目前，心血管疾病的診斷主要分為無(wú)創(chuàng)診斷和有創(chuàng)診斷法兩種。其中，無(wú)創(chuàng)診斷包括心電圖、動(dòng)態(tài)心電圖和心音圖、超聲心動(dòng)圖以及現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像技術(shù)[1];有創(chuàng)診斷主要指動(dòng)脈造影技術(shù)，但是會(huì)帶來(lái)并發(fā)癥。非常嚴(yán)重的心血管疾病并不能夠通過(guò)心電圖做出正確診斷，而早期的心臟病變會(huì)引起心音信號(hào)成分的變化，通過(guò)心音圖分析心音成分以及雜音，能對(duì)早期心血管疾病做出正確診斷。心音信號(hào)是一種非常微弱的隨機(jī)信號(hào)，在采集過(guò)程中不可避免地引入了噪聲。韋哲等人設(shè)計(jì)了基于聲卡的心音信號(hào)采集與處理系統(tǒng)[2]，該系統(tǒng)充分利用了計(jì)算機(jī)資源，但是電腦本身存在較大噪聲，采集到的信號(hào)信噪比較低。童英華設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的心音、脈搏信號(hào)采集系統(tǒng)[3]， 但是單片機(jī)存在傳輸速率低的問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)了基于FPGA的心音采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)采集到的心音信噪比較高，適宜后續(xù)研究。
1 采集系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)
本采集系統(tǒng)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)由心音傳感器、信號(hào)預(yù)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路以及PC等構(gòu)成。其中，信號(hào)預(yù)處理電路首先對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行前級(jí)放大，然后經(jīng)過(guò)帶通濾波(由低通濾波電路和高通濾波電路構(gòu)成)，最后經(jīng)過(guò)后級(jí)放大電路處理。帶通濾波電路可以通過(guò)開(kāi)關(guān)控制，前級(jí)放大的輸出可以通過(guò)開(kāi)關(guān)控制直接跳過(guò)帶通濾波電路直接到后級(jí)放大電路，由于前級(jí)信號(hào)只將心音信號(hào)放大到幾百毫伏，信號(hào)仍然很弱，因此再經(jīng)過(guò)后級(jí)放大電路把心音信號(hào)放大至+5 V范圍內(nèi)，然后輸出到A/D轉(zhuǎn)換電路。A/D轉(zhuǎn)換電路采用8 bit、32 MS/s模數(shù)轉(zhuǎn)換單芯片AD9280，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)直接傳送給FPGA，F(xiàn)PGA通過(guò)串口將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到PC，實(shí)現(xiàn)整個(gè)采集系統(tǒng)。
基于FPGA的心音信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2 采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
2.1 心音傳感器的研究
心音傳感器是整個(gè)系統(tǒng)中的重要部分，它的特性對(duì)采集到的信號(hào)質(zhì)量至關(guān)重要。本文設(shè)計(jì)了一款優(yōu)質(zhì)、廉價(jià)的基于駐極體電容話筒的心音傳感器。該傳感器靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，除了能提取出微弱的心音信號(hào)外，還能盡量不受外界噪聲的干擾[4]。本傳感器由一個(gè)微型駐極體話筒和一個(gè)聽(tīng)診器的聽(tīng)頭組成，聽(tīng)診器選用的帶雙面探頭的歐石130 K。制作時(shí)把聽(tīng)診器的膠管截去，留下約10 cm左右，該傳感器對(duì)心音的靈敏度比較高，對(duì)外界的聲音幾乎無(wú)反應(yīng)[5]。振膜接收到聲波后發(fā)生相應(yīng)的振動(dòng)，同時(shí)引起極板間距離的變化，電容計(jì)算公式為：
其中，ε 為電解質(zhì)常數(shù)，S 為極板表面積，d 為極板間距離。由式(1 ) 可知， 當(dāng)電容作相應(yīng)變化時(shí)， 由于R 阻值很大， 充電電荷Q 來(lái)不及變化， 從而引起電容兩端的電壓發(fā)生變化， 即：
U=Q/C (2 )
這樣， 話筒就將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電壓信號(hào)。
2.2 心音信號(hào)預(yù)處理電路
2.2.1 心音信號(hào)前置放大電路設(shè)計(jì)
傳感器輸出的心音信號(hào)微弱并且?jiàn)A雜著噪聲， 為了提取出有用信號(hào)， 必須進(jìn)行放大和濾波處理。本文采用同相輸入電路， 并且輸入電路需滿足如下要求：
(1 ) 前置級(jí)的輸入阻抗要足夠高， 從而保證心音信號(hào)的穩(wěn)定放大。心音信號(hào)源本身是一種微弱的振動(dòng)源， 將聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過(guò)程又呈現(xiàn)出高內(nèi)阻特性[ 6 ] ， 粗略估計(jì)， 與放大器輸入端相連的信號(hào)源內(nèi)阻高達(dá)100 kΩ。
(2 ) 高共模抑制比(CMRR) 。生物電放大器的CMRR值一般要求達(dá)到60 dB~80 dB。但是放大器前邊傳感器系統(tǒng)影響了它的實(shí)際共模能力， 使得共模干擾轉(zhuǎn)化成差模干擾， 降低了整個(gè)前置級(jí)的CMRR。但是通過(guò)提高放大器的輸入阻抗可以減小這一轉(zhuǎn)化， 從而保證高的共模抑制比。
(3 ) 低噪聲、低漂移。由于心音信號(hào)幅度較低， 僅在毫伏級(jí)， 并且?jiàn)A雜著較大的熱噪聲， 要讓輸出信號(hào)具有較高的信噪比， 就要求放大器的內(nèi)部噪聲較低。為了滿足實(shí)驗(yàn)需要， 選取NE5532 運(yùn)算放大器， 它是一種高性能低噪聲運(yùn)算放大器。與大多數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它具有更好的噪聲性能， 輸出驅(qū)動(dòng)能力和相當(dāng)高的小信號(hào)和電源帶寬。前置放大電路前端加了電解電容進(jìn)行濾波， 允許高頻成分通過(guò)， 濾掉低頻成分。放大電路如圖2所示， 放大倍數(shù)為1+(R11+R12)/R14。
基于FPGA的心音信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.2.2 心音信號(hào)高通濾波電路設(shè)計(jì)
前置放大電路輸出的信號(hào)并不是純粹的心音信號(hào)，其中夾雜著不少的工頻干擾和低頻分量[ 7]， 如傳感器與皮膚的摩擦音、呼吸噪音和記錄儀器的干擾等。這不僅不利于后續(xù)分析研究， 更有可能淹沒(méi)心音信號(hào)。因此， 本文設(shè)計(jì)了一個(gè)高通濾波電路來(lái)消除上述噪音， 如圖3 所示。二階高通濾波器的傳遞函數(shù)為：
2.2.3 低通濾波電路
從高通濾波電路出來(lái)的心音信號(hào)還混有較高頻率的傳聲器與人體皮膚摩擦產(chǎn)生的干擾， 通過(guò)低通濾波電路來(lái)濾除高頻干擾成分， 電路圖如圖4 所示。
2.2.4 后級(jí)放大電路
由于前級(jí)信號(hào)只將心音信號(hào)放大到幾百毫伏，信號(hào)仍然很弱，因此再經(jīng)過(guò)后級(jí)放大電路把心音信號(hào)放大至+5 V范圍內(nèi)。
2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路
AD9280是一款單芯片、8 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，采用單電源供電，內(nèi)置一個(gè)片內(nèi)采樣保持放大器和基準(zhǔn)電壓源。它采用多級(jí)差分流水線架構(gòu)，數(shù)據(jù)速率達(dá)32 MS/s，在整個(gè)工作范圍內(nèi)保證無(wú)失碼。輸入經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，使成像和通信系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)更加輕松。用戶可以選擇各種輸入范圍和偏移，并可以通過(guò)單端或差分方式驅(qū)動(dòng) 輸入。AD9280具有一個(gè)片上可編程基準(zhǔn)電壓源。也可以使用外部基準(zhǔn)電壓，以滿足應(yīng)用的直流精度與溫度漂移要求。采用+2.7 V~+5.5 V電源供電，非常適合高速應(yīng)用中的低功耗操作。額定溫度范圍為-40℃~+85℃工業(yè)溫度范圍。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。
2.4 FPGA控制串口通信
結(jié)合項(xiàng)目的現(xiàn)有設(shè)備DB2C8核心板，將信號(hào)放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路經(jīng)過(guò)DB2C8核心板的擴(kuò)展口，把A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳送到FPGA芯片 EP2C8Q208，A/D轉(zhuǎn)換的采樣時(shí)鐘由FPGA來(lái)控制，利用FPGA的FIFO存儲(chǔ)器存儲(chǔ)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，然后控制串口通信的波特率為115 200 b/s，進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。FPGA仿真波形如圖7所示。FIFO為異步讀寫(xiě)，F(xiàn)IFO寫(xiě)時(shí)鐘速率為8 kHz，讀速率為60 MHz，串口通信的波特率設(shè)置為115 200 b/s，如圖7所示，PORT_txd為串口輸出，q為FIFO的讀數(shù).
本采集系統(tǒng)在FPGA的控制下能夠快速、便捷地采集心音信號(hào)數(shù)據(jù)，由采集的數(shù)據(jù)畫(huà)出的波形如圖8所示。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率高，能在噪聲背景下提取出有用的心音信號(hào)，使得心音的采集更加方便，心音庫(kù)的建立變得切實(shí)可行。