A new hardware for cardiac passive acoustic localization

Abstract

KARDİYAK PASİF AKUSTİK KONUMLANDIRMA İÇİNYENİ BİR DONANIM TASARIMIÖZETKalp sesleri, kalbin işleyişi ile ilgili Önemli bilgiler içerir. Klinik tedavi uzmanları,bu sesleri dinleyerek bir çok kalp bozukluğu için tanıda bulunabilirler. Fonokardiyografi(FKG) olarak adlandırılan kalp seslerinin tek boyutlu gösterimi bu teşhisleri kolaylaştırmakiçin kullanılır. FKG ucuz ve invaziv olamayan bir tanı aracı olmasına rağmen,yararlılıklarının sınırlı oluşu nedeniyle ve Ultrasonografi, CT ve MRI teknolojilerindekikayda değer ilerlemelerden dolayı son zamanlara kadar ihmal edilmiştir. Son zamanlarda,Y. Bahadırlar ve H. Ö. Gülçür tarafından Önemli bir çalışma yapılmıştır. Bu çalışmada,özel tasarlanmış düzlemsel bir mikrofon dizisi, hassas kuvvetlendiriciler, süzgeçler,örneksel/sayısal çeviriciler, arayüz devresi, bir PC ve Özel bir yazılımdan oluşan bir sistemgeliştirilmiş ve bu sistemle kalpteki ses kaynaklarının kestirimlerini gösteren 2 ve 3 boyutluimgeler elde edilmiştir. CARDIOPAL olarak adlandırılan ilk sistemin, daha çokgeliştirildiği zaman dilimindeki sınırlı teknolojiden kaynaklanan bazı yetersizlikleri vardır.Bir EKG kanalına sahip değildir ve mikrofon dizisi düzgün olmayan yüzeylere tam olarakoturmamaktadır. Buna ek olarak, veri alışverişi için, sistemi yalnızca belirli tip birdonanımda çalışmaya zorlayan DMA protokolünü kullanmaktadır.Bu tezde, CARDIOPAL için yeni, kullanımı kolay ve taşınabilir bir donanımgeliştirildi. Yeni sistem (CARDIOPAL II) mevcut birçok işletim sistemi Üzerinde sorunsuzçalışabilmekte ve daha yüksek çözünürlüklü imgeler elde edebilmek için daha nitelikli veriyakalayabilmektedir. Sistemde bir EKG kanalı vardır ve EKG işaretlerinin ses işaretleri ileeşzamanlı olarak yakalanması sağlanmıştır. Buna ek olarak, düzgün olmayan göğüsleremikrofon dizisinin tam olarak oturmasını sağlamak için esnek bir mikrofon dizisigeliştirilmiştir. CARDIOPAL II aküden güç almaktadır. Sistemi, küçük, hafif veelektromanyetik girişimlere karşı daha dayanıklı yapabilmek için bütün elektronik aksamdayüzey montajlı devre teknolojisi kullanılmıştır. Noktasal iki kaynaktan gelen seslerkullanılarak cihaz test edilmiştir. Sistem bu iki kaynağın yerlerini tespit etmeyi başarmıştır.Cihaz ayrıca, gerçek deneklerden veriler alınarak da test edilmiştir. Köşedekimikrofonlardan gelen seslerde, mikrofon dizisinin düzgün olmayan göğüslere tam olarakoturamamasından kaynaklanan bir kayıp gözlemlenmemiştir. EKG işaretleri sesişaretleriyle eşzamanlı olarak kaydedilmiş ve bu iki işaret arasındaki ilişkinin kuramdaolduğu gibi elde edildiği gözlenmiştir.Anahtar Sözcükler: Fonokardiyografi, Pasif Akustik Diziler, Kaynak Konumlandırma,Elektrokardiyogram, Çok Kanallı Veri Yakalama, Evrensel Seri Yolu.

A NEW HARDWARE DESIGN FOR CARDIAC PASSIVEACOUSTIC LOCALIZATIONABSTRACTHeart sounds contain valuable information about the function of the heart; expertclinicians can diagnose many heart disorders by listening to these sounds. One dimensionalvisual representation of heart sounds called phonocardiograms (PCG) are also used tofacilitate the diagnosis. Although, PCG is an inexpensive, non-invasive diagnostictechnique, it has been neglected until recently because of its limitations and enormousimprovements in other diagnostic techniques such as ultrasonography, CT and MRI.Recently, a significant study on PCG was conducted by Y. Bahadırlar and H. Ö. Gülçür [2];they developed a system which is composed of a specially designed multi-sensor probe inthe form of a planar microphone array, precision amplifiers, filters and A/D converters,interface circuitry, a PC and special software and obtained 2-D and 3-D images of estimatesof sound producing sites in the heart. The original system called CARDIOPAL (short forCardiac Passive Acoustic Localizer) had some limitations mostly arising from relativelylimited technology at the time. It had no ECG channel, the multi-sensor probe had couplingproblems on non-smooth chests. Moreover it used DMA for data transmission, which madethe system device-dependent.In the present thesis, a new, easy-to-use and more compact hardware forCARDIOPAL is developed. The new system (CARDIOPAL II) can work on most of thecurrent operating systems without problems and get data more accurately in order toincrease image resolution. An ECG channel is added to the system and ECG signals areacquired simultaneously with the sound signals. The acquired data is transferred to a PCusing a high-speed USB 2.0 interface. Moreover, a new flexible design is developed toavoid coupling problem of the array for non-smooth chests. CARDIOPAL II is battery-powered; surface-mount technology was used for the design of all electronic circuitry tomake the final system smaller, lighter, and more resistant to electromagnetic interference.The device was tested by acquiring signals coming from two point sources. Thelocalization of these sources was achieved. The device was also tested by obtaining datafrom real subjects. No quality loss from the corner microphones due to the couplingproblem was observed. ECG signals were acquired simultaneously and it was observed thatthe relationship between ECG and sound signals matched with theory.Keywords: Phonocardiography, Passive Acoustic Arrays, Source Localization,Electrocardiogram, Multi-Channel Data Acquisition, Universal Serial Bus.