基于嵌入式ADSP-BF533的實(shí)時(shí)先天性心臟病心音分析處理系統(tǒng)(共9頁)

1、ADI創(chuàng)新(chungxn)設(shè)計(jì)競賽 創(chuàng)意書項(xiàng)目名稱： 基于(jy)嵌入式ADSP-BF533的實(shí)時(shí)(sh sh)先天性心臟病心音分析處理系統(tǒng) 參賽學(xué)校： （如實(shí)填寫） 參賽(cn si)隊(duì)員： （如實(shí)(rsh)填寫） 參賽(cn si)項(xiàng)目： 基于嵌入式ADSP-BF533的實(shí)時(shí)先天性心臟病心音分析處理系統(tǒng) 參賽隊(duì)員情況表：項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)構(gòu)思：本項(xiàng)目基于AD公司的ADSP-BF533嵌入式DSP研發(fā)一種新型的先天性心臟病的心音信號(hào)分析處理系統(tǒng)，旨在提供一種便捷、有效和低成本的、基于心臟聽診并借助現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理手段的先天性心臟病臨床輔助診斷技術(shù)，服務(wù)于先天性心臟病的早期診斷。1、先天性心臟病的背景

2、先天性心臟?。ㄏ刃牟?，CHD）是青少年兒童的一種高發(fā)性疾病。根據(jù)最近統(tǒng)計(jì)資料表明，我國新生兒先天性心臟病發(fā)病率為0.13%- 0.67%，先天性心臟病患兒的病死率(1歲以內(nèi))為33.8%,可見未經(jīng)治療的先天性心臟病死亡率相當(dāng)高。存活的嬰兒，即使心臟疾患不十分嚴(yán)重，但成活到40歲以上者為數(shù)不多1。同時(shí)患者在整個(gè)生命旅程中體弱多病，生活質(zhì)量較差，給家庭和社會(huì)帶來很大的負(fù)擔(dān)與壓力。早期診斷對于先心病的治療有十分重要的意義，且發(fā)現(xiàn)得越早，治療越早，生存時(shí)間也就越長，同時(shí)也有更好的生活質(zhì)量。2、目前先天性心臟病的診斷手段先心病的臨床初診一般為心臟聽診。迄今為止，心臟聽診，因它的非介入性，器械簡單可靠，操

3、作簡便易行，仍然是心臟物理檢查的重要手段，尤其是先心病臨床檢查的第一個(gè)環(huán)節(jié)。但心臟聽診經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)，需要訓(xùn)練有素的專業(yè)人員；且心音的頻率通常在5600Hz之間，而人耳對10003000Hz之間的聲音最敏感，對1000Hz以下的聲音敏感程度急劇下降，對50Hz以下的聲音很難聽到，因此心音頻率遠(yuǎn)在人耳敏感區(qū)之外2。資料顯示，人耳僅能接收到67%的心音信息3。心音信號(hào)十分復(fù)雜，即便是心音圖（Phonocardiogram,簡稱PCG）僅憑視覺也難以對其進(jìn)行分析4，采用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對心音進(jìn)行分析已勢在必行。我國現(xiàn)有先心病患者200萬人，年齡大多在18歲以下，且每年以超過14萬人的速度遞增5。雖然

4、近年來，由于心導(dǎo)管檢查、心血管造影術(shù)及超聲心動(dòng)圖等先進(jìn)設(shè)備的應(yīng)用，使許多常見的先天性心臟病得到準(zhǔn)確的診斷，但上述先進(jìn)設(shè)備和檢查手段大多要在縣、市級以上的醫(yī)療機(jī)構(gòu)才具備，且檢查費(fèi)用昂貴，對占我國人口大多數(shù)的農(nóng)民和鄉(xiāng)村衛(wèi)生院而言，更多和更常用的對先心病檢查手段依舊是心臟聽診。3、本項(xiàng)目的研究目標(biāo)能否在心臟聽診的同時(shí)，對所聽到的心音進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)字信號(hào)處理，分析、提取與先心病相關(guān)的數(shù)字特征，并同步給出診斷參考信息，使得對先心病的臨床診斷更方便、快捷、有效和低成本，是本項(xiàng)目的目標(biāo)。目前我國城市醫(yī)療保險(xiǎn)開支費(fèi)用居高不下，農(nóng)村缺醫(yī)少藥還很嚴(yán)重，尤其是在云南這樣的西部欠發(fā)達(dá)地區(qū)問題更為突出，本項(xiàng)目擬使用AD公

5、司的ADSP-BF533競賽板、AD8220運(yùn)算放大器、AD8618運(yùn)算放大器、AD7792 A/D轉(zhuǎn)換器等器件來實(shí)現(xiàn)，目的是要研發(fā)一種介于心臟聽診和大型診斷設(shè)備之間，實(shí)時(shí)地對先心病的心音進(jìn)行分析處理，更便捷有效和低成本的、基于心臟聽診并借助現(xiàn)代信號(hào)處理手段的先心病臨床輔助診斷技術(shù)和設(shè)備，服務(wù)于先心病的早期診斷。4、本項(xiàng)目的創(chuàng)新性（1）首次對先天性心臟病的心音信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理，目前尚未見有類似的報(bào)道。（2）首次對先天性心臟病的心音信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，目前尚未見有類似的報(bào)道。（3）首次用嵌入式DSP芯片將數(shù)字信號(hào)處理的方式用于心音信號(hào)的分析，將傳統(tǒng)的靠聽覺診斷心臟病的方式變?yōu)橐曈X的方式。醫(yī)生可

6、以在聽診的同時(shí)結(jié)合本系統(tǒng)來觀察心音在時(shí)頻上的特征，讓傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)結(jié)合科學(xué)的分析，有助于先天性心臟病的早期臨床診斷，使診斷更加準(zhǔn)確、方便。1 鄭州市第七人民醫(yī)院（鄭州市心血管研究所） HYPERLINK / / “我國每年有多少先天性心臟病患兒出生？”2 董承瑯，陶壽淇，陳灝珠，實(shí)用心臟病學(xué)，上海：上?？萍汲霭嫔?1994。 3 Xuan Zhang,L.G.Durand,etc,“Time-frequency scaling transformation of the phonocardiongram based of the matching pursuit methond,”IEEE Tra

7、ns.on biomedical Engineering.vol.45,No.8,pp.972-979,19984 L.G.Durand and P.pibarot,“Digital signal processing of the phonocardiogram: Review of the most recent advancements, ”CRC Crit Rev.Biomed Eng, vol.23, pp.163-219,1995.5 鄭州市第七人民醫(yī)院（鄭州市心血管研究所）先心病專欄2006年2月5日， HYPERLINK / / “我國每年有多少先天性心臟病患兒出生？”項(xiàng)目(x

8、ingm)實(shí)現(xiàn)方案：（此項(xiàng)可另附頁說明(shumng)）一系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)由四部分組成：模擬信號(hào)處理，數(shù)字信號(hào)處理，通信接口和LCD顯示。如圖1所示：模擬信號(hào)處 理數(shù)字信號(hào)處 理A/DLCD顯示通信接口圖1 系統(tǒng)框圖PCG心音ECG心電下面分別對各部分作進(jìn)一步介紹：模擬信號(hào)處理部分心音傳感器放大器濾波器調(diào)理心電傳感器放大器濾波器調(diào)理ECGPCG圖2 心音、心電信號(hào)采集示意圖模擬信號(hào)輸出信號(hào)采集過程詳見圖2，心音心電信號(hào)分別通過傳感器采集，經(jīng)放大，濾波，調(diào)理等處理后輸出。該過程在自主研發(fā)的模擬信號(hào)處理板上完成。各部分描述如下：（1）心音采集器采用合肥華科電子技術(shù)研究所HKY06系列心音傳感器

9、，采用新型高分子聚合材料微音傳感元件采集心臟搏動(dòng)和其它體表動(dòng)脈搏動(dòng)信號(hào)，再經(jīng)過高度集成化信號(hào)處理電路處理。高保真輸出，穩(wěn)定性、一致性好。心電采用電極片、導(dǎo)聯(lián)進(jìn)行采集。（2）放大器部分采用AD8220高性能儀器運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)，濾波器采用AD8616設(shè)計(jì)。專門針對心音（5-1500hz）和心電(0.03-200hz)信號(hào)設(shè)計(jì),能在采集階段最大限度提取信號(hào),濾除噪聲。保證信號(hào)以高信噪比進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換器。2 數(shù)字信號(hào)處理部分：A/DA/DDSP處理器LCD顯示圖3 數(shù)字處理部分框圖EBF-533PCGECGSPISPI數(shù)字電路部分主要基于北京億旗創(chuàng)新科技發(fā)展有限公司最新推出的EBF-533數(shù)字多媒體實(shí)驗(yàn)

10、開發(fā)系統(tǒng)，使用ADSP-BF533處理器。ADSP-BF533是業(yè)界領(lǐng)先的ADI Blackfin嵌入式處理器，擁有運(yùn)算速度高達(dá)600MHz DSP內(nèi)核，足以滿足本系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理的要求。模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用AD公司的AD7792（3通道，16bit， 500SPS）。模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器采樣后經(jīng)SPI總線送入DSP處理，處理過程包括信號(hào)分析，特征提取，模式分類等，具體過程見算法介紹。3 通信接口為方便本系統(tǒng)和PC機(jī)聯(lián)機(jī)及INTERNET通信，特設(shè)計(jì)通信接口，分別使用USB接口和以太網(wǎng)接口，如圖4所示心音信號(hào)采集分析儀USB接口以太網(wǎng)接口LCD接口信號(hào)輸入至PC機(jī)至Iinternet至LCD圖4 通信

11、接口4LCD顯示部分 采用5.6彩色LCD顯示（含背光），分辨率為320X240，用于顯示實(shí)時(shí)的PCG/ECG信號(hào)及分析處理結(jié)果。二算法介紹:心音是一種典型的非平穩(wěn)信號(hào)，它的特點(diǎn)是周期短，每一次的心音相似但不相同，并且心臟雜音是在整個(gè)心音周期中是一組歷時(shí)較長、頻率不同、振幅不同的混合振動(dòng)。不論在生理或病理情況下，心血管系統(tǒng)均可產(chǎn)生雜音，有些雜音是正常的生理性雜音，而有些雜音則是先天性心臟病的重要指征。因此，準(zhǔn)確判斷心音及心臟雜音的生理或病理特征，在先天性心臟病和其他心臟病的臨床初診中具有非常重要的意義。本實(shí)驗(yàn)室在心音分析上做了大量的研究工作,到目前為止,已經(jīng)使用過多種非平穩(wěn)信號(hào)分析算法對心音信

12、號(hào)分析過,并獲得了較積極的成果,下面就主要算法進(jìn)行介紹:短時(shí)傅立葉變換（STFT）短時(shí)傅立葉變換的最主要的優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)，計(jì)算方便。它的主要缺點(diǎn)是：其窗的類型和窗的寬度選定后，時(shí)間和頻率的分辨率在整個(gè)時(shí)頻平面上是固定不變，即時(shí)頻窗在整個(gè)時(shí)頻平面是不變的。對一個(gè)特殊的信號(hào)，必須要選擇一個(gè)合適時(shí)寬和頻寬的窗，才能達(dá)到最佳的分辨率，如果信號(hào)有兩個(gè)截然不同的成分組成，不同的成分則需要和自己相適應(yīng)的窗，才能獲得最佳結(jié)果。一個(gè)固定的窗，往往是不能滿足要求的。連續(xù)小波變換（CWT）基于小波變換在時(shí)頻平面上具有可變的時(shí)間和頻率分辨率，即在高頻區(qū)域具有好的時(shí)間分辨率，在低頻區(qū)域具有好的頻率分辨率。通過選擇不同的

13、核函數(shù)可以得到不同的時(shí)頻分布。他成為一種分析非平穩(wěn)信號(hào)的有力工具。小波變換能有效的識(shí)別正常人與病人的心音信號(hào)的特征，并且可分性很好，準(zhǔn)確性高有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。譜圖重排法為了改進(jìn)譜圖的可讀性,減小交叉項(xiàng)的影響,引入重排后的譜圖. 重排譜圖的方法能很好的消除交叉項(xiàng)，而且保持了很好的時(shí)頻集聚性。能較理想的分析心音各成分能量。由于單一的某一種算法來分析與識(shí)別各種疾病還是不太理想。因此需要用多種算法提取心音信號(hào)的多個(gè)不同特征再加以模式分類。但是，為了兼顧實(shí)時(shí)性又要充分考慮算法復(fù)雜度及運(yùn)算時(shí)間。在我們前期的研究中，已用不同算法對幾百例心音信號(hào)進(jìn)行了分析，提取的特征包括第一心音頻率的分散程度、第一心音的

14、能量峰值、雜音的能量、第二心音的能量、一個(gè)心音周期總的能量、第二心音50HZ以上的能量、第一心音50HZ以上的能量等，經(jīng)分類，總有效率超過85%。上述算法已部分移植到DSP處理器中，并調(diào)試通過。三設(shè)計(jì)目的及期望目標(biāo)本系統(tǒng)目的是設(shè)計(jì)一個(gè)基于DSP的實(shí)時(shí)便攜式的先天性心音分析處理器，能夠在早期診斷中為臨床提供有價(jià)值的參考信息，減少漏診，誤診的機(jī)率。主要達(dá)到以下目的：實(shí)時(shí)性能夠?qū)崟r(shí)處理信號(hào)并能在短時(shí)間內(nèi)得出分析結(jié)果，適于大面積的健康體檢和疾病普查。便攜式針對西部地區(qū)的特點(diǎn)能夠方便攜帶到各山區(qū)或村鎮(zhèn)。信號(hào)處理技術(shù)采用現(xiàn)今先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)，針對心音信號(hào)提取若干特征，能很好的在初診時(shí)提供可靠有用的信息。

15、并做出初步分類以供臨床診斷參考。通信接口采用USB接口可方便地實(shí)現(xiàn)和PC機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)；采用以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，便于將疑難病癥相關(guān)數(shù)據(jù)提供給異地專家分析。結(jié)果顯示能夠彩色顯示實(shí)時(shí)采集及所分析的信號(hào)，并有回放功能，能顯示從信號(hào)中所提取的特征參數(shù)、及分析判斷的結(jié)果。四研發(fā)基礎(chǔ)本課題組所在的信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)室長期進(jìn)行心音心電信號(hào)的研究,早在2000年就自主研發(fā)了心音心電信號(hào)采集儀器（內(nèi)部模擬器件基本都采用AD公司芯片）,曾采用過多種算法對心音信號(hào)進(jìn)行分析，包括MP算法，小波分析，短時(shí)傅立葉變換，譜圖重排等，開發(fā)工具以DSP為主，包括單片機(jī)，F(xiàn)PGA等。使用的編程語言包括MATLAB，C/C+，匯編

16、等，課題組成員也參加過導(dǎo)師的國家自然科學(xué)基金、云南省自然科學(xué)基金的相關(guān)課題研究，在先天性心臟病的研究、DSP系統(tǒng)開發(fā)及嵌入式系統(tǒng)研究方面擁有較好的基礎(chǔ)。迄今為止，本課題組所在的信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)室已在各種期刊上發(fā)表相關(guān)論文二十余篇，參與過多次學(xué)術(shù)交流和會(huì)議。通過不斷努力，心音分析儀的設(shè)計(jì)已從理論研究過度到實(shí)際產(chǎn)品的開發(fā)階段。所采用(ciyng)芯片： ADSP-BF533SKBC600，AD8220，AD8618，AD8544，AD7792等項(xiàng)目(xingm)預(yù)算： 該項(xiàng)目總的研制(ynzh)費(fèi)用約為 3330 元，其中包括外協(xié)裝配費(fèi)以及各元器件材料費(fèi)（詳細(xì)清單見下表）序號(hào)器材名稱數(shù)量單價(jià)（元）總價(jià)（元）1EBF-533競賽板1￥200020002AD8220 Amplifier2$ 3.49 （￥28）563AD8618