基于TINA-TI的心音听诊电路实验教学仿真研究

2022-07-30张冰洋

电气电子教学学报 2022年3期

张冰洋黄霞

(中南民族大学实验教学与实验室管理中心, 武汉 430074)

“模拟电子技术实验”是电子信息、自动化、通信、生物医学工程等专业本科生的必修实验课[1]，是学生学习和掌握课程知识不可或缺的重要环节[2]。随着计算机技术的迅猛发展，虚拟仿真技术在科研和教学中的应用越来越广泛，很多院校开展的实验课程都应用了该项技术[3]，相对单一的虚拟仿真实验，虚实结合，虚拟仿真指导实物实验的模式具有更好的教学效果。本文将TINA-TI仿真分析引入心音听诊电路实验教学中，通过虚拟仿真运用和掌握理论知识，进而指导电路制作和调试，能够有效激发学生的学习兴趣，掌握研究方法，提高学生的综合能力。

1 TINA-TI简介

TINA-TI是德州仪器(TI)公司与DesignSoft公司联合为客户提供的一个基于SPICE技术的电路仿真工具，适用于模拟电路和开关模式电源电路的仿真[4]。TINA-TI提供多达千种的元器件模型库，并且支持宏添加器件，具有简单、直观的图形界面和强大的分析能力，能够进行直流、交流、瞬态、噪声等分析，可用于对电路进行设计、测试和故障诊断，是进行电路开发与测试较为理想的选择。

2 心音源的获取

PASCAL[5]、PhysioNet[6]和深圳心音数据库HSS(Heart Sounds Shenzhen)[7]是目前公开的三大标准化心音数据库，这些数据库提供了正常和异常心音信号的WAV文件和数据文件[8]。

TINA-TI提供的电压发生器具有信号编辑的功能，除了能够产生脉冲、阶跃、正弦、余弦、方波、三角波、梯形波外，还具有分段线性电源和导入WAV文件的功能。我们采用TINA-TI中的电压发生器作为心音信号接收源，导入深圳心音数据库(HSS)中的正常心音信号，设定最大电压为100 mV，导入后可以通过示波器观察到心音信号的波形如图1所示。

图1 原始心音信号波形

3 心音传感器仿真模型

在实物实验中，学生采用驻极体麦克风和传统听诊器听诊头制作心音传感器，虚拟仿真实验中，我们构建了传感器的仿真模型。采用驻极体麦克风的基本模型进行仿真，利用电压控制电流源(VCCS)模拟麦克风内部的结型场效应管(JFET)，电压发生器(VG)产生的电压信号模拟麦克风上产生的声压(1 V=1 Pa，1 V电压对应1帕斯卡的音量)，噪声源(In)模拟麦克风本身的噪声，直流电压源(VE)通过VCCS产生偏置电流来模拟驻极体麦克风产生的电流。实物实验采用的WM-61B驻极体麦克风，其工作时的最大电流为500 mA，在每帕斯卡空气压力下产生的电流大约为8 uA，仿真模型中的直流电压源(VE)的值通过公式(1)进行计算。

(1)

经过计算，VE=62.5 V。麦克风自身的噪声In通过修改TINA-TI的噪声宏模型，修改NLFP和NVRP参数为27.7来模拟麦克风胶囊的噪声，心音传感器的仿真模型如图2所示。

图2 心音传感器仿真模型

4 心音听诊电路实验设计

心音信号的频率范围一般为5～600 Hz，幅值极其微弱，且通常伴有大量噪声[9]。根据心音产生的时期和性质，临床上将心音分为第1心音(S1)、第2心音(S2)、第3心音(S3)和第4心音(S4)[10]，其中S1和S2包含的信息在心脏听诊中起着重要的作用，其主要频率分布在20-200 Hz[11]。心音听诊电路的作用是从含有噪声的心音信号中获得清晰的心音信号，它包括心音信号前置放大电路和滤波电路。

实验包含虚拟仿真实验和实物实验两部分。实验要求学生通过理论计算和仿真分析确定电路的设计参数；设计前置放大和滤波电路，进行仿真分析；并根据提供的实验材料和元器件搭建听诊电路，实现心音信号的采集。

4.1 前置放大电路设计

心音传感器采集的信号中不可避免夹杂包括环境噪声、皮肤摩擦等声音产生的噪声。传感器输出为电流信号，为了获取较高的信噪比，将运算放大器配置为互阻抗放大器，将麦克风的信号电流转换为输出电压。前置放大器电路如图3所示，放大电路增益由反馈电阻R2决定，运算放大器的噪声增益由R2和R1的比值决定。通过调节R1、C1、R2、C2的值可调整电路的-3 dB带宽。运算放大器同相输入端采用分压网络对运算放大器的输出施加偏置电压，使输出达到中间电源点VCC/2，从而最大程度地增加电路的电压输出范围。实验过程中，要求学生通过分析、计算和仿真确定R1、R2、R3、R4、C1、C2的值，并提供理论计算依据。

图3 心音信号前置放大电路

4.2 心音信号滤波电路设计

S1和S2主要分布在20-200 Hz范围内，滤波器的设计需要有效滤除20 Hz以下，200 Hz以上的干扰信号。本文拟采用四阶Sallen-Key高通滤波电路和四阶贝塞尔低通滤波电路构成的带通滤波器实现心音信号的通带外噪声抑制，滤波电路如图4所示。

图4 心音信号滤波电路

为了使滤波器具有最大平坦度的幅频特性，仿真电路中，设计200 Hz低通和20 Hz高通滤波器的Q=0.707，通带内增益为1.586。根据常用电阻取值，选择R5=R7=R13=R15=100 K，R6=R8=R14=R16=59 K，经计算，整个滤波器通带内增益为16.1 dB。

取R1=R2=R3=R4=RL，C1=C2=C3=C4=CL，R9=R10=R11=R12=RH，C5=C6=C7=C8=CH。根据公式fL=1/(2πRLCL)=200 Hz和fH=1/(2πRHCH)=20 Hz进行计算，取RL=36 K，CL=22 nF，RH=36 K，CH=220 nF。在TINA-TI中对图4所示电路进行交流分析，得到图5所示滤波器的幅频和相频特性仿真结果。由幅频特性曲线可知，波形平坦处增益大小约为15.96 dB，在20 Hz和200 Hz处分别衰减5.92 dB和5.75 dB，仿真结果与理论计算结果基本一致。实验过程中，要求学生通过分析、计算和仿真确定滤波电路的结构和滤波器设计参数，提供理论计算依据和滤波器的幅频特性仿真曲线。

图5 心音滤波器的幅频和相频特性仿真结果

5 整体仿真验证与实物实验结果

我们利用建立的麦克风仿真模型，分别导入心音数据库中正常的心音信号S0和环境噪声信号S1的WAV文件，仿真电路如图6所示。设定心音信号的幅值为100 mV，环境噪声信号的幅值也为100 mV。仿真器模型输出的电流，即为心音传感器输出电流信号S，信号S经过图3所示的心音信号前置放大电路和图4所示的心音信号滤波电路能够得到将心音干扰信号滤除并放大的心音信号。

图6 心音信号加噪仿真模型

心音听诊电路仿真结果如图7所示。图7中S0为正常心音信号，S1为添加的噪声信号，Vs为前置放大器的输出，Vo为心音听诊电路的输出，用鼠标选择Vo，点击播放按键，可以听到仿真电路输出的心音。

图7 心音听诊电路仿真结果

仿真结果表明，实验设计能够利用心音传感器采集到清晰的心音信号。在仿真实验的指导下，我们设计制作了心音听诊电路，并进行电路参数调节与测试，完成了心音听诊电路实体的制作。为测试电路效果，首次将输入接地，之后将自制的传感器探头与信号调理模块相连，将听诊器拾音器探头紧贴胸腔，利用示波器对心音信号输出端进行测量，检测到波形分别如图8(a)和8(b)所示。

(a)心音听诊电路输出的噪声信号及频谱

(b)被测者的心音信号输出波形图8 心音听诊电路测试结果

图8(a)为心音听诊电路输出的噪声信号及频谱，峰值为34.3 mV，图8(b)为心音听诊电路输出的被测者的心音信号，峰峰值为4.73 V，系统的信噪比为42.8 dB。由图8(b)可以看出，实验结果可以清晰的分辨S1和S2心音，其中S1持续时间为136 ms，S2持续时间为96 ms，其时间间隔比为1：2，心动周期为811.8 ms，心率约74次/分。