Електронний стетофонендоскоп

Реферат: UA 92280 U UA 92280 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до медичної техніки, а саме до електронних стетофонендоскопів, призначених для аускультації звуків життєдіяльності організму людини і тварин. Відомі електронні стетофонендоскопи (за термінологією зарубіжних країн стетоскопи), які використовуються для вислуховування та реєстрації звуків життєдіяльності людини і тварин: звуків серця, звуків дихання, звуків шлунково-кишкового тракту, звуків серця плода у роділь, шумів кровотоку, HP Stethos [1], електронний стетоскоп ЗМ™ Littman R 3200 [2], стетоскоп А/С № 1491456, СРСР [3]. У зазначених стетофонендоскопів як електроакустичні перетворювачі застосовуються звукоприймальні головки з діафрагмами, подібні звукоприймальним головкам звичайних механічних стетофонендоскопів, всередині яких встановлені електретні мікрофони, які перетворюють змінний тиск, що генерується звуками життєдіяльності, в електричну напругу. При цьому звуковий тиск передається на мікрофон через діафрагму і шар повітря, що знаходиться всередині звукоприймальної головки. Електроакустичний перетворювач подібної конструкції має високу чутливість, габарити звукоприймальної головки звичайного механічного стетофонендоскопа, простий в експлуатації і має невелику вартість. Найбільш близьким до запропонованого електронного стетофонендоскопа є стетоскоп HP Stethos [1], у якому електроакустичний перетворювач складається з металевого циліндра з повітряною камерою, в торці циліндра встановлений електретний мікрофон, а другий торець закритий пластиковою діафрагмою. При аускультації пластикова діафрагма прилягає до тіла пацієнта. До недоліків електронних стетофонендоскопів з електроакустичними перетворювачами мікрофонного типу слід віднести наявність повітряної камери, в якій встановлено електретний мікрофон. Як встановлено дослідженнями [4, 5], шар повітря в камері перетворювача істотно знижує його чутливість на частотах вище 200 Гц, на величину 15-20 дБ (6-10 разів) на частотах від 600 до 2000 Гц. Це пов'язано з особливостями переходу звуку з біотканин (акустично жорсткого середовища) в повітря (акустично м'яке) [6]. Хвильовий опір першого з них в 26 разів більше хвильового опору другого. Це призводить до зменшення звукового тиску корисного сигналу, який реєструє мікрофон. При цьому, істотно знижується чутливість електроакустичного перетворювача із зростанням частоти на 6 дБ/октаву. Існують границі в межах 2,5-3,0 мм менше яких неможливо зменшувати шар повітря, щоб діафрагма не контактувала з поверхнею мікрофона, коли вносяться спотворення в корисний сигнал. Крім того, амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) у електроакустичних перетворювачів мікрофонного типу нелінійна, у ряді частотних смуг існують "провали", що досягають 10-16 дБ (3-6 разів). Застосування корекції АЧХ і чутливості призводить до зниження ефективності приладу, а так як при корекції виникають додаткові електронні перешкоди, самої системи корекції. Задачею корисної моделі є підвищення співвідношення сигнал/перешкода електронного стетофонендоскопа для аускультативної діагностики та збільшення ймовірності виявлення діагностичної інформації. Поставлена задача вирішується тим, що в запропонованому електронному стетофонендоскопі, який містить послідовно з'єднані електроакустичний перетворювач, попередній підсилювач, вхідний підсилювач, електронні фільтри, аналого-цифровий перетворювач (АЦП), пристрій конвертації електросигналів в звукові, систему управління, елементи комутації і джерело електроживлення, електроакустичний перетворювач складається з корпусу, всередині якого встановлений п'єзокерамічний порожнистий циліндр, в якому знаходиться попередній підсилювач з лінійною АЧХ в діапазоні частот 5-5000 Гц, при цьому один торець п'єзокерамічного циліндра жорстко з'єднаний з тонкою діафрагмою, зовнішня кромка, якої жорстко з'єднана з корпусом електричного перетворювача, а другий його торець встановлений на масивній металевій шайбі, при цьому вихід попереднього підсилювача через двопозиційний перемикач системи управління має можливість поперемінно підключатися до одного з двох автономних каналів: каналу звуків серця і каналу звуків дихання, які містять малошумні підсилювачі з динамічними діапазонами 60 і 70 дБ відповідно, а виходи з підсилювачів кожного з каналів, з'єднані з фільтрам Баттерворта високих і низьких частот 4-го розряду з смугами пропускання сигналів звуків серця 20-800 Гц і сигналів звуків дихання 803000 Гц, після яких другий двопозиційний перемикач системи управління дозволяє поперемінно підключати канали до АЦП 12-го розряду, при цьому вихід з АЦП підключений до зовнішніх цифрових приладів аналізу звуків серця або звуків дихання паралельно з входом в АЦП включено пристрій конвертації електричних сигналів у звукові з лінійною АЧХ 20-3000 Гц і з виходом на головні телефони, а система управління стетофонендоскопа складається з восьми електронних ключів з градацією через 4 дБ. 1 UA 92280 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Блок-схема електронного стетофонендоскопа, конструктивна схема електроакустичного перетворювача та експериментально визначені акустичні ефективності стетофонендоскопа, представлені на фігурах 1, 2 і 3. На фігурі 1 зображено: електроакустичний перетворювач 1, попередній підсилювач 2, канал звуків серця С і канал звуків дихання Д з малошумними підсилювачами 3 і 7; фільтрами високих 4 і 8 і низьких частот 5 і 9 Баттерворта 4 розряду, систему управління 6, аналого-цифровий перетворювач 10, пристрій конвертації електричних сигналів у звукові 11, звукопроводи з "оливами" 12. Цифрові позначення 3, 4, 5 вказують на елементи, що входять до складу каналу серцевих звуків С, а 7, 8 і 9, до складу каналу звуків дихання Д. Пристрої, позначені цифрами 1, 2, 6, 10, 11, 12 є загальними для зазначених каналів електронного стетофонедоскопа. Літерами А і Б вказані двопозиційні перемикачі. Конструктивна схема електроакустичного перетворювача даного стетофонендоскопа представлена на фігурі 2, де відповідно 1 - корпус перетворювача, 2 - попередній підсилювач, 13 - біотканини, 14 - мембрана, 15 - п'єзокерамічний циліндричний порожнистий чутливий елемент, 16 - масивна шайба, 17 - струмопровідні сигнальні провідники. Фігура 3 ілюструє експериментально визначені зазначеним методом акустичні ефективності Е(дБ) залежно від частоти, запропонованого стетофонедоскопа і приладів, що випускають серійно. На цій фігурі прийняті наступні позначення: 18, 19 - ефективність запропонованого електронного стетофонендоскопа, у разі аускультації звуків серця і звуків дихання відповідно; 20, 21 - ефективність зарубіжного стетофонендоскопа при реєстрації звуків серця і звуків дихання. Електронний стетофонендоскоп працює таким чином. Звуковий тиск, що породжується процесами життєдіяльності організму (звуки серця, звуки дихання тощо), передається на поверхню грудної клітини 13, звідти він через мембрану 14, яка щільно прилягає до тіла і жорстко з'єднана зовнішньої кромкою до корпусу електроакустичного перетворювача 1 і так само жорстко з'єднана з торцем п'єзокерамічного порожнистого циліндра чутливого елемента 15, звуковий тиск деформує п'єзоматеріал, який генерує змінну напругу, на обкладках чутливого елемента - корисний сигнал. Ця напруга, з обкладок чутливого елемента, надходить по провідниках на вхід попереднього підсилювача 2. Масивна шайба 16 виконує роль інерційної маси, що сприяє збільшенню деформації п'єзоелектричного матеріалу циліндра - 15. Як показано на блок-схемі (фігура 1), посилені попереднім підсилювачем 2 сигнали і, трансформовані з високоомних в низькоомні, з метою зниження електронних наведень, передаються по струмопровідних сигнальних провідниках 17 за допомогою перемикача А системи управління на малошумні підсилювачі каналу звуків серця С або на підсилювачі каналу звуків дихання Д, залежно від того, звуки якої системи pеєcтpyютьcя, де вони посилюються малошумними підсилювачами 3 або 7 з динамічним діапазоном 60-70 дБ, що входять до складу каналу С або Д. Далі за допомогою фільтрів низьких частот (4 або 8) і фільтрів високих частот (5 або 9) здійснюється фільтрація корисного сигналу фільтрами Баттерворта 4-го розряду. Відфільтровані сигнали в частотних смугах 20-800 Гц для звуків серця або 80-3000 Гц при реєстрації звуків дихання через двопозиційний перемикач Б системи управління 6 надходять на аналого-цифровий перетворювач (АЦП) 12-го розряду 10, де здійснюється їх оцифровка. Далі вони подаються на вхід персонального комп'ютера або на вхід зовнішніх цифрових приладів аналізу звуків. Паралельно з входом АЦП підключений вхід пристрою конвертації 11, де електричні сигнали перетворяться в звукові в діапазоні частот від 20 до 3000 Гц, для контролю і вислуховування звуків серця або звуків дихання. З цією метою в електронному стетофонендоскопі передбачені звукопроводи і "оливи" 12, які направляють звукові сигнали в слухові органи лікаря. Перевірка запропонованого електронного стетофонендоскопа була виконана методом порівняння його ефективності, з ефективністю електронного стетофонендоскопа, що серійно випускається за кордоном, у якому електроакустичний перетворювач виконаний у вигляді звукоприймальної повітронаповненої головки з діафрагмою і встановленим всередині електретним мікрофоном. Товщина повітряного шару між діафрагмою і мікрофоном становила 6 мм. Габарити і маса електроакустичних перетворювачів запропонованого та зарубіжного стетофонендоскопів практично однакова. Синхронна чотириразова реєстрація серцевих і дихальних звуків проводилась на грудній клітці і на стегні у трьох здорових пацієнтів віком 26, 37, 48 років. Звуки серця реєструвалися в лівій стороні грудної клітки, вершина серця, звуки дихання в правій підключичній області. Відстань між електроакустичними перетворювачами стетофонендоскопів при перевірці становила 6,0 мм. Реєстрація сигналів, з випробовуваних електронних стетофонендоскопів та подальша спектральна обробка виконана за допомогою комплекту акустичної апаратури фірми "Брюль і К'ер". Ефективність стетофонедоскопів 2 UA 92280 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 визначалася як різниця рівнів спектральних складових сигналів (звуків серця і звуків дихання), що реєструються на грудній клітці, на стегновому м'язі, де звуки корисного сигналу відсутні, а всі наводки (електронні, звукові, сейсмічні), практично однакові, як на грудній клітці, так і на стегні. Як видно з фігури 3, найбільш ефективним електронним стетофонендоскопом є запропонований стетофонендоскоп, у разі аускультації звуків серця, так і при аускультації звуків дихання. Його ефективність при реєстрації звуків серця варіюється в діапазоні частот 20-800 Гц, в межах 12-20 дБ. Тобто рівень корисного сигналу в 4,5-10 разів перевищує рівень перешкод. У той же час ефективність зарубіжного стетофонендоскопа не перевищувала 10-16дБ (3-4 рази) при реєстрації звуків серця. При аускультації звуків дихання, ефективність запропонованого стетофонендоскопа, становить в області низьких частот 80-800 Гц - 26 дБ (20 разів), а в області високих частот від 1000 до 3000 Гц не менше 16 дБ (6 разів). Як показали дослідження, ефективність зарубіжного стетофонендоскопа, при аускультації звуків дихання, не перевищувала 18 дБ (8 разів) в області низьких частот 80-500 Гц і не більше 10 дБ (3 рази) на частотах 500-3000 Гц. Таким чином, можна стверджувати, що запропонований електронний стетофонендоскоп по своїй ефективності, виявляти акустичні діагностичні ознаки, істотно перевершує закордонні електронні стетофонендоскопи, що випускають серійно. Джерела інформації: 1. HP Stethos (Руководство пользователя электронного стетоскопа www.hp/go/hpstethos) 2. "Электронный стетоскоп ЗМ™ Liftman R 3200 (Руководство по эксплуатации www. Littman.com/ru) 3. Стетоскоп А/С №1491456, СССР Бюл.№25, 07.07.1989. 4. Вовк И. В. Аналитический метод для оценки акустических свойств стетоскопов / И.В. Вовк, И.Ю. Гончарова // Акустичний вісник. - 2000. - Т. 3, № 3. - С. 10-16. 5. Гончарова И.Ю. Датчик для регистрации шумов дыхания на основе использования микрофона /И.Ю.Гончарова // Акустичний вісник. - 2000. - Т. 3. - № 2. -С. 56-62. 6. Ржевкин С.Н. Курс лекций по теории звука. / С.Н. Ржевкин - М., 1960. - 335 с. - [пособие для студ. высш. учебн. завед.] - (Теория звука) Труды / Московский государственный университет. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Електронний стетофонендоскоп, що містить послідовно з'єднані електроакустичний перетворювач, попередній підсилювач, вхідний підсилювач, електронні фільтри, аналогоцифровий перетворювач (АЦП), пристрій конвертації електросигналів в звукові, систему управління, елементи комутації і джерело електроживлення, який відрізняється тим, що електроакустичний перетворювач складається з корпусу, всередині якого встановлений п'єзокерамічний порожнистий циліндр, в якому знаходиться попередній підсилювач з лінійною амплітудно-частотною характеристикою (АЧХ) в діапазоні частот 5-5000 Гц, при цьому один торець п'єзокерамічного циліндра жорстко з'єднаний з тонкою діафрагмою, зовнішня кромка якої жорстко з'єднана з корпусом електричного перетворювача, а другий його торець встановлений на масивній металевій шайбі, при цьому вихід попереднього підсилювача через двопозиційний перемикач системи управління має можливість поперемінно підключатися до одного з двох автономних каналів: каналу звуків серця і каналу звуків дихання, які містять малошумні підсилювачі з динамічними діапазонами 60 і 70 дБ відповідно, а виходи з підсилювачів кожного з каналів з'єднані з фільтрам Баттерворта високих і низьких частот 4-го розряду зі смугами пропускання сигналів звуків серця 20-800 Гц і сигналів звуків дихання 803000 Гц, після яких другий двопозиційний перемикач системи управління дозволяє поперемінно підключати канали до АЦП 12-го розряду, при цьому вихід з АЦП підключений до зовнішніх цифрових приладів аналізу звуків серця або звуків дихання, паралельно зі входом в АЦП включено пристрій конвертації електричних сигналів у звукові з лінійною АЧХ 20-3000 Гц і з виходом на головні телефони, а система управління стетофонендоскопа складається з восьми електронних ключів з градацією через 4 дБ. 3 UA 92280 U Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4