新型听诊器

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新型听诊器

作者：吴小帆 许志华 申琪

　　 [摘要]本论文提出一种可将声音信号放大并经示波器可以观察心音信号的电子心音听诊器,提高听诊的准确性。论文首先阐述了系统硬件具体设计。然后介绍本系统的抗干扰。最后,论文给出了设计实现的功能,分析了系统设计中的不足,以及其中有待完善和改进的内容。 

　　[关键词]心音 呼吸音 听诊器 
　　 
　　一、概述 

　　1.电子心音听诊器的研究背景与意义。听诊是临床上广泛应用的一种诊断方法,听诊器的发明极大地推动了医学科学的发展。对心音和呼吸音的听诊是心脑血管疾病和呼吸系统疾病主要诊断手段之一。因此临床迫切需要一种准确性高、波形实时显示、能同时听诊心音、简单易用、成本低、体积小的装置,让临床医生在心脏听诊的同时能看到相应信号的波形图,以便对病人的病变做出更加准确的判断,促进心脑血管疾病和呼吸系统疾病的研究和诊治。 

　　2.心音听诊器国内外研究现状。心音信号的分析与研究主要在以下几个方面:①对51(第一心音)和S2(第二心音)的生理病理研究;②对人工心脏瓣膜的无创伤检测;③对心音微弱成分(第三心音和第四心音)的分析研究;④分析心脏杂音的频率变化规律;⑤从一个心动周期中定位提取心音成分;⑥对心音传导机制建模。 

　　在传统的稳态分析方法基础上,增加非平稳信号分析方法。典型的心音时颇分析有短时傅立叶变换、自回归模型、维格纳分布、小波变换等,人们将这些方法应用于第一心音分析、第二心音分析、心杂音分析,做了很多研究工作,取得了很好的成果。
 
　　3.心音产生机理和组成。心脏的瓣膜和大血管在血流冲击下形成的振动,以及心脏内血流的加速与减速形成的湍流与涡流及其对心脏瓣膜、心房、室壁的作用所产生的振动,再加上心肌在周期性的心血活动作用下其刚性的迅速增加和减少形成的振动,经过心胸传导系统到达体表形成了体表心音。心音中常包含

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　　4.本文研究的主要内容。本文对该领域的研究背景、研究现状和发展趋势进行了充分调研,对心音的形成机理进行了深入研究,针对传统听诊器的不足提出了电子心音听诊器的设计思想。 

　　二、电子心音听诊器设计要求 

　　1.心音信号技术指标。心音幅值:30-6OmV;心音频率:20-600HZ;心率:75次/分。 

　　2.电子心音听诊器技术指标。工作环境:温度:+5-+4O℃,相对湿度:<80%;电源:电源适配器:+5V;&#160;
　　输入方式:心音探头各一个;输出方式:耳机或音响输出,示波器显示;&#160;
　　滤波频响:心音:20-15OHz;放大器增益:心音:100倍以上。&#160;

　　3.系统设计要求。易操作、低功耗、低成本、可靠性、便携性、抗干扰

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　　三、电子心音听诊器内部设计

　　1.心音探头。(1)驻极体电容式传声器。当声波传到振膜时,膜片发生相应振动,改变了电容器极板之间的距离,使电容量C发生相应的变化,其两端的电压也相应变化。由于R的阻值很大,充电电荷Q来不及变化,这样就把声能转换成了电能。(2)驻极体电容式传声器腔体设计。传声器是心音和呼吸音检测的关键部分之一,其性能直接影响心音和呼吸音信号的提取质量。另一个影响心音和呼吸音信号提取质量的重要因素是传声器与体表的声祸合方式。当用传声器检测心音和呼吸音信号时,传声器与体表皮肤的耦合形式不同,会给测量结果带来不同程度的影响。

　　本文使用传统听诊器集音腔体,在导音橡皮管末端接驻极体电容式传感器,完成心音探头设计。

　　2.初级放大模块。从心音呼吸音传声器输出的是非常微弱的交流小信号,根据我们使用的驻极体电容式传声器的敏感度,心音信号的幅值为:30-60mV,这种大小的信号不能满足滤波模块的要求,必须进行信号的放大处理。这里使用的是TI工公司生产的一款运算放大器芯片LM358。

　　初级放大模块电路。通过电阻、电容和+5V电源传声器供电;电容有两个作用:作为隔直电容,使电容两端直流电压不会相互干扰,二作为耦合电容,交流小信号可以通过电容传送给后面的运算放大器,进行电压放大。

　　3.滤波模块。心音的频率范围是20-600HZ,主要集中在20-15OHz范围内,信号的主要干扰源之一的工频50Hz在心音的频率范围,所以我们可构造低通-50Hz陷波滤波器网络,截止频率分别是0 Hz和15OHz,中间滤除工频50Hz对心音信号影响不大,20Hz以下基本为直流信号,对心音信号影响也可以忽略,所以不专门设计高通滤波器。

　　4.再放大模块。在滤波模块后我们又设置了再放大模块,进行信号的再放大处理,不会把一些干扰噪声也同时放大,提高信号的信噪比。

　　在再放大模块中我们仍然使用运算放大器芯片LM358。

　　从再放大模块出来的信号可分两路:一路外接示波器进行波形显示,另一路送到功率放大模块驱动耳机。

　　5.功率放大模块。电子心音听诊器其中一个最重要的功能就是实现对心音的听诊,帮助医生诊断病情。然而心音信号经过再放大模块后,电压幅值己经达到示波显示的要求,但它尚不能驱动耳机发声。必须对信号进行功率放大,才能实现听诊功能。

　　在这里我们使用NS公司生产的LM386作为集成功放电路, LM386的功能和特性作看参阅相关资料。

　　6.功率放大电路。可参照一般的功放电路。

　　四、设计浏览及展望

　　本论文主要完成电子心音听诊器的硬件设计,包括心音呼吸音探头、初级放大模块、滤波模块、再放大模块和功率放大模块的设计。努力和研究,己经完成了系统的整体设计,达到了预期的目标。

　　以后还可以在以下几个方面作进一步研究和努力:对该设计进行数字化扩展,包括液晶显示波形,并可以对波形进行存储和回放。其次在本设计中,虽然对心音和呼吸音进行了硬件低通和陷波滤波,消除了部分噪声交叉干扰,但由于心音和噪音之间存在频谱上的重叠,不能用硬件滤波的方法得到纯正的心音和呼吸音信号。有研究者证明,可以用小波和自适应滤波法来减少这种频谱上重叠的干扰。今后需研究并设计出一套比较好的滤波去噪算法,得到相对纯正的心音信号,使听诊更加准确。
　　
　　参考文献:
　　[1]单亚娅,赵德安.新型可视电子听诊器的研制.微型机与应用,2005.
　　[2]阎武丽,李翔.新型多功能电子听诊器的结构及工作原理.西南科技大学学报.
　　[3]赵玲,李桥,邵庆余等.正常与异常心音比较研究.中国医学物理学杂志,2000.

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