虚拟仪器的便携式心音采集系统硬件设计(附件)
针对当前社会逐年提高的心血管疾病发病率，国内心音信号采集系统的不完善等情况，本论文设计了一个基于虚拟仪器的心音信号采集系统。该系统首先采用心跳、温度和肺活量传感器对受测者的心跳信号、温度和肺活量等进行采集，并通过数据采集卡进行数模转换，最后在上位机将采集到的数据进行显示、存储和打印等功能。测试结果表明，该系统能够综合采集心音脉搏、温度和肺活量等信号，最后可以在PC机上显示，并通过测得数据简单判断受测者的实时身体健康状况。关键词 心音，虚拟仪器，传感器，数据采集目录
1 引 言 2
1．1 论文研究的背景和意义 2
1．2 本论文的研究现状 4
1．3 本文研究的主要内容 4
2 系统总体方案设计 5
2.1 系统的总体方案设计 6
2.2 系统的实施措施 6
3．1 传感器采集模块设计 6
3.1.1 心跳采集模块设计 7
3.1.2 温度采集模块设计 8
3.1.3 肺活量采集模块设计 10
3.1.4 电源转换模块设计 11
3．2 数据采集模块设计 13
3.2.1 方案设计 13
3.2.2数据采集卡模块 14
4 硬件电路的制作和调试 18
4.1 电路原理的设计 18
4.2 硬件电路的制作和调试步骤 18
4.3 系统的误差分析 19
结论 21
致谢 22
参 考 文 献 23
附录1 电路实物图 25
附录2 软件调试图 26
1 引 言
1．1 论文研究的背景和意义
心血管疾病是威胁人类生命健康最主要的原因之一，它的发病率和死亡率已经超过肿瘤性的疾病，进而跃居第一[1-4]。无论什么样的心脏病，只要得不到正确的治疗，最终都会发展成为心脏衰竭。而以我们现有的医疗技术水平而言，我们对此并没有很好的解决办法。
英国花在心血管疾病上的花费，在国家健康服务体系中，占总预算的21％。心脏病极易导致人类的死亡，美国在各种死因中，因心
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的背景和意义
心血管疾病是威胁人类生命健康最主要的原因之一，它的发病率和死亡率已经超过肿瘤性的疾病，进而跃居第一[1-4]。无论什么样的心脏病，只要得不到正确的治疗，最终都会发展成为心脏衰竭。而以我们现有的医疗技术水平而言，我们对此并没有很好的解决办法。
英国花在心血管疾病上的花费，在国家健康服务体系中，占总预算的21％。心脏病极易导致人类的死亡，美国在各种死因中，因心脏病而死的人占第一位[5]，而患有心力衰竭的人数，每年有近500万人，30%?40%的病人在确诊为心力衰竭后的1年内，都会死亡[6-7]，每年用于治疗心力衰竭的总费用接近300亿美元[8]。目前，在中国因冠心病而死的人的人数占世界第二，并且心血管病在我国的危险因素方面呈明显增长的趋势，由于患心血管疾病而死亡的人，每年约有为200万至300万的人[9]，在中国，用在心血管病上的医疗费，人民的花费每年竟高达1301.17亿元人民币，它的增长速度近乎我国国内生产总值增长速度的2倍，对人民和社会来说，它造成了巨大的经济负担[10]。伴随着中国社会的人口老龄化以及在心力衰竭病基因治疗方面的进步，因心力衰竭而造成的财政负担预计在今后数十年将会不断增加[11]。
根据卫生部公布的医学统计资料报告我们可以了解到，我国的心血管疾病在上世纪50年代末发病率仅为5.1％，到90年代初就上升到13.6％，到2002年时18岁以上的人群达到18.8％，并且50-70岁的中老年人中患有心血管疾病的，如高血压、血脂异常、糖尿病、肥胖症等的“危险人群”竟然高达70％以上。根据我国人口死亡原因的资料表明，近几年我国死于心血管疾病的人达到40％，从这方面来说，在中国没三个人中就有一个人死于心血管疾病。现在，心血管疾病不仅是危害中国人民健康的第一杀手，也是影响我国人口的第一死因。
用来对心脏功能状态来评价的一种基本方法就是对心音信号的分析，心音信号包含着心脏和心脏自身作用的生理和病理的信息，也包含着心脏与身体各个部分相互作用的生理和病理的信息。
在人类社会和临床医学上所面临的最大挑战之一就是心脏性猝死(Sudden Cardiac Death，SCD)。欧美流行病学的研究表明[12-14]，在年龄> 35岁的人群中，猝死每年的新发生率约 1%?2%，发展中国家SCD占了心脏病死亡率的50%。每年在美国，因心脏性猝死的人，每年有约50万人。调查研究显示[15]:我国每年SCD的总人数为54.4万。猝死病因调查结果显示[12]:心脏性猝死居首位，其中主要为冠心病，占了SCD病例的80%。大量研究认为[16]:冠心病猝死绝大多数死于恶性心律失常，心律失常性猝死发生率为18.4万?46.2万例/年。恶性室性心律失常以心室颤动最为常见，其次为持续性室性心动过速、缓慢性心律失常如心室静止。由于恶性室性心律失常而引起的心律失常性猝死中，人数占83%，是大多数人的死亡原因，并且致死的原因最终是心室颤动(室颤)。美国心脏协会(American Heart Association，AHA)提出的心血管急救“生存链”的4个环节中，早期电除颤最为关键是挽回患者生命最重要的抢救措施[17]。研究表明[18]：致命性室性心动过速(室速)或室颤发生后20?30S内迅速除颤，生存率接近100%。在室颤发生后1?2min内进行除颤，患者的生存率在80%?90%，而在致命性室性心动过速(室速)或室颤发生后大于10min的电除颤治疗会使病人的最终的生存率低于10%。从患者因致命性室速或室颤倒地到有效的电除颤，这个过程的时间只要每延迟1min，而患者生存率将就会降低7%?10%，这是“时间就是生命”最直接的体现，因此医生将会节约每一分钟，因为每一分钟都意味着患者的生存率大大增加，决不放弃任何一个生命这句话在医生的身上体现得淋漓尽致。在军事领域方面，对于士兵来说，在战斗中受伤，而受伤之后的第一个小时，被医生们称为“关键的1小时”，在这1小时的时间内必须对他们进行诊断和急救治疗，这样才能给他们的康复带来最大的希望[19]。AHA在2005年明确提出:随着时间的增加疾病会越来越严重，所以时间，它决定了心血管急救(ECC)的所有方面，随着患者不去医院治疗的时间越来越长，心肺功能会越来越衰竭，生存机会可能会明显下降。
心音信号检测和分析是一种了解心脏和血管状态的不可或缺的方法。一种医生用评估心脏存在病变和功能状态的基本方法，就是心脏听诊。心电图检查，是心脏变时性和变传导性的最佳检测方法，但是在检查心脏的变力性方面，却不能用心电图检查。不仅先天心脏瓣膜受损能通过心音信号反映出来，心电传导组织病变引起的心脏机械活动障碍等其它的疾病也能够在心音信号上反应出来，甚至在某些心血管系统的病变在导致ECG信号出现异常之前时，一开始就会导致心脏杂音和心音变异，并且心音信号具有无创性、重复性的特点，不会对患者造成伤害。因此心音信号具有不可或缺的研究意义。
1．2 本论文的研究现状
本论文通过对心音在当前的发展现状和发展趋势的分析与研究，我们发现了当前心音信号分析的两个现状。第一个方面，如今的医生大多采用听诊器来对心音信号进
1 引 言 2
1．1 论文研究的背景和意义 2
1．2 本论文的研究现状 4
1．3 本文研究的主要内容 4
2 系统总体方案设计 5
2.1 系统的总体方案设计 6
2.2 系统的实施措施 6
3．1 传感器采集模块设计 6
3.1.1 心跳采集模块设计 7
3.1.2 温度采集模块设计 8
3.1.3 肺活量采集模块设计 10
3.1.4 电源转换模块设计 11
3．2 数据采集模块设计 13
3.2.1 方案设计 13
3.2.2数据采集卡模块 14
4 硬件电路的制作和调试 18
4.1 电路原理的设计 18
4.2 硬件电路的制作和调试步骤 18
4.3 系统的误差分析 19
结论 21
致谢 22
参 考 文 献 23
附录1 电路实物图 25
附录2 软件调试图 26
1 引 言
1．1 论文研究的背景和意义
心血管疾病是威胁人类生命健康最主要的原因之一，它的发病率和死亡率已经超过肿瘤性的疾病，进而跃居第一[1-4]。无论什么样的心脏病，只要得不到正确的治疗，最终都会发展成为心脏衰竭。而以我们现有的医疗技术水平而言，我们对此并没有很好的解决办法。
英国花在心血管疾病上的花费，在国家健康服务体系中，占总预算的21％。心脏病极易导致人类的死亡，美国在各种死因中，因心
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
的背景和意义
心血管疾病是威胁人类生命健康最主要的原因之一，它的发病率和死亡率已经超过肿瘤性的疾病，进而跃居第一[1-4]。无论什么样的心脏病，只要得不到正确的治疗，最终都会发展成为心脏衰竭。而以我们现有的医疗技术水平而言，我们对此并没有很好的解决办法。
英国花在心血管疾病上的花费，在国家健康服务体系中，占总预算的21％。心脏病极易导致人类的死亡，美国在各种死因中，因心脏病而死的人占第一位[5]，而患有心力衰竭的人数，每年有近500万人，30%?40%的病人在确诊为心力衰竭后的1年内，都会死亡[6-7]，每年用于治疗心力衰竭的总费用接近300亿美元[8]。目前，在中国因冠心病而死的人的人数占世界第二，并且心血管病在我国的危险因素方面呈明显增长的趋势，由于患心血管疾病而死亡的人，每年约有为200万至300万的人[9]，在中国，用在心血管病上的医疗费，人民的花费每年竟高达1301.17亿元人民币，它的增长速度近乎我国国内生产总值增长速度的2倍，对人民和社会来说，它造成了巨大的经济负担[10]。伴随着中国社会的人口老龄化以及在心力衰竭病基因治疗方面的进步，因心力衰竭而造成的财政负担预计在今后数十年将会不断增加[11]。
根据卫生部公布的医学统计资料报告我们可以了解到，我国的心血管疾病在上世纪50年代末发病率仅为5.1％，到90年代初就上升到13.6％，到2002年时18岁以上的人群达到18.8％，并且50-70岁的中老年人中患有心血管疾病的，如高血压、血脂异常、糖尿病、肥胖症等的“危险人群”竟然高达70％以上。根据我国人口死亡原因的资料表明，近几年我国死于心血管疾病的人达到40％，从这方面来说，在中国没三个人中就有一个人死于心血管疾病。现在，心血管疾病不仅是危害中国人民健康的第一杀手，也是影响我国人口的第一死因。
用来对心脏功能状态来评价的一种基本方法就是对心音信号的分析，心音信号包含着心脏和心脏自身作用的生理和病理的信息，也包含着心脏与身体各个部分相互作用的生理和病理的信息。
在人类社会和临床医学上所面临的最大挑战之一就是心脏性猝死(Sudden Cardiac Death，SCD)。欧美流行病学的研究表明[12-14]，在年龄> 35岁的人群中，猝死每年的新发生率约 1%?2%，发展中国家SCD占了心脏病死亡率的50%。每年在美国，因心脏性猝死的人，每年有约50万人。调查研究显示[15]:我国每年SCD的总人数为54.4万。猝死病因调查结果显示[12]:心脏性猝死居首位，其中主要为冠心病，占了SCD病例的80%。大量研究认为[16]:冠心病猝死绝大多数死于恶性心律失常，心律失常性猝死发生率为18.4万?46.2万例/年。恶性室性心律失常以心室颤动最为常见，其次为持续性室性心动过速、缓慢性心律失常如心室静止。由于恶性室性心律失常而引起的心律失常性猝死中，人数占83%，是大多数人的死亡原因，并且致死的原因最终是心室颤动(室颤)。美国心脏协会(American Heart Association，AHA)提出的心血管急救“生存链”的4个环节中，早期电除颤最为关键是挽回患者生命最重要的抢救措施[17]。研究表明[18]：致命性室性心动过速(室速)或室颤发生后20?30S内迅速除颤，生存率接近100%。在室颤发生后1?2min内进行除颤，患者的生存率在80%?90%，而在致命性室性心动过速(室速)或室颤发生后大于10min的电除颤治疗会使病人的最终的生存率低于10%。从患者因致命性室速或室颤倒地到有效的电除颤，这个过程的时间只要每延迟1min，而患者生存率将就会降低7%?10%，这是“时间就是生命”最直接的体现，因此医生将会节约每一分钟，因为每一分钟都意味着患者的生存率大大增加，决不放弃任何一个生命这句话在医生的身上体现得淋漓尽致。在军事领域方面，对于士兵来说，在战斗中受伤，而受伤之后的第一个小时，被医生们称为“关键的1小时”，在这1小时的时间内必须对他们进行诊断和急救治疗，这样才能给他们的康复带来最大的希望[19]。AHA在2005年明确提出:随着时间的增加疾病会越来越严重，所以时间，它决定了心血管急救(ECC)的所有方面，随着患者不去医院治疗的时间越来越长，心肺功能会越来越衰竭，生存机会可能会明显下降。
心音信号检测和分析是一种了解心脏和血管状态的不可或缺的方法。一种医生用评估心脏存在病变和功能状态的基本方法，就是心脏听诊。心电图检查，是心脏变时性和变传导性的最佳检测方法，但是在检查心脏的变力性方面，却不能用心电图检查。不仅先天心脏瓣膜受损能通过心音信号反映出来，心电传导组织病变引起的心脏机械活动障碍等其它的疾病也能够在心音信号上反应出来，甚至在某些心血管系统的病变在导致ECG信号出现异常之前时，一开始就会导致心脏杂音和心音变异，并且心音信号具有无创性、重复性的特点，不会对患者造成伤害。因此心音信号具有不可或缺的研究意义。
1．2 本论文的研究现状
本论文通过对心音在当前的发展现状和发展趋势的分析与研究，我们发现了当前心音信号分析的两个现状。第一个方面，如今的医生大多采用听诊器来对心音信号进
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