CN103584881B - 基于双控制器的电子听诊器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双控制器的电子听诊器，包括心音探头和信号调理电路，实时采集的心音信号经过信号调理电路调理后输入至主控模块；在主控模块中，调理后的心音信号经A/D转换器转换后输入至比较器，比较器将转换后的心音信号与给定心音信号进行比较，并将比较结果输出至PID控制器或模糊控制器，？PID控制器或模糊控制器对比较结果进行控制处理后，输出得到实输出心音信号，该输出心音信号同时作为给定心音信号返回至比较器。本发明电子听诊器对采集的心音信号经过三种控制方式交互控制处理，能够得到准确的实时反应心音特点的心音信号，真实的反应出心音信号中存在的杂音和畸变信号，给出准确的诊断信息。

Description

基于双控制器的电子听诊器

技术领域

本发明涉及医疗诊断设备领域，特别涉及一种基于双控制器的电子听诊器。

背景技术

心音是心脏及大血管机械运动状况的反映，心音听诊是医生评估心脏功能状态最基本的方法之一。虽然目前已经有心电图(ECG)测量、超声检测等检查手段，但是心音听诊安全、费用低，而且当心血管疾病尚未发展到足以产生其它症状(如心电图ECG异常)之前，心音中出现的杂音和畸变就是唯一的诊断信息，因此，心音听诊是评估心血管疾病，特别是心瓣膜病、先天性心脏病和心率失常的重要手段。

传统的心音听诊器由听头、胶管、金属架、耳塞组成，心音通过听头的膜片振动，由连接的胶管将心音传到耳塞。通过这样的听诊器进行诊断，缺少心音图的定量分析，诊断的准确性依赖于诊断医生的经验，主观性强。目前也出现了一些电子听诊器，在传统听诊器的基础上增加了电子分析模块，将心音信号经过放大、滤波处理后，将振动信号转变成线条图形记录下来输出心音图，超过人耳听觉敏感度所能分辨的心音和杂音也能被监测到，结合心音图的定量分析可以做出更准确的诊断结果，且不依赖于经验。更进一步改进的电子听诊器还增设了主控模块，处理后的心音信号经过主控模块可传输至PC机，进行进存储。目前的电子听诊器采用的是通过电子元器件选型和电路设计来实现自动测试，电子听诊器既能检测普通的心音信号，也能捕捉特殊的心音和肺音等相关信息，但是对于心音中出现的杂音和畸变很难真实的反应出来，导致诊断信息不能反映出杂音和畸变信息。然而心音中的杂音和畸变是反应心脏早期病变的有用信息，因此目前的电子听诊器不能实现更早的发现病变的目的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的不能检测到心音中出现的杂音和畸变信息的不足，提供一种基于双控制器的电子听诊器，采用PID控制器和模糊控制器实现心音中的杂音和畸变信息检测。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种基于双控制器的电子听诊器，包括用于实时采集心音信号的心音探头，所述心音探头连接信号调理电路，实时采集的心音信号经过信号调理电路调理后输入至主控模块；所述主控模块包括A/D转换器、比较器、PID控制器和模糊控制器，调理后的心音信号经A/D转换后输入至比较器，比较器将转换后的心音信号与给定心音信号进行比较，并将比较结果输出至PID控制器或模糊控制器，PID控制器或模糊控制器对比较结果进行控制处理后，输出得到实时反应心音特点的输出心音信号，该输出心音信号同时作为给定心音信号返回至比较器。

进一步的，所述给定心音信号的初始值为一设定信号。

进一步的，比较器将经A/D转换后心音信号与给定心音信号进行幅度比较，得到偏差e；如果偏差e大于阈值n且小于等于设定参数m，则将偏差e输入至PID控制器；如果偏差e大于设定参数m，则将偏差e输入至模糊控制器。

进一步的，所述PID控制器对接收到的偏差e进行处理，再根据经A/D转换后的心音信号U_i得到输出心音信号U_o，U_o＝U_i*u(k)，K_p为比例系数，e(k)为第k个采样点的偏差量，T_i为积分系数，T_D为微分系数。

进一步的，所述模糊控制器为二维模糊控制器，以偏差e及偏差变化率e_c作为输入量，模糊化后转化为模糊集合；然后根据模糊控制规则对模糊集合进行模糊推理；然后将模糊推理得到的模糊量进行去模糊化，得到输出控制量u，输出控制量u经过比例因子ku修正后得到输出量U，U＝ku*u；最后根据经A/D转换后的心音信号U_i得到输出心音信号U_o，U_o＝U_i*U。

进一步的，如果偏差e小于等于阈值n，则经A/D转换后的心音信号U_i经过零处理函数f(β)修正后得到输出心音信号U_o，U_o＝U_i*f(β)，f(β)＝β*δu(k)，δu(k)＝K_p(e_k-e_k-1)+K_ie_k，K_i为积分系数，e_k为第k个采样点的偏差值，Kp为比例系数，β为设置的修正参数，δu(k)为前后两次处理数据的变化量，Ki为积分系数。

进一步的，所述信号调理电路包括初级放大器、低通滤波器和主放大器，信号调理电路对采集的心音信号进行功率放大和滤波处理。

优选的，所述信号调理电路还连接有功率放大器，所述功率放大器连接扬声器，经信号调理电路调理后的心音信号经过功率放大器放大后由扬声器输出。

优选的，所述主控模块还连接PC机和/或显示屏。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明电子听诊器采集实时心音信号后，根据将采集的实际心音信号与给定心音信号的偏差e选取不同的控制方式：当偏差e大于阈值n且小于等于设定参数m时，采用PID控制方式，当偏差e大于设定参数m时采用模糊控制方式，当偏差e小于等于阈值n时，经A/D转换后的心音信号经修正后直接输出。采集的心音信号经过三种控制方式交互控制处理后能够得到准确的实时反应心音特点的心音信号，真实的反应出心音信号中存在的杂音和畸变信号，给出准确的诊断信息，实现对心血管疾病，特别是心瓣膜病、先天性心脏病和心率失常等病灶的早期判断，为后续的治疗提供有益的病理检测参数。

附图说明：

图1为本发明基于双控制器的电子听诊器的结构框图。

图2为本发明基于双控制器的电子听诊器的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

参考图1，本发明提供的基于双控制器的电子听诊器，包括用于采集心音信号的心音探头，心音探头连接听筒，医生通过听筒听取心音信号进行诊断。心音探头还连接信号调理电路，信号调理电路包括初级放大器、低通滤波器和主放大器，心音信号经过信号调理电路滤波、放大后经两路输出，一路经过功放(功率放大器)放大后由扬声器输出，进行实时心音播放，另一路经过主控模块中的A/D转换器进行A/D转换后，再输入至主控模块中的PID控制器和模糊控制器，主控模块通过三种控制方式交互使用对经过A/D转换后的心音信号进行控制处理，输出能实时反应心音特点的输出心音信号。输出心音信号经由显示屏输出心音图以及病理参数，同时通过串口或USB接口传输至PC机，PC机将病理参数进行存储，以备后续使用。

参考图2，经过滤波、放大后的心音信号进入主控模块，采用三种控制方式进行控制，一种是PID控制方式，一种是模糊控制方式，还有一种是零控制方式，即对输入的心音信号不作任何控制处理，而是对输入的心音信号进行修正后直接输出。三种控制方式的选取根据心音信号与给定心音信号的偏差e进行，即是说，将采集的实际心音信号与给定心音信号的幅度作比较，得到偏差e，再根据偏差e来选取相应的控制方式。所述给定心音信号为主控模块输出的输出心音信号U_o，由于第一次比较时主控模块没有输出，因此给定心音信号的初始值为一个设定信号，该设定信号为无杂音无畸变的健康心音信号。即是说，第一次使用的给定心音信号为一个设定信号，从第二次开始使用的给定心音信号为主控模块输出的输出心音信号U_o。偏差e的取值通过大量不同年龄、不同性别的人群的实验数据得出。具体的，当采集的实际心音信号与给定心音信号的偏差e较小，即偏差e大于阈值n且小于等于设定参数m时，采用PID控制方式，以减少该控制方式的静态误差。阈值n和设定参数m的值是变化的，其根据数字信号处理的结果(数字信号可以被放大或缩小)而确定，作为一组实施数据，n＝12，m＝46。当采集的实际心音信号与给定心音信号的偏差e大于设定参数m时，采用模糊控制方式，以减小该控制方式的响应超调，加快反应时间。当采集的实际心音信号与给定心音信号的偏差e极小，即小于等于阈值n时，采用零控制方式，即对心音信号进行修正后直接输出，以防止控制系统(主控模块)过于频繁的调节作用而引起控制系统持续振荡，从而保证控制系统的稳定性和控制性能。三种控制方式的数学表示如下：

f(β)＝β*δu(k),δu(k)＝K_p(e_k-e_k-1)+K_ie_ke≤n

$\begin{array}{cc}u\left(k\right)=K_p(e\left(k\right)+\frac{1}{T_i}\underset{0}{\overset{K}{\&Integral;}}e\left(k\right)\mathrm{dk}+\frac{T_D{\mathrm{de}}_k}{\mathrm{dk}})& n<e\&le;m\end{array}$

模糊控制e＞m

其中，f(β)为零处理函数，β是设置的修正参数，δu(k)为前后两次处理数据的变化量，当采集的实际心音信号与给定心音信号的偏差e小于等于阈值n时，通过零处理函数f(β)对经A/D转换后的心音信号U_i进行修正后直接输出，得到输出心音信号U_o，U_o＝U_i*f(β)。K_p、K_i分别为比例系数和积分系数，e_k为第k个采样点的偏差量，作为一组实施数据，K_p＝45，K_i＝8，β＝0.95。

主控模块包括PID控制器和模糊控制器。参考图2，U_i是主控模块的输入量，U_o既是主控模块的输出量，同时又是被控对象的输入量，即是说，U_o同时作为给定心音信号回传至比较器，与输入信号U_i进行幅度比较。使用PID控制器的主要目的是在给定心音信号与实际心音信号的差值较小时，即偏差e大于n且小于等于m时，进行调节输出一个调整信号u(k)，调整信号u(k)与输入信号U_i得到输出信号U_o，U_o＝U_i*u(k)，通过显示器显示出该输出信U_o的波形，即可反应出心音信号中包含的病理杂音信息。

针对模糊控制方式，本实施例中采用二维模糊控制器，以给定心音信号与采集的实际心音信号的偏差e及偏差变化率e_c作为输入量，即e_c为偏差e对时间t的求导，把偏差e及偏差变化率e_c的变化映射到相应的内部论域中去,采用三角形隶属度函数将该内部论域中输入数据转换成相应的语言变量概念，并构成模糊集合，实现把输入的精确量转换成为模糊集合隶属度函数表示的某一模糊变量的值，即是说，输入量经过模糊化处理，将输入量的精确值变化成其对应论域上的自然语言描述的模糊集合。然后根据模糊控制规则采用离散方式计算出模糊控制表(如表1、表2)存储于主控模块的CPU存储器中，将复杂的在线性推理简化为查表运算，可提高系统的响应速度，从而提升系统效率。其中，E、Ec分别为e、e_c的模糊量，u为输出控制量，即偏差e经过模糊处理后的数据信息，U为u经过修正因子ku修正后的输出量，U＝ku*u，经A/D转换后的心音信号U_i与U得到输出心音信号U_o，U_o＝U_i*U。

在采用的模糊控制器算法中，输入量e、e_c和输出控制量u均划分为五个模糊子集，记为{NB,NS,O,PS,PB}，并将输入量e、e_c和输出控制量u的论域量化为{-3,-2,-1,0,1,2,3}七个等级，模糊子集的隶属函数采用三角形。确定偏差e、偏差变化率e_c和输出控制量u的基本论域分别为[-20,20]、[-12,12]和[-30,30]。为了使基本论域[-20,20]、[-12,12]和[-30,30]转化为整数论域[-3，3]，则设定量化因子Ke＝0.15、Ke_c＝0.25，比例因子Ku＝0.1。

控制规则的确定原则是必须确保模糊控制器的输出能使系统输出响应的动静特性达到最佳。经过大量试验研究，得出一组较好的模糊控制参数设置，如表1所示。

表-1模糊控制参数设置表

根据模糊控制规则给出的模糊关系进行合成推理运算，并得出相应的模糊矢量。经反模糊化关系运算得出模糊控制参数设置表2。

表-2模糊控制参数设置表

按照表1、表2所示的参数设置，可确保模糊控制器的输出能使系统输出响应的动静特性达到最佳。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (8)

1.一种基于双控制器的电子听诊器，包括用于实时采集心音信号的心音探头，所述心音探头连接信号调理电路，实时采集的心音信号经过信号调理电路调理后输入至主控模块；其特征在于，

所述主控模块包括A/D转换器、比较器、PID控制器和模糊控制器，调理后的心音信号经A/D转换后输入至比较器，比较器将转换后的心音信号与给定心音信号进行比较，并将比较结果输出至PID控制器或模糊控制器，PID控制器或模糊控制器对比较结果进行控制处理后，输出得到输出心音信号，该输出心音信号同时作为给定心音信号返回至比较器。

2.根据权利要求1所述的基于双控制器的电子听诊器，其特征在于，所述给定心音信号的初始值为一设定信号。

3.根据权利要求2所述的基于双控制器的电子听诊器，其特征在于，比较器将经A/D转换后心音信号与给定心音信号进行幅度比较，得到偏差e；如果偏差e大于阈值n且小于等于设定参数m，则将偏差e输入至PID控制器；如果偏差e大于设定参数m，则将偏差e输入至模糊控制器。

4.根据权利要求3所述的基于双控制器的电子听诊器，其特征在于，所述模糊控制器为二维模糊控制器，以偏差e及偏差变化率e_c作为输入量，模糊化后转化为模糊集合；然后根据模糊控制规则对模糊集合进行模糊推理；然后将模糊推理得到的模糊量进行去模糊化，得到输出控制量u，输出控制量u经过比例因子ku修正后得到输出量U，U＝ku*u；最后根据经A/D转换后的心音信号U_i得到输出心音信号U_o，U_o＝U_i*U。

5.根据权利要求2所述的基于双控制器的电子听诊器，其特征在于，如果偏差e小于等于阈值n，则经A/D转换后的心音信号U_i经过零处理函数f(β)修正后得到输出心音信号U_o，U_o＝U_i*f(β)，f(β)＝β*δu(k)，δu(k)＝K_p(e_k-e_k-1)+K_ie_k，K_i为积分系数,e_k为第k个采集点的偏差值，K_p为比例系数，β为设置的修正参数，δu(k)为前后两次处理数据的变化量，K_i为积分系数。

6.根据权利要求1所述的基于双控制器的电子听诊器，其特征在于，所述信号调理电路包括初级放大器、低通滤波器和主放大器，信号调理电路对采集的心音信号进行功率放大和滤波处理。

7.根据权利要求1所述的基于双控制器的电子听诊器，其特征在于，所述信号调理电路还连接有功率放大器，所述功率放大器连接扬声器，经信号调理电路调理后的心音信号经过功率放大器放大后由扬声器输出。

8.根据权利要求1所述的基于双控制器的电子听诊器，其特征在于，所述主控模块还连接PC机和/或显示屏。