基于LabVIEW的心音信號檢測系統(tǒng)設(shè)計

心音信號是人體最重要的生理信號之一，含有關(guān)于心臟各個部分如心房、心室、大血管、心血管及各個瓣膜功能狀態(tài)的大量病理信息，是心臟及大血管機械運動狀況的反映，具有非線性、非平穩(wěn)的特點[1-2]。心音來自于人體內(nèi)部，不容易被復(fù)制或模仿，同時還具有獨特性，個體的不同，心音信號的表現(xiàn)形式也不相同。對其進(jìn)行檢測分析，可以達(dá)到對身份進(jìn)行識別和驗證的目的[3]。此外，通過聽取心音，也可以獲得用以判斷心臟疾病的相關(guān)信息[4]。

本文設(shè)計、實現(xiàn)一套心音信號采集與分析系統(tǒng)，并研究利用心音進(jìn)行被測試者的身份識別。因為傳統(tǒng)的密碼、口令等驗證方法存在容易被忘記或破解的缺陷，而利用人體生物特征進(jìn)行身份識別具有獨特的優(yōu)勢，如指紋、虹膜、手形和面部特征等識別技術(shù)已經(jīng)較為成熟，相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入市場。但是利用人體生理信號，如心音、脈搏等，進(jìn)行身份識別的研究才剛剛興起，有著很大的研究價值和發(fā)展空間。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，基于單片機、DSP等核心控制器采集心音信號，利用PC機進(jìn)行定量分析，已成為心音檢測系統(tǒng)的研究趨勢[5-6]。因此，本系統(tǒng)利用STC12C5A單片機采集HKY-06B型 PVDF薄膜式心音傳感器輸出的心音信號，并通過RS232總線發(fā)送到上位機，實現(xiàn)了檢測終端與上位機之間的數(shù)據(jù)通信，同時在上位機采用虛擬儀器軟件LabVIEW設(shè)計開發(fā)了一套集數(shù)據(jù)管理、采集和分析于一體的虛擬心音檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括以下幾個部分：(1)心音傳感器模塊。能將心臟搏動信號轉(zhuǎn)化為低阻抗音頻信號;(2)信號預(yù)處理模塊。負(fù)責(zé)對微弱的心音信號進(jìn)行前置放大、低通濾波、高通濾波和功率放大;(3)單片機模塊。負(fù)責(zé)將預(yù)處理后的心音信號進(jìn)行A/D采樣以及通過鍵盤執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲、液晶顯示等功能;(4)串口通信模塊。負(fù)責(zé)與上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)通信;(5)電源模塊。為系統(tǒng)提供+5 V和+12 V電源。

2 硬件設(shè)計

2.1 心音傳感器

HKY-06B型心音傳感器采用新型高分子聚合材料微音傳感元件采集心臟搏動和其他體表動脈搏動信號，再經(jīng)過高度集成化信號處理電路處理，輸出低阻抗音頻信號。其具有集成度高、可靠性高、靈敏度高、過載能力強、體積小和使用壽命長等特點。其典型的供電電壓為5 V，頻率響應(yīng)在1 Hz～1 500 Hz，靈敏度為4 mV/Pa。

2.2 信號預(yù)處理

在利用單片機對傳感器輸出的音頻信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前，需要對信號進(jìn)行預(yù)處理，主要包括前置放大、低通濾波、高通濾波和功率放大4個電路。

前置放大電路如圖2所示，采用NPN型硅晶體三極管3DG6，其偏置電路采用R15、R5和R8組成的分壓電路，并在發(fā)射極接有電阻R17，以穩(wěn)定放大器的靜態(tài)工作點。當(dāng)在放大器的輸入端加入輸入信號時，放大器的輸出端便可得到一個與輸入信號相位相反、幅值放大的信號。

采用運算放大器OP07 設(shè)計一個由源低通濾波電路和有源高通濾波電路組合而成的帶通濾波電路。圖3 所示是截止頻率f=5 kHz 時的四階巴特沃斯低通濾波器。該濾波電路轉(zhuǎn)移函數(shù)為：