ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2013, № 6, с. 82-87
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ
УДК 534.222
АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ МНОГОКАНАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ В ДЫХАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ ЧЕЛОВЕКА
© 2013 г. В. И. Коренбаум*, **, А. А. Тагильцев*, А. Е. Костив*, А. Д. Ширяев*
*Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН
Россия, 690041, Владивосток, ул. Балтийская, 43 **Дальневосточный федеральный университет, Школа естественных наук, Кафедра теоретической и экспериментальной физики Россия, 690091, Владивосток, ул. Суханова, 8 E-mail: v-kor@poi.dvo.ru Поступила в редакцию 21.01.2013 г.
Описана установка для многоканального исследования распространения звуковых колебаний в дыхательной системе человека. В качестве датчиков, регистрирующих сигналы на поверхности грудной клетки, используются акселерометры. Установка обеспечивает регистрацию сигналов с 14-ти акустичесих датчиков. Исследуемый диапазон частот 80—1000 Гц. Разработана программа для визуализации записанных с поверхности грудной клетки сигналов. Установка позволяет регистрировать как естественные дыхательные шумы, так и проведенные на поверхность грудной клетки искусственные зондирующие сигналы. Достоинством установки является использование широкодоступной универсальной техники.
DOI: 10.7868/S0032816213060050
ВВЕДЕНИЕ
Акустическая визуализация легких человека — естественное направление развития науки и техники при решении проблемы объективизации аускультации легких, которая широко используется в медицине с начала XIX века (аускультация — метод исследования функции внутренних органов, основанный на выслушивании звуковых явлений, связанных с их деятельностью). Принципиальные достоинства акустических методов визуализации очевидны. Однако, несмотря на многочисленные попытки [1—4], эффективно решить эту проблему пока не удается, что приводит к постепенному вытеснению аускультации легких из медицинской практики более сложными дорогими и далеко не безвредными методиками (компьютерная рентгеновская томография, магниторезонансная томография), которые не позволяют проводить обследования с достаточной для практических целей частотой повторения. Основные причины, затрудняющие широкое применение акустических методов, — это сложность распространения звуковых колебаний в дыхательной системе человека, неясность механизмов и зон шумообразова-ния [5-9].
Для исследования фундаментальных и прикладных аспектов акустической визуализации дыхательной системы человека в разных странах разрабатывают специализированные комплексы
аппаратуры, обеспечивающие многоканальную регистрацию дыхательных и проведенных звуков на поверхности грудной клетки и излучение зондирующих сигналов в респираторный тракт [3, 10-12]. Цель данной работы — создание широкодоступной универсальной техники для изучения акустики дыхательной системы человека.
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ
Основой системы регистрации разработанного аппаратно-программного комплекса служит серийно выпускаемый 16-канальный электронный самописец PowerLab (ADInstruments). Самописец снабжен пакетом программ Chart (ADInstruments), обеспечивающих многоканальное кондиционирование (усиление, цифровая фильтрация) сигналов и их синхронную цифровую запись. Возможно преобразование записанных сигналов в форматы txt, mat и wav для дальнейшей обработки в различных универсальных программных средствах.
Канал излучения сигналов в респираторный тракт человека содержит электроакустическую систему и комплект аппаратуры, включающий формирователь сигналов на базе персонального компьютера (п.к.) и усилитель мощности. Структурная схема установки показана на рис. 1.
АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС
83
3 4 5 1 2
Рис. 1. Структурная схема системы регистрации. 1 — корпус источника звука; 2 — громкоговоритель; 3 — звукопоглотитель; 4 — патрубок с мундштуком; 5 — крышка камеры связи; 6 — датчик, размещаемый на грудной клетке; 7 — датчик контроля звукового давления; 8 — трубка отвода воздуха; 9 — усилитель датчика контроля звукового давления; 10 — источник питания усилителей датчиков; 11 — 16-канальный электронный самописец; 12 — персональный компьютер; 13 — усилитель мощности.
В замкнутый корпус 1 размером 300 х 250 х х 250 мм заключен электродинамический громкоговоритель 2 с диффузором диаметром 90 мм, выполненным из углепластика (используется в качестве сабвуфера в акустической системе J8902 производства КНР). Тыльная сторона громкоговорителя нагружена на поглощающий материал 3 (поролон), а фронтальная создает в патрубке 4, выполненном из оргстекла (030 мм, длина 70 мм, толщина стенки 2 мм), необходимый уровень звукового давления, контролируемый датчиком 7. В качестве последнего служит рассогласованный с воздушной средой сферический пьезокерами-ческий преобразователь 05 мм. Преобразователь конформно закреплен через акустическую развязку в стенке патрубка. При этом просвет патрубка и его механические свойства не изменяются. Малая в сравнении с микрофонами чувствительность датчика 7 по звуковому давлению компенсируется высоким уровнем сигнала при работе громкоговорителя, а запас по динамическому диапазону позволяет устранить нелинейные искажения, которые возникают при попытках использования для этих целей малогабаритных электретных микрофонов.
Патрубок 4 снабжен сменным мундштуком, который охватывается губами пациента на время подачи звуковых колебаний в респираторный тракт. Диффузор громкоговорителя и жесткая конусная крышка 5 образуют камеру связи. Для отвода воздуха из камеры связи в процессе выдоха служит жесткая трубка 8, установленная в отверстии 06 мм, выполненном в крышке камеры.
Рис. 2. Устройство акустического датчика. 1 — би-
морфный пьезоэлемент, 2 — основание, 3 — кабельный ввод, 4 — предусилитель, 5 — корпус.
Площадь сечения трубки для отвода воздуха много меньше сечения патрубка-звукопровода, что позволяет не только удалять из камеры воздух при медленном выдохе, выравнивая давление внутри и вне камеры, но и обеспечивать эффективность работы громкоговорителя на низких частотах.
Зондирующие сигналы заданной формы формируются п.к. 12 с помощью одной из программ, работающих с wav-файлами, например SpectraLab (SoundTech Inc.). Через цифроаналоговый преобразователь (ц.а.п.) звуковой карты п.к. и усилитель мощности (13) RB-1080 (Rotel) они подаются на электродинамический громкоговоритель.
Для приема акустических сигналов на поверхности грудной клетки человека используют набор датчиков 6 (см. рис. 1), которые закрепляют на теле пациента с помощью двусторонней липкой ленты. Датчики представляют собой специально разработанные легкие акселерометры массой 7 г и габаритами 030 х 10 мм (рис. 2). Активный элемент датчика — тонкий биморф 1, состоящий из металлической подложки 020 мм и наклеенной на нее пьезопластины 014 мм. В центре биморфа выполнено отверстие для его посадки на коническую опору, являющуюся частью основания датчика 2. Коническая опора, допускающая изгиб-ные колебания биморфа, обеспечивает более высокую в сравнении со стержневыми опорами жесткость в его плоскости, чем достигается пониженная поперечная чувствительность датчика. В корпус датчика встроен сверхминиатюрный аналоговый усилитель LMV1014 (National Semiconductor) с током потребления 38 мкА, который питается по отдельной жиле коаксиального кабеля от низковольтного источника 10 (рис. 1).
Чувствительность датчика по ускорению в диапазоне частот 200—2000 Гц составляет 1.5— 2 мВ/(м • с-2) без учета коэффициента усиления микросхемы LMV1014. Резонансная частота датчика ~3 кГц. Преимущество датчиков акселеро-метрического типа по сравнению с микрофонными [3, 4, 13] заключается в слабом паразитном проникновении зондирующего акустического сигнала [7] от громкоговорителя через воздушное пространство, окружающее тело человека.
Отклики акустических датчиков усиливаются, фильтруются и регистрируются 16-канальным
Рис. 3. Окно программы Chart с примером записи 15-канального файла сигналов здорового добровольца. Представлены фрагменты записи: 1 — трехчастотный ф.м.-сигнал; 2 — четырехчастотный ф.м.-сигнал; 3 — прямой л.ч.м.-сигнал; 4 — обратный л.ч.м.-сигнал; 5, 6 — множественный укороченный ф.м.-сигнал (400 13-символьных последовательностей Баркера); 7—9 — маневры вдоха и форсированного выдоха. По оси абцисс отложено время, с (цена деления 5 с), по оси ординат — электрическое напряжение, В.
Ш&Ъш ft ВЕЖД1. ВШЩЩ ВВШ9 ► Start
1_±_ DataPxt Window Layout Samplng J
электронным самописцем (11) Power Lab (ADIn-struments), работающим под управлением п.к. (см. рис. 1). Выбор каналов, пределов измерений, управление записью-воспроизведением, анализ и представление данных осуществляются с использованием программного обеспечения электронного самописца Chart (ADInstruments).
В качестве зондирующих сигналов предложено [7, 8] использовать линейно-частотно-модулированный (л.ч.м.) сигнал с частотами от 80 до 1000 Гц, перестраиваемыми за время 20 с в прямом и обратном направлениях, трехчастотный фазоманипулированный (ф.м.) сигнал на основе последовательно генерируемых трех 511-сим-вольных ^-кодированных последовательностей с несущими частотами (200, 300, 750 Гц). Общая продолжительность сигнала 2.5 с. Дополнительно разработаны четырехчастотный ф.м.-сигнал с расширенной частотной полосой (кодовая m-по-следовательность 511 символов, средние частоты 100, 200, 300, 700 Гц), обеспечивающий повышение разрешения при обработке сверткой [8], и последовательность укороченных ф.м.-сигналов (400 13-символьных последовательностей Баркера, цен-
тральная частота 500 Гц) общей длительностью 15 с, предназначенных для множественного зондирования легких в течение одного дыхательного маневра с целью оценки наполнения воздухом легких.
Кроме того, источниками естественных сигналов могут являться шумы вдоха и выдоха, в том числе форсированного, а также звуки голоса.
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ
В ходе проводимых исследований на разработанной установке регистрировались отклики на сложные сигналы, подаваемые в полость рта, а также шумы вдоха и форсированного в
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.