CN202313422U

CN202313422U - 便携式冠状动脉狭窄无损诊断仪

Info

Publication number: CN202313422U
Application number: CN2011204800826U
Authority: CN
Inventors: 赵治栋; 骆懿; 田县庭; 尚俊娜
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2011-11-28
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2021-11-28

Abstract

本实用新型涉及一种便携式冠状动脉狭窄无损诊断仪。本实用新型中的心肺音传感器采集人体生理信号经信号放大后传输给三个带通滤波器中的一个，该滤波器输出两路信号，一路信号送入音频功率放大器，通过耳机实现对人体生理信号的听诊，另一路信号送入微控制器，所述的微控制器含有AD模块和UART模块；AD模块采样送入微控制器的信号，UART模块读取AD模块转换结果，转换结果通过与微控制器相连的蓝牙串口模块进行无线发送，PDA无线接收蓝牙串口模块发送的信号。本实用新型具有体积小、功耗低、运行稳定可靠等优势，成本低，便于携带，蓝牙无线传输代替有线传输，大大提高了诊断仪的应用范围。

Description

便携式冠状动脉狭窄无损诊断仪

技术领域

本实用新型属于医疗器械技术领域，涉及一种便携式冠状动脉狭窄无损诊断仪。

背景技术

冠心病是世界上严重危害人类身体健康的最重要的心血管疾病之一，由于其发病率高，死亡率高，严重危害着人类的身体健康，据世界卫生组织(WHO)统计，每年约1200万人死于冠心病，被公认为世界性“头号杀手”。冠心病的危害具有严重性、广泛性和复杂性，关键在于早期诊断、及时治疗。由于没有有效的监测手段使病人能够及时得到治疗，例如医院的心电图仪一般只有在病人出现病症时才能检测出心血管疾病，导致许多患者隐形的心血管等病症因得不到诊断而逐渐加重。因此，面向社区医院和家庭的便携式心血管疾病监测仪器的应用成为保障患者生命安全的重要手段。

医疗监护技术的长期发展和不断进步，已经将人们的健康水平推进到了前所未有的高度，而对当前危害人类生命的冠心病，能够实现早期发现、诊断和治疗，则已经成为以社区医院和家庭为单位的新型医疗模式的技术关键。随着电子、通讯以及相关工程领域技术的日益发展，现代医学研究已经对医疗仪器领域产生了新的要求，医疗仪器逐步向小型化、便携化、家庭化发展。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种应用于社区和家庭的便携式冠状动脉狭窄无损诊断仪，该诊断仪能够实现下位机心肺音听诊器对心音、肺音、心肺音三种模式的听诊，上位机PDA蓝牙无线接收下位机心肺音听诊器系统蓝牙发送的心音，肺音或者心肺音信号，同时实现心音，肺音或者心肺音信号在PDA上的实时显示，并可以对采集的信号进行保存、回放已保存信号、对心音信号的冠脉堵塞智能分析、心率的计算等。

本实用新型解决技术问题所采取的技术方案为：

便携式冠状动脉狭窄无损诊断仪，包括心肺音传感器、30-500hz带通滤波器、100-1000hz带通滤波器、30-1000hz带通滤波器、微控制器、音频功率放大器、按键控制模块、耳机、蓝牙串口模块和PDA。心肺音传感器采集人体生理信号经信号放大后传输给30-500hz带通滤波器、100-1000hz带通滤波器或30-1000hz带通滤波器，带通滤波器由按键控制模块选定；选定的该滤波器输出两路信号，一路信号送入音频功率放大器，通过耳机实现对人体生理信号的听诊，另一路信号送入微控制器，所述的微控制器含有AD模块和UART模块；AD模块采样送入微控制器的信号，UART模块读取AD模块转换结果，转换结果通过与微控制器相连的蓝牙串口模块进行无线发送，PDA无线接收蓝牙串口模块发送的信号。

本实用新型的有益效果：该诊断仪具有体积小、功耗低、运行稳定可靠等优势，成本低，便于携带，蓝牙无线传输代替有线传输，大大提高了诊断仪的应用范围。

附图说明

图1为本实用新型结构框图；

图2为微控制器程序流程图；

图3为心音智能诊断算法流程图；

图4为心音自动分段算法流程图；

图5为舒张期心音特征提取算法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步说明。

本实用新型开发的便携式冠状动脉狭窄无损诊断仪是通过将电子听诊系统采集到的心音信号无线传输到PDA(如掌上电脑、智能手机等)，在PDA上设计相应的冠状动脉堵塞无损诊断算法，对冠脉堵塞做出判断或个人评估自身健康状况, 亦可采用PDA内部的GPRS模块与网络连接进行远程通信，由专家进行及时的诊断。

如图1所示，本实用新型由下位机心肺音听诊器和上位机PDA智能诊断仪组成。下位机听诊器主要包括心肺音传感器、30-500hz带通滤波器、100-1000hz带通滤波器、30-1000hz带通滤波器、微控制器、音频功率放大器、按键控制模块、耳机、蓝牙串口模块。所述的按键控制模块包括有与微控制器的输入输出口相连接的S1、S2、S3、S4、S5五个按键，S1键为休眠/唤醒按键，S2键为复位按键，S3键为模式按键，S4键为音量加按键，S5为音量减按键。S1按键实现微控制器的休眠与唤醒，按下S1键进入休眠，系统时钟被关闭，再按下S1系统被唤醒，处理器将从休眠之前所处的状态开始执行，S3模式按键通过微控制器控制可编程滤波器阵列，实现选择心音、肺音或者心肺音三种模式之一，S5复位按键实现微控制器系统复位。所述的微控制器为16位dsPIC33FJ128MC506芯片，dsPIC33FJ128MC506内置一个10位AD转换器，因此不需要外加ADC芯片，转换速度最高为1.1Msps，同时还含有两个通用异步通讯接口，使接口电路的设计更加简单，集成度更高，仪器的体积更加减小，增加了诊断仪的便携性。

心肺音传感器采集人体生理信号，传输给30-500hz带通滤波器，100-1000hz带通滤波器或30-1000hz带通滤波器，根据S3模式按键选择三个滤波器其中之一，滤波后输出心音，肺音或者心肺音信号，再把滤波后的信号一路送入音频功率放大模块，从而驱动耳机，用户可以听到自己的生理信号声音，用户通过S4音量加按键，S5音量减按键调节声音的大小。与此同时另一路滤波后的信号经过微控制器的输入输出端口送入微控制器的AD模块，进行10位AD模数转换。转换后每个采样点用两个字节表示，微控制器的UART模块读取转换结果，UART模块的U1TX发送引脚与蓝牙串口模块的RX相连接，U1RX接收引脚与蓝牙串口模块的TX相连接，这样采集的信号就可以通过蓝牙串口模块无线发送给上位机PDA，在PDA上实现信号采样点值的实时显示、信号采样点数的实时显示和信号波形的实时显示，采样结束后对信号以二进制文件的形式保存，可以进一步对信号进行冠脉堵塞智能分析、心率的计算等。蓝牙信号发送与心肺音的听诊是同时进行的。所述的蓝牙串口模块为HC-06蓝牙虚拟串口模块，波特率设置为115200，数据位为8位，1位停止位，工作电压3.3V，工作电流：40MA，休眠电流：小于1MA，可以与蓝牙笔记本电脑、电脑加蓝牙适配器、PDA等设备进行无缝连接。

如图2所示，为微控制器程序流程图。微控制器平时处于休眠模式，当微控制器由S1按键唤醒后，程序开始每隔相同时间间隔不断的扫描是否有按键按下，当有按键按下时触发中断，执行中断程序。当蓝牙串口模块收到PDA开始采集的指令后，微控制器的UART模块开始读取AD转化结果，蓝牙串口模块向PDA发送数据；当蓝牙串口模块收到PDA停止采集的指令后，UART模块停止读取AD转化结果，蓝牙模块不再向PDA发送数据。

在上位机PDA上开发了智能诊断软件，运行该软件，执行打开蓝牙按键建立上位机PDA蓝牙与下位机蓝牙串口模块6的连接，上位机PDA蓝牙与下位机蓝牙串口模块各种参数设置一致，波特率为115200，与2000Hz的采样率匹配，数据位为8位，1位停止位，无奇偶检验位，从而实现无缝连接。执行开始采集按键，上位机PDA通过LabVIEW写串口函数visa write立即向下位机发送0X78蓝牙串口开始发送指令,下位机接到该指令后读取AD转换结果，开始蓝牙串口发送，直到接收到上位机0X79停止发送指令，才关闭蓝牙串口模块的发送功能，下位机停止发送后，不影响听诊的功能。PDA通过LabVIEW读串口函数visa read读取下位机发送的十六进制字节流，两个字节表示一个采样数据，这样visa read函数每秒将读取4000字节，同时经过算法处理转化为2000点十进制采样数据。当信号采集进行时，用户可以在PDA软件主界面上看到信号波形的实时显示，信号采样点数的实时显示（因为采样率为2000Hz，所以每秒增加2000点），以及信号采样值的实时显示，当采样点数达到20000点时，软件自动停止采集。采集结束后，用户可以选择保存所采信号，所采集的信号暂时存储在一维数组数据缓冲区中，该缓冲区可扩展，空间大小随采样点数的增加而增加，这里我们只保存最后5秒采集到的10000点数据，所以只保存缓冲区中最后10000点数据，最后信号以二进制文件形式进行保存。执行回放信号按键，用户可以回看已保存在PDA上的信号，信号显示在波形图上，可以对信号做各种放大处理，如沿X轴方向放大、沿Y轴方向放大、矩形放大、还原原始波形等功能，从而用户可以更加清晰的看到自身生理信号的变化。PDA也可以与远程监护中心进行通信，由专家进行及时的诊断。执行心音冠状动脉狭窄无损诊断的功能，进一步可对信号进行冠脉堵塞智能分析、心率的计算等。如果心率过小（小于60）或过大（大于100）指示灯变亮，提醒用户注意。诊断时间约为10秒左右。同时在波形图上显示出正在进行诊断的心音信号波形。

如图3所示为心音诊断算法流程图，心音信号由自动分段算法分段，分段后自动提取舒张期信号（因为舒张期信号中含有冠脉阻塞的病理特征，这里只分析舒张期信号），对舒张期信号提取特征，之后送入训练好的支持向量机进行智能分析。

如图4所示为心音信号的自动分段流程图，实现心音信号分段的具体步骤分为：

1、心音去噪。首先对心音信号（10000点数据）进行消燥处理，滤波器为0-800Hz的反切比雪夫低通滤波器。

2、Hilbert变换求包络。对去噪后的心音信号Hilbert变换，求得心音信号的包络。

3、确定S1（第一心音）、S2（第二心音）的位置。首先对提取的包络进行处理，为了保留心音的特征点，将小于实际信号最大值的0.2倍部分去除，再对处理后的心音信号做二阶差分，提取信号的极大值点，这些极大值点可能就是S1、S2的位置点，此时的信号与原来的包络信号会有所不同，但是并不影响心音信号的主要生理特征。但是实际信号可能存在心音分裂等现象，有时或许在S1、S2的位置附近出现伪峰值点，应当把这些多余的峰值点去除。为此，根据心音的生理特征以及实际信号的采样频率，选择在一定的时间段（本文中选取300点为窗口）内寻求各极大值的最大值点，假如求得的峰值太过临近（比如间隔50点），则重新判断，由此可以确认出S1、S2的位置点。

4、确定S1、S2的起始位置点。首先对提取的包络信号做差分处理提取出包络信号的极小值点。上一步我们得到了S1、S2的位置点，考虑到心音的特征，在此基础上以S1、S2的位置点为基准点设置一个范围（本文取左右各130点），寻求此范围内的极小值中的最小值，作为S1、S2的起始位置点。

5、确定哪个是S1、S2。根据生理医学常识有：心音信号中从S2的结束到S1的开始，即相邻峰值中时间间隔较长的一段，即为心音信号的舒张期。通常情况下，S2到S1的时间间隔比S1到S2的时间间隔大，由此可以确认出哪个是S1、哪个是S2。

分段成功后，S1，S2坐标点确定，S1，S2左右边界坐标点也确定，从而可以提取出心音信号的舒张期心音，舒张期心音处于S2与S1之间，包括S2的左边界信号与S1的右边界信号。

如图5所示为舒张期特征心音提取流程图。对舒张期提取的特征有两个，一个是舒张期平均瞬时频率，一个是舒张期信号与心动周期能量比，这里采用基于EMD-TEAGER的舒张期心音瞬时频率提取算法提取瞬时频率。

EMD算法的基本原理是：经验模式分解(Empirical Mode Decomposition，简称EMD)是希尔伯特-黄变换的重要组成部分，将信号分离在不同的尺度上，得到一系列内蕴模式函数（Intrinsic Mode Function，IMF）。经验模式分解是自适应的，适用于非平稳、非线性信号的处理研究。

Teager能量算子定义为：，其中

为离散信号。

提取瞬时频率算法如下：

DESA-2算法：首先对

做差分运算

，然后进行Teager 能量算子运算，就得到

的瞬时频率

和瞬时幅度

的估计值，即：

如图5，舒张期瞬时频率提取步骤如下：

首先利用EMD将舒张期心音信号分解成5个IMF；然后用DESA-2算法计算每个IMF的瞬时频率；最后计算其平均瞬时频率。

若瞬时频率

分布有N个离散量

，则其平均瞬时频率定义为：

舒张期信号与心动周期能量比特征值，是舒张期信号能量与舒张期信号所在的心动周期信号能量的比值。

因为所分析的心音信号包含多个舒张期信号，对于每个舒张期信号均可提取上述平均瞬时频率，这样一段心音信号就有多个平均瞬时频率值，最后与其对应的能量比特征值结合为二维特征向量，归一化处理后，送入支持向量机进行判断后，输出分析结果。

Claims

1.便携式冠状动脉狭窄无损诊断仪，包括心肺音传感器、30-500hz带通滤波器、100-1000hz带通滤波器、30-1000hz带通滤波器、微控制器、音频功率放大器、按键控制模块、耳机、蓝牙串口模块和PDA，其特征在于：心肺音传感器采集人体生理信号经信号放大后传输给30-500hz带通滤波器、100-1000hz带通滤波器或30-1000hz带通滤波器，带通滤波器由按键控制模块选定；选定的该滤波器输出两路信号，一路信号送入音频功率放大器，通过耳机实现对人体生理信号的听诊，另一路信号送入微控制器，所述的微控制器含有AD模块和UART模块；AD模块采样送入微控制器的信号，UART模块读取AD模块转换结果，转换结果通过与微控制器相连的蓝牙串口模块进行无线发送，PDA无线接收蓝牙串口模块发送的信号。