RU2071726C1

RU2071726C1 - Noise-protected acoustic stethoscope transducer

Info

Publication number: RU2071726C1
Application number: RU94035305A
Authority: RU
Inventors: Сергей Георгиевич Касоев
Original assignee: Сергей Георгиевич Касоев
Priority date: 1994-09-22
Filing date: 1994-09-22
Publication date: 1997-01-20
Also published as: RU94035305A

Abstract

FIELD: medical engineering. SUBSTANCE: device has air chamber which open end face is surface to be pressed against human chest wall and microphone placed inside the chamber and connected with electric signal amplifier. The acoustic transducer is provided with the second air chamber composed of two coaxial cylinders of unequal height with common plane of open end face cuts. Microphone is of differential type and is installed in the closed end face cut of the smaller cylinder engageable with the first and the second air chambers by each side of its membrane. EFFECT: reduced influence of acoustic and vibration noise. 1 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для применения в качестве чувствительного элемента электроакустического стетоскопа при исследовании звуков и шумов сердца и легких или чувствительного элемента фонокардио- или фонопульманографической аппаратуры. The invention relates to medical equipment and is intended for use as a sensitive element of an electro-acoustic stethoscope in the study of sounds and noises of the heart and lungs or a sensitive element of phonocardial or phono-humanitarian equipment.

Известны (1) наряду с акустическими стетоскопами и электроакустические тракты прослушивания и записи звуков сердца и легких, которые первоначально применялись в стационарных аппаратах (1, 2) для фонокардиографии (графической записи звуков и шумов сердца) и пульманографии (графической записи шумов легких). В последнее время стали изготавливаться портативные стетоскопы, имеющие размеры и вес привычных акустических стетоскопов. Known (1) along with acoustic stethoscopes and electro-acoustic paths for listening and recording sounds of the heart and lungs, which were originally used in stationary devices (1, 2) for phonocardiography (graphic recording of sounds and heart sounds) and pulmonography (graphic recording of lung sounds). Recently, portable stethoscopes have been manufactured having the dimensions and weight of conventional acoustic stethoscopes.

Прототипом изобретения является "стетофон", описанный в разделе "Оборудование для акустического воспроизведения звуков сердца" руководства (2), который предназначен для выслушивания усиленных звуков сердца через наушники. The prototype of the invention is a “stethophone” described in the “Equipment for Acoustic Reproduction of Heart Sounds” section of the manual (2), which is intended for listening to amplified heart sounds through headphones.

Микрофоны, то есть электроакустические датчики стетоскопов, принято делить (2) на контактные, то есть фактически акселерометры, и воздушные. Контактные микрофоны очень чувствительны к перемещениям относительно измеряемой поверхности и поэтому требуют жесткого крепления с помощью ремней или штативов на пациенте. Воздушные микрофоны или, точнее, датчики стетоскопов, состоят из воздушной камеры, открытый торец которой является плоскостью приложения к грудной клетке человека, и размещенного внутри этой камеры микрофона, мало чувствительны к относительным перемещениям и могут при исследовании удерживаться рукой, однако они больше чувствительны к окружающим шумам. "Большинство микрофонов сконструированы для приема звука, передаваемого через воздух. Воздушная проводимость использовалась многими исследователями для записи звуков с поверхности стенки грудной клетки или с трахеи, и не удивительно, что для этого использовались головки стетоскопов. Звук, распространяющийся через столб воздуха в трубке стетоскопа, может быть приложен к микрофону так же, как к уху, выполняющему аускультацию. Поскольку не всегда возможно проведение исследования звуков легких в идеальных условиях, защита от окружающих шумов важна для большинства применений. Поверхностный шум (шум, вызываемый трением чашки стетоскопа по коже пациента, например, при дыхании) является еще одним важным источником трудностей, которые могут возникнуть при записи звуков легких" (1, т. 3, с. 1825 1826). Microphones, i.e. electro-acoustic sensors of stethoscopes, are usually divided (2) into contact, that is, actually accelerometers, and air. Contact microphones are very sensitive to movements relative to the measured surface and therefore require rigid mounting with straps or tripods on the patient. Air microphones or, more precisely, stethoscope sensors, consist of an air chamber, the open end of which is the plane of application to the human chest, and a microphone placed inside this chamber is not very sensitive to relative movements and can be held by the hand during examination, but they are more sensitive to others noise. "Most microphones are designed to receive sound transmitted through the air. Air conduction has been used by many researchers to record sounds from the surface of the chest wall or from the trachea, and it’s not surprising that stethoscope heads were used for this. Sound propagating through an air column in a stethoscope’s tube, can be applied to the microphone in the same way as to the ear performing auscultation.As it is not always possible to study the sounds of the lungs under ideal conditions, protection from surrounding shu This is important for most applications. Surface noise (the noise caused by the friction of a stethoscope cup on a patient’s skin, for example, when breathing) is another important source of difficulty that may arise when recording sounds of the lungs "(1, vol. 3, p. 1825 1826 )

Таким образом, воздушные микрофоны, единственно универсально подходящие как для электроакустических стетоскопов, так и для аппаратуры регистрации звуков легких и сердца, имеют следующие недостатки в помехозащищенности: во-первых, большая чувствительность к окружающим шумам, во-вторых, заметная чувствительность к шумам трения чашки стетоскопа о кожу пациента. Thus, air microphones, the only universally suitable for both electro-acoustic stethoscopes and instrumentation for recording sounds of the lungs and heart, have the following disadvantages in noise immunity: firstly, a high sensitivity to ambient noise, and secondly, a noticeable sensitivity to friction noise of a cup stethoscope on the skin of the patient.

Оба этих недостатка при большом усилении электрического сигнала (звуки сердца и, особенно, шумы сердца и легких лишь немного превышают порог слышимости человека) практически приводят к перегрузке удлинительного и регистрирующего тракта записывающей аппаратуры или к неожиданному появлению неприятных, а чаще оглушительных звуков в наушниках стетоскопа. Кроме того, большая чувствительность воздушного микрофона к окружающим звукам не позволяет осуществить громкоговорящее воспроизведение исследуемых звуков, так как акустическая обратная связь немедленно вызывает самовозбуждение всего электроакустического тракта. Both of these drawbacks, with a large amplification of the electric signal (heart sounds and, especially, heart and lung noises, only slightly exceed the threshold of human hearing) practically lead to overloading of the extension and recording tract of recording equipment or to the unexpected appearance of unpleasant, and often deafening, sounds in the headphones of a stethoscope. In addition, the high sensitivity of the air microphone to ambient sounds does not allow loud-speaking reproduction of the studied sounds, since the acoustic feedback immediately causes self-excitation of the entire electro-acoustic path.

Задачей изобретения является снижение уровня акустических и вибрационных помех в датчике путем их взаимокомпенсации. The objective of the invention is to reduce the level of acoustic and vibrational noise in the sensor by means of their mutual compensation.

Технический результат достигается тем, что датчик стетоскопа снабжен второй воздушной камерой, образованной двумя коаксиальными цилиндрами разной высоты с общей плоскостью среза открытых торцов, а микрофон выполнен дифференциальным и установлен в закрытом торце меньшего цилиндра с возможностью контакта каждой стороны его мембраны соответственно с первой и второй воздушными камерами. В этом случае сигнал пропорционален разнице акустических давлений в полости внутреннего цилиндра и в полости между цилиндрами. The technical result is achieved by the fact that the stethoscope sensor is equipped with a second air chamber formed by two coaxial cylinders of different heights with a common cut plane of the open ends, and the microphone is made differential and installed in the closed end of the smaller cylinder with the possibility of contact of each side of its membrane with the first and second air cameras. In this case, the signal is proportional to the difference in acoustic pressure in the cavity of the inner cylinder and in the cavity between the cylinders.

На чертеже схематически представлена конструкция датчика с дифференциальным микрофоном (микрофоном градиента давления). The drawing schematically shows the design of the sensor with a differential microphone (pressure gradient microphone).

Датчик содержит микрофон 1 и коаксиальные цилиндры, образованные боковыми стенками стаканов 2 и 3. С воздушным пространством между цилиндрами граничит одна сторона чувствительной мембраны микрофона 1 градиента давления, на которую воздействует давление в этой полости. Вторая сторона чувствительный мембраны этого микрофона граничит с воздушным пространством внутреннего цилиндра, и на эту сторону мембраны воздействует давление во внутреннем цилиндре. The sensor contains a microphone 1 and coaxial cylinders formed by the side walls of the glasses 2 and 3. One side of the sensitive membrane of the pressure gradient microphone 1, which is affected by pressure in this cavity, borders the air space between the cylinders. The second side of the sensitive membrane of this microphone is adjacent to the airspace of the inner cylinder, and pressure in the inner cylinder acts on this side of the membrane.

Помехозащищенный датчик действует следующим образом. The noiseless sensor operates as follows.

Пока срез цилиндров не приложен к коже исследуемого участка груди (левая схема фиг. 1) и на датчик воздействуют только внешние шумы, они создают одинаковое звуковое давление на обеих сторонах мембраны дифференциального микрофона, поэтому на выходе дифференциального микрофона электрический сигнал отсутствует, то есть датчик не воспринимает окружающие шумы. Подавление окружающих шумов тем больше, чем ближе сквозные электроакустические чувствительности двух трактов. As long as the cut of the cylinders is not applied to the skin of the examined breast area (left diagram of Fig. 1) and only external noise acts on the sensor, they create the same sound pressure on both sides of the membrane of the differential microphone, therefore there is no electrical signal at the output of the differential microphone, i.e. the sensor is not perceives surrounding noise. The suppression of ambient noise is greater, the closer the end-to-end electro-acoustic sensitivity of the two paths.

Аналогично подавляются в выходном сигнале последствия ударов по корпусу датчика и вибраций корпуса. Это подавление тем больше, чем меньше виброчувствительность дифференциального микрофона. In the output signal, the effects of impacts on the sensor housing and vibration of the housing are likewise suppressed. This suppression is the greater, the lower the vibration sensitivity of the differential microphone.

Когда срез цилиндров приложен к исследуемому участку кожи пациента 4, кроме внешних шумов и вибраций на микрофоны воздействует давление, возникающее вследствие колебаний поверхности кожи, вызванных источниками звука внутри организма (сердце и легкие). Эти добавочные давления и являются полезными сигналами для стетоскопа. Однако величины давления во внутреннем цилиндре и в пространстве между цилиндрами не равны. When a section of cylinders is applied to the studied area of the patient’s skin 4, in addition to external noises and vibrations, the microphones are affected by pressure caused by vibrations of the skin surface caused by sound sources inside the body (heart and lungs). These additional pressures are useful signals for a stethoscope. However, the pressure values in the inner cylinder and in the space between the cylinders are not equal.

Для подтверждения возможности осуществления разницы полезных звуковых давлений, действующих на микрофоны датчика, рассмотрим механизм действия стетоскопа. Пусть воздушная камера стетоскопа выполнена в виде кругового цилиндра с плоской крышкой (стакана). Приращение давления в объеме камеры стетоскопа пропорционально относительному уменьшению объема, которое пропорционально произведению площади кожи, ограниченной краями цилиндрической камеры, и среднему нормальному смещению поверхности кожи=
Смещение кожи определяется величиной звукового давления под кожей практически всюду, кроме некоторой полосы, прилегающей к прижатому краю камеры стетоскопа, в которой смещение плавно уменьшается и эффективная ширина которой определяется упругостью кожи, силой прижима камеры, шириной края камеры и некоторыми другими механическими параметрами. Поэтому среднее нормальное смещение кольца кожи между близко расположенными коаксиальными цилиндрами помехозащищенного датчика меньше круга кожи во внутреннем цилиндре датчика.To confirm the possibility of making a difference in the useful sound pressures acting on the sensor microphones, we consider the mechanism of action of the stethoscope. Let the air chamber of the stethoscope be made in the form of a circular cylinder with a flat cover (glass). The increase in pressure in the volume of the stethoscope chamber is proportional to the relative decrease in volume, which is proportional to the product of the skin area bounded by the edges of the cylindrical chamber, and the average normal displacement of the skin surface =
The skin displacement is determined by the sound pressure under the skin almost everywhere, except for a certain band adjacent to the pressed edge of the stethoscope’s camera, in which the displacement gradually decreases and the effective width of which is determined by the skin elasticity, pressure force of the camera, width of the camera edge and some other mechanical parameters. Therefore, the average normal displacement of the skin ring between the closely spaced coaxial cylinders of the noise-free sensor is less than the circle of skin in the inner cylinder of the sensor.

Кроме того, площадь кольца между коаксиальными цилиндрами может быть сделана выбором радиусов значительно меньшей, чем площадь кольца, ограниченного внутренним цилиндром. In addition, the area of the ring between the coaxial cylinders can be made by choosing radii much smaller than the area of the ring bounded by the inner cylinder.

Наконец, отношением высот внутреннего и внешнего стаканов объем полости внутреннего стакана может быть сделан равным или меньшим, чем объем полости между стаканами. Finally, by the ratio of the heights of the inner and outer cups, the volume of the cavity of the inner cup can be made equal to or less than the volume of the cavity between the cups.

Таким образом, выбирая размеры цилиндров и изменяя тем самым названные три параметры, можно сделать полезное давление во внутреннем цилиндре значительно большим, чем полезное давление между цилиндрами. Воздействие на одну сторону мембраны микрофона будет больше, чем на другую, и на выходе дифференциального микрофона появится полезный сигнал стетоскопа. Thus, choosing the dimensions of the cylinders and thereby changing the three parameters mentioned, it is possible to make the useful pressure in the inner cylinder much larger than the useful pressure between the cylinders. The impact on one side of the microphone membrane will be greater than on the other, and a useful stethoscope signal will appear at the output of the differential microphone.

При выслушивании пациента описываемый датчик будет также подавлять вибрационные и ударные помехи, внешние шумы, проникающие в полость датчика, и поверхностные шумы при перемещении датчика с одного участка кожи на другой. When listening to the patient, the described sensor will also suppress vibration and shock noise, external noise penetrating the cavity of the sensor, and surface noise when moving the sensor from one area of the skin to another.

Claims

An interference-proof acoustic sensor for a stethoscope, consisting of an air chamber, the open end of which is the surface of application to the chest wall of a person, and a microphone located inside this chamber connected to an electric signal amplifier, characterized in that it is equipped with a second air chamber formed by two coaxial cylinders of different heights with a common cut plane of the open ends, and the microphone is made differential and installed in the closed end of the smaller cylinder with the possibility of contact each side of its membrane, respectively, with the first and second air chambers.