1 心音,、脈搏傳感器的制作方法

　　1.1 心音傳感器選擇及制作

　　心音是人體最重要的聲信號之一。它是在心動(dòng)周期中,，由于心肌收縮和舒張,、瓣膜啟閉、血流沖擊心室壁和大動(dòng)脈等因素引起的機(jī)械振動(dòng),，該振動(dòng)通過周圍組織傳到胸壁成為可聽到的聲音,。心音信號中含有關(guān)于心臟各個(gè)部分，如：心房,、心室,、大血管,、心血管及各個(gè)瓣膜功能狀態(tài)的大量病理信息,，是臨床評估心臟功能狀態(tài)的最基本方法。當(dāng)心血管疾病尚未發(fā)展到足以產(chǎn)生臨床及病理改變(如ECG變化)以前,，心音中出現(xiàn)的雜音和畸變就是重要的診斷信息,。

　　1.1.1 心音傳感器的選擇

　　心音采集系統(tǒng)首先要解決的是如何將心音信號轉(zhuǎn)化為電信號的問題。由于心音信號的頻譜范圍在人耳所能聽到聲音的低頻段,，約在20～600 Hz,，因此可選用低頻響應(yīng)較好的話筒作為心音傳感器。駐極體式電容話筒低頻特性能滿足要求而價(jià)格低，該設(shè)計(jì)中選用直徑6 mm的駐極體話筒,。

　　1.1.2 心音傳感頭的制作

　　制作心音傳感頭時(shí),，選用了由江蘇魚躍醫(yī)療設(shè)備股份有限公司出品的單用聽診器全銅聽頭部分，在聽頭耳把上套上約20 cm長的醫(yī)用橡皮管,，對心音進(jìn)行物理增強(qiáng),，橡皮管的另一頭擠壓入微型駐極體話筒，話筒的兩根導(dǎo)線用屏蔽電纜接到放大電路中,。

　　1.2 脈搏傳感器的選擇及制作

　　脈搏波是以心臟搏動(dòng)為動(dòng)力源,，通過血管系的傳導(dǎo)而產(chǎn)生的容積變化和振動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)心臟收縮時(shí),，有相當(dāng)數(shù)量的血液進(jìn)入原已充滿血液的主動(dòng)脈內(nèi),，使得該處的彈性管壁被撐開，此時(shí)心臟推動(dòng)血液所作的功轉(zhuǎn)化為血管的彈性勢能;心臟停止收縮時(shí),，擴(kuò)張了的那部分血管也跟著收縮,，驅(qū)使血液向前流動(dòng)，結(jié)果又使前面血管的管壁跟著擴(kuò)張,，以此類推,。這種過程和波動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播有些類似，因此稱為脈搏波(Pulse Wave),。人體手指末端含有豐富的小動(dòng)脈,，它們和其他部位的動(dòng)脈一樣，含有豐富的信息,，用光電法拾取這些信息是無損傷方法,，而且簡單易行。實(shí)驗(yàn)表明,，用紅外光電法通過指尖測量脈搏波是一種比較好的方法,。

　　1.3 脈搏波測量電路

　　紅外光電法脈搏采集的基本方法是：發(fā)光二極管發(fā)出的光照射到手指上，被手指組織的血液吸收和衰減后由光敏二極管接收,，由于手指動(dòng)脈血在血液循環(huán)過程中呈周期性的脈動(dòng)變化,，它對光的吸收和衰減也是周期性脈動(dòng)的，于是光敏二極管輸出信號的變化也就是周期性變化,，反映了動(dòng)脈血的變化,。

　　光電傳感器按光的接收方式可分為透射式和反射式兩種。透射式的光源與光敏接收器件對稱布置于手指兩邊,，從光源發(fā)出的光穿過皮膚進(jìn)入深層組織,，除被皮膚、色素,、指甲,、血液等吸收及反射外,，還有一部分會(huì)透射出去到達(dá)光敏二極管。這種方法可較好地指示心律的時(shí)間關(guān)系,，并可用于脈搏測量,，但不適于精確度量容積;反射式的是測頭當(dāng)中的發(fā)射光源和光敏器件位于同一側(cè)，接收的是漫反射回來的光,，該信號可精確地測得血管內(nèi)容積變化,。該方案采用了透射型指套式光電傳感器。發(fā)光二極管采用紅色單色光,，傳感器做成遮光指套式,，減少了外界光的干擾，使用方便,，靈敏度高,，性能穩(wěn)定。在光源電路中,，關(guān)鍵是要保持發(fā)光二極管發(fā)射光強(qiáng)穩(wěn)定,，即要保證流過發(fā)光二極管的電流恒定，因此采用了一個(gè)恒流源電路,，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)考慮它由單電源供電,，R1和D保證了偏置電壓的穩(wěn)定，電路如圖1所示,。

2 心音,、脈搏調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

　　心音和脈搏傳感器輸出的信號微弱并往往夾雜著噪聲干擾，所以必須要進(jìn)行濾波和放大處理,，由于是交流放大器,，所以在信號調(diào)理電路中選取了電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小,，可單電源使用,，價(jià)格低廉的集成運(yùn)放LM324。

　　2.1 心音調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

　　2.1.1 心音前置放大電路

　　為同相放大電路,，在輸入端加了無源高通濾波,，濾除極低頻干擾。通過調(diào)節(jié)R7的大小就可以獲得所需的放大倍數(shù),，放大倍數(shù)為1+R7/R6,。

　　2.1.2 噪聲的濾除

　　前置放大器輸出的信號并不是純粹的心音信號，其中夾雜著工頻干擾和其它低頻分量,。這些干擾,，比如：心音傳聲器和皮膚的摩擦音、呼吸噪音,、人體的干擾信號和記錄儀器所產(chǎn)生的干擾等,，不僅會(huì)導(dǎo)致心音信號被淹沒，也不利于后續(xù)電路的處理,。因此首先用一個(gè)8階壓控電壓源高通濾波器來濾除這些干擾,，高通濾波電路的截止頻率為15 Hz，如圖3所示,。

　　從高通濾波電路中出來的心音信號,，還混有較高頻率的傳聲器與人體皮膚摩擦所產(chǎn)生的干擾等，所以有必要在高通濾波器后進(jìn)行低通濾波,。為達(dá)到較好的濾波效果而又不使電路過于復(fù)雜,，設(shè)計(jì)了一個(gè)二階壓控電壓源(VCVS)低通濾波器。該低通濾波器的截止頻率選為600 Hz時(shí)比較合適,，電路如圖4所示,。

圖4   低通濾波電路

　　2.1.3 可調(diào)放大電路

　　經(jīng)過高通、低通濾波電路,，最終把600 Hz頻段范圍的心音信號提取了出來,。但由于不同人的心音信號幅度不同，在前置放大器的基礎(chǔ)之上又加了一個(gè)可調(diào)的放大器,。這樣通過手動(dòng)調(diào)節(jié),，使輸出信號幅度使用相當(dāng)方便。對正常人來說,，該部分放大倍數(shù)選為10～20倍即可,，如圖5所示。

　　2.2 脈搏調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

　　脈搏調(diào)理電路也由3部分組成,。前級為由一個(gè)隔直低通反向放大器,，以去除直流和極低頻干擾，并抑制高頻干擾,，并對50 Hz工頻有初步的衰減,，同時(shí)對有用的脈搏信號進(jìn)行了放大。設(shè)置此級的放大倍數(shù)為10倍,，截至頻率范圍為0.05～20 Hz,，如圖6所示

圖6   脈搏調(diào)理電路

　　放大倍數(shù)A=R5/R3，選取R3=100 kΩ,，R5=1 MΩ,。同時(shí)為消除偏置電壓，在正輸入和地間接入R4=100 kΩ,。低通截止頻率設(shè)為20 Hz,，R5=1MΩ，選取C4為6 800 pF,，截止頻率約為23 Hz,。

　　濾波部分采用三階巴特沃斯低通濾波器,，如圖7所示，設(shè)置截至頻率f=20 Hz,，根據(jù)歸一化方法查表選擇R7=R8=R9=100 kΩ,，C6=0.47μF，C7=0.033μF,，C8=0.033μF,。該低通濾波電路保留了有用的脈搏低頻信號，對50 Hz工頻等噪聲進(jìn)行了較大的衰減,。

　　2.2.1 后級放大電路

　　采用可變增益反向放大電路,，反向放大器由于電阻最大取值不能超過10 MΩ，如果要提高反向放大器的輸入阻抗,，則電路的增益就要受到限制,。該系統(tǒng)采用的反向放大器可以避免這種限制，既有較高的輸入阻抗又可取得足夠的增益,。如果選取R13遠(yuǎn)大于R14,，R15，則放大器的增益可用下式近似計(jì)算：

　　R11=100 kΩ,，R13=1 MΩ,，R15用10 kΩ的電位器，R14=1 kΩ,。R13,，C9構(gòu)成低通濾波，截止頻率為20 Hz,，根據(jù)式(1)增益可調(diào)范圍為11～110倍,，電路如圖8所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　該電路通過對人體心音和脈搏信號進(jìn)行采集和調(diào)理后,，用示波器觀察到的兩路信號如圖9和圖10所示,。

4 結(jié)語

　　現(xiàn)該電路已采集了大量可靠病例和正常心音脈搏數(shù)據(jù)。使用表明,，該電路穩(wěn)定可靠,，結(jié)果理想。這也為后續(xù)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換和PC機(jī)顯示,、分析奠定了基礎(chǔ),。