1、听诊器设计报告第一章 绪论医护人员在临床工作中经常要借助于听诊器通过体外获取人体内脏器官活动的声音，这样可以初步判断出病因，沿用了多年的听诊器听诊心音，虽然方法简单，但往往难以捕捉到人体内部脏器发出的一些微弱但却非常重要的生物声，致使医生无法及时做出诊断，且诊断的依据主要根据医师的经验，准确性较差，而且传统听诊器存在穿戴不适、音质易受干扰等弊端。从另一角度讲，人耳对声音的敏感是声强与频率的综合效应，因而一些病理特征难以捕捉。这就需要设计出一种新颖的电子听诊器对听诊音进行定量、准确的分析。电子听诊器除了能清晰的监听病人的胸、腹声音之外，还可以用在搜索机械噪声源等方面，其输出信号还可以用录音设备记
2、录下来，供分析病情或机械故障类型使用。1.1 心音的产生机制心音是能反映心脏正常或者病理的音响，是由心脏搏动过程中各瓣膜的开闭以及心肌和血液运动所产生的震动形成的。它包含有关于心脏各个部分如心房、心室、大血管、心血管以及各个瓣膜功能状态的大量信息，是临床评估心脏功能状态的最基本方法，也是心脏以及大血管机械运动的状况的反映。心音的发生机理：心脏的瓣膜和大血管在血液冲击下形成的振动，以及心脏内血流的加速和减速形成的湍流与涡流以及其对心脏瓣膜、心房、室壁的作用所产生的振动，再加上心肌在周期性的心血活动作用下其刚性的迅速增加和减少形成了的振动、经过心胸传道系统到达体表形成了体表心音。心音中畅游的噪音：
3、心内噪音，呼吸噪音，体表噪音以及心胸系统传播过程中产生的噪音。1.2 电子听诊器的发展趋势目前国内与国外电子听诊器产品在价格、功能上的差异较大，国内产品较国外而言还存在较大差距，自行开发和研制功能强大，性能优良，价格低廉的新型电子听诊器意义重大。主体电路都差不多，无非是更加完善，而滤波电路和信号输出等尤为重要，这是体现一个电子听诊器好坏的标准。电子听诊器具有如下特色：均选用常规元器件，通过元器件合理选型与电路的精心设计、调试，达到既稳定可靠、有较高显示精度，又具有较低的成本、操作简易的特点；既能检测普通的心音和呼吸音，又能捕捉特殊的心音和肺音、肠鸣音；检测结果既可以通过耳机监听，还可以录音重放
4、及数字显示。1.3 电子听诊器的组成电子听诊器大致包含监听和心率显示两个部分，具体有：拾音头MIC、前置级电路、滤波器、功率放大器、比较器和计数显示电路。设备应具有良好的分析波形能力，能够将设置好的频率段以外的声音频率滤除，故可以清晰的得到放大以后的心音信号，这样有助于医务人员提高初诊的准确度，也为进一步诊断做好了基础。 第二章 电子听诊器的技术指标2.1 电子听诊器的研究过程主要有以下四个方面： 1.研究一种高灵敏度、高精度、高稳定性、频响宽、响应平直、动态范围大的心音专用探头；2.研究一种高增益、宽频响、低失真、抗干扰的心音、呼吸音专用前端调理电路；3.选择合适的微控制器和液晶屏，并进行数
5、据采集、数据处理和波形实时显示的软件编程；4.最终研制成功一种准确性高、波形实时显示、能准确听诊心音、简单易用、成本低、体积小的电子听诊器。2.2 系统技术指标和设计要求2.2.1 心音信号技术指标：心音幅值：30-60mV；心音频率：主要集中在600Hz以下；心率：75次/分钟。2.2.2 电子听诊器技术指标：工作环境：温度：+5+40；相对湿度：80%；大气压强： 76020kPa；电源：+9V 电源；输入方式：心音探头一个；输出方式：音响输出、液晶屏显示；滤波频响：心音500Hz ；放大器增益：220。2.2.3 系统设计要求1.易操作因为电子听诊器是给医生用的，替代传统的听诊器，所以必
6、须操作简单，装置的输入输出端口、按钮、开关和指示灯布局合理，符合医生的日常使用习惯。2.低功耗可以用电池供电，所以必须要考虑功耗，硬件应使用低功耗的器件。3.低成本若成本过高，则会影响它的推广，低成本也可使其获得更大的竞争力。4.可靠性设计的电子听诊器必须精准可靠。第3章 电子听诊器的工作原理3.1 电子听诊器的结构框架电子听诊器由两大部分组成：监听部分和心率显示部分。具体由拾音头MIC、前置级电路、滤波器、功率放大器、比较器和计数显示电路构成。电子听诊器由于其中传声器所接收到的频率信号是很微弱且是宽带的，我们需要把它放大并要求滤除对听诊无用的杂波。因此我们需要做高精度的放大、滤波电路。如果被
7、监测的是心音信号，则它首先将送入前置级电路中，进一步放大后，经过滤波器，滤除放大器本身及外界传入的高频噪声以及心音信号中没有诊断价值的高频成分。而其中滤波器输出的信号，一方面要求经比较器作用后，转换成可驱动计数电路工作的脉冲信号，通过计数显示电路显示心率值；另一方面，要求滤波器输出的信号经功率放大后供多人监听。信号采集单元利用拾音头MIC将声音信号转变为可供后级单元处理的电压信号。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。滤波器的输出信号即可输入计算机进行频谱分析。由于患者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率与特定的谱线相对应，因此，将频谱分析的结果
8、实时地显示出来，通过对这些谱线的分析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结果也可以保存在计算机里，这既可作为诊断的依据，也可用来判断治疗的效果。电子听诊器的结构框架图3.2 信号采集3.2.1 电子听诊器探头采集系统首先要解决的是如何将心音信号转化成电信号，以便于系统对其进行数字处理，因而设计一款性能良好、造价低廉的听诊头十分重要3.2.2 声音传感器的选择心音由心脏传至胸腔，要经过许多中间介质（例如心肌、肺壁等） ，由于这些中间介质的密度、弹性和频率等不同，所以反射大小不一，传播速度快慢也不一，因此心音的传递要比空气中传递要复杂很多。把心音转换成电信号的装置就是心音传感
9、器，一般用听诊器检测心音。由于心音的频率较低，处于20600Hz，在人类人耳能听见的声音范围的低频率，因此我们选择话筒作为声音传感器。声音传感器主要分为三种：驻极体式、动圈式和电容式。由于驻极体式灵敏度高、价格低等优点，我们选择其作为传感器。3.3 信号采集信号采集级选用普通的振膜式拾音头,用一端橡皮管与驻极体话筒连接。将驻极体话筒放置在橡皮管内，由拾音头捡拾到的心音信号通过橡皮管传给驻极体话筒，起到捡拾心音信号的作用。3.4 电压放大器从心音传声器输出的是非常微弱的交流小信号，根据我们使用的驻极体电容式传声器的敏感度，心音信号的幅值为：3060mV，这种大小的信号不能满足滤波模块的要求，必须
10、要经过信号的放大。它应是一种高放大倍数、高输入阻抗、低输出阻抗的多级放大电路，具有两个输入端和一个输出端，可对直流信号、交流信号进行放大处理。3.5 低通滤波器由于驻极体电容式传声器检测出的心音信号含有很多噪声，比如检测环境的噪声、体表摩擦的噪声、人体内部其他内脏运动的噪声等，这些噪声的存在会影响听诊器的准确性，甚至会导致医生的误诊。为了得到比较纯正的心音信号，必须设法去消除这些噪声，提高心音的信噪比。根据心音和呼吸音的有效频带，可以设计出低通滤波器，减少噪声干扰。由于心音频率较低，因此在信号放大的同时可将频率高于600Hz的信号全部滤除，提高系统的抗干扰能力。3.6 信号输出级通过上面介绍的
11、几个环节的处理，已经得到一个可进行数字处理的声音检测信号。在信号处理级，该信号可被送入数字信号处理芯片的A/D 转换口，将其转变为数字信号，在芯片内部，通过对采集到的信号进行快速傅里叶变换即可得到被检测信号的频谱。该频谱可用示波器显示出来。由于患者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，对获得的频率信号的观察将使诊断更为准确。获得的频谱信号也可以保存在计算机的存储空间，在对患者的医治过程中，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。第4章 电子听诊器的具体设计电路要求4.1 心音传感器及其放大电路 由于心音频率为2
12、0600 Hz，肺音频率为1001500 Hz，肠鸣音频率为201500 Hz内，均在人耳所能听到的声音范围的中低频率段，因此选用话筒作为声音传感器（见3.2） 。在信号传输的过程中采用双芯屏蔽线，在传输的末端利用差分放大电路的共模抑制特性将信号传输过程中的各种温度、电磁波、电源等造成的外界噪声干扰信号抑制和抵消掉。4.2 心音滤波器由于心音频率较低，因此在信号放大的同时可将频率高于600Hz的信号全部滤除，提高系统的抗干扰能力（见3.5） 。4.3 比较器信号在放大之后要送入数字电路进行计数，要求比较器非常精确且特别稳定。病人的一次心跳。计数器要计数几十至几百次，且心跳的声音频率在几百赫兹左右。施密特触发器可提供计数器的计数脉冲。只要滞回比较器的两个阈值电压的回差电压大于干扰的电压变化幅度，比较器输出端的极性、电压就不会改变，这样就可有效抑制干扰信号。4.4 计数、译码、显示电路计数器的功能是将比较器比较得出的方波脉冲信号进行计数，人的心跳一般从几十到一百多，显示范围应在000999。因此可采用8421BCD码三位输出的二/十进制同步加计数器组成计数显示电路。
