一、引言

心音信号作为人体的生命信号，包含心房、心室、心血管及各个心脏瓣膜功能状态的大量信息，是心脏进行机械运动的反映。因此，心音听诊是临床上基本的无创性检测手段之一，可以通过该手段了解心血管功能现状以及判断病理。心音频率的主要成分位于40-200Hz，但人耳听觉的有效范围在1000-3000Hz之间，因此人耳往往无法听到低频区的高价值信息，所以传统的心音听诊通常会过分依赖医师的临床经验，易出现误诊。通过心音检测仪对心音信号进行系统的研究，是心音学研究在应用上的重要拓展。采集到的心音信号利用有线传输到电脑上，限制了被采集者的自由，许多研究人员利用蓝牙技术进行无线传输，解决了这方面的问题。本课题组成员旨在研究设计一种基于个域网802.15.4协议的便携式无线心音监测系统，通过传感器进行心音换能，调理电路对信号进行处理，然后通过单片机将模拟心音信号转换为数字信号，最后通过支持802.15.4协议的无线收发芯片将信号传到远程接收端，接收端将接收到的信号发送到计算机串口，方便后续软件对检测到的心音信号进行处理和研究。本文的主要内容是心音的采集电路部分，论文对心音传感器的选择、调理电路的设计进行了详细的研究，实现了听诊头和驻极体传声器结合的心音采集电路，得到了准确、稳定的心音模拟信号，为后续的数模采样、无线收发提供了基础。

二、心音

2.1 心音图

心音信号是一种机械振动产生的波形，由心脏跳动撞击胸腔壁时产生，包含着心脏各个部分本身及相互之间作用的生理和病理信息。用传感器将心肌收缩等这些机械振动转换为电信号记录下来，就可得到心音信号，其波形图又被称为心音图（Phonocardiogram, PCG）[1]，如图1所示。

心音信号的采集对心血管系统疾病的诊断具有重要的意义，其可靠性、准确性的好坏对诊断与治疗心脏病患者的效果有很大的影响。在以前医生根据听诊器听取心音信号，而这一过程具有一定的主观性和不可靠性，而且也存在很大的外界干扰[2]。随着科技的不断发展，人们对信号的采集和分析不断提高，因此对心音信号的研究也逐渐变得深入。

图1. 正常心音

2.2 心音的分类

骨传导为主要的心音信号传播方式，以骨骼为传播介质到达胸腔壁。心音分为第一心音（S1）第二心音（S2），是可以在胸腔壁表面清楚听得到的，第三心音(S3）一般只能在青少年和儿童中能听的到，而在正常情况下第四心音（S4）却很少听的到。

第一心音：指的是心室收缩期各种机械振动，心室收缩开始时音调低、历时较长，一般是0.08-0.135S，频率在20-100Hz之间，其中55-58Hz为最多。第一心音主要的产生机理是房室瓣的关闭，由于瓣膜关闭的作用，因此第一心音产生。

第二心音：指的是心室舒张的时候各个机体的机械振动产生的信号，心室舒张开始时音调高、历时较短，时间大约为第一心音的一半，一般是0.07-0.08S，频率也在20-100Hz之间，但最多集中在60-75Hz中间。半月瓣关闭振动，血流冲击动脉壁的振动，因此半月瓣的关闭为第二心音的主要组成部分。

第三心音和第四心音：作为低频的机械振动，其形成可能与心房收缩和早期快速充盈有关，持续时间很短，一般是0.04S，在儿童听到第三、第四心音属正常，而正常人一般是听诊不到第三和第四心音的，如果听到多为病理现象。

除了四个心音成分，一般还有以下定义作为心音特点的表征：

（1）S1时限：指第一心音的持续时间。

（2）S2时限：指第二心音的持续时间。

（3）S1，S2间期：指的是在同一周期内S1和S2之间的间隔。

（4）S2，S1间期：指当前心动周期的S2到下一周期的S1间隔。

年龄不同会导致上述值表现不同，一般来说，S1时限在71-149ms之间，S2时限在59-119ms之间。正常情况下心脏的收缩期应该要短于舒张期，即S1S2间期小于S2S1间期。成年人的平均心率为70次/分，心动周期约为0.79，其中收缩期占0.34，舒张期占0.56。S2S1间期与S1S2间期比值大概等于2:1。

三、系统理论架构

3.1 系统结构

整个系统由三大模块组成：心音的采集及处理模块、AD转换模块、无线接收模块。将人体心音信号通过一系列的识别和变换，最终在远程电脑上显示出来。整个心音信号的检测与处理系统构架框图如下图2所示：

图2. 系统构架框图

3.2 心音采集模块  

本文的主要内容为前端的心音采集及处理模块。信号采集及处理分为：±5V电源、传感器模块、仪表放大、带通滤波器、主放大、抬升电路。在设计电路过程中首先是在multisim 电路仿真软件上进行电路仿真，然后在面包板上进行实体搭电路，最后是利用Altium Designer Winter 绘画出pcb电路板，进行打样测试。心音的采集及处理模块的结构框图如图3所示：

图3. 心音的采集及处理模块的结构框图

（1）传感器模块：主要是将声音信号的心音转换成电信号，供后面信号的处理电路使用。

（2）仪表放大：是将前期微弱的心音信号和干扰的信号一起进行放大处理，一般是放1-10倍，太大容易输出失真。

（3）带通滤波：由于传感器传出的电信号不仅有心音信号，还伴随有干扰的信号，为了使心音信号输出较清晰，通过此电路滤出干扰信号。

（4）主放大：将心音信号彻底放大，可供仪器显示。

（5）抬升电路：因为后期单片机采样时，有幅值范围，在该范围内可以采样，所以进行电平抬升。

（6）±5V电源：供采集电路使用的工作电压。