基于嵌入式ADSP-BF533的实时先天性心脏病心音分析处理系统(共9页)

1、ADI创新(chungxn)设计竞赛 创意书项目名称： 基于(jy)嵌入式ADSP-BF533的实时(sh sh)先天性心脏病心音分析处理系统 参赛学校： （如实填写） 参赛(cn si)队员： （如实(rsh)填写） 参赛(cn si)项目： 基于嵌入式ADSP-BF533的实时先天性心脏病心音分析处理系统 参赛队员情况表：项目实现构思：本项目基于AD公司的ADSP-BF533嵌入式DSP研发一种新型的先天性心脏病的心音信号分析处理系统，旨在提供一种便捷、有效和低成本的、基于心脏听诊并借助现代数字信号处理手段的先天性心脏病临床辅助诊断技术，服务于先天性心脏病的早期诊断。1、先天性心脏病的背景

2、先天性心脏病（先心病，CHD）是青少年儿童的一种高发性疾病。根据最近统计资料表明，我国新生儿先天性心脏病发病率为0.13%- 0.67%，先天性心脏病患儿的病死率(1岁以内)为33.8%,可见未经治疗的先天性心脏病死亡率相当高。存活的婴儿，即使心脏疾患不十分严重，但成活到40岁以上者为数不多1。同时患者在整个生命旅程中体弱多病，生活质量较差，给家庭和社会带来很大的负担与压力。早期诊断对于先心病的治疗有十分重要的意义，且发现得越早，治疗越早，生存时间也就越长，同时也有更好的生活质量。2、目前先天性心脏病的诊断手段先心病的临床初诊一般为心脏听诊。迄今为止，心脏听诊，因它的非介入性，器械简单可靠，操

3、作简便易行，仍然是心脏物理检查的重要手段，尤其是先心病临床检查的第一个环节。但心脏听诊经验性很强，需要训练有素的专业人员；且心音的频率通常在5600Hz之间，而人耳对10003000Hz之间的声音最敏感，对1000Hz以下的声音敏感程度急剧下降，对50Hz以下的声音很难听到，因此心音频率远在人耳敏感区之外2。资料显示，人耳仅能接收到67%的心音信息3。心音信号十分复杂，即便是心音图（Phonocardiogram,简称PCG）仅凭视觉也难以对其进行分析4，采用现代数字信号处理技术对心音进行分析已势在必行。我国现有先心病患者200万人，年龄大多在18岁以下，且每年以超过14万人的速度递增5。虽然

4、近年来，由于心导管检查、心血管造影术及超声心动图等先进设备的应用，使许多常见的先天性心脏病得到准确的诊断，但上述先进设备和检查手段大多要在县、市级以上的医疗机构才具备，且检查费用昂贵，对占我国人口大多数的农民和乡村卫生院而言，更多和更常用的对先心病检查手段依旧是心脏听诊。3、本项目的研究目标能否在心脏听诊的同时，对所听到的心音进行实时的数字信号处理，分析、提取与先心病相关的数字特征，并同步给出诊断参考信息，使得对先心病的临床诊断更方便、快捷、有效和低成本，是本项目的目标。目前我国城市医疗保险开支费用居高不下，农村缺医少药还很严重，尤其是在云南这样的西部欠发达地区问题更为突出，本项目拟使用AD公

5、司的ADSP-BF533竞赛板、AD8220运算放大器、AD8618运算放大器、AD7792 A/D转换器等器件来实现，目的是要研发一种介于心脏听诊和大型诊断设备之间，实时地对先心病的心音进行分析处理，更便捷有效和低成本的、基于心脏听诊并借助现代信号处理手段的先心病临床辅助诊断技术和设备，服务于先心病的早期诊断。4、本项目的创新性（1）首次对先天性心脏病的心音信号进行数字处理，目前尚未见有类似的报道。（2）首次对先天性心脏病的心音信号进行实时分析处理，目前尚未见有类似的报道。（3）首次用嵌入式DSP芯片将数字信号处理的方式用于心音信号的分析，将传统的靠听觉诊断心脏病的方式变为视觉的方式。医生可

6、以在听诊的同时结合本系统来观察心音在时频上的特征，让传统的经验结合科学的分析，有助于先天性心脏病的早期临床诊断，使诊断更加准确、方便。1 郑州市第七人民医院（郑州市心血管研究所） HYPERLINK / / “我国每年有多少先天性心脏病患儿出生？”2 董承琅，陶寿淇，陈灏珠，实用心脏病学，上海：上海科技出版社 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 郑州市第七人民医院（郑州市心血管研究所）先心病专栏2006年2月5日， HYPERLINK / / “我国每年有多少先天性心脏病患儿出生？”项目(x

8、ingm)实现方案：（此项可另附页说明(shumng)）一系统硬件结构 本系统由四部分组成：模拟信号处理，数字信号处理，通信接口和LCD显示。如图1所示：模拟信号处 理数字信号处 理A/DLCD显示通信接口图1 系统框图PCG心音ECG心电下面分别对各部分作进一步介绍：模拟信号处理部分心音传感器放大器滤波器调理心电传感器放大器滤波器调理ECGPCG图2 心音、心电信号采集示意图模拟信号输出信号采集过程详见图2，心音心电信号分别通过传感器采集，经放大，滤波，调理等处理后输出。该过程在自主研发的模拟信号处理板上完成。各部分描述如下：（1）心音采集器采用合肥华科电子技术研究所HKY06系列心音传感器

9、，采用新型高分子聚合材料微音传感元件采集心脏搏动和其它体表动脉搏动信号，再经过高度集成化信号处理电路处理。高保真输出，稳定性、一致性好。心电采用电极片、导联进行采集。（2）放大器部分采用AD8220高性能仪器运算放大器设计，滤波器采用AD8616设计。专门针对心音（5-1500hz）和心电(0.03-200hz)信号设计,能在采集阶段最大限度提取信号,滤除噪声。保证信号以高信噪比进入AD转换器。2 数字信号处理部分：A/DA/DDSP处理器LCD显示图3 数字处理部分框图EBF-533PCGECGSPISPI数字电路部分主要基于北京亿旗创新科技发展有限公司最新推出的EBF-533数字多媒体实验

10、开发系统，使用ADSP-BF533处理器。ADSP-BF533是业界领先的ADI Blackfin嵌入式处理器，拥有运算速度高达600MHz DSP内核，足以满足本系统实时处理的要求。模数转换器采用AD公司的AD7792（3通道，16bit， 500SPS）。模拟信号经A/D转换器采样后经SPI总线送入DSP处理，处理过程包括信号分析，特征提取，模式分类等，具体过程见算法介绍。3 通信接口为方便本系统和PC机联机及INTERNET通信，特设计通信接口，分别使用USB接口和以太网接口，如图4所示心音信号采集分析仪USB接口以太网接口LCD接口信号输入至PC机至Iinternet至LCD图4 通信

11、接口4LCD显示部分 采用5.6彩色LCD显示（含背光），分辨率为320X240，用于显示实时的PCG/ECG信号及分析处理结果。二算法介绍:心音是一种典型的非平稳信号，它的特点是周期短，每一次的心音相似但不相同，并且心脏杂音是在整个心音周期中是一组历时较长、频率不同、振幅不同的混合振动。不论在生理或病理情况下，心血管系统均可产生杂音，有些杂音是正常的生理性杂音，而有些杂音则是先天性心脏病的重要指征。因此，准确判断心音及心脏杂音的生理或病理特征，在先天性心脏病和其他心脏病的临床初诊中具有非常重要的意义。本实验室在心音分析上做了大量的研究工作,到目前为止,已经使用过多种非平稳信号分析算法对心音信

12、号分析过,并获得了较积极的成果,下面就主要算法进行介绍:短时傅立叶变换（STFT）短时傅立叶变换的最主要的优点是容易实现，计算方便。它的主要缺点是：其窗的类型和窗的宽度选定后，时间和频率的分辨率在整个时频平面上是固定不变，即时频窗在整个时频平面是不变的。对一个特殊的信号，必须要选择一个合适时宽和频宽的窗，才能达到最佳的分辨率，如果信号有两个截然不同的成分组成，不同的成分则需要和自己相适应的窗，才能获得最佳结果。一个固定的窗，往往是不能满足要求的。连续小波变换（CWT）基于小波变换在时频平面上具有可变的时间和频率分辨率，即在高频区域具有好的时间分辨率，在低频区域具有好的频率分辨率。通过选择不同的

13、核函数可以得到不同的时频分布。他成为一种分析非平稳信号的有力工具。小波变换能有效的识别正常人与病人的心音信号的特征，并且可分性很好，准确性高有较高的实际应用价值。谱图重排法为了改进谱图的可读性,减小交叉项的影响,引入重排后的谱图. 重排谱图的方法能很好的消除交叉项，而且保持了很好的时频集聚性。能较理想的分析心音各成分能量。由于单一的某一种算法来分析与识别各种疾病还是不太理想。因此需要用多种算法提取心音信号的多个不同特征再加以模式分类。但是，为了兼顾实时性又要充分考虑算法复杂度及运算时间。在我们前期的研究中，已用不同算法对几百例心音信号进行了分析，提取的特征包括第一心音频率的分散程度、第一心音的

14、能量峰值、杂音的能量、第二心音的能量、一个心音周期总的能量、第二心音50HZ以上的能量、第一心音50HZ以上的能量等，经分类，总有效率超过85%。上述算法已部分移植到DSP处理器中，并调试通过。三设计目的及期望目标本系统目的是设计一个基于DSP的实时便携式的先天性心音分析处理器，能够在早期诊断中为临床提供有价值的参考信息，减少漏诊，误诊的机率。主要达到以下目的：实时性能够实时处理信号并能在短时间内得出分析结果，适于大面积的健康体检和疾病普查。便携式针对西部地区的特点能够方便携带到各山区或村镇。信号处理技术采用现今先进的信号处理技术，针对心音信号提取若干特征，能很好的在初诊时提供可靠有用的信息。

15、并做出初步分类以供临床诊断参考。通信接口采用USB接口可方便地实现和PC机之间数据传输与存储；采用以太网接口实现联网，便于将疑难病症相关数据提供给异地专家分析。结果显示能够彩色显示实时采集及所分析的信号，并有回放功能，能显示从信号中所提取的特征参数、及分析判断的结果。四研发基础本课题组所在的信号处理实验室长期进行心音心电信号的研究,早在2000年就自主研发了心音心电信号采集仪器（内部模拟器件基本都采用AD公司芯片）,曾采用过多种算法对心音信号进行分析，包括MP算法，小波分析，短时傅立叶变换，谱图重排等，开发工具以DSP为主，包括单片机，FPGA等。使用的编程语言包括MATLAB，C/C+，汇编

16、等，课题组成员也参加过导师的国家自然科学基金、云南省自然科学基金的相关课题研究，在先天性心脏病的研究、DSP系统开发及嵌入式系统研究方面拥有较好的基础。迄今为止，本课题组所在的信号处理实验室已在各种期刊上发表相关论文二十余篇，参与过多次学术交流和会议。通过不断努力，心音分析仪的设计已从理论研究过度到实际产品的开发阶段。所采用(ciyng)芯片： ADSP-BF533SKBC600，AD8220，AD8618，AD8544，AD7792等项目(xingm)预算： 该项目总的研制(ynzh)费用约为 3330 元，其中包括外协装配费以及各元器件材料费（详细清单见下表）序号器材名称数量单价（元）总价（元）1EBF-533竞赛板1￥200020002AD8220 Amplifier2$ 3.49 （￥28）563AD8618