多导联心电心音同步智能听诊器设计*

2021-03-23芦夜召张利平张会新赵凯明

电子器件 2021年1期

芦夜召，郭珈，张利平，张会新*，赵凯明

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育重点实验室，山西太原030051；2.中北大学电子测试技术重点实验室，山西太原030051；3.91550 部队，辽宁大连116018；4.北京遥测技术研究所，北京100076)

近年来，心血管疾病成为影响人类健康的主要疾病之一，随着社会的进步该病的发病率呈逐年上升的趋势，控制其增长速度成为全球医务工作者的主要任务。心电图技术为心血管疾病诊断的基石，心音听诊亦不能孤立进行。传统声学听诊器存在着低频响应差，听诊灵敏度低，对复杂心音症状响应不佳；医生利用传统声学听诊器听诊，需要拥有纯熟的听诊技能和丰富的临床阅历；传统声学听诊器的听诊音不能保存、共享。目前，国内市场上的电子听诊器仅能实现单纯的心音听诊，没有同步显示回放心电信号的功能；并且市场上的心电图仪大多为三导联或者六导联，很少有十二导联心电图仪。如能将心音和心电图同步记录，二者强强联合，视听结合，将能极大地提高医生的听诊准确率。因此需要研制一种可以同步监测记录心电心音的听诊器。

本文研制了一种心电心音同步实时采集、能长时间存储使用、体积小、灵敏度高、穿戴方便的多功能的心电心音同步智能听诊器[1]。从输出波形的相互关系中，不仅能更好地诊断心音和杂音，而且能更好地反映心血管系统的血液动力学及电机械活动等改变，为了解受检者的心血管病理生理、心脏功能，提供更多的参数。

1 系统整体设计

本文在市场现有的心电图的基础上，设计了一套集成5 个MEMS 心音检测探头[2-3]与标准12 导联心电图采集的同步采集测试仪[4]。系统整体框图如图1。多导联心电心音同步监测仪是指实时同步记录12 路心电信号和5 路心音信号的心电心音监测设备。相比于以前的单导或者三导，多导联可选择的导联更多，计算机自动生成的模块也多，精确度也越高。心电心音监测仪有很大优势:记录心电图各波段清晰不失真，测量数据精度更高。

当听诊器前段采集到声音信号后，该声音信号经过模拟放大、滤波、AD 转换后传给DSP 芯片。DSP 芯片在高速外部存储的协助下处理采集回来的数据，并最终将信息显示在屏幕上。

图1 心电心音信号同步采集系统集成

2 硬件电路设计

2.1 心音采集模块

心脏瓣膜和大血管在血流冲击下形成振动，以及心脏内的血流的加速与减速形成的湍流与涡流及其对心脏瓣膜、心房、室壁的作用所产生的振动，再加上心肌在周期性的心电活动作用下其弹性的迅速增加和减小形成的振动，经过心胸传导系统到达体表形成了体表心音[5]。

心音采集模块采用AD7091 芯片[6]，AD7091 是一款12 位逐次逼近型模数转换器，可在高吞吐率下实现超低功耗，该芯片内置一个宽带宽采样保持放大器，可处理7 MHz 以上的输入频率。心音信号经过信号放大电路后进入A/D 转换模块，A/D 转换模块电路原理图如图2 所示。 R15、C51构成一阶滤波电路，能够限制噪声带宽，减少噪声干扰，提高心音信号采集精确性[7]。

图2 心音采集电路

2.2 心电采集模块

人的心脏每次收缩之前会产生电激励，形成微弱的电流，人体是一个良好的导体，心脏处于这个导体中，把测量电极放在合适的位置就可以显示出心脏电位变化曲线，也就是心电图。

心电采集模块采用的是ADS1298 芯片[8]。ADS1298 芯片是TI 公司设计的一种高精度多通道同步采样24 位Δ-Σ 模数转换器，内置可编程增益放大器。该芯片是专门用于生物电位测量的低功耗芯片。ADS1298 更大优势在于其便携性、经济性、紧凑性，便于小型化设计[9-10]。心电信号经过信号调理电路后进入A/D 转换模块，A/D 转换模块电路原理图如图3。

图3 心电采集电路

2.3 USB 接口模块

本文采用FT232 接口转换芯片，使用USB 转串口输出数据，把RS422/RS485 与USB 两种协议取长补短，将他们的优点集于一身，实现了RS422/RS485和USB 接口之间的可靠连接。另外，USB 接口支持热插拔，接口方便连接，可以给RS422/RS485 设备提供了非常容易使用的环境，而RS422/RS485 弥补了USB 口不能远距离传输的缺陷。

2.4 蓝牙发送接收模块

采用深圳新壹公司的XY-MBD07C，该模块采用CYW20707 芯片，支持A2DP、HSP、SPP、HID 和GATT/GAP 等蓝牙规范协议[11-12]，可与蓝牙笔记本电脑、智能手机、蓝牙耳机、蓝牙音箱等完美通信，在连续发送模式下，设置的串口波特率最高可达2 Mbit/s，传输距离可达40 m。该蓝牙模块具有尺寸小、传输距离远、灵敏度高等优点。使用蓝牙设备听诊可以有效减少医生感染的风险。