Сенсор для аускультації

Корисна модель відноситься до медичної техніки, а саме, до сенсорів призначених для аускультації звуків життєдіяльності організму людини. Відомі акустичні сенсори для аускультації серцевих звуків, звуків дихання, звуків шлунково-кишкового тракту, шумів кровообігу - мікрофонного типу [див. Руководство пользователя электронного стетоскопа. HP Stethos, www.hp.com/go/hp stethos., Wodichka C.R., Kraman S.S., Zenk G.M., Pasterkamp H. Measurement of respiratory acoustic signals. Chest. - 1994, Vol.106 (4). p.1140-1144., И.Ю. Гончарова. Датчик для регистрации шумов дыхания на основе микрофона. Акуст. вісник 2001, т.3, №4, с.56-62., Минограф 82, SIEMENS, Руководство по эксплуатации. Датчик пульс/фоно 860]. Сенсор на основі мікрофона складається з металевого або пластмасового циліндра - повітряної камери, у днище якого встановлений електретний мікрофон [1]. Основні достоїнства таких мікрофонів: висока чутливість до звукового тиску, малий розмір, простота в експлуатації при невеликій вартості. Найбільш близьким до запропонованого сенсора є сенсор пульс/фоно 860, що призначений для реєстрації кривої пульсу і звуків серця. По своїй конструкції - це п’езокерамічний мікрофон з повітряною камерою і капіляром, встановленим перед кристалічною мембраною [2]. До недоліків сенсорів мікрофонного типу, у тому числі і даного сенсора, варто віднести наявність повітряної камери. У такому сенсорі повітря, що знаходиться в камері, виступає в ролі проміжного середовища. Звуковий тиск, породжуваний усередині тіла людини процесами життєдіяльності, через поверхню тіла і повітряний шар передається на чуттєвий елемент мікрофона. Як встановлено дослідженнями [3], повітряний шар у камері сенсора істотно знижує його чутливість на 1520дБ (в 6-10 раз) на частотах вище 200Гц. Це пов'язано з особливостями переходу звукової хвилі з акустично твердого середовища в акустично м'яке. Хвильовий опір (параметр визначаючий процес переходу) для біотканей (rс)б.т.~1,5´106Па×с/м значно більше хвильового опору повітря (rс)пов.=431,6Па×с/м, у 3500 разів. За рахунок цього [4] при переході звуку спостерігається збільшення коливальної швидкості і зменшення звукового тиску, тому що сенсор реєструє пульсації звукового тиску, у даному випадку, то його ефективність зменшується. Зниження товщини повітряного шару в камері сенсора обмежується величиною 2,5-3,0мм, при менших товщинах можливо тертя шкіри тіла та волосяного покрову з поверхнею мікрофона, що приводить до появи контактної перешкоди, що спотворює корисний сигнал. Задачею корисної моделі є збільшення співвідношення сигнал/перешкода сенсора для аускультації, підвищення ймовірності діагностичної інформації. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в сенсорі для аускультації звуків життєдіяльності організму людини і тварин, що містить п'єзоелектричний чуттєвий елемент, встановлений в корпусі, який має контактну поверхню, корпус виготовлений зі звукопоглинаючого матеріалу, чутливий елемент виконаний у вигляді гідрофона підвішеного за допомогою тонких пружних елементів до корпусу сенсора і розташованого в рідини, яка заповняє внутрішній об'єм корпуса, а рідина має хвильовий опір близький до хвильового опіру біотканин. Схема запропонованого сенсора для аускультації в розрізі представлена на фігурі 1. Сенсор складається з корпуса - 1, тонких пружних елементів - 2 за допомогою яких підвішений гідрофон 3 до корпусу, контактної поверхні сенсора - 4 з'єднаною з корпусом, внутрішній об'єм корпуса, якій заповнений рідиною - 5 та струмопровідним сигнальним кабелем - 6. Сенсор для аускультації працює наступним чином: звуковий тиск, який породжується процесами життєдіяльності організму (звуки роботи серця, дихальні шуми, кровотоку і т.п.) передаються на поверхню тіла 0, а потім через контактну поверхню - 4, у рідину 5, без істотного спотворення і втрат, тому що хвильовий опір біотканин, контактної поверхні і рідині практично однакові. Цей тиск викликає деформацію п'єзоелектричного матеріалу чутливість елемента гідрофона - 3, підвішеного на тонких пружних елементах - 2, викликаючи появу змінної напруги - сигналу. Звукопоглинаючий корпус 1 зменшує зовнішній шум - небажану перешкоду. Сигнал з гідрофона 3 по струмопровідному кабелю передається на підсилювач, де він підсилюється і потім реєструється електронною апаратурою. Перевірка ефективності запропонованого сенсора була виконана методом порівняння його чутливості з чутливістю датчика мікрофонного типу однакового розміру і маси. Товщина повітряного шару в камері мікрофонного датчика була 4,0мм. Порівняння зроблене при синхронному вимірі звуків серця і звуків подиху в кожного з трьох добровольців, віком 21-го, 29-ти і 46 років. У процесі реєстрації сенсори розташовувалися в т. 5 (верхівка серця, ліва сторона грудної клітини) при вимірі звуків серця. При реєстрації звуків подиху в правій підключичній області - т. 2П. Кріплення сенсорів до поверхні тіла виконувалась за допомогою двостороннього тонкого лейкопластиру на відстані 10мм один від іншого. Наступне підсилення сигналів і їхня спектральна обробка виконана за допомогою комплекту акустичної апаратури фірми "Брюль і Къер". Результати перевірки ефективності сенсорів представлені на фігурі 2, у вигляді спектрів потужності. Криві (12) відповідають звукам серця, а криві (3-4) - звукам подиху. Непарні криві відповідають сенсорові з повітряною камерою, а парні - сенсорові для аускультації запропонованого авторами. Літерами "Е.Ш" - позначені спектри електронних шумів апаратури. Як видно з розгляду кривих, спектральні рівні звуків серця, які реєструються сенсорами, запропонованими авторами, на 8-12дБ крива 2 вище відповідних спектральних рівнів, реєструемих сенсорами мікрофонного типу з повітряною камерою (крива 1). При цьому видно, що діапазон частот, у якому можна виконувати виміри розширюється від 200 до 620Гц. Подібна картина спостерігалася і при реєстрації звуків подиху. Ефективність запропонованого сенсора (крива 4) на 8-12дБ (2,5-4 рази) вище, ніж у мікрофонного сенсора з повітряною камерою і з ростом частоти підвищується. Усе вище приведене вказує на високу ефективність запропонованого сенсора для аускультації. Джерела інформації: 1. И.Ю. Гончарова. Датчик для регистрации шумов дыхания на основе микрофона. Акуст. Вісник 2001, т.3, №4, стр.56-62. 2. Минограф 82 SIEMENS Руководство по эксплуатации: Датчик пульс/фоно 860. 3. Wodichka G.R., Kraman S.S., Zenk G.M., Pasterkamp H. Measurement of respiratory acoustic signal. Chest. 1994, vol.106(4), p.1140-1144. 4. Ржевкин C.H. Курс лекций по теории звука. М. Изд-во МГУ, 1960.