最終電子聽診器[特選參考]

1、摘 要老式的聽診器聲音微弱，而且塞在耳朵里很不舒服，既不能隔離環(huán)境噪聲，也不能調(diào)整頻率響應(yīng)。本設(shè)計(jì)的電子聽診器由于設(shè)有放大器，因此可將微弱的心跳聲放大到清晰可聞的程度。本文設(shè)計(jì)的電子聽診器包括放大電路，濾波電路，電壓比較器電路等。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，此電子聽診器具有良好的波形分析能力，能夠?qū)⒃O(shè)置好的頻率段以外的聲音頻率濾掉，故可以清晰的得到放大以后的心音信號，這樣有助于醫(yī)務(wù)人員提高初診的準(zhǔn)確度，也為進(jìn)一步診斷做好了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：電子聽診器 音頻放大器 濾波電路AbstractPeople nowadays are so busy that they usually neglect their own

2、health. This condition usually results in peoples symptom of illness such as diseases in cardiovascular system and respiratory system. Those diseases make people reduce their efficiency. lower their life quality. Those diseases also waste huge medical resources. Personal health care can estimate peo

3、ples health condition. Consequently people will be healthy and it also provides psychological well-being. In this study, we design an electronic stethoscope system which can separate heart and lung sounds, so that the interference form the heart and lung sounds to each other will be minimized. The s

4、eparated heart and lung sounds can be recorded and analyzed in a personal computer. Key words：Electron stethoscope Audio frequency amplifier Rejecter 二類嚴(yán)選#目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1 本文的研究目的和意義11.2 心音的產(chǎn)生機(jī)制11.3 電子聽診器的發(fā)展趨勢2第2章 電子聽診器的工作原理22.1 電子聽診器的基本原理22.2 信號采集32.3 電壓放大器32.4 低通濾波器42.5 信號輸出級5第3章 電子聽診器的

5、具體設(shè)計(jì)電路63.1 心音傳感器及其放大電路63.2 心音濾波器73.3 比較器83.4 計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路83.5 其他附加電路9第4章 電路仿真分析104.1 總體電路圖104.1.1 各部分組成104.1.2 元器件選擇104.2 仿真114.2.1 放大電路IC1輸出電壓波形114.2.2 濾波電路IC2124.2.3 IC3電壓跟隨器134.2.4 IC5運(yùn)放后電壓波形14總結(jié)15參考文獻(xiàn)16二類嚴(yán)選#第1章 緒論通過體外獲取人體內(nèi)臟器官活動的聲音，醫(yī)護(hù)人員可以初步判斷出病因，因此臨床工作中經(jīng)常要借助于聽診器。然而，傳統(tǒng)聽診器存在由于壓管壓力問題導(dǎo)致的外耳道不適，音質(zhì)易受干擾等弊端

6、。電子聽診器除了能清晰的監(jiān)聽病人的胸、腹聲音之外，還可以用在搜索機(jī)械聲源等問題，其輸出信號還可以用錄音設(shè)備記錄下來，供分析病情或機(jī)械故障類型使用。1.1 本文的研究目的和意義本文提出的電子聽診器由于接有放大器，因此可將微弱的心跳聲放大到清晰可聞；而老式的聽診器沒有放大作用，聲音微弱，塞在耳朵里很不舒服，不能隔離環(huán)境噪聲。電子聽診器除了能清晰監(jiān)聽病人的胸/腹聲音外，還能用在搜索機(jī)械噪聲源的定位等方面。在實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)拾音頭MIC用普通振膜拾音頭的中頻響應(yīng)好，背景噪聲也小。沿用了多年的聽診器聽診心音，雖然方法簡單，但往往難以捕捉到人體內(nèi)部臟器發(fā)出的一些微弱但卻非常重要的生物聲，致使醫(yī)生無法及時做

7、出診斷，且診斷的依據(jù)主要根據(jù)醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)確性較差。另一個角度講，人耳對聲音的敏感是聲強(qiáng)與頻率的綜合效應(yīng)，因而一些病理特征難以捕捉。這就需要設(shè)計(jì)出一種新穎的電子聽診器對聽診音進(jìn)行定量，準(zhǔn)確的分析。1.2 心音的產(chǎn)生機(jī)制研究心音信號的產(chǎn)生與傳導(dǎo)機(jī)制，對于認(rèn)識體表心音與心音源之間的關(guān)系，了解心音與心臟的生理、病理狀況之間的相關(guān)性方面有著重要的意義。多年來，許多研究人員對心音的發(fā)生機(jī)理和傳導(dǎo)機(jī)制從不同的方面進(jìn)行了研究和探索，得到了許多有價值的研究結(jié)果。下面簡述了心音的產(chǎn)生機(jī)制。早年，人們曾認(rèn)為心音是由瓣膜的關(guān)閉所產(chǎn)生的，以后發(fā)現(xiàn)這種認(rèn)識是片面的。對于心音的發(fā)生機(jī)理的研究不僅需要考慮心臟的血流動力學(xué)方

8、面的特性，而且要研究心臟的振動力學(xué)問題。正常人的心音由第一心音、第二心音、第三心音和第四心音組成，一般成年人因?yàn)榈谌?、第四心音很弱，只能聽到第一、第二心音。通常，心動周期是指心室的活動周期，心動周期是從心房收縮開始的，緊接著是心室的收縮。心動周期中，心肌收縮、瓣膜開閉、血流加速度和減速度對心血管壁的加壓和減壓作用以及形成的渦流等因素引起的機(jī)械振動，通過周圍組織傳遞到胸壁，產(chǎn)生的聲音叫做心音。心室收縮早期，心室內(nèi)壓力迅速上升，房室瓣(包括二尖瓣、三尖瓣)關(guān)閉，當(dāng)心室內(nèi)壓力升高并超過相應(yīng)大血管內(nèi)壓力時，半月瓣(包括主動脈瓣和肺動脈瓣)開放，開始了心血逼出期。從房室瓣關(guān)閉到半月瓣開放期間，瓣膜、心肌

9、的振動以及血流的加速形成了第一心音。心室收縮終了，心室內(nèi)壓力下降，進(jìn)入舒張期，半月瓣關(guān)閉，當(dāng)心房壓力超過心室的時候，房室瓣開放，并使心室充盈。從半月瓣關(guān)閉到房室瓣開放期間，形成第二心音。第三心音發(fā)生在舒張?jiān)缙诘男氖冶粍映溆瘯r，心房血流急速進(jìn)入心室，引起心室壁振動。第四心音發(fā)生在收縮期前，是由心房收縮和心室壁振動產(chǎn)生的。綜上所述，可以將心音的發(fā)生機(jī)理歸納如下：心臟的瓣膜和大血管在血流沖擊下形成的振動，以及心臟內(nèi)血流的加速與減速形成的湍流與渦流及其對心臟瓣膜、心房、室壁的作用所產(chǎn)生的振動，再加上心肌在周期性的心血活動作用下其剛性的迅速增加和減少形成的振動，經(jīng)過心胸傳導(dǎo)系統(tǒng)到達(dá)體表形成了體表心音。心

10、音中常包含心內(nèi)噪音、呼吸噪音、體表噪音和心胸系統(tǒng)傳播過程中產(chǎn)生的噪音。1.3 電子聽診器的發(fā)展趨勢目前國內(nèi)與國外電子聽診器產(chǎn)品在價格，功能上的差異較大，國內(nèi)產(chǎn)品較國外而言還存在較大差距，自行開發(fā)和研制功能強(qiáng)大，性能優(yōu)良，價格低廉的新型電子聽診器意義重大。主體電路都差不多，無非是更加完善，而濾波電路和信號輸出等尤為重要，這是體現(xiàn)一個電子聽診器好壞的標(biāo)準(zhǔn)。電子聽診器具有如下特點(diǎn)：均選用常規(guī)元器件，通過元器件合理選型與電路的精心設(shè)計(jì)，調(diào)試，達(dá)到既穩(wěn)定可靠，有較高顯示精度，又具有較低的成本，操作簡易的特點(diǎn)：既能檢測普通的心音和呼吸音，又能捕捉特殊的心音和肺音，腸鳴音：檢測結(jié)果既可以通過耳機(jī)監(jiān)聽，還可以

11、錄音重放及數(shù)字顯示。 第2章 電子聽診器的工作原理2.1 電子聽診器的基本原理電子聽診器的原理如圖2.1所示，該電子聽診器由兩大部分組成：監(jiān)聽部分和心率顯示部分。具體由拾音頭MIC，前置級電路、濾波器、功率放大器、比較器和計(jì)數(shù)顯示電路構(gòu)成。由于其中傳聲器所接受到的頻率信號是很微弱且是寬帶的，我們需要把它放大并要求濾除對聽診器無用的雜波。因此我們需要做高精度的放大、濾波電路。如果被監(jiān)測的是心音信號，則它首先將送入前置級電路中，進(jìn)一步放大后，經(jīng)過濾波器，濾除放大器本身及外界傳入的高頻噪聲以及心音信號中沒有診斷價值的高頻部分。而其中濾波器輸出的信號，一方面要求經(jīng)比較器作用后，轉(zhuǎn)換成可驅(qū)動計(jì)數(shù)電路工作

12、的脈沖信號，通過計(jì)數(shù)顯示電路顯示心率值：另一方面，要求濾波器輸出的信號經(jīng)功率放大器后供多人監(jiān)聽。信號輸出低通濾波器電壓放大器信號采集 圖2.1 電子聽診器原理示意圖信號采集單元利用拾音頭MIC將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒┖蠹墕卧幚淼碾妷盒盘?。將該電壓信號進(jìn)行放大，再送入低通濾波器，以濾除高頻噪聲信號。濾波器的輸出信號即可輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行頻譜分析。由于患者體內(nèi)病變的器官或組織會產(chǎn)生異常的聲音信號，這些聲音信號的頻率與特定的譜線相對應(yīng)，因此，將頻譜分析的結(jié)果實(shí)時地顯示出來，通過對這些譜線的分析能獲得更準(zhǔn)確和有價值的診斷結(jié)果。所獲取的聲音信號和頻譜分析結(jié)果也可以保存在計(jì)算機(jī)里，這既可作為診斷的依據(jù)，也可用來

13、判斷治療的效果。電子聽診器的結(jié)構(gòu)見圖2.2：功率放大器放大電路濾波器拾音頭MIC顯示器譯碼器比較器計(jì)數(shù)器揚(yáng)聲器圖2.2 電子聽診器的結(jié)構(gòu)框圖2.2 信號采集信號采集級選用普通的振膜式拾音頭，用一端橡皮管與駐極體話筒連接。將駐極體話筒放置在橡皮管內(nèi)，由拾音頭撿拾到心音信號通過橡皮管傳給駐極體話筒，起到撿拾心音信號的作用。2.3 電壓放大器根據(jù)后級電路處理要求，有必要對采集到的電壓信號進(jìn)行放大。電壓同向放大電路示意圖見圖2.3：圖2.3 電壓同相放大器電路示意圖在圖2.3電路中，輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系為： （2.1）通過調(diào)節(jié)分壓器R4可以使該電路的輸出電壓限定在合適的范圍里。2.4 低通濾波器為

14、濾除得到的電壓信號中的噪聲信號，以便于后級數(shù)字電路對獲得的信號進(jìn)行快速傅里葉變換，可以采用二階巴特沃思低通濾波器對信號進(jìn)行濾波，見圖2.4：圖2.4 二階低通濾波器電路示意圖該電路的轉(zhuǎn)折頻率為： （2.2）結(jié)合考慮相移因素，可以得到一組合適的電阻、電容參數(shù)值。2.5 信號輸出級通過上面介紹的幾個環(huán)節(jié)的處理，已經(jīng)得到一個可進(jìn)行數(shù)字處理的聲音檢測信號。在信號處理級，該信號可被送入數(shù)字信號處理芯片的A/D轉(zhuǎn)換口，將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，在芯片內(nèi)部，通過對采集到的信號進(jìn)行快速傅里葉變換即可得到被檢測信號的頻譜。該頻譜可用示波器顯示出來。由于患者體內(nèi)的病變部位或組織會發(fā)出一些異常的雜音，該雜音在示波器屏幕上

15、與一定頻段的譜線相對應(yīng)。因此，對獲得的頻率信號的觀察將使診斷更加準(zhǔn)確。獲得的頻譜信號也可以保存在計(jì)算機(jī)的存儲空間，在對患者的醫(yī)治過程中，通過對比研究多次測量獲得的頻譜信號，醫(yī)護(hù)人員可以準(zhǔn)確地判斷出醫(yī)療效果。 第3章 電子聽診器的具體設(shè)計(jì)電路3.1 心音傳感器及其放大電路由于心音頻率為20600Hz，肺音頻率為1001500Hz，腸鳴音頻率為201500Hz，均在人耳所能聽到的聲音范圍的中低頻率段，因此選用話筒作為聲音傳感器。在聲音傳感器（話筒）中又有很多種：駐極體式、動圈式和電容式等。對傳感器的選取原則是：靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，除了要提取微弱的心、腸、肺音的信號外，還要求它不受人聲等信號的干

16、擾，因此需要指向性好的的傳感器。駐極體式話筒的靈敏度高，價格低，但指向性不佳；動圈式話筒的靈敏度欠佳，但是指向性最好，價格也較貴；電容式話筒的靈敏度最好，聲音特性最為平坦，容易受干擾，價格也很貴?？紤]到諸多因素，故選用駐極體式話筒。傳感器放大電路如圖3.1所示。電路以NE5532集成運(yùn)放構(gòu)成對稱放大電路，在信號傳輸?shù)倪^程中采用雙芯屏蔽線，在傳輸?shù)哪┒死貌罘址糯箅娐返墓材Ｒ种铺匦詫⑿盘杺鬏斶^程中的各種溫度、電磁波、電源等造成的外界噪聲干擾信號抑制和抵消掉。工作原理如下：由心臟發(fā)出的聲音經(jīng)駐極體式話筒轉(zhuǎn)化為電信號后，通過阻抗匹配電路（由R1、R2、R3、R4構(gòu)成）與抗干擾電路（C1組成）從IC1

17、的5腳和3腳輸入進(jìn)行平衡放大：IC1與IC2A構(gòu)成的加法電路進(jìn)行信號混合，R10、R11決定放大倍率為34倍；后由C4耦合輸出。第二級為緩沖放大電路，如圖3.2所示。放大電路由IC2B、C5、C6、C7、R11、R12、R13及C8構(gòu)成。C5、C7為音頻耦合電容；R12、R13和C6構(gòu)成電壓并聯(lián)負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，放大倍率為R12/R13=10。 圖3.1 傳感器放大電路示意圖圖3.2 緩沖放大電路3.2 心音濾波器心音的頻率范圍是20600Hz，腸音的頻率范圍是201500Hz，肺音的頻率范圍是1001500Hz。根據(jù)它們的頻率分布特點(diǎn)，適當(dāng)?shù)倪x擇高通、低通濾波器，再設(shè)置一個多向選擇開關(guān)對它們進(jìn)行分

18、別選取，就能設(shè)計(jì)出一個可以分別聽取心、肺、腸音的多功能電子聽診器。普遍的，選用四路電子選通開關(guān)CD4066，其中三路開關(guān)用作心、肺、腸音的選取，剩下的一路開關(guān)用來控制語音芯片的錄、放音。濾波器功能選擇框圖如圖3.3所示：四路選擇開關(guān)開關(guān)選通控 制600Hz低通濾波器1500Hz低通濾波器100Hz高通濾波器語音芯片控制 OOUTPUT圖3.3 濾波器功能選擇框圖IC3為1500Hz四階壓控電壓源低通濾波器，電路如圖3.4所示。由R14R23及C9C14構(gòu)成，其中R15=R16=R20=R21=18K,C9=C10=C12=C13=6800PF。IC4為100Hz高通濾波器，如圖3.5所示，由R

19、24R31及C15C20構(gòu)成；其中C15=C16=C18=C19=0.1uF，R24=R25=R28=R29=15K。3.3 比較器信號在放大之后要送入數(shù)字電路進(jìn)行計(jì)數(shù)，要求比較器非常精確且特別穩(wěn)定。病人的一次心跳。計(jì)數(shù)器要計(jì)數(shù)幾十至幾百次，且心跳的聲音頻率在幾百赫茲左右。因此我們選用IC6B構(gòu)成的施密特觸發(fā)器，提供計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖。只要滯回比較器的回差電壓大于干擾的電壓變化幅度，比較器輸出端的極性、電壓就不會改變，這樣就可有效抑制干擾信號。施密特觸發(fā)器構(gòu)成的比較器電路如圖3.6所示：圖3.6 比較器3.4 計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路計(jì)數(shù)器的功能是將比較器比較得出的方波脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，人的心跳一般

20、從幾十到一百多，顯示范圍應(yīng)在000999.因此我們采用8421BCD碼三位輸出的二/十進(jìn)制同步加計(jì)數(shù)器CD4538和CD4543、LED組成計(jì)數(shù)顯示電路。由IC10構(gòu)成耳機(jī)推動放大器，它的輸出功率足以推動32歐姆的耳塞式耳機(jī)。電路原理見圖3.7所示：圖3.7 耳機(jī)功率放大器示意圖3.5 其他附加電路為了電子聽診器能夠更方便的為人們服務(wù)，加入了錄音電路和顯示心跳狀態(tài)的發(fā)光二極管驅(qū)動電路。為了便于醫(yī)生進(jìn)行觀察，設(shè)計(jì)了一個顯示心跳狀態(tài)的發(fā)光二極管驅(qū)動電路，用一個發(fā)光二極管的點(diǎn)亮與否，來觀察被測者的心跳狀態(tài)；錄音電路選用ISD25120語音芯片實(shí)現(xiàn)錄音功能，以保證錄取足夠長的時間，這樣可以使該產(chǎn)品更好

21、地為診斷病情提供可靠的依據(jù)。第4章 電路仿真分析4.1 總體電路圖圖4.1 電子聽診器總圖4.1.1 各部分組成1、拾音器電路由傳聲器BM和R1等組成。2、前置放大器由集成運(yùn)算放大電路IC1和電阻器R2-R5等組成。3、低通濾波放大器由運(yùn)算放大集成電路IC2和電阻器R6-R8、電容器C3、C4等組成，其截止頻率略大于100Hz。4、緩沖放大器由集成運(yùn)算放大電路IC3擔(dān)任。5、音頻放大器由音量電位器RP、低電壓音頻放大器集成電路IC4、電阻器R13、電容器C5、C6等組成。6、 LED顯示電路由雙色發(fā)光二極管LED、驅(qū)動放大集成電路IC5和電容器R9-R12組成。7、拾音傳感器拾取的信號經(jīng)IC1

22、-IC4濾波與放大后，驅(qū)動耳機(jī)BE發(fā)聲。經(jīng)IC2等低通濾波后的音頻信號再經(jīng)IC5進(jìn)一步放大處理，驅(qū)動發(fā)光二極管LED與耳機(jī)中的聲音同步閃亮。8、調(diào)節(jié)RP的阻值，可改變耳機(jī)中音量的大小。9、改變電阻器R5和R6的阻值大小，可改變低通濾波器的截止頻率，從而改變該電子聽診器的頻響效果。4.1.2 元器件選擇1、R1-R4和R7-R13選用1/4W或1/8W金屬膜電阻器；R5和R6均選用密封式可變電阻器。2、RP選用小型合成碳膜電位器。3、C1和C5均選用耐壓值為16V的鋁電解電容器；C2-C4和C6選用滌綸電容器或獨(dú)石電容器。4、LED選用二端雙色發(fā)光二極管，也可以用兩只3mm的發(fā)光二極管（紅色、綠

23、色各一只）反向并聯(lián)后代用。5、IC1-IC3和IC5均選用LM741或uA741型單集成運(yùn)算放大電路；IC4選用 LM386型音頻放大器集成電路。6、BE選用優(yōu)質(zhì)雙聲道立體聲耳機(jī)。7、拾音傳感器可自制：用傳統(tǒng)聽診器的振膜頭，在振膜耳把上套一只35CM長的橡膠管，在橡膠管的另一頭裝入一只超小型駐極體傳聲器。傳聲器與電路之間用屏蔽電纜連接好。話筒處應(yīng)用熱縮套管加固或膠帶捆扎，以防操作時產(chǎn)生噪聲干擾。4.2 仿真仿真電路圖如圖4.2，為仿真方便，部分已去掉，主要觀察特定點(diǎn)的電壓變化。圖4.2 仿真用電路圖用ORCAD仿真時，拾音器用5mV400Hz交流電代替，主要觀察IC1-IC4處的電壓變化狀況。

24、4.2.1 放大電路IC1輸出電壓波形如圖4.3得知，經(jīng)過運(yùn)放后，輸出電壓的5mV被放大了6倍，到達(dá)30mV。也就是說，心音通過拾音頭轉(zhuǎn)換成的電壓在IC1后通過運(yùn)放被放大了6倍。圖4.3 通過IC1運(yùn)放后電壓仿真波形4.2.2 濾波電路IC2仿真IC2濾波后的得到的波形如圖4.4，分析頻譜特性。圖4.4 IC2濾波功能頻譜特性從圖4.4中可以看出IC2的寬帶為1.152kHz到10.546kHz，在人耳所能接受的音頻范圍內(nèi)。圖4.5 IC2后電壓波形根據(jù)仿真圖可以看出IC2后的波形峰值已經(jīng)達(dá)到了9V，因?yàn)镮C2的濾波作用，把心音頻率以外的波形濾除，導(dǎo)致電壓為零。4.2.3 IC3電壓跟隨器電壓通過IC3電壓跟隨器后波形不變，與IC2輸出一樣，但是增加了輸出阻抗，使得電壓不隨負(fù)載的變化而改變。信號通過IC4后，也就是通過LM386低功耗音頻放大器，進(jìn)行對輸出信號的最后一次放大，使得可以驅(qū)動雙聲道立體聲耳機(jī)的工作，或者其他外設(shè)，比如說計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器等等。圖4.6 通過電壓比較器后