徐 彤，王富強，王 璇，江 琰

（西安明德理工學院信息工程學院，西安 710100）

0 引言

近幾年農(nóng)村心血管病死亡率持續(xù)高于城市，農(nóng)村心血管病死亡率為309.11/10 萬，城市心血管病死亡率是265.11/10 萬，且農(nóng)村地區(qū)的死亡率在不斷上升［1］。老年人在心血管疾病患者中占比極高，發(fā)病率與死亡率隨年齡遞增，且農(nóng)村地區(qū)大多數(shù)群眾年體檢次數(shù)不足1［2］。

現(xiàn)階段的心血管疾病檢測手段分兩類：非侵入性檢查和侵入性檢查，最為常見的為非侵入性檢查，包括血壓測定、心電圖、心臟超聲波檢查。這三類檢測方法都存在極大的缺陷，血壓測定不能反映瞬時和持續(xù)的血壓變化情況，其檢測結(jié)果也會受到多方面的干擾，且要求使用者需要有一定的醫(yī)學基礎(chǔ)；心電圖發(fā)現(xiàn)患者的病癥必須要在疾病發(fā)作的前提下，否則不可被檢驗；超聲檢測極易受到氣流干擾，在對空氣器官病變檢測時易出現(xiàn)漏診的情況［3］。目前最直接可靠的檢測方法是冠狀動脈CT，通過血管的寬窄、是否鈣化等來判斷，但該檢查所用到的三維重建對實際的血管反映情況不夠真實，易發(fā)生誤判。

現(xiàn)有許多檢測方法實用性較低。為了提高心血管疾病的檢測效率，設(shè)計一款實用、高效的心音采集系統(tǒng)，通過無創(chuàng)無痛的診療手段對心音信息進行采集和存儲，并利用小波轉(zhuǎn)換實現(xiàn)心音信號的收集，給體驗者一個直觀的檢測方式。系統(tǒng)會根據(jù)所收集的波形與數(shù)據(jù)庫中正常波形比對直接給出結(jié)果，這種測試方式準確率高、成本低、占用時間短，不需要專業(yè)知識基礎(chǔ)，提升了心血管疾病的檢測率。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采集的數(shù)據(jù)信息在醫(yī)學研究與臨床試驗中起到很大的作用，對心血管疾病的治療研究有重大意義。

1 心音簡介

心音（heart sound）是指由于心臟瓣膜關(guān)閉、心肌收縮和血液撞擊心室壁、大動脈壁等所引起機械波的現(xiàn)象產(chǎn)生的聲音［4］。它可使用聽診器在胸壁一定部位聽取心臟跳動的頻率，也可使用換能器等相關(guān)儀器來記錄心音的機械波，其機械波隨時間變化的圖稱為心音圖。

1.1 主要心音

一次心動周期可產(chǎn)生四個心音，主要心音是由第一心音（S1）、第二心音（S2）構(gòu)成［4］。

第一心音在心縮期發(fā)生，是心室收縮期開始的標志。于前胸壁第5肋間隙左鎖骨中線內(nèi)側(cè)（心尖搏動處）聽得最清晰。其波長為40～60 Hz，持續(xù)時間為0.1～0.12 s；波長較長，持續(xù)時間較長，強度較大，響度較強。

第二心音在心舒期發(fā)生，是心室舒張期開始的標志，分別在胸骨右、左緣第二肋間隙（主動脈和肺動脈聽診區(qū)）聽得最清楚。其波長為60～100 Hz，持續(xù)時長為0.08 s；波長較短，持續(xù)時間較短，強度較小，響度較弱。其中主動脈壓和肺動脈壓的高低可通過響度強弱反映。

1.2 額外心音

第三心音在第二心音之后發(fā)生，持續(xù)為0.04～0.05 s，持續(xù)時間較短，波長較長。它是在心室舒張早期，隨著房室瓣的開放，心房及肺靜脈的血液快速流入心室（心房未收縮前），引起心室壁和腱索的機械波而產(chǎn)生?？蓪τ诮^大部分青年以及兒童均可聽到相似心音，并不一定為異常心音。

第四心音與第一心音有關(guān)，發(fā)生在第一心音前的長波音，持續(xù)時長約0.04 s。由于心房收縮，導(dǎo)致血流快速充盈心室所引起的機械波，又稱心房音。

2 硬件設(shè)計

心音聽診系統(tǒng)是硬件與軟件的結(jié)合，其中硬件起重要作用在于原始信號的采集與短距離傳輸。

硬件模塊集中在心音信號采集區(qū)域，主要是由心音傳感器和傳輸線路組成，統(tǒng)稱為聽診傳輸區(qū)。心音信號采集是從傳感器通過雙絞線直接傳輸，有利于實現(xiàn)心音信號的優(yōu)質(zhì)化。

2.1 心音采集

目前用于心音采集的傳感器有兩種［5］：第一種是HY-06B，采用高分子聚合材料壓電元件，采集心音信號，經(jīng)過信號放大、濾波等電路處理，輸出電壓形式的模擬信號，該產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于各類心音采集分析系統(tǒng)。第二種是由美國科羅拉多州的Thinkslabs Medical 公司發(fā)布的一款數(shù)字聽診器，它有自己配備的電子屏幕，可以顯示電量、音量，以及聲音頻率。該聽診器的耳機接口是標準的3.5 mm 插孔，所能夠采集的音頻范圍為20～2000 Hz。

基于心音與心電的產(chǎn)生機理與表現(xiàn)形式，本文設(shè)計了便攜式心音信號采集系統(tǒng)，其主要由心音信息采集區(qū)和心音信息傳輸區(qū)兩個模塊組成［6］。其中，心音信息采集區(qū)通過心音傳感器來進行人體心音采集，因為心音信號弱、外界環(huán)境較為嘈雜，所以傳感器具備放大及濾波的功能，可以將位于胸腔內(nèi)心跳發(fā)出的微弱聲音信號擴大，用以保證可以采集到質(zhì)量較好的心音信號［7］。心音信息傳輸區(qū)將傳感器采集到的心音通過有線傳輸?shù)街悄茉O(shè)備進行A/D 轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)较到y(tǒng)中，與預(yù)先建立的心音數(shù)據(jù)庫通過智能診斷算法進行分析和處理，得出診斷結(jié)果和心音圖，有線傳輸能夠保證傳輸?shù)男盘栞^為優(yōu)質(zhì)。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)是基于樹莓派主處理器，其特性包括：支持遠程訪問，相比于平時所使用的計算機來說，樹莓派的優(yōu)勢是體積足夠小，同時功能又比手機設(shè)備強大得多［8］；且成本低噪音低，適合安靜的條件不影響心音的采集，高級低功耗模式，高度的靈活性。利用快速連接、云支持、互聯(lián)網(wǎng)和穩(wěn)健的安全協(xié)議實現(xiàn)，可以開發(fā)一些基于互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，采用某種手機或平板電腦應(yīng)用程序或者一種具有多種配置選項。

本系統(tǒng)的外圍模塊由聽診采集模塊、診斷結(jié)果顯示模塊、實時時鐘模塊及液晶顯示模塊等組成。同時將心音的數(shù)值通過網(wǎng)絡(luò)上傳到云端。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的基礎(chǔ)建設(shè)主要包括心音傳感器、傳輸設(shè)備、服務(wù)器等。設(shè)備通過接收心音信號、實時波形顯示、心音存儲，并將采集到的心音數(shù)據(jù)傳輸至小程序。設(shè)備外部設(shè)計是通過傳感器設(shè)備將收集到的患者心音傳輸?shù)奖O(jiān)護中心，監(jiān)護中心由軟件系統(tǒng)組成。軟件系統(tǒng)將這些基礎(chǔ)設(shè)施生成的數(shù)據(jù)進行集合分析，最后將結(jié)果傳給用戶。通過以上步驟，客戶能夠正常使用這套系統(tǒng)，通過服務(wù)器得到自己身體健康的實時信息。

3.1 小波降噪

小波分析源于傅里葉分析，已知小波變換的概念最早是由J.Morlet 首次提出，在Donoho 等［9］經(jīng)歷了數(shù)次的研究之后終于得出了小波閾值的去噪方法：

該公式的主要原理是通過小波將搜取的每一段信號進行分解，利用閾值獲取每一層所包含的信息，最后對獲取的信息進行最終的重組與構(gòu)造。

心音信號的去噪可以通過小波信號變換的方式來實現(xiàn)：

（1）信號的小波分解。選擇一個小波并確定一個小波分解的層次N，然后對特定的心音信號進行N層小波分解計算。

（2）小波分解高頻系數(shù)的閾值量化。對第1層到第N層的每一層高頻系數(shù)（三個方向），選擇一個閾值進行閾值量化處理，將全部都是噪聲的層置零，對有噪聲的層進行分解。

（3）信號的小波重構(gòu)。根據(jù)小波分解的第N層的低頻系數(shù)和經(jīng)過量化處理后的第1層到第N層的高頻系數(shù)，對心音進行信號的小波重構(gòu)，將全部都是噪聲的層置零，包含噪聲的進行分解，根據(jù)所選擇的小波基和小波層數(shù)對心音信號進行信號分解。

3.2 波形繪制

關(guān)于心音信號的樣本截取主要是檢測心音的極值，邊界部分。本文選用了雙閥值法進行信號樣本截取，其具有較高的抗干擾性，在其中選用一個較大的閾值和一個較小的閾值。前者主要作用是用過濾干擾和除去數(shù)據(jù)中的偽峰，次要作用便是根據(jù)前者較大的閾值數(shù)據(jù)提取包絡(luò)，找尋出局部最大值；而后者則是作為局部閾值，對特定的信號進行實時定位。在大多數(shù)情況下根據(jù)選取包絡(luò)的實際振幅對兩個較大與較小的閾值進行大小的選取與適度的調(diào)節(jié)。

4 系統(tǒng)測試儀結(jié)果分析

根據(jù)上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與相關(guān)硬件型號，完成心音傳感器采集系統(tǒng)的整體設(shè)計部分，后期使用軟件程序設(shè)計與設(shè)定好的通信幀格式對整個系統(tǒng)的采集特定信號的功能進行測試。首先打開樹莓派，等待樹莓派開機后記錄系統(tǒng)，開機后進行系統(tǒng)初始化。收集數(shù)據(jù)時首先將心音傳感器固定在待測者的心臟附近，待測者保持均勻呼吸。通過傳感器收集的心音，與數(shù)據(jù)庫中的進行對比匹配，最終判斷出所收集心音是否正常。

所采集的波形圖如圖1所示。從圖中可以清晰地看出兩階段的波形振幅高，持續(xù)時間長，且均為周期性振動，間隔均勻、波形清晰、無雜音。測試中波形分為四個周期：T1=0.057、T2=0.065、T3=0.539、T4=0.833，分別與參考值T1（0.08～0.12）、參考值T2（0.08～0.12）、參考值T3（0.3～0.5）、參考值T4（0.7～0.9）進行對比判斷，所得HR=62.6，對照參考值HR（50.0～90.0）得出所測心音波形為正常人的心音波形的測試結(jié)果的結(jié)論。

圖1 系統(tǒng)界面圖

5 結(jié)語

該系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)了樹莓派與心音信號傳感器為一體的信號采集處理電路，并使用Python編譯語言對這些元器件進行編程，設(shè)計出心音信號采集系統(tǒng)。這是一種無創(chuàng)的診斷方式，不需要使用者具備醫(yī)學的基本素養(yǎng)，使用者只需要將智能心音診斷儀探頭置于胸口，就可以通過被譽為“數(shù)學顯微鏡”的小波變換分析心音的各種成份，最后計算出心率，判斷使用者是否有竇性心動過快、二聯(lián)律、房顫、二尖瓣關(guān)閉不全等疾病，進而判斷是否需要提示使用者前往醫(yī)院進行復(fù)查。