CN103077627B - 一种便携式可视化心音听诊教学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式可视化心音听诊教学系统，由心音采集传输模块、微处理器、耳机和触摸屏构成，其中：心音采集传输模块包括依次连接的心音传感器、前置放大器、50Hz陷波电路、高/低通滤波电路、主放大电路、A/D转换器；微处理器分别连接有存储器、LED灯、网卡、USB接口、电源管理模块；微处理器内置有操作系统，操作系统包括现场采集心音模块、案例学习模块、学习效果测试模块和用户管理模块；现场采集心音模块包含采集心音子模块、心音分析子模块、权限判断子模块、保存心音子模块。该系统体积小、携带方便，能从听觉和视觉两方面展现给用户不同心音特点，且能进行现场心音采集和学习效果测试，方便在学校教学中推广普及。

Description

一种便携式可视化心音听诊教学系统

技术领域

本发明涉及心音的便携式可视化听诊教学系统，方便在学校教学中推广普及。

背景技术

在人体众多的生理信号中，心音信号是人体最重要的声信号之一，含有关于心脏各个部分如心房、心室、大血管、心血管及各个瓣膜功能状态的大量病理信息，是临床评估心脏功能状态的最基本参数，是心脏及大血管机械运动状况的反映。当心血管疾病尚未发展到足以产生临床及病理改变（如ECG变化）以前，心音中出现的杂音和畸变就是重要的诊断信息。更值得一提的是，心音在心血管疾病中具有重要价值，是心血管疾病进行无创伤检测的重要方法，具有心电图、超声心电图不可取代的优势。

传统的心音听诊教学方法可分为实习法和讲授法。实习法采用听诊器听取病人心音，实现了现场听诊心音，但无法实现多人同时听诊，也难于寻找用来练习听诊的心脏病例，特别是对于严重心脏病患者不允许学生轮流练习听诊；讲授法一般采用播放录有不同类型心音的磁带来进行听诊教学，其缺点是频繁倒带不方便，不便于反复听取同一心音，并且磁带磨损也会造成声音失真从而严重影响学习效果。采用以上两种方法教学时，其一个共同的特点是基于人耳听音进行学习，由于人耳的限制，人们很难对一些特定的心音做出精确诊断，也无法从视觉上得到较强的感性认识。

心音图是将心脏听诊中瞬间即逝的声音信号变为可以长期保存、可供详细分析的图形。心音图的出现弥补了单纯心音听诊的不足，将心音听诊中不能记录或不易分辨的信号以图形方式记录下来，供医生分析使用。

在过去的几年，开发出了一些基于心音图的教学系统，解决了过去人们靠人耳听音进行心音听诊学习的弊端。但由于这些教学系统所基于的心音图几乎是原始的心音波形，人们仍然必须通过他/她的经验来识别某些特定类型的心音。同时，传统的心音图仅仅是一时间-幅值二维曲线，无法精确反映心音频域方面的信息。

不同类型的心音时域波形存在差异，这种波形的差异可以用包络来描述，包络曲线比原始信号曲线能更好地反映心音的特征。从时间、频率和强度三维领域综合刻画心音的三维心音图，比起二维心音图来说，可更为丰富、全面、精确地反映心音中所包含的信息，使学生在心音学习中从视觉方面大大增强感性认识。

S变换是由Stockwell等学者于1996年提出的一种时频分析方法，是对小波变换和短时傅立叶变换的一种延伸。S变换可以利用FFT实现快速计算。S变换的结果为一二维矩阵，其中列对应采样时间，行对应频率，矩阵元素为对应的幅值。

ARMA模型是一种利用参数模型对有序随机响应数据进行处理，从而进行模式参数识别的方法。ARMA模型由自回归模型(简称AR模型)与滑动平均模型(简称MA模型)为基础构成。

Choi-Williams分布(CWD)是一种核函数取                                                ，并满足σ >0的Cohen类时频分布。

发明内容

本发明的目的是提供一种便携式可视化心音听诊教学系统，该系统体积小，成本低，携带方便，能够进行现场心音采集分析和学习效果测试，能够展现给学生各种标准的二维心音图和三维心音图，提高学习效果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案：该便携式可视化心音听诊教学系统，由心音采集传输模块、微处理器、耳机和触摸屏构成，其特征在于：所述心音采集传输模块包括依次连接的心音传感器、前置放大器、50Hz陷波电路、高/低通滤波电路、主放大电路、A/D转换器，所述心音采集传输模块中的50Hz陷电路、高/低通滤波电路，用于对信号进行滤波，消除环境噪声、工频噪声信号；所述微处理器分别连接有存储器、LED灯、网卡、USB接口、电源管理模块；所述微处理器内置有操作系统，所述操作系统包括现场采集心音模块、案例学习模块、学习效果测试模块和用户管理模块；所述现场采集心音模块用于从现场采集人体心音信号，并进行分析；所述现场采集心音模块包含采集心音子模块、心音分析子模块、权限判断子模块、保存心音子模块四个子模块；所述采集心音子模块用于通过心音传感器现场采集人体心音信号；所述心音分析子模块用于对读入系统的心音信号分析；所述权限判断子模块用于判断用户权限是否具有将现场采集的心音信号保存到系统数据库中；所述保存心音子模块用于将从现场采集的心音信号保存到系统数据库中；所述案例学习模块用于用户从系统数据库中选择各种标准心音进行学习；所述学习效果测试模块用于给用户提供一个个性化的学习效果测试功能；所述用户管理模块用于对用户、用户组及其权限进行管理。

采用上述技术方案的有益效果：该便携式可视化心音听诊教学系统具有心音采集传输模块，通过心音传感器采集人体心音信号传输给微处理器，微处理器内置有操作系统，所述操作系统包括现场采集心音模块、案例学习模块、学习效果测试模块和用户管理模块，对所采集或读取的心音信号分别进行心音分析，提取心音特征，即提取心音信号的基于S变换的包络曲线、ARMA双谱特征、CWD特征。绘制该心音信号的二维心音图和三维心音图；二维心音图是指心音的原始波形图和包络曲线图。三维心音图是指基于ARMA双谱分析得到的心音三维图和基于CWD分析得到的心音三维图。它用于以图形方式将所提取的心音特征表示出来，让用户从视觉上感受所分析心音的特点，不单单靠人耳凭听觉判断心音，还从视觉方面来进行判断，提高判断的准确度。根据用户权限，可以将现场采集到的心音信号保存到系统数据库中，在保障系统数据库安全的情况下，扩展系统数据库中心音类型。从系统数据库中随机出题进行学习效果测试，播放该信号并绘制其动态波形，分别绘制出其基于S变换的包络曲线和ARMA、CWD三维心音图，给用户一个个性化的学习效果测试环境。

本发明用在可视化心音听诊教学中按如下步骤运行：

1.从系统数据库中读取各种标准的心音信号；2.播放该心音信号，系统自动绘制其动态波形；3.对该心音信号提取其基于S变换的包络，并绘制其包络曲线；4.对该心音信号进行ARMA分析，并绘制其ARMA双谱三维图；5.对该心音信号进行CWD分析，并绘制其时频分布三维图；6.输出该类型心音特点的文字信息。

与现有技术相比，其优点在于，在播放心音信号的同时，提供表征该心音信号的二维包络曲线及两种三维心音图，输出该类型心音特点的文字信息，使得人们不仅从感性上熟悉该类型心音的特点，而且从理论上掌握其特点。还可提供直接从现场采集心音信号，播放该心音信号的同时绘制其动态波形，并且提供了分别进行基于S变换的包络提取、ARMA和CWD分析，并绘制出相应包络曲线图、ARMA双谱三维心音图和CWD时频分布三维心音图，方便人们判断该心音的类型。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步详细的说明。

图1为便携式可视化心音听诊教学系统的电路原理图；

图2为便携式可视化心音听诊教学系统的功能结构图；

图3为便携式可视化心音听诊教学系统的系统操作流程图；

图4为便携式可视化心音听诊教学系统的现场心音采集流程图；

图5为便携式可视化心音听诊教学系统的功能结构图的心音分析子模块图；

图6为便携式可视化心音听诊教学系统的用户向系统数据库保存心音权限判断流程图；

图7为便携式可视化心音听诊教学系统的学习效果测试流程图；

图8为便携式可视化心音听诊教学系统的一个正常心音和一个二尖瓣狭窄心音的波形图及对应的包络曲线图；

图9为便携式可视化心音听诊教学系统的一个正常心音和一个二尖瓣狭窄心音的基于ARMA的三维心音图；

图10为便携式可视化心音听诊教学系统的一个正常心音和一个二尖瓣狭窄心音的基于CWD的三维心音图。

具体实施方式

图1是便携式可视化心音听诊教学系统的电路原理图。心音传感器1采集人体心音信号，然后送入前置放大器2进行信号的初级放大，再送入50Hz陷波电路3以便滤去50Hz工频干扰，之后经过高/低通滤波电路4分别滤去1000Hz以上的高频噪声和10Hz以下的低频噪声，滤波后的信号送入主放大电路5进行二次信号放大，之后再送入高速A/D转换器6，将模拟信号转换为数字信号后送入高速微处理器7进行心音信号的分析。高速微处理器7对读入的数字化心音信号分别分析其包络、ARMA和CWD，得到相应数据后，送入SD卡9存储数据，并送到触摸屏13中显示。触摸屏13接受高速微处理器7的指令，显示各种数据，包括动态显示心音波形。高速微处理器7在动态显示心音波形的同时，将读入的数字化后的心音信号送入高速D/A转换器8,将该数字信号转换为模拟信号后，经音频回放电路17进行功率放大后送入耳机18，供用户听音。RAM 10存储程序运行过程中的一些临时数据。高速微处理器7通过LED灯11指示整个系统当前运行状态。网卡14接受高速微处理器7指令连接至远程服务器，获取存放在远程服务器中的系统数据库中有关数据。USB接口15接受高速微处理器7指令，从SD卡9中读取数据送到PC机或其它设备。电源管理模块16向高速微处理器7供给稳压电源。

图1中的心音传感器1采用合肥华科电子研究所生产的HKY-06B型心音传感器；高速微处理器7采用NVIDIA Tegra 250微处理器，它是NVIDIA公司生产的新一代可用于移动通信、平板电脑的中低端高速微处理器；触摸屏控制器12采用ADS7843组成，ADS7843是一个内置12位模数转换、低导通电阻模拟开关的串行接口芯片；电源管理模块16采用Wolfson公司的WM8325电源控制芯片，它为系统提供1.6V、1.8V、3V、3.3V等工作电压。

2. 图2是便携式可视化心音听诊教学系统的功能结构图。本发明软件部分采用模块化设计，共分现场采集心音模块、案例学习模块、学习效果测试模块和用户管理模块四大模块，每一大模块内部又由不同的子模块组成。

所述现场采集心音模块用于从现场采集人体心音信号，并进行分析。该模块包含四个子模块：一是采集心音子模块，一是心音分析子模块，一是权限判断子模块，一是保存心音子模块。

所述采集心音子模块用于通过心音传感器现场采集人体心音信号。

所述心音分析子模块是本发明的一个公共子模块，用于对读入系统的心音信号(现场采集的心音信号或从系统数据库读入的心音信号)分析其包络、ARMA双谱分析、CWD分析、播放心音信号、绘制波形图、绘制包络曲线以及绘制心音信号的ARMA三维心音图和CWD三维心音图。

所述权限判断子模块，用于判断用户权限是否具有将现场采集的心音信号保存到系统数据库中。

所述保存心音子模块，用于将从现场采集的心音信号保存到系统数据库中，该子模块仅对有权限的用户开放。

所述案例学习模块用于用户从系统数据库中选择各种标准心音进行学习，该模块包含两个子模块：一是从系统数据库读取心音子模块，一是心音分析子模块。

所述从系统数据库读取心音子模块用于用户从系统数据库中选择心音进行学习。该模块由心音分析子模块组成。

所述学习效果测试模块用于给用户提供一个个性化的学习效果测试功能。该模块由随机出题子模块、心音分析子模块和判断答案子模块组成。

所述随机出题子模块是指从系统数据库随机读取不同类型的心音数据。

所述判断答案子模块用于对用户所给出的答案进行判断，并由用户决定是否继续进行测试。

所述用户管理模块用于对用户、用户组及其权限进行管理。该模块包含四个功能：一是增减用户组，一是增减用户组权限，一是增减用户，一是增减用户权限。该模块的操作权限仅给予系统默认的最高权限用户。

3.图3为便携式可视化心音听诊教学系统的系统操作流程图。便携式可视化心音听诊教学系统的操作步骤如下：

① 启动便携式可视化心音听诊教学系统。

② 用户登录系统。

③ 用户选择进入不同的操作模块。

④ 是否结束？如果不结束，转步骤③。

⑤ 关闭系统。

4. 图4是便携式可视化心音听诊教学系统的现场心音采集流程图。其实现步骤如下：

① 检测是否连接好心音传感器。

② 若未连接，给出提示信息，转步骤⑥。

③ 从高速A/D转换器读入信号。

④ 询问是否停止采集？

⑤ 若用户要求继续采集，转步骤③。

⑥ 结束。

5. 图5是便携式可视化心音听诊教学系统的功能结构图的心音分析子模块图。本模块是本发明的一个公共子模块，用户通过本子模块实现播放心音的同时动态绘制心音波形；通过本子模块实现基于S变换提取心音信号的包络曲线，并绘制包络曲线；通过本子模块实现心音信号的ARMA双谱分析，并绘制出相应的的ARMA三维心音图；通过本子模块实现心音信号的CWD分析，并绘制出相应的CWD三维心音图。

所述播放心音是指播放读入到系统中的心音信号。

所述动态绘制信音波形是指在播放心音信号的同时，动态绘制出该心音信号的波形图。

所述基于S变换提取心音信号的包络曲线，是指利用S变换方法来求取心音信号的包络。心音信号的一维连续S变换定义如下：

基于S变换提取心音信号的包络曲线步骤如下：

① 读入心音信号s。

② 对读入的心音信号做S变换st=st(s)，得到一二维矩阵st，其中列对应采样时间，行对应频率，矩阵元素为对应的幅值。

③ 对上述S变换结果矩阵各元素取模。

④ 然后在每时间方向取最大值，将其乘上信号的最大绝对值。

⑤ 再进行归一化处理，得到信号的包络。

⑥ 绘制该心音信号的包络曲线。

图8为一个正常心音和一个二尖瓣狭窄心音的波形图及对应的包络曲线图。图中a表示该心音的波形图，b表示该心音的包络曲线图。

所述心音信号的ARMA双谱分析是指利用ARMA对心音信号进行双谱分析，得到心音信号的ARMA三维心音图。ARMA是自回归-移动平均模型的英文简写，其函数表达式为：

其中，x(n)为读入的心音信号。

心音信号的ARMA双谱分析步骤如下：

① 读入心音信号s。

② 设定p=2，q=1，norder=3，maxlag=10，samp_seg=128。

③ 对读入的心音信号s利用armats函数做ARMA双谱分析:

[bvec avec]=armaqs(s,p,q,norder,maxlag,samp_seg)，得到ARMA模型参数avec和bvec。

④ 利用bispect函数由参数avec和bvec计算心音信号的双谱:bisp=bispect(bvec,avec,128)。

⑤ 对计算得到的双谱bisp求绝对值，得到心音信号的ARMA三维心音图数据。

⑥ 绘制该心音信号的ARMA三维心音图。

图9为一个正常心音和一个二尖瓣狭窄心音的基于ARMA的三维心音图。

心音信号的CWD分析是指利用CWD分布分析心音信号的时频特征，得到心音信号的CWD三维心音图。CWD是Choi-Williams Distribute的英文简写，它是一种核函数取，并满足σ >0的Cohen类时频分布。心音信号的CWD分析步骤如下：

① 读入心音信号s，得到s的采样频率fs。

② 设定g=kaiser(9)，h=kaiser(27)，t=1:10000。

③ 对读入的心音信号s做希尔伯特变换：s1=hilbert(s)。

④ 对希尔伯特变换后的信号s1去均值：s1=s1-mean(s1)。

⑤对去均值后的信号s1利用函数tfrcw计算信号s1的CWD分布：[tfr1,t1,f1]=tfrcw(s1,t,128,g,h,3)，得到三个输出向量tfr1、t1、f1。

⑥ 计算x=t1/fs，y=f1/fs，z=abs(tfr1)。

⑦ 利用x、y、z绘制心音信号的CWD三维心音图。

图10为一个正常心音和一个二尖瓣狭窄心音的基于CWD的三维心音图。

6. 图6为便携式可视化心音听诊教学系统的用户向系统数据库保存心音权限判断流程图。步骤如下：

① 用户点击软件界面上的保存按钮，开始执行本模块。

② 从系统数据库中读入用户权限

③ 如果用户有权执行保存心音到系统数据库中的权限，则转至第⑤步。

④ 否则给出用户无权执行本操作的提示信息，转至第⑧步。

⑤ 保存心音信号到系统数据库中。

⑥ 如果保存成功，则给出保存成功提示信息，转至第⑧步。

⑦ 否侧给出保存不成功提示信息。

⑧ 结束本次操作。

7. 图7为便携式可视化心音听诊教学系统的学习效果测试流程图。步骤如下：

① 启动本模块。

② 设置出题数量N。

③ 从系统数据库中随机选择不同类型心音信号。

④ 调用心音分析子模块，绘制该心音信号的波形图、包络曲线图、ARMA三维心音图、CWD三维心音图。

⑤ 用户回答该心音类型。

⑥ 判断回答是否正确。如果错误，给出错误提示信息，转第⑧步。

⑦ 给出回答正确祝贺信息。

⑧ N:=N-1。

⑨ 判断N=0？如果N<>0，转第③步。

⑩ 结束。

Claims (1)

1.一种便携式可视化心音听诊教学系统，由心音采集传输模块、微处理器、耳机和触摸屏构成，其特征在于：所述心音采集传输模块包括依次连接的心音传感器、前置放大器、50Hz陷波电路、高/低通滤波电路、主放大电路、A/D转换器；所述微处理器分别连接有存储器、LED灯、网卡、USB接口、电源管理模块；所述微处理器内置有操作系统，所述操作系统包括现场采集心音模块、案例学习模块、学习效果测试模块和用户管理模块；所述现场采集心音模块用于从现场采集人体心音信号，并进行分析；所述现场采集心音模块包含采集心音子模块、心音分析子模块、权限判断子模块、保存心音子模块四个子模块；所述采集心音子模块用于通过心音传感器现场采集人体心音信号；所述心音分析子模块用于对读入系统的心音信号分析；所述权限判断子模块用于判断用户权限是否具有将现场采集的心音信号保存到系统数据库中；所述保存心音子模块用于将从现场采集的心音信号保存到系统数据库中；所述案例学习模块用于用户从系统数据库中选择各种标准心音进行学习；所述学习效果测试模块用于给用户提供学习效果测试功能；所述用户管理模块用于对用户、用户组及其权限进行管理；所述教学系统按下述步骤运行：

（1）.从系统数据库中读取各种标准的心音信号；（2）.播放该心音信号，系统自动绘制其动态波形；（3）.对该心音信号提取其基于S变换的包络，并绘制其包络曲线；（4）.对该心音信号进行ARMA分析，并绘制其ARMA双谱三维图；（5）.对该心音信号进行CWD分析，并绘制其时频分布三维图；（6）.输出该类型心音特点的文字信息；

其中，基于S变换提取心音信号的包络曲线步骤如下：

① 读入心音信号s；

② 对读入的心音信号做S变换st=st(s)，得到一二维矩阵st，其中列对应采样时间，行对应频率，矩阵元素为对应的幅值；

③ 对上述S变换结果矩阵各元素取模；

④ 然后在每时间方向取最大值，将其乘上信号的最大绝对值；

⑤ 再进行归一化处理，得到信号的包络；

⑥ 绘制该心音信号的包络曲线。