CN1056236A

CN1056236A - 人体声学诊断装置

Info

Publication number: CN1056236A
Application number: CN 90102554
Authority: CN
Inventors: 聂冠群; 齐俊瑞; 李健; 聂金雷
Original assignee: INST OF HUMAN-BODY ACOUSTICS BAODING PREFECTURE HEBEI PROV
Current assignee: INST OF HUMAN-BODY ACOUSTICS BAODING PREFECTURE HEBEI PROV
Priority date: 1990-04-29
Filing date: 1990-04-29
Publication date: 1991-11-20

Abstract

一种人体声学诊断装置，它由传声换能器及信号放大处理两部分所组成，它能对人体内脏器官发出的声波或次声波进行分析，求出频谱中“峰值位置、形心位置、高频比重、低频比重”等四个特征参数，并进而与正常人的相应特征参数标准进行对照，从而判定被测者是否患有早期冠心病，可广泛用作医疗部门的诊断仪器。

Description

一种通过对人体器管发出的声音信号进行分析诊断的装置，属声波或次声波的测量分析设备领域。

目前，医学界用于检测诊断冠心病的仪器或设备品种繁多，采用的方法也很多，如心电图机、心音图机、超声心动图机、阻抗血流图机以及同位素扫描机等等。这些设备仪器各有其特点和实用价值，也各有其不足。主要问题是仪器所检测到的信息对判别是否冠心病而言，其敏感性和特异性较差，因此，假阳性或假阴性的出现率均较高，造成医生或患者对仪器的检测结果产生怀疑或误会。为了解决上述问题，国内外的专家学者除对这些仪器及相应的检测方法进行改进提高外，还不断寻求新的无创性检测手段。

根据人体声学理论，心脏产生的心音是一种复合音，是时间、频率和幅度的三维矢量，它是由心脏在舒缩运动中，心肌、血液、瓣膜和大血管的机械（声学）振动所产生的。这些声波振动，既包括可以为人耳听到的可闻振动，也包括人耳听不到的不可闻振动，通过对心音的频谱分析，心音有很大部分能量，集中在低于20HZ以下的不可闻频段（即次声区），这之中就包括了成为临床诊断重要信息的病理性杂音等（图7显示了心音和耳可听域之间的关系）。有关心音的最新分析研究表明，在心音的超低频频谱中，利用“峰值位置”（即波谱曲线中峰值点所对应的频率赫兹数），“形心位置”（即波谱曲线包络线封闭的面积重心所对应的频率赫兹数），“低频比重”（即1-10HZ频率波在该心声段总功率所占的百分比值），“高频比重”（即25以上HZ频率波在该心声段总功率中所占的百分比值）等四个特征量可以明显地把正常、可疑及冠心病三者之间区别开来，且这四个特征量在心音频谱中以第2、5心声段（注：第2心声段是指自第一心音之末至第二心音之始，第五心声段是指自第三心音之始至下一周期第一心音之始，它们分别简称为段2、段5。）提供的识别信息最多。但是用现有仪器，无法对超低频的声波信息进行测量和分析。这是因为现有检测仪器的电路，以及用于检拾心音的传声换能器都是按低限为20-50HZ的指标设计的，这就漏掉了相当多的超低频识别信息。另外，普通心音传声换能器的灵敏度在0.3-1mv/μbar，而超低频的心音信号声压很小，且信号越弱，背景噪音的影响越大，当信噪比很低时，这些心音信号全部被噪音所掩盖，使其无法检测到。

除此之外，由于冠心病诊断的复杂性，每个病人需要处理的检测数据成千上万，依靠人工去分析计算所得数据是极其困难的。

本发明的目的是研制一种新的人体声学诊断装置，它能检测出集中于次声区的绝大部分心音杂音信号，这就要求仪器的低限频率必须在20HZ以下，其灵敏度必须较高，且传声换能器应具有较大的信噪比;另外，为了及时迅速地求出诊断冠心病的四个特征量，仪器还必须具有相应的数据处理部分。

本发明的目的是通过设计频宽在2-5000HZ的测量放大及数据处理部分，采用与外界隔绝的传声换能器，以及利用配套计算机对数据进行处理等手段实现的。

以下结合附图对本发明作进一步详述。

图1是本发明的原理框图;

图2是一个实施例的电原理图;

图3、图4、图5、图6分别是框图中A、B、C、D四点的输出波形图;

图7是心音和听力之间的关系图;

图8是传声换能器剖视图;

图9是传声换能器仰视图;

图10是诊断程序流程图;

图11、图12分别是本发明中的传声换能器与普通传声换能器的传声效果对照图。

本发明由传声换能器（1）、跟随器（2）、前置放大器（3）、低通滤波器（4）、放大器（5）、模-数转换器（6）、计算机（7）及终端（8）组成。传声换能器（1）把心音信号检拾并转换成相应的电信号，并通过跟随器（2）及前置放大器（3）将此信号放大到1V左右的电平，再经过低通滤波器（4）滤掉除最高分析频率之上的各频率分量，以消除在分析过程中由于混迭效应所产生的分析误差。低通滤波器输出的信号再经过放大器（5）后将信号放大到2.5V左右的电平。然后加入模-数转换器（6）（以下简称ADC）。ADC之前各部分的输出信号波形都是连续的模拟信号（见图3、图4）只是电平不同。ADC将连续的模拟信号转变成离散的数字信号，其电平由相应的8位二进制码表示（见图5、图6）。ADC的输出信号进入计算机（7）后，在计算机内通过专用程序进行处理，求出相应的峰值位置、形心位置、高频比重、低频比重等四个最重要的识别冠心病的特征参数，并通过终端（8）显示或记录，以此作为诊断冠心病的早期依据。

各部分的构成为：

a、跟随器（2）。这是一个由场效应管T1组成的源极输出器，R1为传声换能器MC的放电回路电阻，R2、R3分别为栅极及源极电阻，C1为耦合电容。本级的输入阻抗大于2兆欧。

b、前置放大器（3）。它由运算放大器T2、电阻R5、R6、衰减电位器R4及耦合电容C2组成。C2可选10μ电容。其余各电阻参数的选择要求满足本级增益80分贝，频率响应2Hz-5000Hz，谐波失真小于1%的要求。本级可采用两级放大结构。

c、低通滤波器（4），这是一个由4只运算放大器构成的有源滤波器。其中，T3、R15、C4和T4、R8、C6分别构成第一级和第二级RC有源滤波器，其截止频率为2KHz。当开关K1、K2闭合时，电容C5、C7分别并联在C4、C6上，此时的截止频率为20HZ。T5、R17、R18组成了反馈系数为1的反馈网络，并通过电阻R16、R7反馈到运算放大器的输入端。T6、R9、R10组成的增益约为1的缓冲级，以便与下级电路相接。

C3为耦合电容，容值为4.7-10μ;C4、C6容值为2nP;C5、C7的容值为198np;R15、R8、R16及R17的阻值为47-61K。

d、放大器（5）。这一级由C8、R11、R12、R13和运算放大器T7组成。其中，C8为耦合电容，容值为8μ，R11为衰减电位器，这一级的增益为18-25分贝，频率响应为2-5000HZ。

e、模-数转换器（6）。这一级包括采样-保持电路及ADC电路两部分。前者由场效应管T7、运算放大器T8、C10及R14组成。其中，T7做为一个电子开关，由栅极上提供的心电脉冲信号令其导通或截止，以实现采样，从而将连续的模拟信号变为离散信号。电容C10贮存被采集的信号电平，由于由T8、R14组成的跟随器输入阻抗很高，保证C10的放电回路有足够大的时间常数，从而实现了保持电平不变的目的。ADC为普通的模数转换集成块，可选用AD570等。通过ADC的转换，则将输入的离散模拟信号变成了数字信号。ADC的分辨率要求为8Bit，也可采用10Bit或12Bit。

f、计算机（7）可采用市售商品，最好采用16位的通用微机。本装置采用Super-AT型微机。

g、终端（8），采用终端显示器或打印机，亦可采用数字绘图仪。

为了更全面地从各个不同检测点反映出被测心脏的心音信号，本新型的传声换能器可增加1-2个，与其配套的跟随器、前置放大器、低通滤波器、放大器等心音信号通道电路随之增加，成为1-3个心音信号通道。信号都可以加至模-数转换器的输入端，而后按照计算机指令规定的程序进行处理。

本发明还可以与心电图机配合使用。

本发明的传声换能器（1）MC由微音器（12）、固定微音器的外壳11及将传声换能器吸附在人体上的吸气囊（13）所组成。图8、图9画出了它的结构示意，其中，固定微音器（12）的腔室设计在外壳（11）的中央，腔室一端为盖（15）所密封，另一端开有通孔，声源发出的声波可以通过此孔传至微音器，微音器将声波转换成电变量后经导线（14）送至跟随器（2）。微音器的外径和腔室内径配合紧密。在外壳（11）的端面上开有一圈吸附沟（16），其深度约有10-20毫米深，宽度约为5-15毫米。吸附沟（16）与固定在外壳上的吸气囊（13）相通。使用时，将传声换能器放置在人体胸部，手捏吸气囊，将空气排出，传声换能器即可牢牢地吸附在人体表皮上，由于放置微音器（12）的腔室，此时已与外界隔绝，外界干扰噪音大大被减弱，则人体的心音信号即可以较大的信噪比传至微音器，为声波检测分析提供了准确的数据。图11、图12画出了本新型的传声换能器与普通传声换能器的拾音效果对照。从图中可以看出，本新型的传声换能器能够明置地将可疑冠心病患者与正常人区别开来。

自人体采集的微弱心音信号经变换放大、处理后，由声波信号变成数字信号。加到计算机输入端，在计算机中，通过线性予测法按图10给出的诊断程序流程对该信号进行处理，分别计算出心音频谱中“峰值位置（HZ）、形信心位置（HZ），低频比重（%），高频比重（%）”等四个特征量参数，再分别与正常或冠心病的四个特征量参数标准进行对照，如果发现低频成份减少，高频成份增多，峰值位置与形心位置向高频方向移动（即峰值点或曲线包络面积的重心对应的频率数值较高），则基本上可以诊断为早期冠心病患者。（附表给出了心音频谱中段2特征量临床检测的结果）。

本发明能够对人体心脏发出的声波或次声波进行有效的检测，并能对检测到的数据迅速进行处理，从而计算出反映早期冠心病的特征参数，它提供了无创性检测的新装置，可广泛用于诊断冠心病。

附表：心音频谱中段2特征量临床检测结果

组别	峰值位置（HZ)	形心位置（HZ)
			正常组（88例）可凝冠心病组（61例）冠心病组（136例）	6.97±2.60＊＊＊ 10.85±4.43＊＊＊13.11±6.31###	12.86±2.69＊＊＊16.29±4.45＊＊＊24.34±11.13###

组别	低频比重（％)	高频比重（％)
			正常组（88例）可凝冠心病组（61例）冠心病组（136例）	0.72±0.17＊＊＊ 0.56±0.15＊＊＊0.54±0.14###	0.064±0.03＊＊＊0.15±0.11＊＊＊0.23±0.13###

注：＊＊＊：与正常组比较，P＜0.001;

＃＃＃：与可疑冠心病组比较，P＜0.001;

＃＃：与可疑冠心病组比较，P＜0.01。

Claims

1、一种人体声学诊断装置，它包括一个可以从人体上捡拾声音信号的传声换能器(1)，其特征在于，该装置还包括一个能对人体声音信号进行数据处理的部分，这部分由跟随器(2)，前置放大器(3)，低通滤波器(4)，放大器(5)，模-数转换器(6)，计算机(7)及终端(8)所组成，其中，跟随器(2)是一个由场效应管T1，电阻R2、R3组成的源极输出器，电容C1为联接传声换能器(1)的耦合电容；前置放大器(3)由运算放大器T2、电阻R5、R6所组成，R4为衰减电位器，C2为耦合电容；低通滤波器(4)是一个由四个运算放大器T3、T4、T5、T6构成的有源滤波器，其中，T3、R15、C4和T4、R8、C6分别构成第一、第二级RC有源滤波器，T5、R17、R18组成反馈系数为1的反馈网络，T6、R9、R10组成增益约为1的缓冲级，C3为耦合电容；放大器(5)由运算放大器T7、R11、R12、R13组成，C8为耦合电容；模-数转换器(6)包括采样-保持电路及ADC电路两部分，采样-保持电路由场效应管T7构成的电子开关，运算放大器T8、R14组成的跟随器组成，T8的输出接ADC的13脚，其输出接计算机(7)，后者的输出接终端(8)。

2、根据权利要求1所述的人体声学诊断装置，其特征在于，由传声换能器（1）、跟随器（2），前置放大器（3），低通滤波器（4），放大器（5）组成的心音信号通道数目为1-3个，各心音通道的信号都加致模-数转换器（6）的输入端。

3、根据权利要求1所述的人体声学诊断装置，其特征在于传声传换能器（1）MC由微音器（12）和固定微音器的外壳（11）所组成，其中，外壳（11）上用于固定微音器（12）的腔室，一端为盖（15）所密封，另一端开有通孔，其端面处开有一圈吸附沟（16），吸附沟（16）与一个吸气囊（13）相通。

4、根据权利要求1或2或3所述的人体声学诊断装置，其特征在于终端（8）可以采用终端显示器，也可以采用打印机或数字绘图仪。