一种Android平台的便携心音心电实时采集系统

　　【论文摘要】针对传统心电仪及心音听诊设备相互独立且不易携带的缺点，设计并实现了一种基于Android平台的便携式心音心电采集系统。该系统由心音和心电采集及信号调理模块，蓝牙数据通信模块和Android系统上位机构成。首先在心音与心电采集与放大电路中将信号进行分别放大和去噪处理，然后通过模数转换将处理后的信号经由蓝牙模块发出；最后使用Android平台设备上位机程序对采集到的心音与心电信号进行接收与实时显示。实际效果表明，所设计的信号调理电路能够有效滤除外界噪声干扰，可以清楚地分辨信号的诊疗特征，极大程度上克服了现有诊断设备的诸多缺点，为个人健康监护以及医务人员外出诊断都提供了一个良好的解决方案。

　　【论文关键词】Android平台；心音；心电；便携式采集系统

　　0引言

　　随着现代生活条件水平的提高，人类饮食结构与睡眠规律都发生了显著变化。人们摄入的胆固醇和各类动物脂肪已经大大超出人体的健康日摄入量，同时社会的压力以及各种不良生活习惯，都直接或间接导致了心脏疾病发病率的明显增加。

　　心电信号和心音信号是心脏肌肉进行工作时产生的生理信号，对心电和心音信号的分析，是诊断心脏疾病的重要手段和标准。心电信号对于检测常见心脏病，特别是心机梗塞和心律失常而言，相对于其他的诊断手段具有快速便捷、简单实用、费用廉价以及无创伤等优点。但对于一些心脏组织自身的病变，并不会直接在心电信号中反应出来，但却能在心音信号中较好的体现出来，比如先天性的变力性心中瓣膜受损即是如此[1]。因此心电与心音信号是不可相互取代的一组极重要的信号，在临床诊断中最合适的诊断途径是两种信号相结合，共同完成心脏疾病的诊断。

　　对于医生出诊以及家庭日常使用而言，一款通用价廉的便携式心电与心音实时采集系统是非常有必要的，而智能手机的普及，给这种方案提供了极大便利[2]。本文设计了一种基于Android系统的便携式心电与心音信号实时采集系统，由前端传感器采集到的心电和心音信号能实时在上位机上显示并储存，进而达到后继详细诊疗的目的。

　　1心电与心音信号采集及调理电路

　　本文所设计实现的采集系统框图如图1所示。

　　图1系统流程图

　　由于心电和心音信号比较微弱，易受干扰，因而在设计放大电路时均采用多级放大器进行放大，并加以滤波，以得到较为理想的信号波形。传感器所采集到的毫伏级信号在经过前置放大电路进行初步放大后，再通过带通滤波器进行滤波处理，之后送入中间级和后级的放大电路放大，得到的信号可用于A/D转换等后期处理。

　　1.1心电信号部分

　　心电信号可由传统的v6导联的采集位进行采集，右腿驱动补偿采集点在右脚处。本文所设计的心电信号采集电路由前置放大电路、右腿驱动电路、带通滤波电路、陷波器电路和后级放大电路组成。

　　1.1.1前置放大电路

　　通过人体电极传导出来的心电信号十分微弱，而前置放大的精度将影响到整个电路系统的最终效果，所以必须选用低噪声抑制性能比较好的运放。AD620是一款比较优秀的仪表放大器，具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性，而且有贴片封装形式，大大提高了电路的集成度。采集到的两路原始信号输入AD620后，通过可调电阻Rg的阻值能够改变放大倍数。由于输入信号是两个电极点间的电位差，易造成AD620的静态工作点偏移，使之进入截止或饱和状态。为了避免这种情况，基于AD620的前置放大器电路的增益不能太大[3]，在系统设计过程中，此电路的增益可由下式进行计算：

　　[1+R3+R4RgR3+R4+Rg≈21]（1）

　　1.1.2右腿驱动电路

　　在人们周围通常都环绕着市电供电电路，因人体皮肤电阻阻抗不相等而引起的电压分配效应，使得采集到的信号受到市电交流电路干扰，要消除交流干扰，右腿驱动电路是一种较好的方法[4]，其在信号采集的过程中可起到减少共模干扰的作用。右腿驱动电路所使用的运算放大器为OPA2134，其原理是从R3和R4中取出的人体共模电压反向加载到人体，消除分布电容以提高共模抑制比。右腿驱动电路与前置放大电路如图2所示。

　　图2右腿驱动与前置放大电路

　　1.1.3带通滤波电路

　　心电信号的频谱范围主要集中在0.05～100Hz之间，需要用带通滤波器来滤除不必要的高频成分。带通滤波电路也沿用运算放大器OPA2134作为放大器件，电路构造一个截止频率为100Hz的低通滤波器和一个截止频率为0.05Hz的高通滤波器，均采用压控电压源二阶滤波电路。

　　1.1.4陷波电路

　　在采集过程中，外界干扰源为50Hz的工频干扰尤为突出，滤除工频干扰的主要手段就是构造一个陷波电路，其可有效的抑制工频干扰[5]。本系统中陷波电路图如图3所示，其中运放U4，R13～R20和C9～C12组成了陷波频率为50Hz的双T有源陷波器。

　　图3陷波电路

　　1.1.5后级放大电路

　　经过陷波电路处理后的信号最大幅度能达到100mV级别，但由于后期A/D的需要，还需把信号通过后级放大电路进行一次放大，以达到5V左右。

　　1.2心音信号部分

　　心音信号采集同样是通过传感器，将采集到的心音信号送进前置放大电路中，然后经过带通滤波后送给中间级放大电路，最后由后级放大电路输出放大信号。其中间级放大电路可配置一个标准的3.5mm耳机插孔，以便于实时监听。

　　1.2.1前置放大电路

　　心音信号也属于微弱音频信号，故需要前置放大器有很优秀的低失真性能，在心电采集部分所使用的OPA2134运放亦满足该要求，其低失真率仅为0.00008%，且在同一系统中使用统一的元器件可以有效提高系统集成度以及降低成本。

　　为了抑制采集到的噪音，心音采集部分增益倍数不宜过大，实际试听结果表明6～10倍的放大倍数是比较合适的。

　　1.2.2低通滤波电路

　　心音信号主要的信号能量集中在20～500Hz，少量高频成分可达800Hz左右，低频分量在2Hz左右。因此需要构造一个截止频率在1000Hz左右的低通滤波器，用以滤除传感器自身以及衣服摩擦所产生的高频噪声。低通滤波器同样采用压控电压源二阶滤波电路，其自身增益应小于3。

　　1.2.3中间级放大器

　　中间级放大器承担着整个信号放大电路的放大质量，是至关重要的一环，因此需要选用一款较合适的音频运放。本系统中使用了经常应用在专业音响仪器设备中的NE5532AP运放芯片，并为其外接了一个3.5mm标准音频接口，整个中间级放大器设计如图4所示。

　　图4中间级放大器

　　同样由于中间级放大电路输出的信号只有几百毫伏，故需要使用后级放大电路把信号放大至5V左右的区间值，以便于A/D处理。

　　2A/D转换

　　本系统中采用STC12C5A60S2单片机作为A/D转换主控芯片。STC12C5A60S2单片机中包含中央处理器（CPU）、程序存储器（FLASH）、数据存储器（SRAM）、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块[6]。自带的8路高速A/D转换最高精度为10位，最高速度为25万次/s，完全满足设计需要。

　　为了提高系统集成度，减少系统空间占用，选用封装形式为LQFP?44贴片封装的STC12C5A60S2主控芯片。LQFP?44贴片封装大小仅为10mm×10mm，具有超低功耗特性，空闲模式下典型功耗小于1.3mA，正常工作模式为2～7mA。且STC12C5A60S2具有宽工作电压特性，正常工作电压为3.3～5.5V，因为该芯片在进行A/D转换的过程中使用的参考电压为电源供电电压，所以要用5V标准电压供电。

　　3蓝牙通信

　　本系统所采用的HM?06蓝牙模块的主控IC为CSRBlueCore的BC41C671芯片，通信协议为蓝牙V2.1+EDR版本，适配市面上几乎绝大部分的Android系统智能手机，该协议的理论传输速度高达3Mb/s，实际传输速率在2.1Mb/s左右。该模块采用全贴片最小封装形式，只有13.5mm×18.5mm×2.3mm大小，适用于便携式设备的使用，方便灵活。A/D转换完成后，数据通过STC12C5A60S2串口发送给蓝牙模块，蓝牙模块与Android系统智能手机配对后将采集到的数据传入客户端。

　　4Android系统客户端编写

　　Android本身是一个基于Linux内核的操作系统，并且完全开源。由于其开放和自由的特性，使之具有相对于封闭的iOS系统更为广阔的应用领域。在Android2.0及以后的系统，Google公司加入了完善的蓝牙支持，并给出了相应的API，方便程序员使用AndroidSDK开发基于蓝牙技术的程序。

　　4.1蓝牙数据接收

　　安卓支持蓝牙数据传输要求的最低版本为Android2.0，所以建立的工程目标SDK必须至少适配Android2.0以上的系统。与蓝牙相关的类和接口位于android.bluetooth包中，要使用蓝牙设备，就必须调用此包的API。BluetoothAdapter是蓝牙API中的核心类[7]，使用这个类可以打开、关闭蓝牙，以及搜索周围的蓝牙设备。当客户端连接上目标设备的时候，通过包里的BluetoothSocket类以及BluetoothServerSocket类来创建对象进行数据读取和传输。

　　4.2信号图形实时显示

　　客户端的信号显示模块使用图表引擎AChartEngine进行绘图。该图表引擎对绘图功能进行了优化处理，它可以处理和显示值的数量非常大，并且能够自由放大，以便查看信号图细节。

　　AChartEngine可通过坐标点集addSeries来绘制图形的，客户端接受到采集模块发送过来的数据后，将第一项数据打入点集后画面上就能显示第一个点。然后再将第二项数据打入点集，并用chart.invalidate方法刷新一次画面，依次循环，并把刷新频率与数据采样频率进行同步，即可实现在Android系统中的实时显示的功能。在程序中接收到的实时心电信号与心音信号结果如图5所示。

　　图5心电与心音波形

　　5结语

　　通过心电导联线与心音探头采集信号并传入到Android设备中，在程序中接收到的实时心电信号与心音信号。参照未来物联网的发展趋势，搭建一台服务器接受信号资料实现远程医疗，是一项非常有前景的科研课题。

　　【参考文献】

　　[1]陈天华.基于现代信号处理技术的心音与心电信号分析方法[M].北京：机械工业出版社，2011.

　　[2]张洹千，杜晓薇，杨坚，等.一种体域网无线心电监护系统的研制与测试[J].现代电子技术，2014，37（4）：37?41.

　　[3]远坂俊昭.测量电子电路设计?模拟篇[M].彭军，译.北京：科学出版社，2006.

　　[4]付雄飞.心电图右脚驱动技术及其安全问题[J].医疗器械，1981（2）：38?42.

　　[5]史骏，彭静玉.基于双T网络的50Hz陷波电路设计[J].科技信息，2011（21）：121?122.

　　[6]宋凤娟，付侃，薛雅丽.STC12C5A60S2单片机高速A/D转换方法[J].煤矿机械，2010（6）：219?221.

　　[7]李宁.Android开发权威指南[M].北京：人民邮电出版社，2013.