CN212853501U - 心音信号采集分析系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于医疗器械技术领域，提供了一种心音信号采集分析系统，包括心音信号采集单元、环境噪音信号采集单元、心电信号采集单元、信号处理单元、信号传输单元和上位机；心音信号采集单元、环境噪音信号采集单元和心电信号采集单元均连接信号处理单元，信号处理单元连接信号传输单元，信号传输单元连接上位机。本系统可以实现对心音信号的采集，并对采集的心音信号处理后进行分析，系统具有结构简洁，功能清晰，能够有效提取和分析心音信号的特点。

Description

心音信号采集分析系统

技术领域

本实用新型属于医疗器械技术领域，尤其涉及一种心音信号采集分析系统。

背景技术

心音是由于心脏瓣膜的开关、肌腱和肌肉的舒张收缩、血流的冲击及心血管壁振动而产生的一种复合音。它包含的关于心脏各个部分如心房、心室、大血管、心血管及各个瓣膜功能状态的大量病理信息，是临床评估心脏功能状态的最基本参数。当心血管疾病尚未发展到足以产生临床及病理改变(如心电图变化)以前，心音中出现的杂音和畸变就是重要的诊断信息。因此，心音具有心电不可替代的重要临床诊断优势。

近年来，由于计算机技术、现代数字信号处理技术、模式识别等广泛应用，基于心音信号的心脏疾病智能诊断系统研究成为国外研究热点，而国内在这方法仅处于起步阶段，并且国外研究者虽然展开了系列而深入的研究，但大量采用人工神经网络、支持向量机等分类器进行单一心脏病杂音分类，系统结构复杂。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种心音信号采集分析系统，以解决现有技术中心音采集分析系统结构复杂的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型的实施例提供了一种心音信号采集分析系统，包括心音信号采集单元、环境噪音信号采集单元、心电信号采集单元、信号处理单元、信号传输单元和上位机；

所述心音信号采集单元、所述环境噪音信号采集单元和所述心电信号采集单元均连接所述信号处理单元，所述信号处理单元连接所述信号传输单元，所述信号传输单元连接所述上位机；

所述心音信号采集单元用于采集心音信号，所述环境噪音信号采集单元用于采集环境噪音信号，所述心电信号采集单元用于采集心电信号，所述信号处理单元接收所述心音信号、所述环境噪音信号和所述心电信号，并对所述心音信号、所述环境噪音信号和所述心电信号进行处理，处理后的所述心音信号、所述环境噪音信号和所述心电信号经过所述信号传输单元传送至所述上位机，所述上位机对所述心音信号、所述环境噪音信号和所述心电信号进行分析。

进一步地，所述信号处理单元包括模数转换电路、第一处理器和若干个滤波电路，若干个滤波电路均连接所述模数转换电路，所述模数转换电路连接所述第一处理器，所述第一处理器连接所述信号传输单元。

进一步地，每个滤波电路包括放大电路、15Hz高通滤波电路、50Hz工频陷波电路和2KHz低通滤波电路，所述放大电路的输入端连接所述心音信号采集单元或所述环境噪音信号采集单元或所述心电信号采集单元，所述放大电路的输出端连接所述15Hz高通滤波电路的输入端，所述15Hz高通滤波电路的输出端连接所述50Hz工频陷波电路的输入端，所述50Hz工频陷波电路的输出端连接所述2KHz低通滤波电路的输入端，所述2KHz低通滤波电路的输出端连接所述模数转换电路。

进一步地，所述信号处理单元包括滤波电路的个数为八个。

进一步地，所述心音信号采集单元包括若干个依次连接的听诊头，每个听诊头包括壳体、配重块、蜂鸣片和信号线，所述配重块安装在所述壳体内部的顶端，所述蜂鸣片安装在所述壳体内部的底端，所述蜂鸣片和所述配重块之间为可与所述蜂鸣片发生谐振的共鸣腔，所述信号线的一端连接所述蜂鸣片，所述信号线的另一端穿过所述壳体的侧部连接所述信号处理单元。

进一步地，所述配重块的重量不小于十克。

进一步地，所述心音信号采集单元包括三个听诊头。

进一步地，所述上位机包括第二处理器和显示单元，所述第二处理器分别连接所述显示单元和所述信号传输单元。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本实用新型设计一种心音信号采集分析系统，心音信号采集单元用于采集心音信号，环境噪音信号采集单元用于采集环境噪音信号，心电信号采集单元用于采集心电信号，信号处理单元接收心音信号、环境噪音信号和心电信号，并对心音信号、环境噪音信号和心电信号进行处理，处理后的心音信号、环境噪音信号和心电信号经过信号传输单元传送至上位机，上位机对心音信号、环境噪音信号和心电信号进行分析。本系统可以实现对心音信号的采集，并对采集的心音信号处理后进行分析，系统具有结构简洁，功能清晰，能够有效提取和分析心音信号的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的心音信号采集分析系统的原理框图；

图2是本实用新型实施例提供的滤波电路的电路图；

图3是本实用新型实施例提供的放大电路的电路图；

图4是本实用新型实施例提供的15Hz高通滤波电路的电路图；

图5是本实用新型实施例提供的50Hz工频陷波电路的电路图；

图6是本实用新型实施例提供的2KHz低通滤波电路的电路图；

图7是本实用新型实施例提供的心音信号采集单元的结构示意图；

图8是本实用新型实施例提供的听诊头的结构示意图；

图9是本实用新型另一个实施例提供的心音信号采集分析系统的原理框图；

图10是本实用新型实施例提供的信号分析方法的流程图。

图中：1、壳体；2、配重块；3、蜂鸣片；4、信号线；5、共鸣腔；6、听诊头；100、放大电路；200、15Hz高通滤波电路；300、50Hz工频陷波电路；400、2KHz低通滤波电路。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本实用新型实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本实用新型。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本实用新型的描述。

为了说明本实用新型所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

如图1所示，心音信号采集分析系统包括心音信号采集单元、环境噪音信号采集单元、心电信号采集单元、信号处理单元、信号传输单元和上位机；心音信号采集单元、环境噪音信号采集单元和心电信号采集单元均连接信号处理单元，信号处理单元连接信号传输单元，信号传输单元连接上位机；心音信号采集单元用于采集心音信号，环境噪音信号采集单元用于采集环境噪音信号，心电信号采集单元用于采集心电信号，信号处理单元接收心音信号、环境噪音信号和心电信号，并对心音信号、环境噪音信号和心电信号进行处理，处理后的心音信号、环境噪音信号和心电信号经过信号传输单元传送至上位机，上位机对心音信号、环境噪音信号和心电信号进行分析。

本系统可以实现对心音信号的采集，并对采集的心音信号处理后进行分析，系统具有结构简洁，功能清晰，能够有效提取和分析心音信号的特点。

本实用新型的一个实施例中，信号处理单元包括模数转换电路、第一处理器和若干个滤波电路，若干个滤波电路均连接模数转换电路，模数转换电路连接第一处理器，第一处理器连接信号传输单元。

心音信号采集单元采集的心音信号、环境噪音信号采集单元环境噪音信号、心电信号采集单元心电信号分别通过不同的滤波电路，经过处理器后的信号再经模数转换电路将模拟信号转换为数字信号，转换后的数字信号传送至第一处理器，第一处理器将数字信号进行分析，进行疾病的诊断。使用此系统，能够实现对心音信号的数字化分析，医护人员通过数据进行病情的诊断，避免了医护人员依靠经验进行诊断造成误诊的现象。

如图2所示，每个滤波电路包括放大电路100、15Hz高通滤波电路200、50Hz工频陷波电路300和2KHz低通滤波电路400，放大电路100的输入端连接心音信号采集单元或环境噪音信号采集单元或心电信号采集单元，放大电路100的输出端连接15Hz高通滤波电路200的输入端，15Hz高通滤波电路200的输出端连接50Hz工频陷波电路300的输入端，50Hz工频陷波电路300的输出端连接2KHz低通滤波电路400的输入端，2KHz低通滤波电路400的输出端连接模数转换电路。

心音信号采集单元采集的心音信号或环境噪音信号采集单元采集的环境噪音信号或心电信号采集单元采集的心电信号传送至放大电路100中，放大电路100对信号进行放大，放大后的信号进入15Hz高通滤波电路200中，过滤到15Hz以下的信号，然后经过50Hz工频陷波电路300，将信号中的50Hz的工频信号过滤，再经2KHz低通滤波电路400，将高于2KHz的信号过滤，最终得到15Hz至2KHz的信号，实现对信号的精准提取。

如图3所示，放大电路100包括电阻R1、电阻R2、电阻R4、电阻R10、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电容C8、电容C5、电容C3、电容C11、电容C16、电容C17和放大芯片，电阻R1的一端分别连接电容C8的一端和心音信号采集单元的一端或环境噪音信号采集单元的一端或心电信号采集单元的一端，电阻R1的另一端连接+2V电源，电容C8的另一端连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端分别连接电容C5的一端、电阻R4的一端和放大芯片的第三引脚，电容C5的另一端分别连接电阻R4的另一端、电容C16的一端、电阻R19的一端和地，电容C16的另一端分别连接电阻R19的另一端、电阻R18的一端和放大芯片的第二引脚，电阻R18的另一端连接电容C11的一端，电容C11的另一端分别连接电阻R17的一端和心音信号采集单元的另一端或环境噪音信号采集单元的另一端或心电信号采集单元的另一端，电阻R17的另一端接地，电阻R10的一端连接放大芯片的第八引脚，电阻R10的另一端连接放大芯片的第一引脚，电容C3的一端分别连接放大芯片的第七引脚和+2V电源，电容C3的另一端接地，电容C17的一端分别连接放大芯片的第四引脚和-2V电源，电容C17的另一端分别连接放大芯片的第五引脚和地，放大芯片的第六引脚连接15Hz高通滤波电路200的输入端。

本实用新型的一个实施例中，放大芯片为INA188ID。

放大电路100能够对电路进行放大。

如图4所示，15Hz高通滤波电路200包括电容C13、电容C14、电容C1、电容C21、电阻R5、电阻R23、电阻R25、电阻R26和第一滤波芯片，电容C13的一端连接放大电路100的输出端，电容C13的另一端分别连接电容C14的一端和电阻R5的一端，电容C14的另一端分别连接电阻R23的一端和第一滤波芯片的第三引脚，电阻R23的另一端接地，电阻R5的另一端分别连接电阻R25的一端和第一滤波芯片的第一引脚，电阻R25的另一端分别连接电阻R26的一端和第一滤波芯片的第二引脚，电阻R26的另一端接地，电容C1的一端分别连接第一滤波芯片的第八引脚和+2V电源，电容C1的另一端接地，电容C21的一端分别连接第一滤波芯片的第四引脚和-2V电源，电容C21的另一端接地，第一滤波芯片的第一引脚连接50Hz工频陷波电路300的输入端。

本实用新型的一个实施例中，第一滤波芯片为OPA2188AIDGK。

15Hz高通滤波电路200将低于15Hz的信号进行过滤。

如图5所示，50Hz工频陷波电路300包括电阻R20、电阻R6、电阻R21、电阻R7、电阻R22、电阻R8、电阻R13、电容C6、电容C18、电容C7、电容C15和第二滤波芯片，电阻R8的一端分别连接15Hz高通滤波电路200的输出端、电容C6的一端和电阻R20的一端，电容C6的另一端分别连接电阻R6的一端和电容C7的一端，电阻R20的另一端分别连接电容C18的一端和电阻R21的一端，电阻R6的另一端分别连接电容C18的另一端、电阻R22的一端、第二滤波芯片的第六引脚、第二滤波芯片的第七引脚和电阻R13的一端，电容C7的另一端分别连接电阻R21的另一端、电阻R7的一端和第二滤波芯片的第五引脚，电阻R7的另一端分别连接电容C15的一端和电阻R22的另一端，电容C15的另一端接地，电阻R13的另一端分别连接电阻R8的另一端和2KHz低通滤波电路400的输入端。

本实用新型的一个实施例中，第二滤波芯片为OPA2188AIDGK。

50Hz工频陷波电路300将50Hz的工频干扰信号进行过滤。

如图6所示，2KHz低通滤波电路400包括电阻R3、电阻R11、电阻R12、电阻R24、电阻R15、电阻R9、电阻R16、电阻R14、电容C4、电容C9、电容C2、电容C12、电容C19、电容C20、电容C10和第三滤波芯片，电阻R14的一端连接50Hz工频陷波电路300的输出端，电阻R14的另一端分别连接电阻R15的一端、电阻R24的一端和电容C9的一端，电容C9的另一端分别连接电阻R11的一端、电阻R12的一端和电阻R3的一端，电阻R11的另一端接地，电阻R3的另一端分别连接电容C4的一端、电容C10的一端、电阻R9的一端和模数转换电路的第一输入端，电容C4的另一端分别连接电阻R12的另一端和第三滤波芯片的第八引脚，电容C12的一端连接第三滤波芯片的第七引脚，电容C12的另一端接地，第三滤波芯片的第二引脚接地，电阻R15的另一端分别连接电容C19的一端和第三滤波芯片的第一引脚，电阻R24的另一端分别连接电容C19的另一端、电容C10的另一端，电阻R16的一端和模数转换电路的第二输入端，电阻R9的另一端连接第三滤波芯片的第五引脚，电阻R16的另一端连接第三滤波芯片的第四引脚，电容C20的一端分别连接第三滤波芯片的第六引脚和-2V电源，电容C20的另一端接地，电容C2的一端分别连接第三滤波芯片的第三引脚和+2V电源，电容C2的另一端接地。

本实用新型的一个实施例中，第三滤波芯片为LTC6363IMS8#PBF。

2KHz低通滤波电路400将高于2KHz的信号进行过滤，最终得到15Hz至2KHz的信号。

本实用新型的一个实施例中，信号处理单元包括滤波电路的个数为八个。此设计能够实现六路心音信号采集单元、一路环境噪音信号采集单元和一路心电信号采集单元同时采集，采集数据多，提高诊断的准确性。

如图7和图8所示，心音信号采集单元包括若干个依次连接的听诊头6，每个听诊头6包括壳体1、配重块2、蜂鸣片3和信号线4，配重块2安装在壳体1内部的顶端，蜂鸣片3安装在壳体1内部的底端，蜂鸣片3和配重块2之间为可与蜂鸣片3发生谐振的共鸣腔5，信号线4的一端连接蜂鸣片3，信号线4的另一端穿过壳体1的侧部连接信号处理单元。

对人体心音信号进行采集时，听诊头6放在人体的指定位置上，由于配重块2的设置，可以使听诊头6和人体紧密接触，人体心音传到蜂鸣片3上转换成为电信号，由于共鸣腔5可以和蜂鸣器发生谐振，达到增加声压的效果，转换成为的电信号传送至信号处理单元进行信号处理，完成人体心音信号的采集。使用听诊头6对人体心音信号采集时，可以捕捉到微弱的心音信号，通过调节蜂鸣片3和共鸣腔5可以增大特定频率下的声压和获得特定的带宽，能够精准获取心音信号，并将心音信号呈波形显示，医护人员通过观察心音波形进行诊断，解决由于医护人员依靠耳朵听取心音造成误诊的现象。

本实用新型的一个实施例中，配重块2的重量不小于十克。此设计能够保证配重块2能够起到增加听诊头6整体的质量，保证听诊头6安放在人体上时，听诊头6能够和人体紧密接触，保证能够对人体心音信号的良好采集。

本实用新型的一个实施例中，心音信号采集单元包括三个听诊头6。

人的心脏体积不大，每个心音信号采集单元包括三个听诊头6，在进行人体心音信号采集时，使用两个该心音信号采集单元分别放置在心脏的两侧，即可完全包围心脏，实现对心音信号的采集。同时根据需要可以设置不同个数的听诊头6，例如设置为两个或四个。

本实用新型的一个实施例中，蜂鸣片3为压电陶瓷蜂鸣片。压电陶瓷蜂鸣片包括一块两面印刷有电极的压电陶瓷板和一块金属板，使用粘合剂，压电陶瓷板和金属板粘接在一起，心音声波传到陶瓷压电板使陶瓷压电板产生电信号传送至信号处理单元进行信号处理。

通过压电蜂鸣片3和共鸣腔5的大小可以获得心音信号频段带宽，即从结构上滤波。原理：蜂鸣片3安装在共鸣腔5室内，以产生高声压。利用公式(赫尔姆霍茨公式)，可以计算出共鸣腔5室的谐振频率(f_cav)。由于蜂鸣片3和共鸣腔5室具有适当的谐振频率，分别为(f₀)和(f_cav)，因此，可以通过控制两者的位置来增大特定频率下的声压和获得特定的带宽。

本实用新型的一个实施例中，蜂鸣片3的直径为27毫米，谐振频率为两千赫兹。

通常谐振频率越低，蜂鸣片3的直径越大，厚度越薄，但是由于人体的心脏大小的限制，采用组探头进行检测，所以蜂鸣器的直径不能太大，综合谐振频率和直径大小两方面因素，选择直径为27毫米，谐振频率为两千赫兹的型号。

如图9所示，上位机包括第二处理器和显示单元，第二处理器分别连接显示单元和信号传输单元。

第二处理器通过信号传输单元接收处理后的心音信号、环境噪音信号和心电信号，然后对三个信号进一步处理，将三种信号以波形进行显示，医护人员根据显示的波形进行诊断，提高诊断的准确性。

如图10所示，基于心音信号采集分析系统的信号分析方法，包括：

步骤S901，对心音信号进行消噪及预处理；使用小波阈值消噪，去除高频噪音。

步骤S902，对消噪及预处理后的心音信号进行包络提取；使用Hilbert变换提取包线。

步骤S903，对包络提取后的心音信号进行包络平滑；使用均值法去除局部突变值。

步骤S904，对心电信号的P波定位；通过心电通道数据，设定阈值和使用窗口，定位P波波峰位置。

步骤S905，根据心电信号的P波定位位置对心音信号图定位及分段；通过P波波峰位置定位S1初始位置，延后120ms定位S1结束位置。在相邻的S1结束位置和S1的起始位置，寻找最大值，以该位置作为S2的起至位置。

步骤S906，对分段后的心音信号图舒张期分解；使用EEMD分解舒张期信号数据。

步骤S907，计算平均瞬时频率和标准差；对分解后的各层计算瞬时频率，然后计算平均瞬时频率和标准差。

步骤S908，计算样品熵；去除EEMD分解后层里的低频部分(与原始样本相关系数低的部分)，减少这部分对样本熵计算结果的影响。

通过此方法，能够实现对心音信号的精准分析，由于主提高诊断的准确性。

以上所述实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种心音信号采集分析系统，其特征在于，包括心音信号采集单元、环境噪音信号采集单元、心电信号采集单元、信号处理单元、信号传输单元和上位机；

所述心音信号采集单元、所述环境噪音信号采集单元和所述心电信号采集单元均连接所述信号处理单元，所述信号处理单元连接所述信号传输单元，所述信号传输单元连接所述上位机；

所述心音信号采集单元用于采集心音信号，所述环境噪音信号采集单元用于采集环境噪音信号，所述心电信号采集单元用于采集心电信号，所述信号处理单元接收所述心音信号、所述环境噪音信号和所述心电信号，并对所述心音信号、所述环境噪音信号和所述心电信号进行处理，处理后的所述心音信号、所述环境噪音信号和所述心电信号经过所述信号传输单元传送至所述上位机，所述上位机对所述心音信号、所述环境噪音信号和所述心电信号进行分析。

2.根据权利要求1所述的心音信号采集分析系统，其特征在于，所述信号处理单元包括模数转换电路、第一处理器和若干个滤波电路，若干个滤波电路均连接所述模数转换电路，所述模数转换电路连接所述第一处理器，所述第一处理器连接所述信号传输单元。

3.根据权利要求2所述的心音信号采集分析系统，其特征在于，每个滤波电路包括放大电路、15Hz高通滤波电路、50Hz工频陷波电路和2KHz低通滤波电路，所述放大电路的输入端连接所述心音信号采集单元或所述环境噪音信号采集单元或所述心电信号采集单元，所述放大电路的输出端连接所述15Hz高通滤波电路的输入端，所述15Hz高通滤波电路的输出端连接所述50Hz工频陷波电路的输入端，所述50Hz工频陷波电路的输出端连接所述2KHz低通滤波电路的输入端，所述2KHz低通滤波电路的输出端连接所述模数转换电路。

4.根据权利要求2所述的心音信号采集分析系统，其特征在于，所述信号处理单元包括滤波电路的个数为八个。

5.根据权利要求1所述的心音信号采集分析系统，其特征在于，所述心音信号采集单元包括若干个依次连接的听诊头，每个听诊头包括壳体、配重块、蜂鸣片和信号线，所述配重块安装在所述壳体内部的顶端，所述蜂鸣片安装在所述壳体内部的底端，所述蜂鸣片和所述配重块之间为可与所述蜂鸣片发生谐振的共鸣腔，所述信号线的一端连接所述蜂鸣片，所述信号线的另一端穿过所述壳体的侧部连接所述信号处理单元。

6.根据权利要求5所述的心音信号采集分析系统，其特征在于，所述配重块的重量不小于十克。

7.根据权利要求5所述的心音信号采集分析系统，其特征在于，所述心音信号采集单元包括三个听诊头。

8.根据权利要求1所述的心音信号采集分析系统，其特征在于，所述上位机包括第二处理器和显示单元，所述第二处理器分别连接所述显示单元和所述信号传输单元。

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