远程心音采集识别系统的研发

张国华，袁中凡

（1.山东省海洋环境监测技术重点实验室，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266001；2.四川大学制造科学与工程学院，四川 成都 610065）

0 引 言

心血管疾病（cardiovascular disease，CVD）是严重威胁人类健康的疾病之一[1]，心血管疾病的早期诊断和预防已成为人类面临的巨大挑战。心电信号的远程采集传输系统已有较成熟的应用[2]。与心电信号相比，心音信号蕴含着大量关于心脏功能状态以及大血管机械运动状况等重要诊断信息，心血管疾病引起的病理改变会较早地在心音信号上体现出来[3]。心音诊断是心血管疾病无创检测的重要方法，具有心电诊断不可取代的优势[4-5]。

传统的心音采集仪器的研究仍停留在现场采集和本地存储等功能的实现上，随着近年来通信技术的发展，出现了基于GPRS技术的心音远程采集系统的设计[6]，这种系统基于移动蜂窝通信网络实现，其使用环境需有良好的GPRS网络信号。本文结合嵌入式技术和Internet网络技术开发了远程心音采集识别系统，分布式的远程采集方便对大量人群进行长期监测，有线网络保证了信号传输的稳定可靠，服务器识别软件可为心血管疾病的早期诊断和愈后观察提供诊断信息。

1 系统构成

图1 远程心音采集系统结构图

远程心音采集识别系统构成如图1所示，可分为远程心音采集终端和服务器2部分。远程心音采集终端由心音传感器将振动信号转换为电压信号，放大调理电路把微弱电信号进行放大、整形后送入ADC[7]，通过键盘控制对数据进行显示和存储，并可通过USB接口或网络传输至服务器；服务器可以对心音信号进行接收、存储和识别，为医生对心血管疾病的诊断提供依据，并可将诊断结果和建议通过网络发送至心音采集终端。

2 远程心音采集终端硬件设计

2.1 心音传感器

本设计选用了合肥华科电子技术研究所的HKY-06B型心音传感器。该传感器是PVDF压电膜心音传感器，采用PCB插件方式封闭，由微音传感元件采集心脏搏动和其他体表动脉搏动信号，经过高度集成化信号放大调理电路处理后，可直接送入A/D转换器，满足了远程心音采集的要求。

2.2 微处理器

选用基于支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位ARM7TDMI-S内核的微控制器LPC2214。LPC2214对代码规模有严格的控制，可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。与LPC2210相比，LPC2214内带256 KB的Flash，无需为系统程序外扩存储器，使得电路设计更简洁可靠。

2.3 液晶显示模块

选用肇庆金鹏电子集团有限公司的点阵式图形液晶显示模块OCM240128-7，它由 240（列）×128（行）点阵组成。

OCM240128-7与LPC2214的接口电路如图2所示。采用8位总线方式连接，地址和数据均通过DB0～DB7接口。由于OCM240128-7的工作电压是5 V，而LPC2214的I/O电压是3.3V，所以在总线上串接了470Ω的保护电阻。OCM240128-7的C/D与A1连接，使用A1控制模块处理数据/命令，这样可使用16位总线方式操作OCM240128-7。模块的片选信号由LPC2214的A22和外部存储器Bank3片选CS3进行“或”操作后得到，A22和nCS3同时为0时选中模块，其数据操作地址为0x83000000，命令操作地址为0x83000002。

图2 OCM240128-7接口电路

2.4 网络通信模块

TCP/IP协议和以太网协议是目前使用最广泛的通信协议。基于底层的以太网协议的实现由以太网控制器来完成，比较常用的10Mb/s嵌入式以太网控制芯片有 RTL8019AS、CS8900 等，100 Mb/s的有LAN91C111 等[8]。

RTL8019AS是REALTEK公司的专用以太网控制芯片，能简单地实现即插即用并兼容NE2000、掉电等特性。它具有曼彻斯特编码、冲突检测和重发的功能，支持PNP自动检测，内嵌16 KB的SRAM，具有全双工的通信接口，可以通过交换机在双绞线上同时发送和接收数据，使传输带宽从10 Mb/s增加到20 Mb/s，是用来进行以太网通信的理想芯片[9]。

图3 RTL8019AS接口电路

LPC2214是总线开放的，所以电路采用16位总线方式对RTL8019AS进行访问，即数据总线D0～D15与 RTL8019AS的 SD0～SD16连接，RTL8019AS的接口电路如图3所示。由于RTL8019AS工作电压为5V，而LPC2214的I/O电压为3.3V，所以总线上串接470Ω的保护电阻。

RTL8019AS芯片的基地址是0x300，其I/O地址为 0x00300～0x0031F，所以电路上 SA6、SA7、SA10～SA19均接地，SA9接电源。SA8与地址总线的A22相连，SA5与LPC2214外部存储器Bank3片选CS3相连，当SA8为1且SA5为0时，选通RTL8019AS芯片，即操作地址为0x83400000～0x8340001F[8]。

3 远程心音采集系统软件设计

远程心音采集系统软件包括心音采集终端软件和服务器软件2部分。

3.1 心音采集终端软件设计

心音采集终端软件基于μC/OS-II多任务嵌入式实时操作系统开发，使用汇编语言和C语言混合编程，软件框图如图4所示。编写了数据采集、USB通信、网络通信、菜单显示以及按键响应等驱动及任务，实现了心音采集、存储和传输等功能。

3.2 服务器软件设计

图4 心音采集终端软件框图

图5 服务器软件框图

服务器软件基于Visual studio 2005开发，软件框图如图5所示，根据功能可划分为数据通信模块、心音诊断模块和数据管理模块3个模块。数据通信模块采用USB主机端和网络通信服务器端程序设计，心音诊断模块调用MATLAB引擎实现心音信号的特征提取算法，数据管理模块基于SQL Server实现数据的安全性和患者档案管理等功能。

4 结束语

心音采集终端基于LPC2214移植了μC/OS-II实时操作系统，实现采集、存储和传输等功能；服务器软件具有数据传输、心音诊断和数据管理等功能。远程心音采集系统终端已通过联机测试，心音测量灵敏度为4mV/Pa，测量频率范围为1～1500Hz，心音数据传输稳定，满足心音信号远程采集传输的要求。可对大量人群进行长期监测，为医生对心血管疾病的早期诊断和愈后观察提供重要的诊断依据，对研究心血管疾病的诱因和防控心血管疾病的蔓延都具有积极作用。

[1]白志茹，杨艳，曾晓荣.蛋白质组学在心血管疾病中的研究进展[J].心血管病学进展，2008，29（3）：501-504.

[2]叶一初.基于ARM的心电信号采集与远程传输系统的研究与设计[D].西安：西安电子科技大学，2009.

[3]赵治栋，赵知劲，张嵩，等.心音自动分段算法研究[J].航天医学与医学工程，2004，17（6）：452-456.

[4]王海滨，胡玉良，王燕，等.心音特征波形法的研究及临床验证[J].西华大学学报：自然科学版，2010，29（2）：141-144.

[5]杨艳妮.基于Matlab的心音信号分析比较研究[D].西安：陕西师范大学，2007.

[6]刘宝华，郭兴明，谭新，等.基于GPRS心音远程传输系统的研制[J].医疗卫生装备，2006，27（10）：9-11.

[7]冯忠岭，童英华，陈学煌.ADC0809在两路数据采集系统中的应用[J].电子设计工程，2011，19（13）：75-77.

[8]周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[9]Realtek Semi-conductor CO.，LTD.Specification RTL801 9AS[EB/OL].http://www.realtek.com