專利名稱:一種便攜式可視化心音聽診教學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及心音的便攜式可視化聽診教學(xué)系統(tǒng),方便在學(xué)校教學(xué)中推廣普及。
背景技術(shù):
在人體眾多的生理信號(hào)中,心音信號(hào)是人體最重要的聲信號(hào)之一,含有關(guān)于心臟各個(gè)部分如心房、心室、大血管、心血管及各個(gè)瓣膜功能狀態(tài)的大量病理信息,是臨床評(píng)估心臟功能狀態(tài)的最基本參數(shù),是心臟及大血管機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀況的反映。當(dāng)心血管疾病尚未發(fā)展到足以產(chǎn)生臨床及病理改變(如ECG變化)以前,心音中出現(xiàn)的雜音和畸變就是重要的診斷信息。更值得一提的是,心音在心血管疾病中具有重要價(jià)值,是心血管疾病進(jìn)行無創(chuàng)傷檢測(cè)的重要方法,具有心電圖、超聲心電圖不可取代的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的心音聽診教學(xué)方法可分為實(shí)習(xí)法和講授法。實(shí)習(xí)法采用聽診器聽取病人心音,實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)聽診心音,但無法實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)聽診,也難于尋找用來練習(xí)聽診的心臟病例,特別是對(duì)于嚴(yán)重心臟病患者不允許學(xué)生輪流練習(xí)聽診;講授法一般采用播放錄有不同類型心音的磁帶來進(jìn)行聽診教學(xué),其缺點(diǎn)是頻繁倒帶不方便,不便于反復(fù)聽取同一心音,并且磁帶磨損也會(huì)造成聲音失真從而嚴(yán)重影響學(xué)習(xí)效果。采用以上兩種方法教學(xué)時(shí),其一個(gè)共同的特點(diǎn)是基于人耳聽音進(jìn)行學(xué)習(xí),由于人耳的限制,人們很難對(duì)一些特定的心音做出精確診斷,也無法從視覺上得到較強(qiáng)的感性認(rèn)識(shí)。心音圖是將心臟聽診中瞬間即逝的聲音信號(hào)變?yōu)榭梢蚤L期保存、可供詳細(xì)分析的圖形。心音圖的出現(xiàn)彌補(bǔ)了單純心音聽診的不足,將心音聽診中不能記錄或不易分辨的信號(hào)以圖形方式記錄下來,供醫(yī)生分析使用。在過去的幾年,開發(fā)出了一些基于心音圖的教學(xué)系統(tǒng),解決了過去人們靠人耳聽音進(jìn)行心音聽診學(xué)習(xí)的弊端。但由于這些教學(xué)系統(tǒng)所基于的心音圖幾乎是原始的心音波形,人們?nèi)匀槐仨毻ㄟ^他/她的經(jīng)驗(yàn)來識(shí)別某些特定類型的心音。同時(shí),傳統(tǒng)的心音圖僅僅是一時(shí)間-幅值二維曲線,無法精確反映心音頻域方面的信息。不同類型的心音時(shí)域波形存在差異,這種波形的差異可以用包絡(luò)來描述,包絡(luò)曲線比原始信號(hào)曲線能更好地反映心音的特征。從時(shí)間、頻率和強(qiáng)度三維領(lǐng)域綜合刻畫心音的三維心音圖,比起二維心音圖來說,可更為豐富、全面、精確地反映心音中所包含的信息,使學(xué)生在心音學(xué)習(xí)中從視覺方面大大增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)。S變換是由Stockwell等學(xué)者于1996年提出的一種時(shí)頻分析方法,是對(duì)小波變換和短時(shí)傅立葉變換的一種延伸。S變換可以利用FFT實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算。S變換的結(jié)果為一二維矩陣,其中列對(duì)應(yīng)采樣時(shí)間,行對(duì)應(yīng)頻率,矩陣元素為對(duì)應(yīng)的幅值。ARMA模型是一種利用參數(shù)模型對(duì)有序隨機(jī)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,從而進(jìn)行模式參數(shù)識(shí)別的方法。ARMA模型由自回歸模型(簡稱AR模型)與滑動(dòng)平均模型(簡稱MA模型)為基礎(chǔ)構(gòu)成。Cho1-Williams 分布(CWD)是一種核函數(shù)取2i
φ(Θ.τ) = e~r V I σ,并滿足。>0的Cohen類時(shí)頻分布。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種便攜式可視化心音聽診教學(xué)系統(tǒng),該系統(tǒng)體積小,成本低,攜帶方便,能夠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)心音采集分析和學(xué)習(xí)效果測(cè)試,能夠展現(xiàn)給學(xué)生各種標(biāo)準(zhǔn)的二維心音圖和三維心音圖,提高學(xué)習(xí)效果。為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案:該便攜式可視化心音聽診教學(xué)系統(tǒng),由心音米集傳輸模塊、微處理器、耳機(jī)和觸摸屏構(gòu)成,其特征在于:所述心音米集傳輸模塊包括依次連接的心音傳感器、前置放大器、50Hz陷波電路、高/低通濾波電路、主放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器,所述心音采集傳輸模塊中的50Hz陷電路、高/低通濾波電路,用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波,消除環(huán)境噪聲、工頻噪聲信號(hào);所述微處理器分別連接有存儲(chǔ)器、LED燈、網(wǎng)卡、USB接口、電源管理模塊;所述微處理器內(nèi)置有操作系統(tǒng),所述操作系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)采集心音模塊、案例學(xué)習(xí)模塊、學(xué)習(xí)效果測(cè)試模塊和用戶管理模塊;所述現(xiàn)場(chǎng)采集心音模塊用于從現(xiàn)場(chǎng)采集人體心音信號(hào),并進(jìn)行分析;所述現(xiàn)場(chǎng)采集心音模塊包含采集心音子模塊、心音分析子模塊、權(quán)限判斷子模塊、保存心音子模塊四個(gè)子模塊;所述采集心音子模塊用于通過心音傳感器現(xiàn)場(chǎng)采集人體心音信號(hào);所述心音分析子模塊用于對(duì)讀入系統(tǒng)的心音信號(hào)分析;所述權(quán)限判斷子模塊用于判斷用戶權(quán)限是否具有將現(xiàn)場(chǎng)采集的心音信號(hào)保存到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中;所述保存心音子模塊用于將從現(xiàn)場(chǎng)采集的音信信號(hào)保存到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中;所述案例學(xué)習(xí)模塊用于用戶從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中選擇各種標(biāo)準(zhǔn)心音進(jìn)行學(xué)習(xí);所述學(xué)習(xí)效果測(cè)試模塊用于給用戶提供一個(gè)個(gè)性化的學(xué)習(xí)效果測(cè)試功能;所述用戶管理模塊用于對(duì)用戶、用戶組及其權(quán)限進(jìn)行管理。
采用上述技術(shù)方案的有益效果:該便攜式可視化心音聽診教學(xué)系統(tǒng)具有心音采集傳輸模塊,通過心音傳感器采集人體心音信號(hào)傳輸給微處理器,微處理器內(nèi)置有操作系統(tǒng),所述操作系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)采集心音模塊、案例學(xué)習(xí)模塊、學(xué)習(xí)效果測(cè)試模塊和用戶管理模塊,對(duì)所采集或讀取的心音信號(hào)分別進(jìn)行心音分析,提取心音特征,即提取心音信號(hào)的基于S變換的包絡(luò)曲線、ARMA雙譜特征、CWD特征。繪制該心音信號(hào)的二維心音圖和三維心音圖;二維心音圖是指心音的原始波形圖和包絡(luò)曲線圖。三維心音圖是指基于ARMA雙譜分析得到的心音三維圖和基于CWD分析得到的心音三維圖。它用于以圖形方式將所提取的心音特征表示出來,讓用戶從視覺上感受所分析心音的特點(diǎn),不單單靠人耳憑聽覺判斷心音,還從視覺方面來進(jìn)行判斷,提高判斷的準(zhǔn)確度。根據(jù)用戶權(quán)限,可以將現(xiàn)場(chǎng)采集到的心音信號(hào)保存到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中,在保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫安全的情況下,擴(kuò)展系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中心音類型。從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中隨機(jī)出題進(jìn)行學(xué)習(xí)效果測(cè)試,播放該信號(hào)并繪制其動(dòng)態(tài)波形,分別繪制出其基于S變換的包絡(luò)曲線和ARMA、CWD三維心音圖,給用戶一個(gè)個(gè)性化的學(xué)習(xí)效果測(cè)試環(huán)境。本發(fā)明用在可視化心音聽診教學(xué)中按如下步驟運(yùn)行:1.從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中讀取各種標(biāo)準(zhǔn)的心音信號(hào);2.播放該心音信號(hào),系統(tǒng)自動(dòng)繪制其動(dòng)態(tài)波形;3.對(duì)該心音信號(hào)提取其基于S變換的包絡(luò),并繪制其包絡(luò)曲線;4.對(duì)該心音信號(hào)進(jìn)行ARMA分析,并繪制其ARMA雙譜三維圖;5.對(duì)該心音信號(hào)進(jìn)行CWD分析,并繪制其時(shí)頻分布三維圖;6.輸出該類型心音特點(diǎn)的文字信息。與現(xiàn)有技術(shù)相比,其優(yōu)點(diǎn)在于,在播放心音信號(hào)的同時(shí),提供表征該心音信號(hào)的二維包絡(luò)曲線及兩種三維心音圖,輸出該類型心音特點(diǎn)的文字信息,使得人們不僅從感性上熟悉該類型心音的特點(diǎn),而且從理論上掌握其特點(diǎn)。還可提供直接從現(xiàn)場(chǎng)采集心音信號(hào),播放該心音信號(hào)的同時(shí)繪制其動(dòng)態(tài)波形,并且提供了分別進(jìn)行基于S變換的包絡(luò)提取、ARMA和CWD分析,并繪制出相應(yīng)包絡(luò)曲線圖、ARMA雙譜三維心音圖和CWD時(shí)頻分布三維心音圖,方便人們判斷該心音的類型。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。圖1為便攜式可視化心音聽診教學(xué)系統(tǒng)的電路原理 圖2為便攜式可視化心音聽診教學(xué)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu) 圖3為便攜式可視化心音聽診教學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)操作流程 圖4為便攜式可視化心音聽診教學(xué)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)心音采集流程 圖5為便攜式可視化心音聽診教學(xué)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖的心音分析子模塊 圖6為便攜式可視化心音聽診教學(xué)系統(tǒng)的用戶向系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫保存心音權(quán)限判斷流程
圖7為便攜式可視化心音聽診教學(xué)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)效果測(cè)試流程 圖8為便攜式可視化心音聽診教學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)正常心音和一個(gè)二尖瓣狹窄心音的波形圖及對(duì)應(yīng)的包絡(luò)曲線 圖9為便攜式可視化心音聽診教學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)正常心音和一個(gè)二尖瓣狹窄心音的基于ARMA的三維心音 圖10為便攜式可視化心音聽診教學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)正常心音和一個(gè)二尖瓣狹窄心音的基于CWD的三維心音圖。
具體實(shí)施例方式圖1是便攜式可視化心音聽診教學(xué)系統(tǒng)的電路原理圖。心音傳感器I采集人體心音信號(hào),然后送入前置放大器2進(jìn)行信號(hào)的初級(jí)放大,再送入50Hz陷波電路3以便濾去50Hz工頻干擾,之后經(jīng)過高/低通濾波電路4分別濾去1000Hz以上的高頻噪聲和IOHz以下的低頻噪聲,濾波后的信號(hào)送入主放大電路5進(jìn)行二次信號(hào)放大,之后再送入高速A/D轉(zhuǎn)換器6,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送入高速微處理器7進(jìn)行心音信號(hào)的分析。高速微處理器7對(duì)讀入的數(shù)字化心音信號(hào)分別分析其包絡(luò)、ARMA和CWD,得到相應(yīng)數(shù)據(jù)后,送入SD卡9存儲(chǔ)數(shù)據(jù),并送到觸摸屏13中顯示。觸摸屏13接受高速微處理器7的指令,顯示各種數(shù)據(jù),包括動(dòng)態(tài)顯示心音波形。高速微處理器7在動(dòng)態(tài)顯示心音波形的同時(shí),將讀入的數(shù)字化后的心音信號(hào)送入高速D/A轉(zhuǎn)換器8,將該數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后,經(jīng)音頻回放電路17進(jìn)行功率放大后送入耳機(jī)18,供用戶聽音。RAM 10存儲(chǔ)程序運(yùn)行過程中的一些臨時(shí)數(shù)據(jù)。高速微處理器7通過LED燈11指示整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。網(wǎng)卡14接受高速微處理器7指令連接至遠(yuǎn)程服務(wù)器,獲取存放在遠(yuǎn)程服務(wù)器中的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中有關(guān)數(shù)據(jù)。USB接口 15接受高速微處理器7指令,從SD卡9中讀取數(shù)據(jù)送到PC機(jī)或其它設(shè)備。電源管理模塊16向高速微處理器7供給穩(wěn)壓電源。圖1中的心音傳感器I采用合肥華科電子研究所生產(chǎn)的HKY-06B型心音傳感器;高速微處理器7采用NVIDIA Tegra 250微處理器,它是NVIDIA公司生產(chǎn)的新一代可用于移動(dòng)通信、平板電腦的中低端高速微處理器;觸摸屏控制器12采用ADS7843組成,ADS7843是一個(gè)內(nèi)置12位模數(shù)轉(zhuǎn)換、低導(dǎo)通電阻模擬開關(guān)的串行接口芯片;電源管理模塊16采用Wolfson公司的WM8325電源控制芯片,它為系統(tǒng)提供1. 6V、1. 8V、3V、3. 3V等工作電壓。2.圖2是便攜式可視化心音聽診教學(xué)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖。本發(fā)明軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì),共分現(xiàn)場(chǎng)采集心音模塊、案例學(xué)習(xí)模塊、學(xué)習(xí)效果測(cè)試模塊和用戶管理模塊四大模塊,每一大模塊內(nèi)部又由不同的子模塊組成。所述現(xiàn)場(chǎng)采集心音模塊用于從現(xiàn)場(chǎng)采集人體心音信號(hào),并進(jìn)行分析。該模塊包含四個(gè)子模塊一是采集心音子模塊,一是心音分析子模塊,一是權(quán)限判斷子模塊,一是保存心音子模塊。 所述采集心音子模塊用于通過心音傳感器現(xiàn)場(chǎng)采集人體心音信號(hào)。所述心音分析子模塊是本發(fā)明的一個(gè)公共子模塊,用于對(duì)讀入系統(tǒng)的心音信號(hào)(現(xiàn)場(chǎng)采集的心音信號(hào)或從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫讀入的心音信號(hào))分析其包絡(luò)、ARMA雙譜分析、CffD分析、播放心音信號(hào)、繪制波形圖、繪制包絡(luò)曲線以及繪制心音信號(hào)的ARMA三維心音圖和CWD三維心音圖。所述權(quán)限判斷子模塊,用于判斷用戶權(quán)限是否具有將現(xiàn)場(chǎng)采集的心音信號(hào)保存到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。所述保存心音子模塊,用于將從現(xiàn)場(chǎng)采集的音信信號(hào)保存到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中,該子模塊僅對(duì)有權(quán)限的用戶開放。所述案例學(xué)習(xí)模塊用于用戶從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中選擇各種標(biāo)準(zhǔn)心音進(jìn)行學(xué)習(xí),該模塊包含兩個(gè)子模塊一是從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫讀取心音子模塊,一是心音分析子模塊。所述從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫讀取心音子模塊用于用戶從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中選擇心音進(jìn)行學(xué)習(xí)。該模塊由心音分析子模塊組成。所述學(xué)習(xí)效果測(cè)試模塊用于給用戶提供一個(gè)個(gè)性化的學(xué)習(xí)效果測(cè)試功能。該模塊由隨機(jī)出題子模塊、心音分析子模塊和判斷答案子模塊組成。所述隨機(jī)出題子模塊是指從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫隨機(jī)讀取不同類型的心音數(shù)據(jù)。所述判斷答案子模塊用于對(duì)用戶所給出的答案進(jìn)行判斷,并由用戶決定是否繼續(xù)進(jìn)行測(cè)試。所述用戶管理模塊用于對(duì)用戶、用戶組及其權(quán)限進(jìn)行管理。該模塊包含四個(gè)功能一是增減用戶組,一是增減用戶組權(quán)限,一是增減用戶,一是增減用戶權(quán)限。該模塊的操作權(quán)限僅給予系統(tǒng)默認(rèn)的最高權(quán)限用戶。3.圖3為便攜式可視化心音聽診教學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)操作流程圖。便攜式可視化心音聽診教學(xué)系統(tǒng)的操作步驟如下
①啟動(dòng)便攜式可視化心音聽診教學(xué)系統(tǒng)。②用戶登錄系統(tǒng)。③用戶選擇進(jìn)入不同的操作模塊。
④是否結(jié)束?如果不結(jié)束,轉(zhuǎn)步驟③。⑤關(guān)閉系統(tǒng)。4.圖4是便攜式可視化心音聽診教學(xué)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)心音采集流程圖。其實(shí)現(xiàn)步驟如下:
①檢測(cè)是否連接好心音傳感器。②若未連接,給出提示信息,轉(zhuǎn)步驟⑥。③從高速A/D轉(zhuǎn)換器讀入信號(hào)。④詢問是否停止采集?
⑤若用戶要求繼續(xù)采集,轉(zhuǎn)步驟③。⑥結(jié)束。5.圖5是便攜式可視化心音聽診教學(xué)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖的心音分析子模塊圖。本模塊是本發(fā)明的一個(gè)公共子模塊,用戶通過本子模塊實(shí)現(xiàn)播放心音的同時(shí)動(dòng)態(tài)繪制心音波形;通過本子模塊實(shí)現(xiàn)基于S變換提取心音信號(hào)的包絡(luò)曲線,并繪制包絡(luò)曲線;通過本子模塊實(shí)現(xiàn)心音信號(hào)的ARMA雙譜分析,并繪制出相應(yīng)的的ARMA三維心音圖;通過本子模塊實(shí)現(xiàn)心音信號(hào)的CWD分析,并繪制出相應(yīng)的CWD三維心音圖。所述播放心音是指播放讀入到系統(tǒng)中的心音信號(hào)。所述動(dòng)態(tài)繪制信音波形是指在播放心音信號(hào)的同時(shí),動(dòng)態(tài)繪制出該心音信號(hào)的波形圖。所述基于S變換提取心音信號(hào)的包絡(luò)曲線,是指利用S變換方法來求取心音信號(hào)的包絡(luò)。心音信號(hào)的一維連續(xù)S變換定義如下:
權(quán)利要求
1.一種便攜式可視化心音聽診教學(xué)系統(tǒng),由心音米集傳輸模塊、微處理器、耳機(jī)和觸摸屏構(gòu)成,其特征在于:所述心音采集傳輸模塊包括依次連接的心音傳感器、前置放大器、50Hz陷波電路、高/低通濾波電路、主放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器;所述微處理器分別連接有存儲(chǔ)器、LED燈、網(wǎng)卡、USB接口、電源管理模塊;所述微處理器內(nèi)置有操作系統(tǒng),所述操作系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)采集心音模塊、案例學(xué)習(xí)模塊、學(xué)習(xí)效果測(cè)試模塊和用戶管理模塊;所述現(xiàn)場(chǎng)采集心音模塊用于從現(xiàn)場(chǎng)采集人體心音信號(hào),并進(jìn)行分析;所述現(xiàn)場(chǎng)采集心音模塊包含采集心音子模塊、心音分析子模塊、權(quán)限判斷子模塊、保存心音子模塊四個(gè)子模塊;所述采集心音子模塊用于通過心音傳感器現(xiàn)場(chǎng)采集人體心音信號(hào);所述心音分析子模塊用于對(duì)讀入系統(tǒng)的心音信號(hào)分析;所述權(quán)限判斷子模塊用于判斷用戶權(quán)限是否具有將現(xiàn)場(chǎng)采集的心音信號(hào)保存到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中;所述保存心音子模塊用于將從現(xiàn)場(chǎng)采集的音信信號(hào)保存到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中;所述案例學(xué)習(xí)模塊用于用戶從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中選擇各種標(biāo)準(zhǔn)心音進(jìn)行學(xué)習(xí);所述學(xué)習(xí)效果測(cè)試模塊用于給用戶提供學(xué)習(xí)效果測(cè)試功能;所述用戶管理模塊用于對(duì)用戶、用戶組及其權(quán)限進(jìn)行管理 。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種便攜式可視化心音聽診教學(xué)系統(tǒng),由心音采集傳輸模塊、微處理器、耳機(jī)和觸摸屏構(gòu)成,其中心音采集傳輸模塊包括依次連接的心音傳感器、前置放大器、50Hz陷波電路、高/低通濾波電路、主放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器;微處理器分別連接有存儲(chǔ)器、LED燈、網(wǎng)卡、USB接口、電源管理模塊;微處理器內(nèi)置有操作系統(tǒng),操作系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)采集心音模塊、案例學(xué)習(xí)模塊、學(xué)習(xí)效果測(cè)試模塊和用戶管理模塊;現(xiàn)場(chǎng)采集心音模塊包含采集心音子模塊、心音分析子模塊、權(quán)限判斷子模塊、保存心音子模塊。該系統(tǒng)體積小、攜帶方便,能從聽覺和視覺兩方面展現(xiàn)給用戶不同心音特點(diǎn),且能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)心音采集和學(xué)習(xí)效果測(cè)試,方便在學(xué)校教學(xué)中推廣普及。
文檔編號(hào)G09B5/06GK103077627SQ20121045073
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月12日
發(fā)明者全雪峰, 沈繼濤, 阮耀, 劉建東, 李新獻(xiàn), 高飛 申請(qǐng)人:全雪峰