聽診器初步設(shè)計(jì)報(bào)告

聽診器設(shè)計(jì)報(bào)告第一章 緒論醫(yī)護(hù)人員在臨床工作中經(jīng)常要借助于聽診器通過體外獲取人體內(nèi)臟器官活動(dòng)的聲音，這樣可以初步判斷出病因，沿用了多年的聽診器聽診心音，雖然方法簡(jiǎn)單，但往往難以捕捉到人體內(nèi)部臟器發(fā)出的一些微弱但卻非常重要的生物聲，致使醫(yī)生無法及時(shí)做出診斷，且診斷的依據(jù)主要根據(jù)醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)確性較差，而且傳統(tǒng)聽診器存在穿戴不適、音質(zhì)易受干擾等弊端。從另一角度講，人耳對(duì)聲音的敏感是聲強(qiáng)與頻率的綜合效應(yīng)，因而一些病理特征難以捕捉。這就需要設(shè)計(jì)出一種新穎的電子聽診器對(duì)聽診音進(jìn)行定量、準(zhǔn)確的分析。電子聽診器除了能清晰的監(jiān)聽病人的胸、腹聲音之外，還可以用在搜索機(jī)械噪聲源等方面，其輸出信號(hào)還可以用錄音設(shè)備記錄下來，供分析病情或機(jī)械故障類型使用。1.1 心音的產(chǎn)生機(jī)制心音是能反映心臟正?；蛘卟±淼囊繇懀怯尚呐K搏動(dòng)過程中各瓣膜的開閉以及心肌和血液運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的震動(dòng)形成的。它包含有關(guān)于心臟各個(gè)部分如心房、心室、大血管、心血管以及各個(gè)瓣膜功能狀態(tài)的大量信息，是臨床評(píng)估心臟功能狀態(tài)的最基本方法，也是心臟以及大血管機(jī)械運(yùn)動(dòng)的狀況的反映。心音的發(fā)生機(jī)理：心臟的瓣膜和大血管在血液沖擊下形成的振動(dòng)，以及心臟內(nèi)血流的加速和減速形成的湍流與渦流以及其對(duì)心臟瓣膜、心房、室壁的作用所產(chǎn)生的振動(dòng)，再加上心肌在周期性的心血活動(dòng)作用下其剛性的迅速增加和減少形成了的振動(dòng)、經(jīng)過心胸傳道系統(tǒng)到達(dá)體表形成了體表心音。心音中暢游的噪音：心內(nèi)噪音，呼吸噪音，體表噪音以及心胸系統(tǒng)傳播過程中產(chǎn)生的噪音。1.2 電子聽診器的發(fā)展趨勢(shì) 目前國(guó)內(nèi)與國(guó)外電子聽診器產(chǎn)品在價(jià)格、功能上的差異較大，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品較國(guó)外而言還存在較大差距，自行開發(fā)和研制功能強(qiáng)大，性能優(yōu)良，價(jià)格低廉的新型電子聽診器意義重大。主體電路都差不多，無非是更加完善，而濾波電路和信號(hào)輸出等尤為重要，這是體現(xiàn)一個(gè)電子聽診器好壞的標(biāo)準(zhǔn)。電子聽診器具有如下特色：均選用常規(guī)元器件，通過元器件合理選型與電路的精心設(shè)計(jì)、調(diào)試，達(dá)到既穩(wěn)定可靠、有較高顯示精度，又具有較低的成本、操作簡(jiǎn)易的特點(diǎn)；既能檢測(cè)普通的心音和呼吸音，又能捕捉特殊的心音和肺音、腸鳴音；檢測(cè)結(jié)果既可以通過耳機(jī)監(jiān)聽，還可以錄音重放及數(shù)字顯示。1.3 電子聽診器的組成電子聽診器大致包含監(jiān)聽和心率顯示兩個(gè)部分，具體有：拾音頭MIC、前置級(jí)電路、濾波器、功率放大器、比較器和計(jì)數(shù)顯示電路。設(shè)備應(yīng)具有良好的分析波形能力，能夠?qū)⒃O(shè)置好的頻率段以外的聲音頻率濾除，故可以清晰的得到放大以后的心音信號(hào)，這樣有助于醫(yī)務(wù)人員提高初診的準(zhǔn)確度，也為進(jìn)一步診斷做好了基礎(chǔ)。 第二章 電子聽診器的技術(shù)指標(biāo)2.1 電子聽診器的研究過程 主要有以下四個(gè)方面： 1. 研究一種高靈敏度、高精度、高穩(wěn)定性、頻響寬、響應(yīng)平直、動(dòng)態(tài)范圍大的心音專用探頭；2. 研究一種高增益、寬頻響、低失真、抗干擾的心音、呼吸音專用前端調(diào)理電路；3. 選擇合適的微控制器和液晶屏，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和波形實(shí)時(shí)顯示的軟件編程；4. 最終研制成功一種準(zhǔn)確性高、波形實(shí)時(shí)顯示、能準(zhǔn)確聽診心音、簡(jiǎn)單易用、成本低、體積小的電子聽診器。2.2 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求2.2.1 心音信號(hào)技術(shù)指標(biāo)： 心音幅值：30-60mV； 心音頻率：主要集中在600Hz以下；心率：75次/分鐘。2.2.2 電子聽診器技術(shù)指標(biāo)：工作環(huán)境：溫度：+5+40；相對(duì)濕度：80%；大氣壓強(qiáng)：76020kPa；電源：+9V電源；輸入方式：心音探頭一個(gè)；輸出方式：音響輸出、液晶屏顯示；濾波頻響：心音500Hz；放大器增益：220。2.2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求1.易操作因?yàn)殡娮勇犜\器是給醫(yī)生用的，替代傳統(tǒng)的聽診器，所以必須操作簡(jiǎn)單，裝置的輸入輸出端口、按鈕、開關(guān)和指示燈布局合理，符合醫(yī)生的日常使用習(xí)慣。2. 低功耗可以用電池供電，所以必須要考慮功耗，硬件應(yīng)使用低功耗的器件。3. 低成本若成本過高，則會(huì)影響它的推廣，低成本也可使其獲得更大的競(jìng)爭(zhēng)力。4. 可靠性設(shè)計(jì)的電子聽診器必須精準(zhǔn)可靠。第3章 電子聽診器的工作原理3.1 電子聽診器的結(jié)構(gòu)框架電子聽診器由兩大部分組成：監(jiān)聽部分和心率顯示部分。具體由拾音頭MIC、前置級(jí)電路、濾波器、功率放大器、比較器和計(jì)數(shù)顯示電路構(gòu)成。電子聽診器由于其中傳聲器所接收到的頻率信號(hào)是很微弱且是寬帶的，我們需要把它放大并要求濾除對(duì)聽診無用的雜波。因此我們需要做高精度的放大、濾波電路。如果被監(jiān)測(cè)的是心音信號(hào)，則它首先將送入前置級(jí)電路中，進(jìn)一步放大后，經(jīng)過濾波器，濾除放大器本身及外界傳入的高頻噪聲以及心音信號(hào)中沒有診斷價(jià)值的高頻成分。而其中濾波器輸出的信號(hào)，一方面要求經(jīng)比較器作用后，轉(zhuǎn)換成可驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)電路工作的脈沖信號(hào)，通過計(jì)數(shù)顯示電路顯示心率值；另一方面，要求濾波器輸出的信號(hào)經(jīng)功率放大后供多人監(jiān)聽。信號(hào)采集單元利用拾音頭MIC將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒┖蠹?jí)單元處理的電壓信號(hào)。將該電壓信號(hào)進(jìn)行放大，再送入低通濾波器，以濾除高頻噪聲信號(hào)。濾波器的輸出信號(hào)即可輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行頻譜分析。由于患者體內(nèi)病變的器官或組織會(huì)產(chǎn)生異常的聲音信號(hào)，這些聲音信號(hào)在其頻率與特定的譜線相對(duì)應(yīng)，因此，將頻譜分析的結(jié)果實(shí)時(shí)地顯示出來，通過對(duì)這些譜線的分析能獲得更準(zhǔn)確和有價(jià)值的診斷結(jié)果。所獲取的聲音信號(hào)和頻譜分析結(jié)果也可以保存在計(jì)算機(jī)里，這既可作為診斷的依據(jù)，也可用來判斷治療的效果。 電子聽診器的結(jié)構(gòu)框架圖3.2 信號(hào)采集3.2.1 電子聽診器探頭采集系統(tǒng)首先要解決的是如何將心音信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，以便于系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行數(shù)字處理，因而設(shè)計(jì)一款性能良好、造價(jià)低廉的聽診頭十分重要3.2.2 聲音傳感器的選擇心音由心臟傳至胸腔，要經(jīng)過許多中間介質(zhì)（例如心肌、肺壁等），由于這些中間介質(zhì)的密度、彈性和頻率等不同，所以反射大小不一，傳播速度快慢也不一，因此心音的傳遞要比空氣中傳遞要復(fù)雜很多。把心音轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置就是心音傳感器，一般用聽診器檢測(cè)心音。由于心音的頻率較低，處于20600Hz，在人類人耳能聽見的聲音范圍的低頻率，因此我們選擇話筒作為聲音傳感器。聲音傳感器主要分為三種：駐極體式、動(dòng)圈式和電容式。由于駐極體式靈敏度高、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，我們選擇其作為傳感器。3.3 信號(hào)采集 信號(hào)采集級(jí)選用普通的振膜式拾音頭,用一端橡皮管與駐極體話筒連接。將駐極體話筒放置在橡皮管內(nèi)，由拾音頭撿拾到的心音信號(hào)通過橡皮管傳給駐極體話筒，起到撿拾心音信號(hào)的作用。3.4 電壓放大器 從心音傳聲器輸出的是非常微弱的交流小信號(hào)，根據(jù)我們使用的駐極體電容式傳聲器的敏感度，心音信號(hào)的幅值為：3060mV，這種大小的信號(hào)不能滿足濾波模塊的要求，必須要經(jīng)過信號(hào)的放大。它應(yīng)是一種高放大倍數(shù)、高輸入阻抗、低輸出阻抗的多級(jí)放大電路，具有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，可對(duì)直流信號(hào)、交流信號(hào)進(jìn)行放大處理。3.5 低通濾波器 由于駐極體電容式傳聲器檢測(cè)出的心音信號(hào)含有很多噪聲，比如檢測(cè)環(huán)境的噪聲、體表摩擦的噪聲、人體內(nèi)部其他內(nèi)臟運(yùn)動(dòng)的噪聲等，這些噪聲的存在會(huì)影響聽診器的準(zhǔn)確性，甚至?xí)?dǎo)致醫(yī)生的誤診。為了得到比較純正的心音信號(hào)，必須設(shè)法去消除這些噪聲，提高心音的信噪比。根據(jù)心音和呼吸音的有效頻帶，可以設(shè)計(jì)出低通濾波器，減少噪聲干擾。由于心音頻率較低，因此在信號(hào)放大的同時(shí)可將頻率高于600Hz的信號(hào)全部濾除，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。3.6 信號(hào)輸出級(jí)通過上面介紹的幾個(gè)環(huán)節(jié)的處理，已經(jīng)得到一個(gè)可進(jìn)行數(shù)字處理的聲音檢測(cè)信號(hào)。在信號(hào)處理級(jí)，該信號(hào)可被送入數(shù)字信號(hào)處理芯片的A/D轉(zhuǎn)換口，將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，在芯片內(nèi)部，通過對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換即可得到被檢測(cè)信號(hào)的頻譜。該頻譜可用示波器顯示出來。由于患者體內(nèi)的病變部位或組織會(huì)發(fā)出一些異常的雜音，該雜音在示波器屏幕上與一定頻段的譜線相對(duì)應(yīng)。因此，對(duì)獲得的頻率信號(hào)的觀察將使診斷更為準(zhǔn)確。獲得的頻譜信號(hào)也可以保存在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)空間，在對(duì)患者的醫(yī)治過程中，通過對(duì)比研究多次測(cè)量獲得的頻譜信號(hào)，醫(yī)護(hù)人員可以準(zhǔn)確地判斷出醫(yī)療效果。第4章 電子聽診器的具體設(shè)計(jì)電路要求4.1 心音傳感器及其放大電路 由于心音頻率為20600 Hz，肺音頻率為1001500 Hz，腸鳴音頻率為201500 Hz內(nèi)，均在人耳所能聽到的聲音范圍的中低頻率段，因此選用話筒作為聲音傳感器（見3.2）。在信號(hào)傳輸?shù)倪^程中采用雙芯屏蔽線，在傳輸?shù)哪┒死貌罘址糯箅娐返墓材Ｒ种铺匦詫⑿盘?hào)傳輸過程中的各種溫度、電磁波、電源等造成的外界噪聲干擾信號(hào)抑制和抵消掉。4.2 心音濾波器 由于心音頻率較低，因此在信號(hào)放大的同時(shí)可將頻率高于600Hz的信號(hào)全部濾除，提高系統(tǒng)的抗干擾能力（見3.5）。4.3 比較器信號(hào)在放大之后要送入數(shù)字電路進(jìn)行計(jì)數(shù)，要求比較器非常精確且特別穩(wěn)定。病人的一次心跳。計(jì)數(shù)器要計(jì)數(shù)幾十至幾百次，且心跳的聲音頻率在幾百赫茲