CN200984191Y - 医用电子听诊器 - Google Patents

Abstract

传统听诊器存在由于压管压力问题导致的外耳道不适、音质易受干扰等弊端。为提高诊断的准确性和可靠性，本文提出一种医用电子听诊器的实现方案。信号采集单元通过压电传感器采集声音信号，通过高阻输入级隔离和电压放大级放大后信号被送入一个二阶低通滤波器滤除噪声及高次谐波。对其输出进行快速傅里叶变换以获得其频谱。通过频谱分析医生可获得更准确和有价值的诊断结果。同时，通过耳机也可以直接进行诊断。

Description

医用电子听诊器

技术领域

本发明为一种听诊人体心、肺等器官活动的电子听诊器，它通过压电晶体传感器采集声音信号以获得代表病灶特征的频谱信息。该电子听诊器适用于临床医疗护理、医学科研教学等领域。

背景技术

现在国内外市场上涉及到的听诊器产品很多，目前常用听诊器结构简单：采用振动膜听诊器头、导音管、耳塞等部分组成。传统听诊器存在体积大、不便携带，使用时耳塞对外耳道不适，音质易受干扰等弊端。此外，诊断结果的准确性在很大程度上依赖于医护人员的专业知识水平和经验，受人为因素的影响较大，诊断结果也不能直观显示出来，提供更为客观、准确和量化的诊断依据。

发明内容

为提高诊断的准确性和可靠性，本发明提出一种电子听诊器的实现方案。该方案通过压电传感器采集声音信号，通过数字信号处理技术获取声音信号的频谱信息。该信息可以存储在计算机存储空间，便于医护人员进行及时准确的诊断和治疗。在对病人的诊治过程中，通过对比研究多次测量获得的频谱信息，医护人员不仅能获得心肺跳动产生的声音频谱信息还能检测判断出传统听诊器不能听诊的异常病变。

本发明由压电传感器信号采集单元、高阻输入级、电压放大器、低通滤波器等部分构成。将压电传感器如普通听诊器一样接触人体皮肤，使用者通过显示的声音信号波形及其频谱来诊断，或通过耳机直接进行诊断。信号采集单元利用压电传感器将声音信号转变为可供后级单元处理的电压信号。在一定的声压条件下，压电材料的两个极板间将积累一定的电荷(电荷量大小与压电材料两端承受的压力呈线性关系)，为减小后级单元在信号处理过程中对该积累电荷的影响，必须采用一个高阻抗输入电路以获取压电传感器上的电压信号。将该电压信号进行放大，再送入低通滤波器以滤除高频噪声信号。滤波器的输出信号通过模/数转换器转变为数字信号后即可进行频谱分析。由于病人体内病变的器官或组织会产生异常的声音信号，这些声音信号在其频域与特定的谱线相对应。因此，将频谱分析的结果实时地显示出来，通过对这些谱线的分析医生能获得更准确和有价值的诊断结果。所获取的声音信号和频谱分析数据也可以保存在计算机里，既可以作为诊断的依据，也可以用来判断治疗的效果。

本医用电子听诊器由信号采集电路、高阻输入级电路、电压放大器电路、低通滤波器电路以及数字信号处理器电路共五部分按顺序级联而成，其中：

(1)信号采集电路，包括：

感受声音信号的石英晶体压电传感器，其负输出端接至地；

(2)高阻输入级电路，包括：

一个运算放大器LF353，三个电阻R1、R2和R3，一个电容C1；信号采集电路中石英晶体压电传感器正输出端接至电阻R1的一端，R1另一端接至运算放大器LF353的正相输入端；信号采集电路中石英晶体压电传感器负输出端与电阻R2的一端都接至地，R2另一端接至运算放大器LF353的反相输入端，同时R2两端并联电容C1；电阻R3的一端也接至运算放大器LF353的反相输入端，R3另一端接至运算放大器LF353的输出端；

(3)电压放大器电路，包括：

一个运算放大器LF353，三个固定电阻R3、R5和R6，一个可变电阻R4；高阻输入级电路的输出端接至电阻R3的一端，R3的另一端接至运算放大器LF353的正相输入端；可变电阻R4的一端也接至运算放大器LF353的正相输入端，R4的另一端接至地；电阻R5的一端接至运算放大器LF353的反相输入端，R5的另一端也接至地；电阻R6的一端接至运算放大器LF353的反相输入端，其另一端接至运算放大器LF353的输出端；

(4)低通滤波器电路，包括：

一个运算放大器LF353，四个电阻R7、R8、R9和R10，两个电容C2、C3；电压放大器电路的输出端接至电阻R7的一端，R7的另一端接至电阻R8和电容C2，电阻R8的另一端接至运算放大器LF353的正相输入端，而电容C2的另一端接至运算放大器LF353的输出端；电容C3的一端接至运算放大器LF353的正相输入端，而其另一端接至地；电阻R9的一端接至运算放大器LF353的反相输入端，R9的另一端接至地；电阻R10的一端接至运算放大器LF353的反相输入端，R10的另一端接至运算放大器LF353的输出端。

本发明的优点是：

1.使用对象广：心脏专家、内科医生、儿科医生、家庭医生、专业护士、一般护理人员、医学院学生等；

2.成本优势：两片运算放大器芯片LF353需3元；电阻电容等约合1元；模/数转换芯片一般低于20元；功率放大器(推挽放大电路)约合3元；电路板(批量)一般低于5元；普通电池组价格便宜；

3.该听诊器小巧、美观、音质逼真，具有强大的后处理潜力。在现有电子听诊器所有功能都能实现的基础上，获得的信号可以保存在计算机的存储空间。在对病人的诊治过程中，通过对比研究多次测量获得的频谱信号，不仅能显示心肺频谱还能检测判断出传统听诊器不能听诊的异常病变。

应用前景：与传统听诊器相比，医护人员通过该电子听诊器可获得更全面和客观的病灶信息，其诊断的准确性和全面性将使其得到广泛的应用。

附图说明

图1是石英晶体压电传感器及其等效电路

图2是压电传感器检测信号送入高阻输入级电路

图3是电压放大器电路

图4是低通滤波器电路

图5是整个听诊器的结构方案图。其中：1为声音输入信号，2为石英晶体压电传感器，3为高阻输入电路，4为电压放大电路，5为电池组，6为二阶低通滤波电路，7为数字信号处理器芯片，8为示波器。

具体实施方式

1.信号采集压电传感器的基本原理是利用压电材料的压电效应，一定的压力作用在压电材料(石英晶体)的两个极板间将使这两个极板间出现一定的电压。沿石英晶体电轴方向施加作用力F_x时，在与电轴垂直的表面上将产生电荷q_x：

q_x＝d₁₁F_x(1)

其中：d₁₁＝2.31×10^-12库仑/牛顿，为石英晶体电轴方向受力的压电系数。

压电传感器相当于一个以压电材料为介质的电容器，如图1所示。其电容量为：

$C=\frac{\mathrm{\ϵA}}{h}$ (法拉)(2)

其中，A---极板面积(米²)；h---压电体厚度(米)；ε---压电材料介电常数(法拉/米)；采用石英晶体为压电材料，其相对介电常数为：ε_r＝4.6，由于标准介电常数为：ε₀＝8.8542×10^-12法拉/米，因此，石英晶体的介电常数为：

ε＝ε_r·ε₀＝40.72932×10^-12法拉/米(3)

设极板面积为：A＝2cm²＝2×10^-4m²，压电体厚度为：h＝50μm＝50×10^-6m，则根据(2)式，压电体的等效电容为：

$C=\frac{\mathrm{\ϵA}}{h}\≈1.6292\×{10}^{-10}F=162.92\mathrm{pF}---\left(4\right)$

设压电体两极板间(沿电轴方向)承受一个大气压的压力，则与电轴垂直的表面将产生电荷：

q_x＝d₁₁F_x＝2.31×10^-12×9.8×2＝45.276×10^-12库仑(5)

因此，两极板间将产生电压：

$U_x=\frac{q_x}{C}\≈278\mathrm{mV}---\left(6\right)$

从上式看出，该电压信号可被后级电路有效检测出。实际应用中，可以采用几个压电体串联的方法以获得更高的输出电压。

2.高阻输入级压电体产生的电荷甚微，因此，在电压信号送入后级电路处理前必须经过一个高阻输入级以减少电荷的泄放。确保获取电压信号的准确性。由于运算放大器通常具有极高的输入阻抗，采用运算放大器LF353实现高阻输入级，如图2所示。输出电压u_o为：

$u_o=v_i\·\frac{R_2+R_3}{R_2}---\left(7\right)$

3.电压放大器根据后级电路处理要求，有必要对采集到的电压信号进行放大，图3所示为本文设计的电压同相放大电路。图3电路设计的电压同相放大电路中，输入电压和输出电压的关系为：

通过调节分压器R₄可以使该电路的输出电压限定在一个合适的范围内。

4.低通滤波器为滤除得到的电压信号中的噪声，采用了一个二阶巴特沃思低通滤波器对信号进行滤波(图4)。该电路的转折频率为： $f_c=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\·\sqrt{R_7{R}_8{C}_2{C}_3}.$ 结合相移因素，可以得到一组合适的电阻、电容参数值。

5.信号输出级通过上面介绍的几个环节的处理，已经得到了一个可进行数字处理的声音检测信号。在信号输出级，该信号可被送入数字信号处理芯片的模/数转换口，将其转变为数字信号，通过对该数字信号进行快速傅里叶变换即可得到该信号的频谱。该频谱可用示波器显示出来，由于病人体内的病变部位或组织会发出一些异常的杂音，该杂音在示波器屏幕上与一定频段的谱线相对应。因此，对获得的频域信号的观察将使诊断更为准确。获得的频谱数据也可以保存在计算机的存储空间，在对病人的医治过程中，通过对比研究多次测量获得的频谱信号，医护人员可以准确地判断出医疗效果。

Claims (1)

1.新型医用电子听诊器，其特征在于，所述的新型医用电子听诊器由声音信号采集电路、高阻输入级电路、电压放大器电路、低通滤波器电路和数字信号处理器电路五部分按顺序级联构成，其中：

(1)信号采集电路，包括：

感受声音信号的石英晶体压电传感器，其负输出端接至地；

(2)高阻输入级电路，包括：

一个运算放大器LF353，三个电阻R1、R2和R3，一个电容C1；信号采集电路中石英晶体压电传感器正输出端接至电阻R1的一端，R1另一端接至运算放大器LF353的正相输入端；信号采集电路中石英晶体压电传感器负输出端与电阻R2的一端都接至地，R2另一端接至运算放大器LF353的反相输入端，同时R2两端并联电容C1；电阻R3的一端也接至运算放大器LF353的反相输入端，R3另一端接至运算放大器LF353的输出端；

(3)电压放大器电路，包括：

一个运算放大器LF353，三个固定电阻R3、R5和R6，一个可变电阻R4；高阻输入级电路的输出端接至电阻R3的一端，R3的另一端接至运算放大器LF353的正相输入端；可变电阻R4的一端也接至运算放大器LF353的正相输入端，R4的另一端接至地；电阻R5的一端接至运算放大器LF353的反相输入端，R5的另一端也接至地；电阻R6的一端接至运算放大器LF353的反相输入端，其另一端接至运算放大器LF353的输出端；

(4)低通滤波器电路，包括：

一个运算放大器LF353，四个电阻R7、R8、R9和R10，两个电容C2、C3；电压放大器电路的输出端接至电阻R7的一端，R7的另一端接至电阻R8和电容C2，电阻R8的另一端接至运算放大器LF353的正相输入端，而电容C2的另一端接至运算放大器LF353的输出端；电容C3的一端接至运算放大器LF353的正相输入端，而其另一端接至地；电阻R9的一端接至运算放大器LF353的反相输入端，R9的另一端接至地；电阻R10的一端接至运算放大器LF353的反相输入端，R10的另一端接至运算放大器LF353的输出端。

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