基于樹莓派的心音診斷系統(tǒng)

徐 彤，王富強(qiáng)，王 璇，江 琰

（西安明德理工學(xué)院信息工程學(xué)院，西安 710100）

0 引言

近幾年農(nóng)村心血管病死亡率持續(xù)高于城市，農(nóng)村心血管病死亡率為309.11/10 萬(wàn)，城市心血管病死亡率是265.11/10 萬(wàn)，且農(nóng)村地區(qū)的死亡率在不斷上升［1］。老年人在心血管疾病患者中占比極高，發(fā)病率與死亡率隨年齡遞增，且農(nóng)村地區(qū)大多數(shù)群眾年體檢次數(shù)不足1［2］。

現(xiàn)階段的心血管疾病檢測(cè)手段分兩類：非侵入性檢查和侵入性檢查，最為常見的為非侵入性檢查，包括血壓測(cè)定、心電圖、心臟超聲波檢查。這三類檢測(cè)方法都存在極大的缺陷，血壓測(cè)定不能反映瞬時(shí)和持續(xù)的血壓變化情況，其檢測(cè)結(jié)果也會(huì)受到多方面的干擾，且要求使用者需要有一定的醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)；心電圖發(fā)現(xiàn)患者的病癥必須要在疾病發(fā)作的前提下，否則不可被檢驗(yàn)；超聲檢測(cè)極易受到氣流干擾，在對(duì)空氣器官病變檢測(cè)時(shí)易出現(xiàn)漏診的情況［3］。目前最直接可靠的檢測(cè)方法是冠狀動(dòng)脈CT，通過血管的寬窄、是否鈣化等來判斷，但該檢查所用到的三維重建對(duì)實(shí)際的血管反映情況不夠真實(shí)，易發(fā)生誤判。

現(xiàn)有許多檢測(cè)方法實(shí)用性較低。為了提高心血管疾病的檢測(cè)效率，設(shè)計(jì)一款實(shí)用、高效的心音采集系統(tǒng)，通過無創(chuàng)無痛的診療手段對(duì)心音信息進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，并利用小波轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)心音信號(hào)的收集，給體驗(yàn)者一個(gè)直觀的檢測(cè)方式。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)所收集的波形與數(shù)據(jù)庫(kù)中正常波形比對(duì)直接給出結(jié)果，這種測(cè)試方式準(zhǔn)確率高、成本低、占用時(shí)間短，不需要專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)，提升了心血管疾病的檢測(cè)率。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)采集的數(shù)據(jù)信息在醫(yī)學(xué)研究與臨床試驗(yàn)中起到很大的作用，對(duì)心血管疾病的治療研究有重大意義。

1 心音簡(jiǎn)介

心音（heart sound）是指由于心臟瓣膜關(guān)閉、心肌收縮和血液撞擊心室壁、大動(dòng)脈壁等所引起機(jī)械波的現(xiàn)象產(chǎn)生的聲音［4］。它可使用聽診器在胸壁一定部位聽取心臟跳動(dòng)的頻率，也可使用換能器等相關(guān)儀器來記錄心音的機(jī)械波，其機(jī)械波隨時(shí)間變化的圖稱為心音圖。

1.1 主要心音

一次心動(dòng)周期可產(chǎn)生四個(gè)心音，主要心音是由第一心音（S1）、第二心音（S2）構(gòu)成［4］。

第一心音在心縮期發(fā)生，是心室收縮期開始的標(biāo)志。于前胸壁第5肋間隙左鎖骨中線內(nèi)側(cè)（心尖搏動(dòng)處）聽得最清晰。其波長(zhǎng)為40～60 Hz，持續(xù)時(shí)間為0.1～0.12 s；波長(zhǎng)較長(zhǎng)，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，強(qiáng)度較大，響度較強(qiáng)。

第二心音在心舒期發(fā)生，是心室舒張期開始的標(biāo)志，分別在胸骨右、左緣第二肋間隙（主動(dòng)脈和肺動(dòng)脈聽診區(qū)）聽得最清楚。其波長(zhǎng)為60～100 Hz，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為0.08 s；波長(zhǎng)較短，持續(xù)時(shí)間較短，強(qiáng)度較小，響度較弱。其中主動(dòng)脈壓和肺動(dòng)脈壓的高低可通過響度強(qiáng)弱反映。

1.2 額外心音

第三心音在第二心音之后發(fā)生，持續(xù)為0.04～0.05 s，持續(xù)時(shí)間較短，波長(zhǎng)較長(zhǎng)。它是在心室舒張?jiān)缙?，隨著房室瓣的開放，心房及肺靜脈的血液快速流入心室（心房未收縮前），引起心室壁和腱索的機(jī)械波而產(chǎn)生?？蓪?duì)于絕大部分青年以及兒童均可聽到相似心音，并不一定為異常心音。

第四心音與第一心音有關(guān)，發(fā)生在第一心音前的長(zhǎng)波音，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)約0.04 s。由于心房收縮，導(dǎo)致血流快速充盈心室所引起的機(jī)械波，又稱心房音。

2 硬件設(shè)計(jì)

心音聽診系統(tǒng)是硬件與軟件的結(jié)合，其中硬件起重要作用在于原始信號(hào)的采集與短距離傳輸。

硬件模塊集中在心音信號(hào)采集區(qū)域，主要是由心音傳感器和傳輸線路組成，統(tǒng)稱為聽診傳輸區(qū)。心音信號(hào)采集是從傳感器通過雙絞線直接傳輸，有利于實(shí)現(xiàn)心音信號(hào)的優(yōu)質(zhì)化。

2.1 心音采集

目前用于心音采集的傳感器有兩種［5］：第一種是HY-06B，采用高分子聚合材料壓電元件，采集心音信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)放大、濾波等電路處理，輸出電壓形式的模擬信號(hào)，該產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于各類心音采集分析系統(tǒng)。第二種是由美國(guó)科羅拉多州的Thinkslabs Medical 公司發(fā)布的一款數(shù)字聽診器，它有自己配備的電子屏幕，可以顯示電量、音量，以及聲音頻率。該聽診器的耳機(jī)接口是標(biāo)準(zhǔn)的3.5 mm 插孔，所能夠采集的音頻范圍為20～2000 Hz。

基于心音與心電的產(chǎn)生機(jī)理與表現(xiàn)形式，本文設(shè)計(jì)了便攜式心音信號(hào)采集系統(tǒng)，其主要由心音信息采集區(qū)和心音信息傳輸區(qū)兩個(gè)模塊組成［6］。其中，心音信息采集區(qū)通過心音傳感器來進(jìn)行人體心音采集，因?yàn)樾囊粜盘?hào)弱、外界環(huán)境較為嘈雜，所以傳感器具備放大及濾波的功能，可以將位于胸腔內(nèi)心跳發(fā)出的微弱聲音信號(hào)擴(kuò)大，用以保證可以采集到質(zhì)量較好的心音信號(hào)［7］。心音信息傳輸區(qū)將傳感器采集到的心音通過有線傳輸?shù)街悄茉O(shè)備進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)较到y(tǒng)中，與預(yù)先建立的心音數(shù)據(jù)庫(kù)通過智能診斷算法進(jìn)行分析和處理，得出診斷結(jié)果和心音圖，有線傳輸能夠保證傳輸?shù)男盘?hào)較為優(yōu)質(zhì)。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是基于樹莓派主處理器，其特性包括：支持遠(yuǎn)程訪問，相比于平時(shí)所使用的計(jì)算機(jī)來說，樹莓派的優(yōu)勢(shì)是體積足夠小，同時(shí)功能又比手機(jī)設(shè)備強(qiáng)大得多［8］；且成本低噪音低，適合安靜的條件不影響心音的采集，高級(jí)低功耗模式，高度的靈活性。利用快速連接、云支持、互聯(lián)網(wǎng)和穩(wěn)健的安全協(xié)議實(shí)現(xiàn)，可以開發(fā)一些基于互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，采用某種手機(jī)或平板電腦應(yīng)用程序或者一種具有多種配置選項(xiàng)。

本系統(tǒng)的外圍模塊由聽診采集模塊、診斷結(jié)果顯示模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊及液晶顯示模塊等組成。同時(shí)將心音的數(shù)值通過網(wǎng)絡(luò)上傳到云端。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的基礎(chǔ)建設(shè)主要包括心音傳感器、傳輸設(shè)備、服務(wù)器等。設(shè)備通過接收心音信號(hào)、實(shí)時(shí)波形顯示、心音存儲(chǔ)，并將采集到的心音數(shù)據(jù)傳輸至小程序。設(shè)備外部設(shè)計(jì)是通過傳感器設(shè)備將收集到的患者心音傳輸?shù)奖O(jiān)護(hù)中心，監(jiān)護(hù)中心由軟件系統(tǒng)組成。軟件系統(tǒng)將這些基礎(chǔ)設(shè)施生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行集合分析，最后將結(jié)果傳給用戶。通過以上步驟，客戶能夠正常使用這套系統(tǒng)，通過服務(wù)器得到自己身體健康的實(shí)時(shí)信息。

3.1 小波降噪

小波分析源于傅里葉分析，已知小波變換的概念最早是由J.Morlet 首次提出，在Donoho 等［9］經(jīng)歷了數(shù)次的研究之后終于得出了小波閾值的去噪方法：

該公式的主要原理是通過小波將搜取的每一段信號(hào)進(jìn)行分解，利用閾值獲取每一層所包含的信息，最后對(duì)獲取的信息進(jìn)行最終的重組與構(gòu)造。

心音信號(hào)的去噪可以通過小波信號(hào)變換的方式來實(shí)現(xiàn)：

（1）信號(hào)的小波分解。選擇一個(gè)小波并確定一個(gè)小波分解的層次N，然后對(duì)特定的心音信號(hào)進(jìn)行N層小波分解計(jì)算。

（2）小波分解高頻系數(shù)的閾值量化。對(duì)第1層到第N層的每一層高頻系數(shù)（三個(gè)方向），選擇一個(gè)閾值進(jìn)行閾值量化處理，將全部都是噪聲的層置零，對(duì)有噪聲的層進(jìn)行分解。

（3）信號(hào)的小波重構(gòu)。根據(jù)小波分解的第N層的低頻系數(shù)和經(jīng)過量化處理后的第1層到第N層的高頻系數(shù)，對(duì)心音進(jìn)行信號(hào)的小波重構(gòu)，將全部都是噪聲的層置零，包含噪聲的進(jìn)行分解，根據(jù)所選擇的小波基和小波層數(shù)對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行信號(hào)分解。

3.2 波形繪制

關(guān)于心音信號(hào)的樣本截取主要是檢測(cè)心音的極值，邊界部分。本文選用了雙閥值法進(jìn)行信號(hào)樣本截取，其具有較高的抗干擾性，在其中選用一個(gè)較大的閾值和一個(gè)較小的閾值。前者主要作用是用過濾干擾和除去數(shù)據(jù)中的偽峰，次要作用便是根據(jù)前者較大的閾值數(shù)據(jù)提取包絡(luò)，找尋出局部最大值；而后者則是作為局部閾值，對(duì)特定的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。在大多數(shù)情況下根據(jù)選取包絡(luò)的實(shí)際振幅對(duì)兩個(gè)較大與較小的閾值進(jìn)行大小的選取與適度的調(diào)節(jié)。

4 系統(tǒng)測(cè)試儀結(jié)果分析

根據(jù)上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與相關(guān)硬件型號(hào)，完成心音傳感器采集系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)部分，后期使用軟件程序設(shè)計(jì)與設(shè)定好的通信幀格式對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的采集特定信號(hào)的功能進(jìn)行測(cè)試。首先打開樹莓派，等待樹莓派開機(jī)后記錄系統(tǒng)，開機(jī)后進(jìn)行系統(tǒng)初始化。收集數(shù)據(jù)時(shí)首先將心音傳感器固定在待測(cè)者的心臟附近，待測(cè)者保持均勻呼吸。通過傳感器收集的心音，與數(shù)據(jù)庫(kù)中的進(jìn)行對(duì)比匹配，最終判斷出所收集心音是否正常。

所采集的波形圖如圖1所示。從圖中可以清晰地看出兩階段的波形振幅高，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，且均為周期性振動(dòng)，間隔均勻、波形清晰、無雜音。測(cè)試中波形分為四個(gè)周期：T1=0.057、T2=0.065、T3=0.539、T4=0.833，分別與參考值T1（0.08～0.12）、參考值T2（0.08～0.12）、參考值T3（0.3～0.5）、參考值T4（0.7～0.9）進(jìn)行對(duì)比判斷，所得HR=62.6，對(duì)照參考值HR（50.0～90.0）得出所測(cè)心音波形為正常人的心音波形的測(cè)試結(jié)果的結(jié)論。

圖1 系統(tǒng)界面圖

5 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)了樹莓派與心音信號(hào)傳感器為一體的信號(hào)采集處理電路，并使用Python編譯語(yǔ)言對(duì)這些元器件進(jìn)行編程，設(shè)計(jì)出心音信號(hào)采集系統(tǒng)。這是一種無創(chuàng)的診斷方式，不需要使用者具備醫(yī)學(xué)的基本素養(yǎng)，使用者只需要將智能心音診斷儀探頭置于胸口，就可以通過被譽(yù)為“數(shù)學(xué)顯微鏡”的小波變換分析心音的各種成份，最后計(jì)算出心率，判斷使用者是否有竇性心動(dòng)過快、二聯(lián)律、房顫、二尖瓣關(guān)閉不全等疾病，進(jìn)而判斷是否需要提示使用者前往醫(yī)院進(jìn)行復(fù)查。