便携式冠状动脉狭窄无损诊断仪的研制

田县庭，赵治栋

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江杭州310018)

0 引言

医疗监护技术的长期发展和不断进步，已经将人们的健康水平推进到了前所未有的高度，而对当前危害人类生命的冠心病，实现早期发现、诊断和治疗，已经成为以社区医院和家庭为单位的新型医疗模式的技术关键。随着电子、通讯以及相关领域技术的发展，现代医学研究已经对医疗仪器领域产生了新的要求，医疗仪器逐步向小型化、便携化、家庭化发展。例如，基于掌上电脑(Personal Digital Assistant，PDA)的嵌入式ECG监护分析仪，仪器功能包括低功耗单片机控制心电信号的采集、放大、滤波和在PDA实时显示、存储和分析［1］。基于无线传输的便携式心电监护仪，实现了心电数据的采集以及与PDA的蓝牙通讯［2］。本文基于LabVIEW开发环境设计了便携式冠脉堵塞无损诊断系统，所设计的系统集电子听诊器与PDA上位机为一体。电子听诊系统采集到的心音无线传输到PDA，在PDA上设计相应的冠状动脉堵塞无损诊断算法，对心脏疾病做出判断或个人评估自身健康状况。亦可采用PDA内部的GPRS模块与网络连接进行远程通信，由专家进行及时的诊断。

1 系统的硬件设计

1.1 系统整体结构图

本系统由心音采集模块与PDA组成，如图1所示，心音采集模块以dsPIC芯片为核心来控制心音的采集与传输，通过芯片通过HC-06蓝牙模块将心音数据发送到PDA上，PDA作为终端设备，对心音信号进行实时显示、存储、回放、冠脉堵塞的智能诊断等。

本设计中选择心音滤波器的频率范围为30－500Hz，设计了两组有源滤波器的组合来完成心音滤波，30Hz四阶巴特沃斯高通滤波器和500Hz四阶巴特沃斯低通滤波器。采集心音信号的传感器采用医用传感器，它将人体生理信号转化为电信号，由于人体心音信号十分微弱，因此在AD转换或听诊之前要对心音进行放大，图1中，采用芯片LM4811设计放大电路，对心音固定放大15倍，放大后的模拟信号一路经过dsPIC的IO口RB15送入AD模块进行12位AD转换，UART模块读取转换后的结果，通过HC-06蓝牙模块进行发送。另一路送入可调音频放大电路，音量加减按键连接dsPIC的RB3，RB4端口，控制dsPIC的RG7端口产生高或低的电平来调节可调音频放大电路的放大倍数，实现听诊时对音量的调节，可调音频放大电路的时钟信号由dsPIC的RG6端口输出。

图1 系统框图

1.2 蓝牙通信模块

本设计选用蓝牙转串口HC-06无线模块，它采用CSR主流蓝牙芯片，蓝牙V2.0协议标准，串口模块工作电压3.3V，工作电流40mA，休眠电流小于1mA。可以与蓝牙笔记本电脑、PDA等设备进行无缝连接。模块运行内嵌的蓝牙协议栈，实现了SPP应用框架，SPP定义了使用蓝牙设备模拟RS232串口通信的协议和规范，使蓝牙设备通过一个虚拟的串口来替代电缆通信，该设计中，dsPIC通过自身UART模块连接蓝牙模块，与PDA建立蓝牙连接后，可实现数据的传输。考虑到本设计中心音信号的采样率为2kHz，因此将dsPIC的UART模块与HC-06蓝牙模块均设置为波特率11.5kbit/s，数据位8，1位停止位，无奇偶校验位，无流控制。

2 心音采集端程序设计

心音采集端以dsPIC芯片为控制核心，控制心音信号的采集，AD转换，蓝牙无线发送。本系统采用的是微芯的dsPIC33F128MC506芯片，它含有丰富的外围模块，包括定时器、UART模块、AD模块等。AD转换采用的是12位AD转换器，支持最大500ksps的转换速率。HC-06蓝牙模块与dsPIC的UART模块相连实现无线数据发送。该设计中采用Timer1作为信号采集时钟源，每隔0.5ms Timer1中断一次，并采集一个心音数据。采集端设置了4个按键，实现复位，休眠/唤醒、音量加、音量减的功能，用户可以在采集心音和蓝牙传输的同时对心音进行听诊，通过音量加减按键来调节音量的大小，dsPIC平时工作于休眠模式，当用于听诊或心音采集时dsPIC可由按键唤醒，休眠唤醒功能由外部中断1实现。

dsPIC平时处于休眠模式，当dsPIC由按键唤醒后，程序开始每隔相同时间间隔不断的扫描是否有按键按下，当有按键按下时触发中断，执行中断程序。当HC-06蓝牙模块收到PDA开始采集的指令后，dsPIC的UART模块开始读取AD转化结果，蓝牙模块向PDA发送数据;当蓝牙模块收到PDA停止采集的指令后，UART模块停止读取AD转化结果，蓝牙模块不再向PDA发送数据。

3 PDA端诊断软件设计

3.1 PDA与开发平台选择

本设计选用惠普iPAQ H5550型号PDA，自带蓝牙，预装PPC操作系统，12.7cm高分辨率大屏幕，触摸感应式显示屏，显示屏分辨率为240×320，处理器频率为400MHz，处理器类型为Inter PXA255，系统RAM大小128M，ROM大小48M，内置Wi-Fi无线网卡。

本设计中，冠状动脉诊断软件的开发环境选用NI公司的虚拟软件开发平台LabVIEW，以及Lab-VIEW 2009 Mobile Module移动模块。LabVIEW 2009 Mobile Module模块是专门为LabVIEW 2009开发的可应用在移动设备上的模块，可为便携设备进行设计和开发。

3.2 心音信号的实时显示、存储与回放

PDA通过向dsPIC发送特定指令来控制对心音采集的启动与停止，PDA通过软件虚拟的串口COM8与采集端HC-06蓝牙模块相连接。在PDA上运行冠状动脉诊断软件，按下“打开蓝牙”按键后，PDA开始搜索采集端蓝牙模块，搜到蓝牙模块后，若是PDA与蓝牙模块第一次建立连接，在PDA上需要输入蓝牙模块的匹配密码，即可建立连接。

PDA接收到的蓝牙模块传输的数据是十六进制表示的字节流数据，由于心音采样率为2kHz，每个采样点用两个字节表示，因此PDA每秒将接收到4 000个字节，其中每相邻两个字节可以转化为一个心音采样值。经过程序处理后十六进制的心音数据值转化为十进制的心音数据实时显示在波形图上。用户可以对采集的心音信号进行保存，保存格式为二进制文件，也可以对已保存在PDA上的心音信号进行回放。

3.3 诊断算法设计

心音是人体基本的生理信号之一，包含着心脏各个部分本身及相互之间作用的生理和病理信息，当心血管疾病尚未发展到心电图异常、痛感等症状之前，心音中出现的杂音是进行诊断的可靠信息。对于冠心病患者来说，冠状动脉血管由于堵塞变得狭窄时候，血液流过动脉狭窄处将发生湍流，从而产生高频心杂音。实验表明，冠脉有25%发生堵塞时舒张期便出现高频心杂音，因此冠心病病理特征一般隐含于舒张期高频心杂音中，因此分析血管狭窄而产生的特征性舒张期高频心音为检测冠状动脉堵塞提供了可能。

该设计中冠状动脉诊断算法主要包括:心音的分段算法、准确定位出舒张期算法、舒张期心音的特征提取与构建支持向量机分类器，如图2所示，为系统诊断算法流程图。该设计基于经验模式分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)-Teager算法提取了舒张期平均瞬时频率特征值。利用EMDTeager算法提取特征的具体步骤:对心音分段后提取的舒张期信号进行5层EMD分解，得到5个内蕴模式函数，然后利用离散能量分离算法计算每个内蕴模式函数的瞬时频率，最后计算其平均瞬时频率。

图2 诊断算法流程图

离散能量分离算法原理。首先对离散信号x(n)做差分运算y(n)=x(n)－x(n－1)，然后进行Teager能量算子运算，就得到x(n)的瞬时频率f(n)和瞬时幅度a(t)的估计值，即:

式中，Teager能量算子定义为:ψ［x(n)］=x2(n)－x(n+1)x(n－1)。

利用上述算法的分析结果表明:正常人的舒张期心音的平均瞬时频率的均值总体在120Hz左右，大部分的数据分部在102－125Hz之间，冠心病患者的舒张期心音的平均瞬时频率的均值总体在138Hz左右，大部分的数据分部在132－150Hz之间。正常人和冠心病患者的平均瞬时频率的均值具有显著性差异。

利用心音库中的数据，共有50段心音信号，20个为正常人心音，30个为冠心病患者心音，对这两组心音数据分别提取平均瞬时频率特征值，构建特征向量。选取10个正常人与15个冠心病患者心音对支持向量进行训练，训练后得出支持向量机的参数和支持向量，支持向量机确定，然后即可对心音信号进行诊断。利用另外10个正常人心音与15个冠心病患者心音进行智能诊断，10个正常人心音有一个诊断为异常，15个冠心病患者心音中有2个诊断为正常。

4 结束语

本诊断仪具有操作简单，便携式的优点，利用蓝牙无线传输技术取代有线传输，使用户使用起来更加方便。该诊断仪在PDA上实现心音实时显示，并能将采集到的信号以文件的形式保存，作为医疗档案，提供诊断参考，也可以采用PDA内部GPRS实现PDA与远程监护中心之间的通信。随着PDA技术的不断发展，以PDA为平台的智能医疗设备将得到更加广泛开发与应用，走进家庭和社区，更好的保障人们的健康生活。

［1］ 许锋.基于PDA的嵌入式ECG监护分析仪［J］.生物医学工程与临床，2004，8(3):177－179.

［2］ 陈轶炜.基于蓝牙通讯的便携式心电监护仪的研制［J］.北京生物医学工程，2008，27(2):173－177.

［3］ Hassan Amoud，Hichem Snoussi，David Hewson.Intrinsic Mode Entropy for Nonlinear Discriminant Analysis［J］.IEEE Signal Processing Letters，2007，14(5):297 －300.

［4］ ACHARYA U R，KANNATHAL N，etc.heart rate analysis in normal subjects of various age groups［J］.Biomed Eng Online，2004，3(1):24－30.

［5］ 周静.心音信号的分析及其特征提取方法的研究［J］.中国生物医学工程学报，2005，4(6):685－689.