ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2008, № 2, с. 147-154
_ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, _
--МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ -
УДК 534.222
АКУСТИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЫХАТЕЛЬНЫХ ЗВУКОВ ЧЕЛОВЕКА
© 2008 г. В. И. Коренбаум, А. А. Тагильцев, А. Е. Костив, С. В. Горовой,
И. А. Почекутова, Г. Н. Бондарь
Тихоокеанский океанологический институт им. акад. В.И. Ильичева ДВО РАН Россия, 690041, Владивосток, ул. Балтийская, 43 E-mail: v-kor@poi.dvo.ru Поступила в редакцию 05.06.2007 г. После доработки 02.08.2007 г.
Описана аппаратура для регистрации с поверхности тела человека дыхательных и голосовых звуков. Разработаны акустический датчик на основе электретного микрофона, снабженный стетоскопической насадкой, и выносной двухканальный усилитель сигналов акустических датчиков. Акустические датчики (усилитель) подключаются к микрофонному (линейному) входу выносной звуковой карты, сопряженной с персональным компьютером, обрабатывающим сигналы с использованием специализированного и универсального программного обеспечения.
PACS: 43.64.Yp, 43.80.Qf
ВВЕДЕНИЕ
Со времени изобретения в 1816 г. стетоскопа [1] выслушивание дыхательных звуков над легкими (аускультация легких) является одним из основных медицинских инструментов исследования системы дыхания человека. Интенсивное изучение объективных характеристик шумообразова-ния и звукопроведения в легких человека проводится во многих странах мира [2-14] с целью создания альтернативных лучевым перспективных средств неинвазивной диагностики и мониторинга респираторных заболеваний.
С помощью современной медицинской техники, например электронных стетоскопов, решена задача высококачественной записи дыхательных звуков с поверхности грудной клетки или ларин-готрахеальной области. Так, сравнительно простой электронный стетоскоп Philips обеспечивает аналоговое усиление и шумоподавление при прослушивании сигнала, а более сложная модель 3MTM Littmann 4100 - цифровое преобразование сигнала и передачу его по инфракрасному каналу на портативный компьютер или аналогичные электронные стетоскопы. Некоторые электронные стетоскопы (CADI, Androscope iStethos™) снабжены малогабаритным жидкокристаличе-ским индикатором для визуального просмотра записанных сигналов.
К сожалению, объективные методы обработки записанных сигналов еще не достигли уровня, приемлемого для практики. Причина этого в том, что нет полной ясности в процессах шумообразо-вания в легких человека с акустической и биоме-
ханической точек зрения [15]. Поэтому многие научные коллективы проводят исследования с использованием самостоятельно разрабатываемой акустической аппаратуры и программного обеспечения [16-23].
Цель данной работы - разработка простой широкодоступной аппаратуры для регистрации с поверхности тела человека дыхательных и голосовых звуков.
АКУСТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ
Для регистрации сигналов на грудной стенке или трахее разработана конструкция акустического датчика, чувствительным элементом которого служат универсальные электретные микрофоны, широко используемые в бытовой электронной технике. Акустический датчик (рис. 1) содержит: корпус из эбонита 1, стетоскопическую насадку из эбонита 2, миниатюрный элек-третный микрофон 3 диаметром от 4 до 10 мм (например, W62A), капиллярный канал 4, выполненный из инъекционной иглы, соединительный кабель 5.
Характеристики микрофонных датчиков определяются особенностями стетоскопической камеры и способами ее сопряжения с микрофоном. Этот вопрос достаточно подробно исследован в работе [24], что позволило полученный опыт использовать при определении размеров стетоскопической камеры и капиллярного канала. В нашем случае стетоскопическая насадка имеет внутреннюю камеру конической формы с
147
10*
Уровень, дБ
-5
500
1000 1500 Частота, Гц
2000
2500
Рис. 1. Устройство акустического датчика. 1 - корпус, 2 - стетоскопическая насадка, 3 - миниатюрный элек-третный микрофон, 4 - капиллярный канал, 5 - соединительный кабель.
диаметром у основания 20 мм и глубиной 5 мм (угол раскрытия конуса 120°).
Капиллярный канал 4 с внутренним диаметром 0.75 мм и длиной 25 мм необходим для выравнивания избыточного давления в стетоскопической камере, появляющегося в момент прижима камеры к поверхности тела и вызывающего перегрузку механической колебательной системы электретных микрофонов. Параметры капилляра определяют нижнюю частоту рабочего диапазона датчика и сказываются на уровне его тыльной чувствительности.
Для метрологического обеспечения экспериментов по исследованию параметров микрофонных датчиков и приемных трактов разработана лабораторная установка, представляющая собой устройство для создания акустических колебаний в камере малого объема - широкополосный пи-стонфон. Пистонфон выполнен на основе фоно-кардиографического датчика, в жестком корпусе которого соосно расположены электродинамический преобразователь и камера связи объемом 2.5 см3. При калибровке датчиков реализуется метод замещения, когда на камеру связи поочередно устанавливаются датчик и образцовый микрофон. Для возбуждения пистонфона с низко-омного выхода звуковой карты персонального компьютера (п.к.) подается сформированный программно, например с помощью программы
Рис. 2. Амплитудно-частотные характеристики, полученные по результатам калибровки методом сравнения (уровни нормированы на частоте 1000 Гц): 1 -выносной звуковой карты transit M-Audio при частоте дискретизации 8000 Гц; 2 - акустического датчика.
SpectraLab (Sound Technology Inc.), монохроматический или перестраиваемый по частоте (80-2000 Гц) сигнал. В качестве образцовых используются однодюймовые и полудюймовые измерительные микрофоны, подключаемые к штатному микрофонному усилителю (полоса пропускания 20-10000 Гц, неравномерность частотной характеристики ±0.5 дБ). Отношение сигнал/шум при измерениях не менее 40 дБ. На рис. 2 показана полученная при калибровке амплитудно-частотная характеристика (а.ч.х.) одного из акустических датчиков в сопоставлении с а.ч.х. приемного тракта выносной звуковой карты transit M-Audio.
Исследование на данной установке параметров миниатюрных электретных микрофонов нескольких марок (импортных и отечественного производства), используемых нами в конструкции акустического датчика, выявило следующее. При давлении в камере пистонфона 5-10 Па, что соответствует уровню звукового давления, развиваемого при форсированном выдохе в стетоскопической камере акустического датчика, установленного над ла-ринготрахеальной областью, зафиксирован сравнительно высокий коэффициент нелинейных искажений (зачастую выше 4-5%). Оказалось, что уменьшение коэффициента нелинейных искажений до 1-1.5%, что соответствует приемлемому линейному динамическому диапазону 40-35 дБ, может быть достигнуто только отбором микрофонов из партии и не зависит от типа микрофона. Требуемым параметрам отвечает в среднем 1 микрофон из 10.
ЭЛЕКТРОННЫЕ ТРАКТЫ
При регистрации дыхательных шумов над трахеей сигнал с выхода микрофонного датчика может непосредственно подаваться на вход звуковой карты п.к. Однако при регистрации более слабых дыхательных, голосовых или искусствен-
0
0
Расчетные значения номиналов подстроечных резисторов, обеспечивающих формирование фильтра Чебышева 6-го порядка с частотой среза 60 Гц
Резистор R15 Rl1, R19 R29, R31 R33, R35 R45 R 41, R 49
Сопротивление, кОм 5.10 6.20 16.1 10.5 22.5 12.8
ных звуков над нижними областями легких необходим дополнительный усилитель. Для усиления слабых сигналов нами разработан автономный двухканальный усилитель с встроенными фильтрами (частота среза 60 Гц).
Усилитель имеет следующие характеристики: полоса частот 80 Гц-2.5 кГц (с неравномерностью а.ч.х. <3 дБ); коэффициент усиления 0-30 дБ, ступенчатая регулировка усиления; среднеквадратичное значение шума при закороченном входе и максимальном усилении во всем диапазоне частот <20 мкВ. Питание усилителя-формирователя осуществляется от двух батарей 4.5 В. Ток потребления <2 мА.
Входной каскад усилителя предназначен для защиты от перегрузок по входу, обеспечения неизменности характеристик фильтров при подключении датчиков с различными выходными импедансами и завала частотной характеристики на частотах выше 4 кГц. К выходу входного каскада подключен трехкаскадный фильтр верхних частот. Все каскады фильтра идентичны. Они представляют собой фильтры верхних частот 2-го порядка, собраны по схеме источника напряжения, управляемого напряжением. Схема позволяет реализовать фильтры верхних частот Баттерворта или Чебышева до 6-го порядка включительно. С помощью подстроечных резисторов без изменения остальных элементов схемы частота среза может быть изменена в пределах от 30 до 80 Гц.
Принципиальная электрическая схема усилителя представлена на рис. 3. Для уменьшения потребляемого тока во всех каскадах в качестве активных элементов используются операционные усилители КР140УД1208, допускающие работу в микрорежиме. Входные каскады представляют собой неинвертирующие усилители на элементах М1 и М2. Резисторы Я1, Я4, Я2, Я6 предназначены для подачи напряжения питания при использовании датчиков со встроенными предусилителями. На элементах М3, М5, М8 и М4, М6, М9 собраны высокочастотные фильтры 2-го порядка. Выходные каскады собраны на элементах М10 и М11. Настройка каскадов фильтров осуществляется с помощью подстроечных резисторов Я13, Я17, Я29, Я33, Я43, Я41 и Я15, Я19, Я31, Я35, Я45, Я49 для обоих каналов соответственно. Для формирования двухполярно-го напряжения питания используется повторитель напряжения на операционном усилителе М7. Расчетные значения номиналов подстроечных рези-
сторов, обеспечивающих формирование фильтра Чебышева 6-го порядка с частотой среза 60 Гц, приведены в таблице.
СОПРЯЖЕНИЕ С КОМПЬЮТЕРОМ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА
Акустические датчики подключаются к стандартной 16-разрядной звуковой карте п.к. либо непосредственно к микрофонному входу, либо через дополнительный портативный усилитель -к линейному входу. При работе со стационарными п.к. нами в течение нескольких лет применялись звуковые карты фирмы Creative Labs (Сингапур), имеющие высокое качество и стабильн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.