Аналогово-цифровой преобразователь
Краткое описание структуры.
Введение раскрывает актуальность, определяет степень научной разработки темы, объект, предмет, цель, задачи и методы исследования, раскрывает теоретическую и практическую значимость работы.
В первой главе рассказывается о фонокардиографии. Во второй главе описывается прибор, его структурная схема. В третей главе говорится о фонокардиограмме. Четвёртая глава посвящена обработке фонокардиограммы, производится анализ существующих фонокардиографов. Пятая глава – проекту прибора-фонокардиограф, его структурной схеме, техническим характеристикам. В шестой главе описывается беспроводное устройство снятия биоакустических сигналов сердечно-сосудистой системы.
Заключение раскрывает результат работы.
Фонокардиография
Инструментальные методы оценки параметров жизнедеятельности организмов человека и животных прочно входят в повседневную практику специалистов, связанных с исследованиями биологических объектов[2]. Однако невозможно без соответствующего методического обеспечения, включающего технические средства, приемы обслуживания и работы с ними, перечень основных навыков по регистрации, обработке и интерпретации результатов обследований, эффективное использование потенциальных возможностей этих методов. При этом выбор конкретных методов, методик выполнения измерений зависит от области применения, а также, от решаемой задачи, в качестве которой может быть изучение физиологических процессов, диагностика, профилактика и лечение отдельных заболеваний, контроль и управление функциями организма, дозирование и нормировка терапевтических воздействий и т.д. В настоящее время получили развитие методы исследования центральной нервной системы и системы анализаторов, сердечно-сосудистой системы, дыхательного аппарата и желудочно-кишечного тракта. Значительно расширилась сфера применения медицинской техники.
Для биологических и медицинских методов исследования характерно разнообразие физических принципов, на которых основаны эти методы. Сегодня врачами используется аппаратурные методы регистрации частоты пульса, шумов сердца и легких, биопотенциалов и других физических характеристик биологических объектов.
Развитие физиологического приборостроения и внедрение достижений науки в медицинскую практику позволили открыть совершенно новые возможности для исследования биообъектов. В то же время совершенствуются методы, уже хорошо зарекомендовавшие себя на практике, в основном за счет совершенствования электронной схемотехники, алгоритмов обработки сигналов и методических приемов использования результатов. Хорошо известно, что при исследовании биообъектов ни один из имеющихся методов изолированно, вне связи с другими, не может дать исчерпывающих результатов при изучении многосторонних процессов и явлений, присущих организму.
Звуковые явления в работающем сердце привлекали врачей еще глубокой древности. Аускультативный метод исследования сердца стал достоянием широкого круга врачей только со времени Лаениека (1819), предложившего стетоскоп первый прибор для инструментального исследования сердца. С того времени, за последние 150 лет, аускультация стала одним из важнейших физикальных методов исследования, а сам стетоскоп — даже символом врачебного мастерства (Золотой стетоскоп А. Л. Мясникова).
Однако даже тонкий слух врача не всегда может дать достаточно полное представление о звуковых явлениях в сердце, так как на их характеристику может влиять множество факторов: толщина жирового слоя грудной клетки, спектральный состав звуков сердца, временная характеристика «расположения» шумов в сердечном цикле и, наконец, субъективная оценка звуковых характеристик сердца, что нередко вызывает разногласия и споры даже среди опытных специалистов. Все это снижает ценность аускультативного метода исследования сердца.
Клиническая практика требовала объективных и точных методом получения информации о звуковых явлениях работающего сердца. Одним из такой методов и явилась фонокардиография.
Практическое применение этого метода дает врачу ценную диагностическую информацию, особенно при решении вопроса о характере врожденного или приобретенного порока сердца, позволяет в динамике проследить за послеоперационным течением операций на сердце, объективизировать отдаленные наблюдения. Не следует, однако, понимать, что фонокардиографический метод полностью заменяет аускультацию. Он является лишь ценным дополнением аускультативного исследования, позволяет уточнить характер выслушиваемых звуков сердца, а также дополнительные звуки и шумы, которые ухом могут не восприниматься.
Для выявления нарушений в работе сердца используется фонокардиография.
Фонокардиография – метод графической регистрации звуковых процессов, возникающих при работе сердца.
Звуки сердца характеризуются частотой и силой звука.
Звуки делятся на тоны и шумы. Тоны – звуки одной частоты, называющиеся чистыми тонами или состоящие из нескольких частот, называющиеся сложными тонами. Шумы образованы колебаниями разной частоты. В норме шумы у здорового человека обычно не выслушиваются, однако в некоторых случаях из-за особенностей организма могут выслушиваться функциональные шумы.Частотный спектр звуков сердца представляет собой диапазон частот от 16—20 до 800—1000 Гц. В этом диапазоне частот распределена крайне неравномерно и уменьшается с увеличением частоты энергия звуков сердца.На шумы сердца, наиболее важную в диагностическом отношении часть сердечных звуков, приходится пять процентов звуковой энергии, а остальные девяносто пять – на сердечные тоны. Из этого следует, что основная задача фонокардиографии – усиление энергетически слабых, однако диагностически важных высокочастотных шумов сердца.
1.1 Физические основы фонокардиографии
Введем некоторые понятия из области акустики. Звуки образуются колебательным движением материальных частиц среды: параметрами этого движения являются смещение (расстояние от точки равновесия), колебательная скорость и ускорение. Создаваемые звуковыми колебаниями сгущения и разрежения среды ведут к изменению давления в ней. При этом прирост и убыль давления образуют звуковое давление[1].
Частота звука определяется количеством колебаний в единицу времени и измеряется в герцах (Гц) или периодах в секунду. Низким звукам соответствует меньшее, высоким - большее количество колебаний в секунду.
Интенсивность (сила) звука определяется количеством энергии, проходящей за единицу времени через единицу площади, перпендикулярную направлению распространения звука.
В зависимости от частотного состава звуки делятся на тоны (чистые и сложные) и шумы. Чистые тоны представлены колебаниями одной какой-либо частоты, встречаются они редко. Сложные тоны создаются смещением ограниченного числа простых тонов с кратным отношением частот.
Шумами называют звуки, образованные колебаниями, частоты которых не связаны между собой какими-либо правильными отношениями.
Звуковые волны характеризуют колебания стенок сердца, сосудов, движение крови и ее удары о препятствия. Главными характеристиками звука считают его силу и частоту. Сила измеряется в децибелах и пропорциональна амплитуде звуковой волны. Чем громче звук слышит врач, тем больше его сила и большая амплитуда будет на записи фонокардиограммы.
Частота звуковой волны – это число колебаний звука в единицу времени. Ухо человека слышит звуки в диапазоне 20-20000 Гц, а все, что лежит за этими пределами, может определить только специальная техника. В действительности, нет необходимости поиска звуков, лежащих за границами нашего восприятия, так как сердце издает тоны в диапазоне 150-200Гц, а шумы не превышают по частоте 1000 Гц, поэтому и те, и другие врач прекрасно слышит сам. Однако, при патологии могут возникать низкочастотные колебания, которые если и слышны, то сложно анализируемы ухом, а третий и четвертый сердечные тоны могут остаться незамеченными в массе других звуковых волн, поэтому детальная характеристика и поиск таких низкочастотных волн при заболеваниях сердца приобретает особый смысл.
1.1
1.2 Преимущества и недостатки фонокардиографии
Как любой диагностический метод, фонокардиография имеет преимущества и недостатки.
Преимуществами считают:
1. Объективность получаемых данных о характере звуков и их графическое отображение;
2. Возможность определения физических параметров звука – силы, частоты, интервала между тонами или шумами;
3. Возможность объективно сравнить звуки, возникающие в определенным интервалом, что проблематично сделать с помощью фонендоскопа;
4. Определение связи с электрической активностью сердца при одновременном применении с электрокардиограммой.
Наряду с преимуществами, метод фонокардиографии не лишён и недостатков. Конечно, аппарат может «услышать» низкочастотные колебания, недоступные врачу, но все же ухо более чувствительно, поэтому некоторые слабые звуки в диапазоне слышимости могут быть выявлены врачом, но не отображены на фонокардиограмме.
Помимо низкочастотных третьего, четвертого и пятого тонов, все остальные звуки должны быть слышны и в фонендоскоп, и отражены на фонокардиограмме. Если аппарат указывает на наличие звуковых колебаний, которые не слышны при аускультации, то врач основывает выводы все же на данных выслушивания ухом (исключение составляет низкочастотная запись). Таким образом, без аускультации анализ фонокардиограммы не имеет смысла.
Кроме того, аппарат не может определить и тембр звука, это делает человек. Тембр – характеристика субъективная, но значительно помогает в диагностике некоторых клапанных пороков сердца.
Для наложения микрофона в точки, где звуки будут слышны максимально, используют предварительную аускультацию. Многие заболевания сердца сопровождаются изменением его конфигурации и размеров, расширением и смещением границ и, соответственно, мест наилучшей слышимости звуковых волн, а неправильное положение микрофона приведет к уменьшению силы звука.
Правильная регистрация и интерпретация данных фонокардиограммы невозможна без предшествующей аускультации, а звуки оцениваются исходя из субъективных характеристик, определяемых врачом, и объективных физических данных, записанных аппаратом. В последнее время фонокардиография стала применяться и в пренатальной диагностике гипоксии плода, врожденных нарушений ритма сердца.
1.3 Показания к фонокардиографии
На фонокардиографию направляет врач кардиолог или терапевт, а при ревматических пороках – ревматолог. Процедуру можно пройти в любой поликлинике или медицинском центре при условии наличия там аппарата. Подготовки не требуется и, что немаловажно, противопоказаний к исследованию нет. Для получения наиболее достоверных сведений фонокардиографию проводят утром после достаточного сна. Нет необходимости лишать себя завтрака, но кофе и крепкий чай лучше исключить, дабы не провоцировать тахикардию или другие типы нарушений ритма.
При записи фонокардиографии пациент лежит на кушетке, врач может попросить его задержать дыхание, сделать глубокий вдох. Микрофон во время исследования помещается в разные области грудной клетки в соответствии с аускультативной картиной. Запись может осуществляться с помощью дополнительных проб – введение лекарств, изменяющих сердечную деятельность или расширяющих сосуды.
Длительность процедуры без дополнительной лекарственной нагрузки обычно не превышает десяти минут, а введение препаратов увеличивает ее до получаса. В большинстве случаев, фонокардиография проводится одновременно с регистрацией электрокардиограммы (второе отведение), что позволяет соотнести звуки с электрической активностью сердца.
Фонокардиограф
Спектр звуков сердца расположен в диапазоне от 10 до 1000 Гц. Наибольшая часть звуковой энергии тонов сердца приходится на диапазон от 100 до 200 Гц, шумы сердца часто дают более высокочастотные колебания. Прослушивание фоноэндоскопом имеет ряд недостатков по сравнению с фонокардиографией. Прежде всего, оценка тонов с помощью фоноэндоскопа весьма субъективна и во многом зависит от слуха врача. Речь идет о том, что человеческое ухо способно воспринимать колебания от 20 до 20000 Гц, однако низкочастотные звуки от 20 до 50 Гц воспринимаются с трудом, порог слуха меняется с возрастом и пожилой врач прослушивает тоны лишь большой интенсивности, меняется и частотная характеристика уха. Другой недостаток состоит в том, что часть тонов сердца, важных с точки зрения диагностики, не прослушиваются даже самым безупречным ухом, поскольку они входят в диапазон инфразвуков (ниже 20 Гц). Иногда их удается услышать (они называются шорохами). А количественно определить тоны сердца на слух вообще невозможно.
Таблица 1Диапазоны частот основных аускультативных признаков сердечной деятельности
| Наименование признака | Общий диапазон частот,Гц | Характерный диапазон частот,Гц |
| Нормальный I тон | 20-1400 | 90-180 |
| Глухой I тон | 20-710 | 45-90 |
| Хлопающий I тон | 20-2800 | 180-355 |
| Нормальный II тон | 20 — 1400 | 90-180 |
| Металлический II тон | 45 — 1400 | 180-355 |
| III тон (добавочный) | 20-1400 | 20-90 |
| То же при ритме галопа | 20-1400 | 20-90 |
| Щелчок открытия митрального клапана | 20-5600 | 180-355 |
| Диастолический шум митрального стеноза | 45-1400 | 90-180 |
| Диастолический шум аортальной недостаточности | 45-2800 | 355-710 |
| Систолический шум дующий | 45-2800 | 180-710 |
| Шум трения перикарда | 90-2800 | 355-710 |
Поэтому для более надежной диагностики тонов сердца и шумов их следует регистрировать после преобразования и усиления. Преимущество заключается и в том, что запись является документом и может подвергаться оценке в любое время. При оценке фонокардиограммы следует учитывать, что прослушивание дает иной результат, чем фонограмма сердца, сделанная линейным микрофоном и усилителем. Причина в том, что и человеческое ухо, и грудная клетка являются по существу фильтрами. Если предположить, что сердце создает спектр тонов наподобие белого шума (иначе говоря, амплитуды компонентов с различной частотой одинаковы), то можно ожидать, что и на внешней поверхности грудной клетки получим такой же спектр частот. На самом же деле это не так. Стенки грудной клетки, как и ткани, окружающие сердце, действуют, как фильтр низких частот. Следовательно, амплитуды токов на поверхности грудной клетки резко уменьшаются по мере увеличения их частоты.
При прослушивании такого искажения не бывает, потому что частотная характеристика человеческого уха тоже неравномерна. Известно, что для человеческого уха до 2...3 кГц чувствительность растет с увеличением частоты. В диапазоне частот тонов сердца эта зависимость имеет противоположный характер по сравнению с частотной характеристикой грудной клетки. Таким образом, при прослушивании частотная характеристика уха приводит к компенсации искажения, которое обусловлено частотными характеристиками грудной клетки. В результате этого врач слышит тоны сердца без искажений.
Фонокардиограф выгодно отличается от человеческого уха тем, что в нем предусмотрено несколько каналов записи звуков, позволяющих путем введения электрических фильтров выделять звуки только необходимой частоты. Таким образом, создается возможность проводить избирательную запись звуков с нужной частотной характеристикой.
Фонокардиограф – прибор, регистрирующий акустические процессы в сердце. Фонокардиограф осцилографически регистрирует возникающие при работе сердца,звуковые колебания.
Регистрация колебаний электрических потенциалов в тканях животных и человека с помощью осциллографа— осциллография.Для изучения деятельности сердца, мышц, мозга, регистрации колебаний стенок артерий и другогоприменяется осциллография.
Для регистрации фонокардиограммы микрофон прикладывают в шести точках, показанных на рисунке 1.
Рисунок 1 Схема расположения установки микрофона при записи фонокардиограммы
Как видно из структурной схемы (рисунок 2), фонокардиограф состоит из микрофона, преобразующего звуковую энергию в электрические сигналы, усилителя, фильтра частот и регистрирующего устройства.
Рисунок 2 Структурная схема фонокардиографа
Спектр звуков сердца расположен в диапазоне от 10 до 1000 Гц. Наибольшая часть звуковой энергии тонов сердца приходится на диапазон от 100 до 200 Гц, шумы сердца часто дают более высокочастотные колебания. Прослушивание фоноэндоскопом имеет ряд недостатков по сравнению с фонокардиографией. Прежде всего, оценка тонов с помощью фоноэндоскопа весьма субъективна и во многом зависит от слуха врача. Речь идет о том, что человеческое ухо способно воспринимать колебания от 20 до 20000 Гц, однако низкочастотные звуки от 20 до 50 Гц воспринимаются с трудом, порог слуха меняется с возрастом и пожилой врач прослушивает тоны лишь большой интенсивности, меняется и частотная характеристика уха. Другой недостаток состоит в том, что часть тонов сердца, важных с точки зрения диагностики, не прослушиваются даже самым безупречным ухом, поскольку они входят в диапазон инфразвуков (ниже 20 Гц). Иногда их удается услышать (они называются шорохами). А количественно определить тоны сердца на слух вообще невозможно.
Поэтому для более надежной диагностики тонов сердца и шумов их следует регистрировать после преобразования и усиления. Преимущество заключается и в том, что запись является документом и может подвергаться оценке в любое время. При оценке фонокардиограммы следует учитывать, что прослушивание дает иной результат, чем фонограмма сердца, сделанная линейным микрофоном и усилителем. Причина в том, что и человеческое ухо, и грудная клетка являются по существу фильтрами. Если предположить, что сердце создает спектр тонов наподобие белого шума (иначе говоря, амплитуды компонентов с различной частотой одинаковы), то можно ожидать, что и на внешней поверхности грудной клетки получим такой же спектр частот. На самом же деле это не так. Стенки грудной клетки, как и ткани, окружающие сердце, действуют, как фильтр низких частот. Следовательно, амплитуды токов на поверхности грудной клетки резко уменьшаются по мере увеличения их частоты.
При прослушивании такого искажения не бывает, потому что частотная характеристика человеческого уха тоже неравномерна. Известно, что для человеческого уха до 2...3 кГц чувствительность растет с увеличением частоты. В диапазоне частот тонов сердца эта зависимость имеет противоположный характер по сравнению с частотной характеристикой грудной клетки. Таким образом, при прослушивании частотная характеристика уха приводит к компенсации искажения, которое обусловлено частотными характеристиками грудной клетки. В результате этого врач слышит тоны сердца без искажений.
Фонокардиограф выгодно отличается от человеческого уха тем, что в нем предусмотрено несколько каналов записи звуков, позволяющих путем введения электрических фильтров выделять звуки только необходимой частоты. Таким образом, создается возможность проводить избирательную запись звуков с нужной частотной характеристикой.
Микрофон
Звуковая энергия преобразует в микрофоне в электрические сигналы. Он должен обладать максимальной чувствительностью, но не вносить искажений в передаваемые сигналы и быть маловосприимчивым к внешним шумам. Фонокардиографы разделяются на пьезоэлектрические и динамические по способу преобразования звуковой энергии в электрические сигналы в микрофонах[3].
Пьезоэлектрическом эффекте — возникновение разности потенциалов при механической деформации некоторых кристаллов (кварца, сегнетовой соли и др.) – основа принципа действия пьезоэлектрического микрофона. Чтобы под действием звуковых колебаний кристалл не подвергался деформации, он устанавливается и закрепляется в корпусе микрофона особым образом.
Сейчас чаще используются динамические микрофоны. Явление электромагнитной индукции: при движении проводника в поле постоянного магнита в нем возникает электродвижущая сила, пропорциональная скорости движения – принцип действия динамических микрофонов.
Кольцо из эластической резины наклеено на крышке микрофона, благодаря чему микрофон плотно накладывается на поверхность грудной клетки. Звук воздействует на мембрану, сделанную из тончайшей прочной пленки через отверстия в крышке динамического микрофона. В кольцевом зазоре магнитной системы микрофона перемещается соединённая с мембраной катушка, вследствие чего появляется электродвижущая сила.
По способу передачи колебаний поверхности грудной клетки чувствительному элементу микрофона различают микрофоны воздушной проводимости и вибродатчики (микрофоны непосредственного контакта). Отдельную группу составляют конденсаторные микрофоны, у которых роль одной из пластин выполняет поверхность грудной клетки.
Микрофоны воздушной проводимости регистрируют звуки с относительно большой поверхности, по этой причине незначительное изменение положения микрофона существенно не влияет на его чувствительность.
Совершенно иная картина складывается у микрофонов непосредственного контакта. С одной стороны, их можно устанавливать только частью опорной поверхности (ее площадь невелика), с перекосами, что облегчает их фиксацию. С другой стороны, даже незначительные изменения положения микрофона на поверхности грудной клетки или степени его прижима становятся причиной существенных изменений в регистрации показаний. В случае, если микрофон устанавливается над грудиной, ребрами, в таком случае амплитуда записываемых звуков значительно увеличивается. Существенная зависимость характера записи от условий фиксации микрофона затрудняет сравнение результатов исследования.
Тип микрофона определяется способ его фиксации. Фиксация с помощью резинового ремня лучше всего подходит для микрофонов воздушной проводимости. Фиксация микрофона непосредственного контакта сложна, поскольку резиновый ремень не может обеспечить его надёжную фиксацию. В некоторых случаях микрофон можно просто положить на грудь пациента, он будет удерживаться под собственным весом, но такой способ не приемлем, если пациент лежит на боку или стоит. В некоторых случаях микрофон непосредственного контакта приходится удерживать рукой, что усложняет работу медика, требуя наличия помощника. В таком случае весьма сложно избежать артефактов, вызванных дрожанием руки, удерживающей микрофон.
Некоторые микрофоны крепятся при помощи присосок, но в подобных случаях не известно влияние со стороны кожных покровов, происходящие при данном виде фиксации, на характер записи изменения.
Фиксация микрофона при помощи резинового ремня – наиболее удобна, поэтому ей отдают предпочтение при использовании микрофона воздушной проводимости.
Фильтры
Поскольку генерируемые сердцем в процессе работы низкочастотные колебания, обладают значительно большей энергией, чем высоко частотные колебания, при равномерном усилении всего спектра частот низко частотные колебания будут зарегистрированы в виде большой амплитуды, в то время, как будут едва различимы высокочастотные колебания, а большинство шумов вообще не будут зарегистрированы.
Вфонокардиографедля устранения этой проблемы применяются электрические фильтры.
Рисунок 3 Активный фильтр низкой частоты первого порядка
Высокочастотные фильтры пропускают только высокочастотные колебания, низкочастотные фильтры – низкочастотные колебания. Комбинация низкочастотных и высокочастотных фильтров создает полосный фильтр, выделяющий определенную полосу спектра частот, обрезая, как низкие и высокие частоты. Возможность регистрировать сигналы малой амплитудыдаёт применение полосовых фильтров.
Рисунок 4 Активный фильтр низкой частоты второго порядка
Высокочастотные фильтры Мааса-Вебера (используется в австрийских и немецких фонокардиографах) и Маннхеймера (в шведском аппарате "минограф") даюточень ценную информацию.
Усилитель
На усилитель, в задачу которого входит не просто усилить все звуки в равной степени, а в большей мере усилить слабые высокочастотные колебания, соответствующие сердечным шумам, и в меньшей мере — низкочастотные, соответствующие сердечным тонам, подается электрический сигнал.
Поэтому весь спектр разбивается на диапазоны низких, средних и высоких частот. Необходимое усиление обеспечивается в каждом таком диапазоне. При анализе фонокардиограмм, полученных в каждом диапазоне частот, получают полную картину звуков сердца.
Следующие частотные характеристики используются в отечественных приборах при записи фонокардиограммы: А — аускультативная (номинальная частота 140±25 Гц), Н — низкочастотная (35±10 Гц), С1 — среднечастотная-1 (70±15 Гц), С2 — среднечастотная-2 (140±25 Гц), В — высокочастотная (250±50 Гц).
Микропроцессор
Микропроцессор — устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде, реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных. Служит для обработки фонокардиограммы и управления фонокардиографом. В фонокардиографе устанавливают цифровой сигнальный микропроцессор также в его состав может быть включен аналогово-цифровой преобразователь. Цифровой сигнальный процессор — специализированный микропроцессор, предназначенный для обработки оцифрованных сигналов (обычно, в режиме реального времени). Наиболее распространённые фирмы производители цифровых сигнальных микропроцессоров – Motorola, Analog Devices, Texas Instruments. Это позволяет подключать фонокардиограф к персональному компьютеру без устройства сопряжения.
Блок индикации и управления
Блок индикации и управление включает в себя жидкокристаллический дисплей и кнопки управления фонокардиографом. На дисплее выводиться информация об ошибках, уровне заряда аккумулятора, если он есть и результаты исследования.
Фонокардиограмма
Запись регистрируемой фонокардиографом информации осуществляется в фонокардиограмму.
Фонокардиограмма – запись вибраций и звуковых сигналов, издаваемых при деятельности сердца и кровеносных сосудов.
Рисунок 9 Фонокардиограмма
На фонокардиограммеу взрослого здорового человека регистрируется два тона. У детей иногдарегистрируются дополнительные два тона. Также иногда регистрируется пятый тон, возникающий из-за эластической реакции желудочков в момент их быстрого наполнения кровью. Пятый тон непостоянен при графической записи и представлен одной или полутора осцилляциями низкой амплитуды, продолжительностью в 0,05-0,06 сек. Начало его — через 0,2—0,3 сек после второго тона.
Первый тон сердца – систолическим тон. В первом тоне есть три части: начальная, центральная и конечная.
Второй тон сердца – диастолический тон. Во втором тоне различают те же части, что и в первом тоне.
Практически всегда одновременно с фонокардиограммой регистрируется и электрокардиограмма, позволяющая чётко определить систолический и диастолический интервалы.В России для записи фонокардиограммы используются различные аппараты: трёхканальный электрокардиограф (072) с фонокардиографическим блоком, двухканальный фоноэлектрокардиограф ФЭКП-2, аппарат «Мингограф» (фирмы Сименс, ФРГ), а также шестиканальный аппарат «Физиограф» и некоторые другие.
Обработка фонокардиограммы
Фонокардиограмма – квазипериодический сигнал. Современные микропроцессоры позволяют обрабатывать фонокардиограмму. Для более точного выделения фаз сердечного цикла на фонокардиограмме используется электрокардиограмма, однако современные микропроцессоры позволяют обрабатывать фонокардиограмму без электрокардиограммы.
Возможности обработки фонокардиограммы:
-определение частоты сердечных сокращений;
-выявленные нарушений в фонокардиограмме и их отдельная запись;
-возможность отдельной записи фонокардиограммы с шумами или(и) тонами.
Частота сердечных сокращений определяется как величина обратная временному расстоянию между двумя рядом стоящими первыми тонами (формула 4.1).
Где
Выявление нарушений осуществляется экспертной системой в том числе в экспертных системах, использующих нейронные сети, путём сравнения фонокардиограммы с эталонной.
Запись отдельных тонов или(и) шумов осуществляется путём цифровой фильтрации микропроцессором.
Проект фонокардиограф
В результате использования беспроводного устройства снятия биоакустических сигналов сердечно-сосудистой системы структурная схема принимает вид, показанный ниже на рисунке 12.
Рисунок 12 Структурная схема фонокардиографа
В составе микропроцессора не включается аналогово-цифровой преобразователь звукового аналогового сигнала в цифровой, потому что используется цифровой микрофон.
Реализация фонокардиографа по такой структурной схеме даёт мне ряд преимуществ. Сопряжение с компьютером осуществляется без блока сопряжения посредством wifi,Bluetooh.
| Микрофон | |
| Диапазон частот | 10-20000 Гц |
| Чуствительность | |
| Выходной импенданс | 1 кОм при 1 кГц |
| Потребление | 0,1 мА |
| Питание | 1,1-10 В |
| Нелинейность | ±3 дБ |
| Усилитель | |
| Количество независимыхх каналов | |
| Входное сопротивление | 1 ТОм |
| Частота пропускания | 3 МГц |
| Напряжение смещения | 3 мВ |
| Коэффициент гармонических искажений | 0,01% |
| Коэффициент ослабления синфазных помех | 86 дБ |
| АЦП | |
| Разрядность | 16 бит |
| Частота дискретизации | 48кГц |
| Абсолютная погрешность | ±2 МЗР |
| Интегральную нелинейность | ±0,5 МЗР |
| Быстродействие | до 15 тыс. выборок/с |
Данный фонокардиограф позволяет ставить два или более микрофона в различных точках грудной клетки и оценивать взаимные отклонения фонокардиограмм по времени и амплитуде.
Рисунок 13 Структурно-функциональная схема связи фонокардиографа и компьютера
Фонокардиограф передаёт данные на сервер, обрабатывающий их, а пользователь-кардиолог на персональной электровычислительной машине видит результат обработки фонокардиограммы экспертной системой.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе выполнения выпускной квалификационной работы мною был разработан фонокардиограф.
Цель моей работы – улучшение технических характеристик фонокардиографа.
Задачами моей работы:
1. Изучить научно-техническую литературу по теме;
2. Рассмотреть основные понятия, касающиеся проблемы исследования: фонокардиограмма, фонокардиография, фонокардиограф;
3. Использование современных средств снятия биоакустических сигналов сердца с возможностью подключения более одного устройства.
Рисунок 21 Структурная схема беспроводного устройства снятия биоакустических сигналов сердечно-сосудистой системы
Рисунок 22 Блок-схема данных
В ходе работы я разработал структурную схему беспроводного устройства снятия биоакустических сигналов сердечно-сосудистой системы и блок-схему обработки данных данным устройством.
Рисунок 23 Структурная схема фонокардиографа
В результате применения данного устройства структурная схема фонокардиографа приняла вид, показанный на рисунке 23.
Рисунок 24 Структурно-функциональная схема связи фонокардиографа и компьютера
В результате включения передатчика в центральный блок стала возможна беспроводная связь с компьютером.
В результате использования программной фильтрации сигнала из структурной схемы(рис.25) фонокардиографа был исключён усилитель и аналогово-цифровой преобразователь.
Программная фильтрация позволяет подстраивать беспроводное устройство снятия биоакустических сигналов сердечно-сосудистой системыконкретно под каждого пациента, получать нужные характеристики устройства.
Использование беспроводных устройств позволяет не только уменьшить число проводов, но использовать их группами по два,три устройства и таким образом сравнить фонокардиограммы в двух,трёх отведениях по частоте и амплитуде.
Рисунок 25 Структурная схема фонокардиографа
Использование беспроводной связи с компьютером позволяет организовать работу экспертной кардиологической системы с фонокардиологическим сигналом без непосредственного участия человека, что минимизирует человеческий фактор.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. А. Л.Михнев, Клиническая фонокардиография/К. И. Следзевская, В. Г. Яновский –К.: Государственное медицинское издательство УССР,1963. -140 с.
2. Илясов Л. В. Биомедицинская измерительная техника: учебное пособие/Л.В.Илясов - М.: Высшая школа, 2007. - 342 с.
3. Н.А. Кореневский Биотехнические системы медицинского назначения/А.Н. Кореневский, Е.П. Попечителев –г.Старый Оскол:Тонкие наукоёмкие технологии,2014.-687 с.
4. Филист, С.А. Проектирование электронной медицинской аппаратуры для диагностики и лечебных воздействий. / Е. П. Попечителев, Н. А. Кореневский, Филист С.А.– Курск-СПб,1999-537с.
5. Кореневский Н.А. Узлы и элементы медицинской техники. / Е.П. Попечителев Н. А. Кореневский – Курск,2009 - 426 с.
Краткое описание структуры.
Введение раскрывает актуальность, определяет степень научной разработки темы, объект, предмет, цель, задачи и методы исследования, раскрывает теоретическую и практическую значимость работы.
В первой главе рассказывается о фонокардиографии. Во второй главе описывается прибор, его структурная схема. В третей главе говорится о фонокардиограмме. Четвёртая глава посвящена обработке фонокардиограммы, производится анализ существующих фонокардиографов. Пятая глава – проекту прибора-фонокардиограф, его структурной схеме, техническим характеристикам. В шестой главе описывается беспроводное устройство снятия биоакустических сигналов сердечно-сосудистой системы.
Заключение раскрывает результат работы.
Фонокардиография
Инструментальные методы оценки параметров жизнедеятельности организмов человека <