基于智能移动终端的低成本心音采集系统

徐礼胜，吕文龙，薄红瑞，康宏宇，柳家进，张柯欣，王强

1.东北大学 中荷生物医学与信息工程学院，辽宁 沈阳 110016；2.教育部医学影像计算重点实验室 辽宁 沈阳110819；3. 辽宁中医药大学 辽宁 沈阳110004

基于智能移动终端的低成本心音采集系统

徐礼胜1,2，吕文龙1，薄红瑞1，康宏宇1，柳家进1，张柯欣3，王强1

1.东北大学 中荷生物医学与信息工程学院，辽宁 沈阳 110016；2.教育部医学影像计算重点实验室 辽宁 沈阳110819；3. 辽宁中医药大学 辽宁 沈阳110004

目的为了有效预防心脏疾病，降低电子听诊器成本，本文设计与实现了基于智能终端的低成本心音采集系统。方法通过软、硬件的结合，实现了基于手机等移动终端的心音采集、传输和分析。本系统硬件部分将心音的模拟信号通过AV线传输给智能手机。手机上的心音采集软件实时显示心音图，并将数据保存为wav格式，便于传输和后续服务器端的分析。同时，本文采用主、客观测评方法，将本系统与目前市场常用的两款应用于临床的听诊器所采集心音的质量进行了对比。结果该系统不仅能随时实时捕获心音，而且采集的心音信号质量好，心音图清晰、准确。与另两款商业听诊器对比，本系统性能可靠，能满足临床要求。结论本系统能方便、准确地采集心音信号，极大地降低了成本，而且并能通过智能终端将心音数据发送给医生，方便诊断。

听诊器；心音；移动终端；采集系统；低成本

0 引言

心音听诊是心脏病无创性检测的重要方法，在及时反应心脏杂音和病变方面具有心电图、超声所不可取代的优势。心音作为人体最重要的生理信号之一，它能够反映心脏心肌收缩、舒张、瓣膜闭合以及其他心脏工作情况。分析心音中出现的杂音和畸变可以对心脏进行疾病的诊断，因此心音分析在诊断中具有重要的意义[1-2]。19世纪之前由于听诊器没有问世，医生依靠耳朵在病人胸前进行听诊，听诊器的发病似的在听着方式上有了很大进步[3]。目前，国内心音信号采集和分析系统仍不成熟，少有实用意义上的心音信号分析诊断方面的电子医疗产品[4]。

目前听诊器在市场上可以分两种类型:传统的听诊器和电子听诊器。传统听诊器由传导声音导管、共振片和声音共振腔组成。传统听诊器主要受人体声音强度的限制，特别容易受到使用环境的限制，尤其是在凌乱嘈杂的事故现场，不容易对心音进行采集。另外，传统听诊器不能进行定量数据分析和显示，同一时间只能用于听诊一种生理信号，不能综合听诊[5-6]。此外，通过基于听到的声音诊断是一种技巧,但这需要多年工作经验的医生才能得到准确的诊断结果，这为医生对病情的准确诊断带来了不利的影响。电子听诊器将心音信号通过运放电路、滤波电路，最后得到清晰准确的心音信号；同时电子听诊器放大了身体的心脏和肺部的声音，电子听诊器的发明为医生诊断病情提供了准确的病理支持[7-8]。目前电子听诊设备一般采用了蓝牙、ZigBee、WiFi等无线模块，显示设备则采用了通用的显示模块，这种组合无疑增加了功耗，提高了成本，致使目前的电子听诊设备价格昂贵，特别是在国内这种电子听诊设备鲜有使用。

移动医疗作为一种有力的手段，为个人的健康提供了条件[9]。移动医疗作为一个综合的概念，包括了通过电子传输和交换健康信息，能够降低成本减少病人复发频率。与常规治疗相比，移动医疗能够降低急诊、住院和死亡率，改善病人的意识和自我保健的能力[10]。很多知名公司已加入了研发的热潮，如飞利浦、爱立信等公司正在对移动医疗服务技术进行研究与开发。爱立信研制的MobiHealth系统在患者身体上佩带传感器获取病人的健康数据，然后通过蓝牙技术将数据传输给医生，进行诊断与实时的医疗监护。飞利浦目前正在研究可以对心脏进行实时监护的衣服，由患者着装后，医生可以一直对病人进行实时检测和护理[11]。所以电子心音设备在移动医疗领域具有重要的意义。

据国内外心音采集数据分析结果显示，业界一般人为心音的产生是由于心脏瓣膜的开闭，正常的 心音信号主要集中在0～500 Hz之间，且为一种典型的非平稳的随机信号。通过分析心脏收缩所产生的声音进行系统的研究和分析，可以将心音第一心音、第二心音、第三心音和第四心音，标号分别为S1、S2、S3和S4。完成一次心动周期的持续时间为0.8 s左右，一次心动周期的主要特征见表1[12]。

表1 主要心音特征

由表1研究结果可知，整个心音的有用频率成分在600 Hz以下，其余为杂音，心脏杂音和心音的不规律，一般是心脏病的重要特征，所以判断心音的频率可作为诊断心脏病的重要依据。

为了克服前文中提到的诸多弊端和发挥移动医疗的优势，本设计采用基于智能移动终端(智能手机)的新型低成本系统，使用AV线将智能手机与模拟电路采集部分连接，将心音信号进行显示和保存。本文通过对数据的主客观测评对本设计的心音进行优良性的验证。

1 心音听诊

国内外主要在以下几个方面进行了研究：① 对S1和S2的生理病理研究；② 对人工心脏瓣膜的无创伤检测；③对微软心音成分的分析和研究，主要是针对第三心音和第四心音部分；④ 分析心脏杂音的频率变化规律；⑤ 从一个心动周期中定位提取心音成分；⑥ 对心音传导机制建模[13]。第一心音和第二心音包含的信息在心脏听诊中起着重要的作用，因此S1和S2是本设计采集心音的重点。

心室的收缩期的开始发生在第一心音，采集心音清晰度最高处位于心尖搏动处，频率为40～60 Hz，持续时间为0.1～0.12 s，声音大。心舒期发生在第二心音，开始进行心室舒张，此部分的心音主要由两部分构成，分别为肺动脉音和主动脉音。第三心音持续时间为0.04～0.05 s，声音较弱。图1所示为由本听诊器记录的正常心音，能够清晰的识别出第一心音和第二心音部分。

图1 正常心音实例

2 系统设计

2.1 系统整体设计

本心音系统由听诊头、模拟电路、AV线和智能终端四部分构成。其系统结构框见图2。听诊头采用通用型医用听诊头。模拟电路包括驻极体传感器、前端放大模块、高通低通滤波模块、50 Hz工频陷波模块、音频接口模块和电源模块。本系统对于模拟电路和智能终端之间的数据传输采用了AV线的设计，AV线能有效的排除外来电磁干扰，以免造成信号失真。智能终端中的电源模块通过AV线与模拟电路进行共地，与采用无线传输模块相比，不仅降低了功耗，保证了信号的质量，而且降低了成本。

图2 系统结构框图

本系统首先将驻极体传感器镶嵌在医用听诊头内，驻极体传感器将听诊头内的心音信号传输到硬件电路模块，信号经过硬件电路的前端放大、滤波处理后，再通过连接在智能终端音频接口上的AV线将心音信号送至智能终端，本设计采用的智能终端为安卓系统手机，在手机软件上显示心音图，并保存心音数据。本系统实物图见图3。

图3 系统实物图

2.2 系统模块介绍

（1）声音信号拾取模块

据研究结果显示，心音频率为0～500 Hz之内，属于人耳所能识别音频的中低频段。驻极体传感器通过驻极体材料利用电荷的转变来改变电压的变化，将声音信号转化为电信号，这种微型的声电换能器具有以下优势：结构小巧、价格低廉、性能优越，特别是灵敏度极高的优势，被广泛运用在医学、力学和声学等方面[14-16]。

（2）电源模块

由于本系统需要5V和-5V电源电压，为保证为系统提供稳定的电压源，本设计采用AMS1117-5作为5V的电压源，-5V电压则采用MAX828芯片进行5V至-5V的电压转换。

（3）信号的放大滤波处理模块

由于心音信号的主要频率在500 Hz以内，所以本文所设计的频带在800 Hz以内进行对心音信号的拾取；由于心音信号非常微弱，即使通过驻极体电容式传感器之后的电压仅为30至60 MV，根据滤波模块电路的要求，需要其进行初级放大。本设计提出采用TDA2822进行双声道音频功率放大，本设计的优点在于该电路的电压范围为1.8～15 V，要求电源电压最低降至1.8 V，其次，该设计静态电流较小，产生的交越失真低。

前置放大器输出的信号并不是纯粹的心音信号，通常包含测试环境、电磁影响及受测人员身体微弱移动带来的噪音[17]，其中受到工频干扰，其所具有的低频分量也不可忽略。这种干扰包含设备与皮肤的接触摩擦、身体信号与设备的串扰以及呼吸噪音等。同时由于设备电极极化电压所具有的不平衡特点、运放的失调偏移和人体运动等原因造成信号干扰。这会导致心音信号在杂音中无法有效识别提取，不利于后期电路的处理。本设计通过设计压控电压源的高通滤波器进行对低频分量和直流分量的去除。同时采用双T型网络带阻滤波器进行对心音信号中50 Hz的信号进行滤除。

（4）智能终端模块

由于智能手机具有良好的移动性、广泛的普及性以及对数据处理的能力十分优越，本设计采用智能手机作为系统的显示心音信号、储存心音信号的设备，通过设计Android系统的应用软件，设计其功能为接受、显示和保存心音信号，以及实现对用户个人信息进行表述的功能。本设计通过使用智能手机能够为用户提供心意图以判断病情，同时可以通过网络发送数据到医生[18-19]。

3 实验及结果分析

3.1 心音数据采集

通过对照市场上的两种电子听诊器和本设计制作的电子听诊器进行对实验室的十名同学进行心音采集，每个样本采集时间为10 s，每个人分别用三种仪器各采集4组数据，共120个样本。

本实验要求采用容积为20～120 m3的房间作为测试房间，环境噪声要求降低到最低水平。进行实验时，要求被采集者应保持正常坐在椅子上，保持呼吸平静，采集者将听诊头放在心尖处，导通模拟电路部分电源，打开手机软件进行心音采集，保持安静，等待采集心音结束。本实验采集心音现场见图4。数据采集参数见表2。

图4 系统采集心音数据现场

表2 心音采集的参数设置

本系统数据采集采用脉冲编码调制（Pulse-Code Modulation，PCM）音频编码格式，即一种将模拟信号转换为数字信号的基本方法。PCM将信号的强度依照同样的间距分成数段，然后用独特的数码记号（通常是二进制）来量化。PCM常被用于数码电信系统上，也是电脑等设备中的标准形式。主要包括抽样、量化与编码3个过程。我国采纳A律13折线压缩特征，8段量化线段，格式为D0～D7，其中D0为极性码，D1、D2、D3为段落码，D4、D5、D6、D7为段内码[20]。为保证最大程度上忠实于原音，本实验采用PCM格式避免对音频的损耗。

3.2 系统性能分析

本实验采用主观、客观测评对本系统进行性能验证，通过对比3种仪器同时采集的数据进行验证，其中仪器1为本系统设计的电子听诊器，仪器2为伟伦公司的“The stethoscope system”电子听诊器，仪器3为Hanbyul Meditech Co.,Ltd.公司的SP-S2型电子听诊器。

3.2.1 主观测评

本实验主观测评参考ITU_UP语音质量测评标准，应用“绝对种类定级”的测评方法进行测评[21]。主观测评包括两个部分：响度偏好尺度与声音质量尺度，每5个等级作为一个尺度进行测评[22-26]，见表3。

表3 评测等级及分数

从采集的数据中，随机挑选3个人的由每种仪器采集的数据样本，共9个数据样本，另外十名同学对这9个数据进行测评，得出的结果见图5。

图5 3种仪器测得数据主观得分

3种仪器主观测评的声音质量尺度得分平均分分别如下：3.80、3.47、2.87。响度偏好尺度的主观测评的平均得分分别如下：3.17、3.40、4.00。

3.2.2 客观测评

本系统的客观测试着重于数据样本信噪比（Signal-Noise Ratio，SNR）的对比。对9个心音数据样本，通过Matlab工具，利用小波软阈值方法提取每个心音数据的噪声，进而测量样本的SNR。测量的三种仪器的SNR大小见表4。

表4 三种仪器的样本信噪比值（SNR值）

对三个仪器的SNR值分别取平均值，仪器1 SNR值、仪器2 SNR值和仪器3 SNR所得到客观测试结果为：38.6275、43.5834、38.6015。

4 结论

针对本系统的主观及客观测试表明，在主观测试中，本系统采集的心音数据质量以及响度测试比其他两款产品要优越。在客观测试中，本系统的SNR值比伟伦公司的“The stethoscope system”电子听诊器要低，与Hanbyul Meditech Co.,Ltd.公司的SP-S2型电子听诊器基本相同。同时，在时域和频域方面对心音信号进行分析得出其基本相同。

同时本设计实现了低成本的设计要求，并保证了系统工作稳定的性能。本文所设计的电子听诊器原材料成本约80元。实验室购买的伟伦公司的“The stethoscope system”电子听诊器为5000元，Hanbyul Meditech Co.,Ltd.公司的SP-S2型电子听诊器为2500元，达到了低成本的目的。

综上分析，本文件设计的电子听诊器与其他两款电子听诊器相比，本文所设计的心音采集系统的性能优于Hanbyul Meditech Co.,Ltd.公司的电子听诊器，与伟伦公司的电子听诊器性能相同。

本文所设计的系统距成为一款产品化、商业化的可适合多场合应用的产品还很远，今后应主要改善和提高对心音波形的提取质量，建立对心音病态的识别，并根据数据进行对心脏疾病的初步诊断。

致谢

该项目得到国家自然科学基金资助项目（61374015）；教育部博士点基金项目（20110042120037）；中央高校基本科研业务费探索导向重点项目（N110219001）；辽宁省自然基金项目（201102067）的支持。

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Low-Cost Heart Sound Acquisition System Based on Intelligent Mobile Terminal

Objective To prevent cardiovascular diseases,and reduce the cost of the electronic stethoscope,this article designs and implements a heart sound acquisition system based on low-cost smart phone and Android system. Methods In this paper,the acquisition of the heart sounds is achieved by combining the design of hardware and software.Viaan AV cable,the designed hardware of this system transmits analog heart sounds signal to a smart phone. The heart sounds can be real-time displayed on the smart phone and can be saved as wav format for further analysis and transmission through our designed software based on Android system. By using subjective evaluation and objective evaluation method,the performance of our designed stethoscope was compared with these of two commercial stethoscopes,which have widely clinical applications currently on the market. Results The designed system can stably capture heart sounds with high quality. The SNR of the phonocardiogram is high enough. Compared with two kinds of clinical stethoscopes,the performance of our designed system is satisfactory. Conclusion The system is portable. The acquisition of heart sound signal is convenient and accurate. Through intelligent terminals,this system can send heart sound data to doctors for further diagnosis.

stethoscope;heart sounds;mobile terminals;acquisition system;low cost

XU Li-sheng1,2,LV Wen-long1,BO Hong-rui1,KANG Hong-yu1,LIU Jia-jin1,ZHANG Ke-xin3,WANG Qiang1
1.Sino-Dutch Biomedical and Information Engineering School of Northeastern University,Shenyang Liaoning 110016,China;2.Medical Image Computing Key Laboratory of Ministry of Education,Shenyang Liaoning 110819,China;3. Liaoning University of Traditional Chinese Medicine,Liaoning 110004,China

TN929.53;R318.6

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.09.006

1674-1633(2016)09-0024-05

2016-08-31

国家自然科学基金资助项目(61374015)；教育部博士点

基金项目(20110042120037)；中央高校基本科研业务费探索导向重点项目(N110219001)；辽宁省自然基金项目(201102067)。

徐礼胜，教授，博士生导师，研究方向：生物医学信号处理。

通讯作者邮箱：xuls@bmie.neu.edu.cn