CN110226944B - 基于mems技术的微型心音传感器及其应用 - Google Patents

基于mems技术的微型心音传感器及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于MEMS技术的微型心音传感器及其应用，属于生物医学信号检测技术领域。所述的微型心音传感器包括金属外壳、硅胶垫和传感器模块，传感器模块与金属外壳底部的硅胶垫上的开孔形成空腔，用于检测时进行心音耦合；传感器模块布置在电路板上，包括心音采集模块和信号放大模块；心音采集模块与底部空腔相连，用于采集心音信号并输出模拟信号；信号放大模块对采集到的心音信号进行放大。在使用时，将微型心音传感器的底部向下嵌入与人体相接触的硅胶垫中，采用阵列式分布，可用于多路心音信号的同步采集。本发明具有体积小、高保真、灵敏度高等优点，可方便快捷的采集到人体心音信号，为人体心音信号的采集提供一种便捷准确的工具。

Description

基于MEMS技术的微型心音传感器及其应用
技术领域
本发明属于生物医学信号检测技术领域，具体为基于MEMS技术的微型心音传感器及其应用。
背景技术
心音是由心肌收缩、心脏瓣膜关闭和血液撞击心室壁、大动脉壁等引起的振动所产生的声音。心音在心血管疾病的诊断中具有重要的意义，传统上医生凭借自身经验进行诊断的方法具有很大的主观性，通过将心音信号转换为电信号后可以准确地帮助医生进行心音的识别。
在现有的技术中，心音传感器的体积较大，与皮肤的接触面积较多，无法准确的定位人体心音听诊区，导致采集到的心音信号含有较多的干扰。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明基于MEMS技术，提供一种可准确采集多路心音信号的微型心音传感器，具有体积小、重量轻、使用方便的优点，可快捷、准确定位人体心音听诊区，并采集高保真心音信号。在采集人体心音信号时，采用阵列式分布，根据人体胸腔体表的五个听诊区：二尖瓣区、肺动脉瓣区、主动脉瓣区、主动脉瓣第二听诊区、三尖瓣区，利用多个心音传感器对以上听诊区的心音信号进行同步采集。
本发明的技术方案是：
基于MEMS技术的微型心音传感器，包括金属外壳1、硅胶垫2和传感器模块；所述的金属外壳1为环状结构，顶部和底部通过硅胶垫2进行密封，传感器模块位于金属外壳1内部；金属外壳1上设有一个或多个孔，用于引出传感器模块的导线；所述的金属外壳1底部的硅胶垫2的中心位置开有通孔，所述的传感器模块固定在底部硅胶垫2的上表面，位于通孔上，传感器模块与底部硅胶垫2的通孔之间形成空腔3，检测心音时通过空腔3进行心音耦合。
所述的传感器模块布置在电路板上，并采用热熔胶进行密封处理，传感器模块包括心音采集模块和信号放大模块；所述的心音采集模块包括MEMS声传感结构U1和旁路电容a C1；所述的MEMS声传感结构U1，用于采集心音信号并输出模拟信号，其电源端引脚VDD与旁路电容a C1连接，用于消除电路中的高频噪声，其输出端引脚OUTPUT与滤波电容C2连接；MEMS声传感结构U1底部对应的电路板上开有一个孔，孔与空腔3相连通。
所述的信号放大模块包括信号放大器U2、滤波电容C2、滤波电容c C7、旁路电容bC3、旁路电容c C6、电容a C4、电容b C5、电阻a R2、电阻b R3、电阻c R4和电阻d R5；所述的信号放大器U2，其MICIN引脚与滤波电容C2相连形成滤波器，接收来自MEMS声传感结构U1的心音信号，信号放大器U2的A/R引脚与地相连，用于设置收放比；所述的旁路电容b C3，首尾端分别与信号放大器U2的BIAS引脚和地相连，用于去除信号中的高频噪声；所述的旁路电容c C6，首尾端分别与信号放大器U2的VDD引脚以及GND引脚相连，用于滤除电源中的高频噪声；所述的电容a C4，其首端与信号放大器U2的CT引脚相连，其尾端接地，用于控制信号放大器的启动时间与释放时间；所述的电容b C5，其首端与信号放大器U2的CG引脚相连，其尾端接地，确保输出端零失调；所述的滤波电容c C7，其首端与信号放大器U2的MICOUT引脚相连，其尾端接地，用于去除信号中高频噪声；所述的电阻a R2和电阻b R3，二者串联，电阻a R2的首端与地相连，电阻a R2与电阻b R3的连接端与信号放大器U2的TH引脚相连，电阻bR3的尾端与信号放大器U2的MICBIAS引脚相连，通过设置放大器偏置电压来控制放大器内部AGC的启动与关闭；所述的电阻c R4和电阻d R5，二者串联，电阻d R5的首端与地相连，电阻d R5与c R4的连接端与信号放大器U2的GAIN端连接，电阻c R4的尾端与信号放大器U2的VDD相连，用于控制信号放大器的放大倍数。
所述的传感器模块的大小为10mm×10mm×4.2mm；金属外壳1的直径为18mm，高度为4.5mm，采用304不锈钢材质；所述的空腔3的尺寸为8mm×8mm×1mm。
MEMS声传感结构U1底部对应的电路板上开有的孔，是直径为1.4mm的圆孔。
所述的信号放大器U2，收放比设定为1:500，反应时间设定为0.53ms，释放时间为265ms；放大系数为100倍、300倍或1000倍。
所述的基于MEMS技术的微型心音传感器的应用，在检测心音时，采用阵列式分布，基于MEMS技术的微型心音传感器的底部向下嵌入与人体相接触的硅胶垫中，嵌入数量至少为5个，分布于二尖瓣区M、肺动脉瓣区P、主动脉瓣区A、主动脉瓣第二听诊区E和三尖瓣区T，其余区域根据受试者的体型调整传感器的位置。
本发明的有益效果：
(1)本发明可将微型心音传感器嵌入硅胶垫内对人体不同的心音听诊区进行心音采集，实现不同位置信号的同步采集，可有效地帮助医生对心音的分析。
(2)本发明的心音传感器具有体积小、灵敏度高、抗外界干扰等特点，在使用时简便、快捷，底部的硅胶垫在接触人体时不会对人体产生影响，提高使用者的舒适性。
(3)本发明的心音传感器具有信噪比高、总谐波失真低、可根据实际情况选择放大系数等特点，输出0V～2.4V的高保真模拟信号。
附图说明
图1、图2和图3是外壳结构示意图：图1为前视图，图2为左视图，图3俯视图；其中，1金属外壳；2硅胶垫；3空腔；4孔a；5孔b；6孔c。
图4是传感器内部电路结构示意图：其中，U1MEMS声传感结构；U2信号放大器；C1旁路电容a；C3旁路电容b；C6旁路电容c；C2滤波电容；C4电容a；C5电容b；C7电容c；R2电阻a；R3电阻b；R4电阻c；R5电阻d。
图5是本发明的基于MEMS技术的微型心音传感器在使用时的阵列式排布示意图：圆孔位置分别对应不同的心音采集点；其中，M二尖瓣区、P肺动脉瓣区、A主动脉瓣区、E主动脉瓣第二听诊区、T三尖瓣区。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
(1)如图1、2和3所示，基于MEMS技术的微型心音传感器，包括金属外壳1、硅胶垫2和传感器模块，金属外壳1的顶部和底部通过硅胶垫2密封，传感器模块位于金属外壳1内部。金属外壳1采用304不锈钢材质，直径为18mm，高度为4.5mm；金属外壳1上开有三个孔用于将传感器模块的导线引出，分别为孔a4、孔b5和孔c6。底部的硅胶垫2的中心位置开有通孔，所述的传感器模块置于通孔上，形成空腔3，用于心音的耦合；空腔3的尺寸为8mm×8mm×1mm；硅胶垫2在接触人体皮肤时不会对人体产生影响，并且操作简便。
(2)如图4所示，传感器模块布置在电路板上，采用热熔胶进行密封处理，防止外部声音的干扰；电路板呈方形，尺寸为10mm×10mm，厚度的最大尺寸为4.2mm。传感器模块包括心音采集模块和信号放大模块，传感器模块的三根导线分别为电源、地以及信号输出端。电源采用3.1V直流电源进行供电。
(3)心音采集模块，该模块核心为MEMS声传感结构U1，该器件可感应的频带带宽为6Hz～20KHz，具有63dB的高信噪比，-45±2dB的敏感度，低至0.2％的总谐波失真，可采集到高保真的心音信号。电路板在MEMS声传感结构U1的底部开有一个直径为1.4mm的圆孔，圆孔与空腔3相连通，用于采集人体心音，并输出0mV～20mV的模拟信号。MEMS声传感结构U1在电源端连接旁路电容a C1用于消除电路中的高频噪声，在输出端接有滤波电容C2与后端的信号放大器U2组成低通滤波器。
(4)信号放大模块，包括信号放大器U2，用于放大前端MEMS声传感结构U1输出的心音信号。信号放大器U2的信号输入端与滤波电容C2相连用于接收前端的心音信号。电容aC4控制放大器的收放时间，电容b C5确保输出端零失调，电容c C7控制输出信号频率，旁路电容c C6用于去除高频噪声，通过电阻a R2和电阻b R3设置放大器偏置电压来控制放大器内部AGC的启动与关闭，电容a C4和电容b C5用于设置放大器的放大倍数，旁路电容b C3用于去除电路中的高频噪声。本发明在使用时可根据使用者的实际情况来设计器件的放大倍数，包括有100倍、300倍以及1000倍，在使用过程中如果遇到脂肪较厚的患者，可采用高倍频的传感器确保输出信号的强度。该信号放大模块采用了1:500的音频收放比，反应时间设定为0.53ms，释放时间为265ms，满足心音信号的特征。
(5)如图5所示，本发明基于MEMS技术的微型心音传感器在使用时的阵列式排布；在使用时将传感器嵌入与人体相接触的硅胶垫中，嵌入数量至少为5个，分布于二尖瓣区M、肺动脉瓣区P、主动脉瓣区A、主动脉瓣第二听诊区E、三尖瓣区T，其余区域可根据受试者的体型调整传感器的位置。当应用于心音采集时，在所需采集的听诊区安装上微型心音传感器，组成阵列式结构，同步采集多路心音信号。

Claims (6)

1.基于MEMS技术的微型心音传感器，其特征在于，所述的微型心音传感器包括金属外壳(1)、硅胶垫(2)和传感器模块；所述的金属外壳(1)为环状结构，顶部和底部通过硅胶垫(2)进行密封，传感器模块位于金属外壳(1)内部；金属外壳(1)上设有一个或多个孔，用于引出传感器模块的导线；所述的金属外壳(1)底部的硅胶垫(2)的中心位置开有通孔，所述的传感器模块固定在底部硅胶垫(2)的上表面，位于通孔上，传感器模块与底部硅胶垫(2)的通孔之间形成空腔(3)，检测心音时通过空腔(3)进行心音耦合；
所述的传感器模块布置在电路板上，并采用热熔胶进行密封处理，传感器模块包括心音采集模块和信号放大模块；所述的心音采集模块包括MEMS声传感结构(U1)和旁路电容a(C1)；所述的MEMS声传感结构(U1)，用于采集心音信号并输出模拟信号，其电源端引脚VDD与旁路电容a(C1)连接，用于消除电路中的高频噪声，其输出端引脚OUTPUT与滤波电容(C2)连接；MEMS声传感结构(U1)底部对应的电路板上开有一个孔，孔与空腔(3)相连通；
所述的信号放大模块包括信号放大器(U2)、滤波电容(C2)、滤波电容c(C7)、旁路电容b(C3)、旁路电容c(C6)、电容a(C4)、电容b(C5)、电阻a(R2)、电阻b(R3)、电阻c(R4)和电阻d(R5)；所述的信号放大器(U2)，其MICIN引脚与滤波电容(C2)相连形成滤波器，接收来自MEMS声传感结构(U1)的心音信号，信号放大器(U2)的A/R引脚与地相连，用于设置收放比；所述的旁路电容b(C3)，首尾端分别与信号放大器(U2)的BIAS引脚和地相连，用于去除信号中的高频噪声；所述的旁路电容c(C6)，首尾端分别与信号放大器(U2)的VDD引脚以及GND引脚相连，用于滤除电源中的高频噪声；所述的电容a(C4)，其首端与信号放大器(U2)的CT引脚相连，其尾端接地，用于控制信号放大器的启动时间与释放时间；所述的电容b(C5)，其首端与信号放大器(U2)的CG引脚相连，其尾端接地，确保输出端零失调；所述的滤波电容c(C7)，其首端与信号放大器(U2)的MICOUT引脚相连，其尾端接地，用于去除信号中高频噪声；所述的电阻a(R2)和电阻b(R3)，二者串联，电阻a(R2)的首端与地相连，电阻a(R2)与电阻b(R3)的连接端与信号放大器(U2)的TH引脚相连，电阻b(R3)的尾端与信号放大器(U2)的MICBIAS引脚相连，通过设置放大器偏置电压来控制放大器内部AGC的启动与关闭；所述的电阻c(R4)和电阻d(R5)，二者串联，电阻d(R5)的首端与地相连，电阻d(R5)与电阻c(R4)的连接端与信号放大器(U2)的GAIN端连接，电阻c(R4)的尾端与信号放大器(U2)的VDD相连，用于控制信号放大器的放大倍数。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的微型心音传感器，其特征在于，所述的传感器模块的大小为10mm×10mm×4.2mm；金属外壳(1)的直径为18mm，高度为4.5mm，采用304不锈钢材质；所述的空腔(3)的尺寸为8mm×8mm×1mm。
3.根据权利要求1或2所述的基于MEMS技术的微型心音传感器，其特征在于，MEMS声传感结构(U1)底部对应的电路板上开有的孔，是直径为1.4mm的圆孔。
4.根据权利要求1或2所述的基于MEMS技术的微型心音传感器，其特征在于，所述的信号放大器(U2)，收放比设定为1:500，反应时间设定为0.53ms，释放时间为265ms；放大系数为100倍、300倍或1000倍。
5.根据权利要求3所述的基于MEMS技术的微型心音传感器，其特征在于，所述的信号放大器(U2)，收放比设定为1:500，反应时间设定为0.53ms，释放时间为265ms；放大系数为100倍、300倍或1000倍。
6.权利要求1-5所述的基于MEMS技术的微型心音传感器的应用方法，在检测心音时，采用阵列式分布，基于MEMS技术的微型心音传感器的底部向下嵌入与人体相接触的硅胶垫中，嵌入数量至少为5个，分布于二尖瓣区(M)、肺动脉瓣区(P)、主动脉瓣区(A)、主动脉瓣第二听诊区(E)和三尖瓣区(T)，其余区域根据受试者的体型调整传感器的位置。
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