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新型可視電子聽診器的研制
發(fā)布時間：2017-09-01
心音是能反映心臟正常或者病理的音響, 它是由于心臟搏動過程中各瓣膜的開閉以及心肌和血液運(yùn)動所產(chǎn)生的震動形成的。心音聽診是診斷心臟疾病的重要依據(jù)。傳統(tǒng)的方法是采用聽診器聽診心音, 診斷的依據(jù)主要是醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)。這種方法比較簡單, 但由于人耳對聲音的感知是聲強(qiáng)與頻率的綜合效應(yīng), 因而有些病理特性難以捕捉, 且準(zhǔn)確性較差。設(shè)計(jì)一種新的電子聽診器對聽診音進(jìn)行定量、準(zhǔn)確的分析很有必要。目前, 國內(nèi)電子聽診器產(chǎn)品的價(jià)格和功能與國外相比還存在較大差距, 多數(shù)只是將心音采集后放大, 雖然在一定程度上改良了聽診器, 但是還不能很好地反映心音波形。本文研制的可視聽診器實(shí)現(xiàn)了這一功能。它集聽診和心電信號監(jiān)測功能于一體, 可以實(shí)時記錄并顯示心率及心音圖, 使診斷更準(zhǔn)確, 且便于醫(yī)學(xué)教學(xué)。同時具有可存儲、實(shí)時顯示、簡單易用、成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn)。本文對該可視聽診器的結(jié)構(gòu)及工作原理作了較詳細(xì)的介紹。
1 硬件設(shè)計(jì)
該可視聽診器由采集處理和波形顯示二部分組成, 具體由聲音傳感器、信號調(diào)理采樣電路和鍵盤顯示電路組成。由于聽診器接收到的是微弱的寬帶頻率信號, 因此由聲音傳感器轉(zhuǎn)換成電信號后, 需要經(jīng)過濾波檢波放大電路心音是能反映心臟正常或者病理的音響, 它是由于心臟搏動過程中各瓣膜的開閉以及心肌和血液運(yùn)動所產(chǎn)生的震動形成的。心音聽診是診斷心臟疾病的重要依據(jù)。傳統(tǒng)的方法是采用聽診器聽診心音, 診斷的依據(jù)主要是醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)。這種方法比較簡單, 但由于人耳對聲音的感知是聲強(qiáng)與頻率的綜合效應(yīng), 因而有些病理特性難以捕捉, 且準(zhǔn)確性較差。設(shè)計(jì)一種新的電子聽診器對聽診音進(jìn)行定量、準(zhǔn)確的分析很有必要。目前, 國內(nèi)電子聽診器產(chǎn)品的價(jià)格和功能與國外相比還存在較大差距, 多數(shù)只是將心音采集后放大, 雖然在一定程度上改良了聽診器, 但是還不能很好地反映心音波形。
1.1 拾音頭
由于心音頻率較低( 20～600Hz) , 在人耳可聽頻域范圍的低頻段, 因此選用傳聲器(話筒―――將聲信號轉(zhuǎn)換成電信號的換能器) 作為聲音傳感器。聲音傳感器( 話筒) 有很多種類, 如駐極體式、動圈式和電容式等。本系統(tǒng)對傳感器的選取原則是: 靈敏度高, 抗干擾能力強(qiáng), 除了要提取微弱的心音信號外, 還要求它不受人聲、工頻等信號的干擾。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)比較, 設(shè)計(jì)中選用駐極體式話筒。拾音器 MIC 的制作選用老式聽診器的振膜頭部分。在振膜耳把套上 20cm長的橡皮管, 另一頭擠壓入一只微型駐極體話筒, 話筒的 2根導(dǎo)線用屏蔽電纜接到電路中的 MIC 處, 駐極體話筒處用熱縮套管加固, 以防止操作時產(chǎn)生不必要的噪聲干擾。
1.2 信號調(diào)理電路
主要由三部分組成: (1)信號輸入級(第 1 級)。拾音頭輸出音頻信號經(jīng)耦合電容 C1 輸入信號處理電路, 為保證拾音頭正常工作須提供較大的負(fù)能給出一定時間間隔內(nèi)的最大值。另外為便于采集并有效地利用 A/D 的轉(zhuǎn)換范圍, 信號要放大到相應(yīng)的電平范圍之內(nèi), 故設(shè)計(jì)中使用了比例放大電路。
1.3 信號采樣
心音頻率 f 在 20Hz～600Hz 之間, 根據(jù)香農(nóng)( Shannon)采樣定理, 只要采樣的頻率高于或等于原來頻率的 2 倍,就可以完整地重現(xiàn)原波形, 因此選擇的 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率應(yīng)在 1 200Hz 以上, 故設(shè)計(jì)中選用了串行 A/D 轉(zhuǎn)換器TLC0831。信號采樣電路的工作原理: 把調(diào)理電路的模擬輸出信號用 A/D 轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量后, 再由單片機(jī)送到液晶顯示屏顯示。
1.4 鍵盤顯示
本系統(tǒng)選用了精電蓬遠(yuǎn)的 QH12864T 點(diǎn)陣式液晶顯示(LCD)模塊。該模塊由控制器 T6963C、列驅(qū)動器 T6A39、行驅(qū)動器 T6A40 及與外部設(shè)備的接口等部分組成, 它既能顯示字符( 中文和西文字符) , 又能顯示圖形, 還能夠?qū)⒆址c圖形混合顯示。
LCD 與單片機(jī)的接口方法分為直接訪問方式和間接控制方式。直接訪問方式是把液晶模塊作為存儲器接在CPU 的數(shù)據(jù)線、地址線和控制線上, 同時把它的數(shù)據(jù)總線接在 89S52 的 P0 口上, 片選以及寄存器選擇信號線由 P2口提供, 讀寫操作由單片機(jī)的讀寫操作信號控制。這種方式是以訪問存儲器的方式來訪問液晶顯示模塊。間接控制方式不使用單片機(jī)的數(shù)據(jù)系統(tǒng), 而是利用它的I/O 口來實(shí)現(xiàn)與顯示模塊的通信, 即將液晶顯示模塊的數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的 P0 口連接作為數(shù)據(jù)總線, 另外 3 根時序控制信號線通常 利 用 89S52 的 P3 口 中 未被使用的 I/O 口來控制。這種訪問方式不占用 CPU 的存儲器空間, 它的接口電路與時序無關(guān), 其時序完全靠軟件編程實(shí)現(xiàn)。間接控制方式的速度較直接訪問方式快, 所以本設(shè)計(jì)中采用的是間接控制方式, 具體連接如圖 3 所示。另 外 系 統(tǒng) 設(shè) 置 了 6 個 按鍵, 用于圖形的拉伸、縮放、存儲、回放及菜單式操作.
2 調(diào)理電路的調(diào)試
其中 s1 是第 1 心音, s2 是第 2 心音; Systole 代表心臟收縮期, Diastole 代表心臟舒張期。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)選用的 LCD 是在圖形工作方式下, 通過建立坐標(biāo)系, 利用位操作實(shí)現(xiàn)對心音波形的逼真顯示。下面詳細(xì)介紹液晶顯示屏繪圖編程的算法和波形連續(xù)顯示。
3.1 繪圖編程的算法
系統(tǒng)選用的是 128×64 點(diǎn)陣式圖形液晶顯示模塊。要繪制心音波形只要根據(jù) A/D 轉(zhuǎn)換來的數(shù)據(jù)在液晶顯示器的對應(yīng)位置上繪點(diǎn)顯示。
液晶顯示器在圖形工作方式下液晶平面的每一處所對應(yīng)的顯示緩沖區(qū)地址情況, 數(shù)據(jù)為十六進(jìn)制, 并建立以左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)的坐標(biāo)系。這樣坐標(biāo)(X, Y)的值都為正值, 簡化了算法。其中 X 表示 1～128 個點(diǎn), Y 表示各個點(diǎn)所對應(yīng)的幅值。由于 A/D 采樣的數(shù)值為 0~255,而 LCD 的行取值為 0～63, 所以把幅值縮小一定的倍數(shù), 即Y=D/B, D 為 A/D 采集的數(shù)字量, B 為該數(shù)縮小的倍數(shù)。由圖可以看出幅值 Y 加 1, 顯示緩沖區(qū)地址 K 就減少 10H,從而得到緩沖區(qū)地址的表達(dá)式: K=X/8- 10H* Y+0BF0H。而緩沖區(qū)地址字節(jié)中對應(yīng) X 除以 8 的余數(shù)的位就正好是要繪點(diǎn)的位置。只要利用位操作命令對它置位就可實(shí)現(xiàn)繪點(diǎn)。
3.2 波形顯示
把采集的數(shù)據(jù)存放在 RAM 中, RAM 共存了 8KB 波形數(shù)據(jù)。而液晶顯示器 1 次只能顯示 128 個點(diǎn), 因此可以通過改變在 RAM 中讀數(shù)間隔來控制波形的橫向顯示, 即每顯示完 1 個數(shù)據(jù), RAM 地址加 N, 通過改變 N 的大小來拉開或回縮信號波形, 以便于觀察。
如果相鄰 2 個點(diǎn)的幅值稍有不同, 2 個點(diǎn)的距離就會分開, 造成顯示不連續(xù), 影響視覺效果。因而怎樣使波形顯示連續(xù), 是顯示信號波形中一個很重要的問題。本系統(tǒng)中對這一問題的解決方法: 在 LCD 上每顯示完 1 個點(diǎn)后, 判斷它與前 1 個點(diǎn)的幅值差距, 即 Y 值值差, 若大于 8, 就要在2 點(diǎn)之間插入若干點(diǎn)(X 值不變, 只變 Y 值), 使 2 點(diǎn)連續(xù)起來, 然后再進(jìn)行下 1 個點(diǎn)的顯示。利用這種方法, 可很好地實(shí)現(xiàn)心音波形的顯示。波形顯示程序流程圖如圖 7 所示。
4 結(jié)束語
本文介紹的可視聽診器能實(shí)時顯示心率和心音波形,并能進(jìn)行波形拉伸、變換和回放, 形象直觀、操作方便, 適合向臨床教學(xué)和醫(yī)療領(lǐng)域推廣應(yīng)用。
摘自：中國計(jì)量測控網(wǎng)
