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聽診器設計報告第一章 緒論醫(yī)護人員在臨床工作中經常要借助于聽診器通過體外獲取人體內臟器官活動的聲音,這樣可以初步判斷出病因,沿用了多年的聽診器聽診心音,雖然方法簡單,但往往難以捕捉到人體內部臟器發(fā)出的一些微弱但卻非常重要的生物聲,致使醫(yī)生無法及時做出診斷,且診斷的依據主要根據醫(yī)師的經驗,準確性較差,而且傳統(tǒng)聽診器存在穿戴不適、音質易受干擾等弊端。從另一角度講,人耳對聲音的敏感是聲強與頻率的綜合效應,因而一些病理特征難以捕捉。這就需要設計出一種新穎的電子聽診器對聽診音進行定量、準確的分析。電子聽診器除了能清晰的監(jiān)聽病人的胸、腹聲音之外,還可以用在搜索機械噪聲源等方面,其輸出信號還可以用錄音設備記錄下來,供分析病情或機械故障類型使用。1.1 心音的產生機制心音是能反映心臟正?;蛘卟±淼囊繇懀怯尚呐K搏動過程中各瓣膜的開閉以及心肌和血液運動所產生的震動形成的。它包含有關于心臟各個部分如心房、心室、大血管、心血管以及各個瓣膜功能狀態(tài)的大量信息,是臨床評估心臟功能狀態(tài)的最基本方法,也是心臟以及大血管機械運動的狀況的反映。心音的發(fā)生機理:心臟的瓣膜和大血管在血液沖擊下形成的振動,以及心臟內血流的加速和減速形成的湍流與渦流以及其對心臟瓣膜、心房、室壁的作用所產生的振動,再加上心肌在周期性的心血活動作用下其剛性的迅速增加和減少形成了的振動、經過心胸傳道系統(tǒng)到達體表形成了體表心音。心音中暢游的噪音:心內噪音,呼吸噪音,體表噪音以及心胸系統(tǒng)傳播過程中產生的噪音。1.2 電子聽診器的發(fā)展趨勢 目前國內與國外電子聽診器產品在價格、功能上的差異較大,國內產品較國外而言還存在較大差距,自行開發(fā)和研制功能強大,性能優(yōu)良,價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,而濾波電路和信號輸出等尤為重要,這是體現一個電子聽診器好壞的標準。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計、調試,達到既穩(wěn)定可靠、有較高顯示精度,又具有較低的成本、操作簡易的特點;既能檢測普通的心音和呼吸音,又能捕捉特殊的心音和肺音、腸鳴音;檢測結果既可以通過耳機監(jiān)聽,還可以錄音重放及數字顯示。1.3 電子聽診器的組成電子聽診器大致包含監(jiān)聽和心率顯示兩個部分,具體有:拾音頭MIC、前置級電路、濾波器、功率放大器、比較器和計數顯示電路。設備應具有良好的分析波形能力,能夠將設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,這樣有助于醫(yī)務人員提高初診的準確度,也為進一步診斷做好了基礎。 第二章 電子聽診器的技術指標2.1 電子聽診器的研究過程 主要有以下四個方面: 1. 研究一種高靈敏度、高精度、高穩(wěn)定性、頻響寬、響應平直、動態(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、呼吸音專用前端調理電路;3. 選擇合適的微控制器和液晶屏,并進行數據采集、數據處理和波形實時顯示的軟件編程;4. 最終研制成功一種準確性高、波形實時顯示、能準確聽診心音、簡單易用、成本低、體積小的電子聽診器。2.2 系統(tǒng)技術指標和設計要求2.2.1 心音信號技術指標: 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 電子聽診器技術指標:工作環(huán)境:溫度:+5+40;相對濕度:80%;大氣壓強:76020kPa;電源:+9V電源;輸入方式:心音探頭一個;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)設計要求1.易操作因為電子聽診器是給醫(yī)生用的,替代傳統(tǒng)的聽診器,所以必須操作簡單,裝置的輸入輸出端口、按鈕、開關和指示燈布局合理,符合醫(yī)生的日常使用習慣。2. 低功耗可以用電池供電,所以必須要考慮功耗,硬件應使用低功耗的器件。3. 低成本若成本過高,則會影響它的推廣,低成本也可使其獲得更大的競爭力。4. 可靠性設計的電子聽診器必須精準可靠。第3章 電子聽診器的工作原理3.1 電子聽診器的結構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、前置級電路、濾波器、功率放大器、比較器和計數顯示電路構成。電子聽診器由于其中傳聲器所接收到的頻率信號是很微弱且是寬帶的,我們需要把它放大并要求濾除對聽診無用的雜波。因此我們需要做高精度的放大、濾波電路。如果被監(jiān)測的是心音信號,則它首先將送入前置級電路中,進一步放大后,經過濾波器,濾除放大器本身及外界傳入的高頻噪聲以及心音信號中沒有診斷價值的高頻成分。而其中濾波器輸出的信號,一方面要求經比較器作用后,轉換成可驅動計數電路工作的脈沖信號,通過計數顯示電路顯示心率值;另一方面,要求濾波器輸出的信號經功率放大后供多人監(jiān)聽。信號采集單元利用拾音頭MIC將聲音信號轉變?yōu)榭晒┖蠹墕卧幚淼碾妷盒盘?。將該電壓信號進行放大,再送入低通濾波器,以濾除高頻噪聲信號。濾波器的輸出信號即可輸入計算機進行頻譜分析。由于患者體內病變的器官或組織會產生異常的聲音信號,這些聲音信號在其頻率與特定的譜線相對應,因此,將頻譜分析的結果實時地顯示出來,通過對這些譜線的分析能獲得更準確和有價值的診斷結果。所獲取的聲音信號和頻譜分析結果也可以保存在計算機里,這既可作為診斷的依據,也可用來判斷治療的效果。 電子聽診器的結構框架圖3.2 信號采集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轉化成電信號,以便于系統(tǒng)對其進行數字處理,因而設計一款性能良好、造價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,要經過許多中間介質(例如心肌、肺壁等),由于這些中間介質的密度、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雜很多。把心音轉換成電信號的裝置就是心音傳感器,一般用聽診器檢測心音。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、動圈式和電容式。由于駐極體式靈敏度高、價格低等優(yōu)點,我們選擇其作為傳感器。3.3 信號采集 信號采集級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,由拾音頭撿拾到的心音信號通過橡皮管傳給駐極體話筒,起到撿拾心音信號的作用。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,根據我們使用的駐極體電容式傳聲器的敏感度,心音信號的幅值為:3060mV,這種大小的信號不能滿足濾波模塊的要求,必須要經過信號的放大。它應是一種高放大倍數、高輸入阻抗、低輸出阻抗的多級放大電路,具有兩個輸入端和一個輸出端,可對直流信號、交流信號進行放大處理。3.5 低通濾波器 由于駐極體電容式傳聲器檢測出的心音信號含有很多噪聲,比如檢測環(huán)境的噪聲、體表摩擦的噪聲、人體內部其他內臟運動的噪聲等,這些噪聲的存在會影響聽診器的準確性,甚至會導致醫(yī)生的誤診。為了得到比較純正的心音信號,必須設法去消除這些噪聲,提高心音的信噪比。根據心音和呼吸音的有效頻帶,可以設計出低通濾波器,減少噪聲干擾。由于心音頻率較低,因此在信號放大的同時可將頻率高于600Hz的信號全部濾除,提高系統(tǒng)的抗干擾能力。3.6 信號輸出級通過上面介紹的幾個環(huán)節(jié)的處理,已經得到一個可進行數字處理的聲音檢測信號。在信號處理級,該信號可被送入數字信號處理芯片的A/D轉換口,將其轉變?yōu)閿底中盘枺谛酒瑑炔?,通過對采集到的信號進行快速傅里葉變換即可得到被檢測信號的頻譜。該頻譜可用示波器顯示出來。由于患者體內的病變部位或組織會發(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應。因此,對獲得的頻率信號的觀察將使診斷更為準確。獲得的頻譜信號也可以保存在計算機的存儲空間,在對患者的醫(yī)治過程中,通過對比研究多次測量獲得的頻譜信號,醫(yī)護人員可以準確地判斷出醫(yī)療效果。第4章 電子聽診器的具體設計電路要求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,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)。在信號傳輸的過程中采用雙芯屏蔽線,在傳輸的末端利用差分放大電路的共模抑制特性將信號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,因此在信號放大的同時可將頻率高于600Hz的信號全部濾除,提高系統(tǒng)的抗干擾能力(見3.5)。4.3 比較器信號在放大之后要送入數字電路進行計數,要求比較器非常精確且特別穩(wěn)定。病人的一次心跳。計數器要計數幾十至幾百次,且心跳的聲音頻率在幾百赫茲

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