并進行了臨床實驗驗證。本系統(tǒng)填補了現(xiàn)在臨床不能進行心電和心音同步實時采集的空白,，同時儀器操作簡單,，體積小巧便于攜帶，功耗低,，在醫(yī)院和家庭都可使用,，且所用檢測方法可以輔助醫(yī)生更快速、更準確地做出診斷,，減輕病人的痛苦甚至拯救病人的生命,。
1 系統(tǒng)硬件設計
1．1 系統(tǒng)總體設計方案
本系統(tǒng)主要由兩部分組成：模擬部分和數(shù)字部分。模擬部分由心電和心音兩個回路組成,，心電回路由心電電極,、前置放大、光電隔離,、濾波電路,、電平抬升電路和后置放大電路組成，主要是將人體獲得的微弱心電信號變成沒有負值的,、干擾和噪聲較小的,、放大在MSP430F149采集范圍之內(nèi)的模擬信號，然后送入內(nèi)置A／D轉換的單片機中,。心音回路由心音傳感器,、心音放大、有源濾波,、絕對值檢波和后置放大電路組成,，主要也是獲取準確的不帶干擾和噪聲的微弱心音信號并放大到MSP430F149采集范圍之內(nèi)。兩個回路是同步檢測的,。數(shù)字部分由A／D轉換,、MSP430F149單片機、USB通信接口電路和PC機組成,，以MSP430F149單片機作為核心器件,，實現(xiàn)對系統(tǒng)工作流程的控制，既能滿足速度要求又成本簡單,，體積小巧,，便于攜帶。數(shù)字系統(tǒng)主要是將前面的模擬信號數(shù)字化,，并以單片機作為下位機,，PC機作為上位機，將單片機采集到的人體心電和心音信號通過USB接口電路傳給上位機，通過PC機強大的運算能力對數(shù)字化的人體心電和心音信號進行分析處理及顯示,。采用雙通道、雙采樣率,、高精度同步數(shù)據(jù)采集方法實現(xiàn)心音和心電信號同步檢測,。系統(tǒng)總體原理框圖見圖1。
1．2 模擬電路部分
1．2．1 心電前置放大
由于人體心電信號是頻率范圍約為O．05 Hz～150 Hz,、幅度約為0-4 mV的低頻微弱信號,，且測量時噪聲背景卻很強，故需前置放大,，且要求具有高輸入阻抗和高共模抑制比,，所以我們設計了具有屏蔽驅動和右腿接地電路以及抑制高頻電刀干擾的同相差模放大電路，放大倍數(shù)約為20,。具體電路圖見圖2,。
1．2．2 光電隔離
為了人體的安全和抗外界電氣干擾，我們在強電信號(220 V交流市電)與弱電信號之間采用了光電隔離技術,。使用DCP010512DP 5V輸入DC／DC變換器給信號放大部分電路供電,，隔離了強電信號與人體的直接接觸。使用芯片TILll7實現(xiàn)信號前置放大和后級電路的隔離,。具體電路見圖3,。
1．2．3 濾波與電平抬升電路
由于心電與心音信號都是低頻微弱強噪聲背景信號，在采集過程中極易引入干擾和噪聲,，這些干擾主要有基線漂移,、50 Hz工頻干擾、高頻噪聲等,，為了獲取相對純凈的心電與心音信號,，設計了二階有源帶通濾波電路和50 Hz雙T陷波電路。由于心電的頻率范圍為O．05 Hz～150 Hz,，所以心電帶通濾波器低頻截止頻率取為0．05 Hz,，高頻截止頻率取為150 Hz。心音的頻率范圍為5 Hz～600 Hz,，所以心音帶通濾波器低頻截止頻率取為5 Hz,，高頻截止頻率取為600 Hz。
由電極和傳感器獲取的心電心音信號在經(jīng)過前置放大和濾波之后,，其信號電壓范圍約是-0．5 V～1．5 V,，由于輸出有負值，所以用同相放大電路來做一個線性調整,，實現(xiàn)電平抬升,，將輸出電壓調整至1．5 V～3．5 V，抬高了2 V。
然后經(jīng)過后置放大把信號送入A／D轉換器,，為下一步的模數(shù)轉換做準備,。
1．3 數(shù)字電路部分
數(shù)字電路由A／D轉換、MSP430F149單片機,、USB通信接口電路和PC機組成,，
1．3．1 A／D轉換與單片機
單片機選用MSP430F149單片機，MSP430F149單片機是16位RISC系列單片機之一,。具有低電源電壓,、超低功耗、具有60 k的ROM,、2 k的RAM,、8個通道采樣率可高達200 kb／s的內(nèi)置12位的AD轉換器，使得系統(tǒng)集成度提高,、抗干擾能力增強,。
A／D轉換利用MSP430F149單片機的內(nèi)置12位的AD轉換器，將模擬信號轉換為數(shù)字信號輸入單片機,，根據(jù)采樣定理,，采樣頻率取為500 Hz，可以保證元失真的采集心電和心音信號,。MSP430F149的ADCl2模塊提供了4種轉換模式：單通道單次轉換,，系列通道單次轉換，單通道多次轉換,，多通道多次轉換,。我們采用雙通道、雙采樣,、兩次轉換的方法實現(xiàn)同步采樣,。并由單片機、控制電路和軟件實現(xiàn)采樣通道號,、采樣速度,，采樣時長等的控制選取。
1．3．2 USB通信接口電路
USB選用帶并行總線的USB接口器件PDIUSBDl2,，它是一款符合通用串行總線USB 1．1版規(guī)范,，高性能USB接口器件，集成了SIE,、FIF存儲器,、收發(fā)器以及電壓調整器，可與任何外部微控制器／微處理實現(xiàn)高速并行連接的低成本,、高可靠性器件,。
MSP430F149單片機與USB接口器件PDIUSBDl2連接時,，MSP430F149端口P5作為數(shù)據(jù)總線，ALE接地,，使用P4．2與AO連接作為命令和數(shù)據(jù)的控制線,，A0為低電平時傳輸數(shù)據(jù)，A0為高電平時傳輸命令,。由于MSP430F1149的P1．2邊沿觸發(fā)中斷,，而PDIUSBDl2產(chǎn)生的INT_N是電平觸發(fā)中斷，所以需要計時器Timer_B產(chǎn)生一個1 000 kHz的PWM方波信號,，D12中斷引腳信號與該信號相“或”以后輸出到MSP430F149的中斷輸入引腳。
2 系統(tǒng)軟件設計
本系統(tǒng)軟件包括單片機采集和控制軟件以及PC機客戶軟件兩部分,。單片機部分主要包括A／D數(shù)據(jù)采集模塊和USB通信傳輸模塊,。
單片機控制程序由三部分組成：第一，初始化單片機和所有的外圍電路(包括PDIUSBDl2),；第二,，主循環(huán)部分，其任務可以中斷,；第三,，中斷服務程序，其任務是對時間敏感的必須馬上執(zhí)行,。根據(jù)USB協(xié)議,，主機首先發(fā)令牌包給PDIUSBDl2，PDIUSBDl2接收到令牌后就給單片機發(fā)中斷,，單片機進入中斷服務程序,，首先讀PDIUSBDl2的中斷寄存器，判斷USB令牌包的類型,，查詢是進行數(shù)據(jù)采集還是進行數(shù)據(jù)傳輸,，如果是數(shù)據(jù)采集則進入數(shù)據(jù)采集模塊，如果是數(shù)據(jù)傳輸則進入USB通信傳輸模塊,。
PC機的客戶端應用程序是在VC++6．O環(huán)境下開發(fā),，主要完成對采集到的數(shù)據(jù)進行接收、存儲,、分析處理,、實時顯示和定征分析功能。心電圖和心音圖可以獨立顯示,，也可以同步顯示,。
3 實驗與結果
利用本儀器臨床采集了50例健康大學生和50例心率失常患者的心電和心音信號,，采集波形見圖4,，并對這些信號一一進行定征分析,，心率失常誤判率僅為5％。
4 結論
本儀器具有操作簡便,、測量準確可靠,、功耗低、體積小,、便于攜帶,、具有強大數(shù)據(jù)分析處理功能，且可實現(xiàn)心電心音同步采樣等特點,，填補了現(xiàn)在臨床不能進行心電和心音同步實時采集的空白,，為醫(yī)生早期準確的診斷心血管疾病提供了必要的參考依據(jù)，在臨床具有重要的實用意義,。