基于小波分析的呼吸音采集系統設計

郭俊飛，張元良，王丹虹，王金龍

(大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連 116024)

0 引言

呼吸音信號是空氣在人體呼吸系統中運動時所產生的特定的聲音信號，包含著豐富的生理病理信息，它的變化可直接反映肺部生理、病理的變化。受到傳統聽診器和醫生臨床經驗的限制，僅靠耳朵聽診來診斷和判斷呼吸系統疾病容易受主觀因素影響，而且無法定量化[1]，因此開發一款可以將呼吸音波形和特征準確提取出來的系統意義重大。本文設計的呼吸音采集分析系統主要由傳感器、處理器、存儲系統和顯示屏組成，可以準確地采集并顯示人體的呼吸音信號，供醫生進行參考判斷。由于呼吸音信號由多頻率成分構成，且正常和異常呼吸音信號特征各不相同，一般的信號處理方法很難將其分辨，所以采用具有時頻局域功能的多分辨率小波分析作為信號采集后的處理算法。利用小波分析可以達到對呼吸音信號的濾波、降噪、去除心音干擾的效果，從而得到更準確的呼吸音波形。

1 呼吸音采集系統總體方案設計

呼吸音采集系統以DSP為核心，傳感器采集的數據經A/D芯片采樣后送給DSP進行處理，然后通過可觸摸彩色液晶屏顯示，以達到良好的人機交互效果。實現上述功能的采集系統方案設計包括以下幾個模塊：

(1) 微處理器模塊：由DSP及其最小系統構成，采用TI公司生產的高性能、低功耗定點音頻專用DSP處理器TMS320VC5509A，強大的運算能力可以實現對呼吸音信號的實時處理。微處理器模塊可實現控制AD芯片進行模數轉換、對采集的數據進行分析處理，以及液晶顯示、存儲等功能。

(2) 呼吸音采集模塊：選用高集成度、高靈敏度的呼吸音傳感器HKY-06F采集呼吸音信號，將信號輸出給A/D轉換芯片。

(3) 模數轉換模塊：采用TI公司生產的高性能立體聲音頻編解碼器TLC320AD50C，對傳感器采集的數據進行模數轉換，然后將其輸出給DSP。

(4) 數據存儲模塊：使用SD卡實現系統的存儲功能，既能夠實現系統斷電保護的功能，同時也能對患者信息和呼吸音數據進行存儲，便于后續的分析管理。

(5) 人機交互模塊：采用7寸分辨率為800像素×480像素的帶觸摸功能的串口屏顯示患者信息和患者呼吸音曲線，同時方便對患者檔案進行存儲和管理。

(6) 電源模塊：使用集成AC/DC電源模塊為系統供電，既能保證系統供電的穩定性還能減小系統體積。采用TI公司生產的TPS767D301S為DSP芯片提供1.6 V和3.3 V兩路電源輸入[2]。

呼吸音采集分析系統總體框架如圖1所示。

圖1 呼吸音采集分析系統總體框架圖

2 呼吸音采集分析系統硬件電路設計

2.1 呼吸音采集電路

呼吸音是由肺泡、支氣管部分產生的，由肺部傳到體表已經非常微弱，為了能夠采集到微弱的呼吸音信號，選擇HKY-06F作為呼吸音傳感器，其采用了高靈敏度微音元件采集人體呼吸音，具有高可靠性、高靈敏度以及良好的抗噪性等特點。頻率響應范圍為60 Hz～4 500 Hz，靈敏度為4 mV/Pa。采集后的人體呼吸音信號經過放大調理，輸出0.5 V～1.5 V的模擬電壓信號。呼吸音傳感器接口電路如圖2所示。

2.2 模數轉換電路

模數轉換模塊是DSP應用系統中的重要組成部分。TLC320AD50C是TI公司生產的16位、采樣頻率為2 kHz～22.05 kHz的A/D、D/A轉換器，采用Sigma-Delta技術實現模數轉換。呼吸音的頻率主要集中在100 Hz～2 500 Hz頻帶內，所以采樣頻率一般為8 kHz即可滿足需要，對于這種要求精度高而采樣速率不太高的場合，TLC320AD50C是非常合適的。

圖2 呼吸音傳感器接口電路

傳感器采集的呼吸音信號經過麥克風輸入，從TLC320AD50C輸出數字信號送往DSP的McBSP接口。TLC320AD50C與DSP的硬件連接很簡單，如圖3所示。TLC320AD50C采用數字3.3 V和模擬5 V的雙電源供電。管腳M/S經過10 kΩ電阻上拉，將TLC320AD50C設置為主動工作模式。將AUXP和AUXM腳通過電阻接至模擬地，選擇INP和INM作為ADC輸入。TLC320AD50C的MCLK外接8.192 MHz的晶振。

圖3 TLC320AD50C接口電路

2.3 模數轉化前的低通濾波器設計

為了減少高頻部分對呼吸音信號頻帶的影響，采用低通濾波器去除有用信號外的高頻部分。由于TLC320AD50C采用的是過采樣技術，在實現模數轉換時對于前端模塊的抗混疊濾波器性能要求不高，因此就設計由一個電阻R和一個電容C組成的低通濾波器實現模數轉化前的抗混疊濾波。

由抗混疊濾波的原理可得有效信號上限截止頻率f=2 500 Hz，取低通濾波器的上限頻率fH=2 500 Hz，則有:

(1)

由式(1)計算經選型?。篊=22 nF,R=3 kΩ。

2.4 數據存儲電路

考慮到實際應用中采集的呼吸音信號，除了由液晶屏實時顯示以外，還需要為后續建立數據庫和病人檔案使用，普通的存儲芯片容量太小，因此選擇SD卡作為存儲芯片。SD卡具有體積小、重量輕、存儲容量大的優點，而且還可以將數據保存到電腦中[3]。SD卡接口電路如圖4所示。

TMS320VC5509A通過MMC控制器接口與SD卡進行通信，通過對EBSR(外部總線選擇寄存器)進行設置，使Serial Port mode=01，就可以選擇MMC/SD通信協議模式。CMD傳輸SD控制器的命令和相關參數以及SD對此命令的響應信號，DATA0～DATA3傳輸讀寫數據，CLK為時鐘信號。

圖4 SD卡接口電路

2.5 人機交互模塊

良好的人機交互可以使醫生的觀察更為明了、操作更加簡便。串口屏是一種集成化的多功能顯示模塊產品，而且集成了彩色輸出與觸控輸入等功能。采用串口屏進行開發設計，具備開發難度低、開發周期短和可靠性高等優點[4]。為此選用大彩7寸彩色觸摸屏DC80480B070_03TW作為顯示模塊。這樣醫生不僅可以通過屏幕直接觀察患者的呼吸音曲線，還可以通過操作屏幕對患者的檔案進行管理。圖5為串口屏電路接口設計圖。

圖5 串口屏電路接口設計

3 呼吸音采集分析系統軟件設計

3.1 呼吸音采集分析系統軟件功能結構

本系統以TMS320VC5509A為硬件核心，軟件編程在CCS6.0中進行。在本程序中主程序模塊負責協調調用各個功能模塊，軟件功能結構如圖6所示。

圖6 軟件功能結構框圖

程序上電后首先調用程序初始化模塊進行相應的初始化，比如時鐘模塊與IO口的初始化、AD50C內部寄存器配置、McBSP接口配置、SD卡的初始化；然后控制AD轉換芯片對采集的呼吸音信號進行采樣；之后運用小波分析算法進行降噪重構；最后將處理后的數據進行存儲同時送入液晶屏，液晶屏將得到的數據轉化成曲線顯示。

3.2 信號處理模塊算法設計

呼吸音信號采集過程中，最大的干擾源是心音信號。心臟和肺同處于胸部，心音信號的頻率(5 Hz～600 Hz)與呼吸音信號頻率(100 Hz～2 500 Hz)有較大重疊，且心音信號強度明顯強于呼吸音信號強度，傳統的降噪方法無法將其有效濾除。小波分析由于其具有良好的時頻局域特征和多分辨率分析的特點，廣泛應用于處理非平穩信號[5]。采用基于小波分析的自適應閾值降噪方法可以在去除心音信號的同時盡可能大地保留呼吸音信號[6]。

小波閾值去噪的基本原理是：將含有心音等噪聲的呼吸音信號經小波分解后，選擇一個合適的閾值，高于此閾值的是有效信號，進行保留；低于此閾值的信號認為是噪聲信號,進行舍去；然后將處理后的信號進行重構即可達到目的。閾值的選取參考如下公式：

(2)

其中:x為小波系數；λ為閾值；c為閾值處理后的小波系數。

由于呼吸音信號與心音信號在頻率上有較大重疊，為了濾除心音，先將呼吸音作為噪聲，進行小波分析自適應閾值降噪，得到比較純凈的心音信號[7]。然后用最初的呼吸音信號減去此純凈的心音信號，即可得到去除心音的呼吸音信號。自適應閾值λj定義為:

(3)

其中：σj為第j級尺度上的噪聲標準差；N為信號的采樣點數；l為小波分解層數；j為閾值的所在層；s為大于等于2的整數，一般取2；bj為各層小波系數。

小波自適應閾值降噪原理框圖如圖7所示。

圖7 小波自適應閾值降噪原理框圖

經多次實驗，選擇db4作為小波基函數。將呼吸音信號運用小波分析進行6層分解，各層細節如圖8所示。將分解后的信號運用自適應閾值的方法處理后再重構，即可得到降噪后的呼吸音信號，效果如圖9所示。由圖9可見，經過小波分析算法處理，良好地去除了心音和其他雜音。

圖8 小波分析各細節分量

4 測試環節

為了驗證本系統的準確性和可靠性，需要進行相應的系統測試。首先搭建硬件系統，確定電氣連接無誤后進行上電測試，觀察是否有局部發熱嚴重的現象，如有需要及時查找問題并解決。硬件系統確定沒有問題后，將控制程序下載到DSP中，屏幕工程程序通過上位機軟件VisualTFT以串口形式下載到屏幕中。將傳感器安置到患者身體的合適位置，一切就緒后，運行系統并觀察屏幕上呈現的呼吸音信號圖像。采集到的某一時刻的呼吸音信號圖像如圖10所示。

圖9 信號處理前后對比

圖10 測試效果圖

5 結論

經過實際調試與驗證，本系統可以完成呼吸音的采集、分析和顯示。采用小波分析作為去除心音等干擾的算法，可以取得良好的消噪效果。彩色顯示屏配合SD卡存儲系統，對醫生的使用和患者的治療都有很大幫助。本系統具有結構簡單、成本低廉、人機交互良好、性能可靠的優點，能夠滿足實際的應用需要，具有良好的應用和推廣價值。