Результат интеллектуальной деятельности: Комбинированный приемник для регистрации дыхательных звуков на поверхности грудной клетки

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в аускультации.

Регистрируемые в диагностических целях на поверхности грудной клетки дыхательные звуки обычно лежат в диапазоне частот от 70-80 Гц до примерно 1000 Гц. В настоящее время для регистрации дыхательных звуков используются 3 типа контактно устанавливаемых на поверхность тел акустических датчиков: акселерометры (П. РФ №206204, МПК A61B 7/04), микрофоны со стетоскопической насадкой (Приборы и техника эксперимента, 2008. Т. 51, №2, С. 147-154) и так называемые контактные датчики (Акустичний висник. 2009. т. 12, №1, С. 3-10).

Однако все они подвержены воздействию помех, к числу основных из которых относятся внешние акустические шумы и контактные вибрационные воздействия, определяемые сокращением дыхательной мускулатуры, а при ручном удержании и колебаниями руки оператора, удерживающего датчик.

Известен помехозащищенный акустический датчик для стетоскопа, в котором для снижения уровня акустических и вибрационных помех датчик снабжают дополнительной воздушной камерой, образованной двумя коаксиальными цилиндрами разной высоты с общей плоскостью среза открытых торцов, а микрофон выполнен дифференциальным и установлен в закрытом торце меньшего цилиндра с возможностью контакта каждой стороны его мембраны соответственно с первой и второй воздушными камерами (П. РФ №2071726, МПК A61B 7/02). Однако контактные вибрационные воздействия приводят к появлению так называемой псевдозвуковой помехи - изменение давления в камере, образованной поверхностью тела и камерами устройства, с частотой вибрационного воздействия. Подавление псевдозвуковых помех в этом случае является неполным, поскольку их уровень прямо связан с уровнем полезного сигнала, а уменьшение площади поперечного сечения второй полости приводит к дисбалансу как по полезному сигналу, так и псевдозвуковой помехе. В результате при вычитании псевдозвуковая помеха полностью не подавляется.

Известно устройство регистрации дыхательных звуков при высоком уровне внешних акустических шумов (S.B. Patel, T.F. Callahan и др. An adaptive noise reduction stethoscope for auscultation in high noise environments // J. Acoust. Soc. Am 103 (5), 2483-2488, 1998). Устройство содержит помимо жесткой стетоскопической насадки конического профиля, в горловине которой установлен основной микрофон, дополнительный микрофон, размещенный в корпусе датчика снаружи от стетоскопической насадки. Дополнительный микрофон не воспринимает дыхательные звуки с поверхности тела (полезный сигнал), а воспринимает только внешнюю акустическую помеху. Тогда как основной микрофон, расположенный в горловине стетоскопической насадки, воспринимает и то и другое. Система обработки данного стетоскопа включает аддитивный фильтр и сумматор. В результате за счет компенсационной обработки вычитанием отклика дополнительного микрофона из отклика основного (с определенными весовыми коэффициентами) удается ослабить воздействие внешней акустической помехи, не изменяя полезный сигнал. Устройство основным микрофоном регистрирует сумму колебательного смещения поверхности грудной клетки и звукового давления внешней акустической помехи, а вторым микрофоном - звуковое давление внешней акустической помехи, определение разности откликов этих датчиков обеспечивает ослабление внешней акустической помехи. Однако контактные вибрационные воздействия на основной микрофон, размещенный в горловине стетоскопической насадки, приводят к появлению так называемой псевдозвуковой помехи (изменение давления в камере, образованной поверхностью тела и стетоскопической насадкой, с частотой вибрационного воздействия), которая дополнительным микрофоном не фиксируется и, следовательно, устройство от этого вида помех не защищено.

Наиболее близким к заявляемому является комбинированный приемник для записи дыхательных звуков на поверхности грудной клетки, который позволяет одновременно ослабить как внешние акустические помехи, так и помехи, вызванные контактными вибрационными воздействиями, в том числе псевдозвуковые помехи (П. РФ №2496421 МПК G10K 11/16). Приемник содержит корпус, жесткую стетоскопическую насадку конического профиля, блок обработки и два датчика, один из которых выполнен в виде микрофона и установлен в горловине насадки. Стетоскопическая насадка с внешней стороны дна имеет плоскую кольцевую поверхность, на которой закреплен второй датчик в виде кольцевого продольно деформируемого пьезопреобразователя, тыльная сторона которого нагружена кольцевой массивной накладкой, установленной в корпусе с обеспечением возможности тыльного доступа к микрофону и скрепленной с корпусом приемника. Массивная накладка и корпус приемника отделены от механического контакта со стетоскопической насадкой. За счет использования в приемнике датчиков двух разных типов, их специфического размещения, устройство позволяет одновременно подавить и акустические помехи и контактные вибрационные воздействия, тем самым повысить помехозащищенность регистрации дыхательных звуков на поверхности грудной клетки человека и приводит к увеличению достоверности диагностической информации.

Однако, поскольку второй датчик в виде кольцевого продольно деформируемого пьезопреобразователя имеет намного меньшую чувствительность к полезному сигналу, чем первый датчик в виде микрофона, установленного в горловине насадки, известное решение не позволяет получить максимальное отношение сигнал/помеха на выходе приемника, то есть в конечном итоге не достигается максимум помехозащищенности регистрации звуков и снижается достоверность диагностической информации.

Задача изобретения - разработка приемника с повышенной помехозащищенностью для регистрации дыхательных и искусственных звуков на поверхности грудной клетки, а в конечном итоге увеличение достоверности диагностической информации.

Технический результат - повышение отношения сигнал/помеха на выходе приемника.

Поставленная задача решается предлагаемой конструкцией комбинированного приемника для регистрации дыхательных звуков на поверхности грудной клетки, содержащего корпус с внутренней массивной накладкой, стетоскопическую насадку, имеющую с внешней стороны дна плоскую поверхность, и два датчика, один из которых выполнен в виде микрофона, установленного над горловиной стетоскопической насадки, и жестко соединен с массивной накладкой через упругую прокладку, а другой выполнен в виде кольцевого изгибного биморфного пьезопреобразователя, имеющего центральное отверстие, внутренняя кромка которого скреплена по периметру с верхней частью стетоскопической насадки с обеспечением сообщения внутренней полости стетоскопической насадки с микрофоном, а внешняя кромка прикреплена по периметру к массивной накладке.

На чертеже приведена схема заявляемого устройства, где 1 - микрофон электретный, 2 - верхняя пьезопластина кольцевого изгибного биморфного пьезопреобразователя, 3 - нижняя пьезопластина кольцевого изгибного биморфного пьезопреобразователя, 4 - подложка пьезопреобразователя, 5 - винты крепежные, 6 - кольцо опорное, 7 - кольцо верхнее прижимное, 8 - кольцо нижнее прижимное, 9 - массивная накладка 10 - корпус, 11 - насадка стетоскопическая, 12 - прокладка упругая.

В качестве примера осуществления заявляемого решения рассмотрим заявляемое устройство, показанное на чертеже. В качестве микрофона 1 применен электретный датчик МКЭ-3, который вклеен через резиновую прокладку 12 в отверстие массивной накладки 9. Кольцевой изгибный биморфный пьезопреобразователь изготовлен из двух пьезопластин (колец) 2 и 3 с наружным диаметром 30 мм, внутренним диаметром 18 мм и толщиной 0,5 мм, наклеенных токопроводящим клеем на кольцевую подложку 4 из упругой бронзы Бр-КМЦ наружным диаметром 36 мм, внутренним 12 мм и толщиной 0,75 мм. Внешняя кромка подложки 4 прикреплена винтами 5 (резьба М2) к массивной накладке 9, выполненной из латуни ЛО-62. Внутренняя кромка подложки 4 прикреплена винтами к опорному кольцу 6, выполненному из латуни ЛО-62. Стетоскопическая насадка 11 внешним диаметром 36 мм выполнена из эбонита и склеена с опорным кольцом 6 эпоксидным композитом. Снаружи на массивную накладку 9 надет электроизоляционный корпус 10, изготовленный из эбонита. Во избежание акустического короткого замыкания корпус 10 устанавливается с обеспечением зазора со стетоскопической насадкой 11. После завершения электромантажа выходов датчиков массивная накладка 9 закрывается электроизоляционной крышкой корпуса, изготовленной из эбонита.

Заявляемый приемник функционирует следующим образом.

Первый акустический датчик (1), установленный над горловиной стетоскопической насадки (11), как и в прототипе, является датчиком колебательного смещения и его выходной сигнал пропорционален смещению ненагруженных тканей грудной стенки. Вследствие малости волновых размеров устанавливаемого на поверхность тела кольцевого края раструба стетоскопической насадки, образующей стетоскопическую камеру, и малой вязкости биологических тканей, продольные волны, бегущие изнутри грудной клетки, огибают его, в результате чего заторможенность самого датчика (1) обеспечивает почти неискаженную передачу продольных колебательных смещений тканей внутрь жесткой стетоскопической камеры. В этом случае (камера существенно меньше длины продольной звуковой волны в воздухе) микрофоном (1) воспринимается изменение давления в неподвижной камере, вызванное изменением объема за счет колебательного смещения тканей поверхности грудной клетки внутрь камеры, то есть выходной сигнал акустического датчика (1) для частот, лежащих существенно выше частоты f₀, оказывается пропорциональным смещению ненагруженных тканей грудной стенки (границы).

Второй датчик (2-3) в заявленном устройстве, в предположении неподвижной массивной накладки (9) и корпуса (10), прижимаемых рукой врача или резиновым жгутом к поверхности грудной клетки, функционирует как датчик динамической силы. При этом стетоскопическая насадка (11) играет роль промежуточного механического звена, передающего динамическую силу звуковой волны, приложенную к ее торцу, на внутренний контур кольцевого изгибного биморфного пьезопреобразователя, состоящего из верхней 2 и нижней 3 пьезопластин и подложки 4. Поскольку внешний контур последнего жестко скреплен с массивной накладкой (9), под действием передаваемого стетоскопической насадкой на внутренний контур усилия он начинает изгибаться, что приводит к генерации вторым датчиком ЭДС полезного сигнала.

Чувствительность второго датчика прототипа, выполненного в виде кольцевого продольно деформируемого пьезопреобразователя, из-за высокого значения частоты высотного резонанса пьезопреобразователя (порядка 25 кГц) имеет низкую величину. Увеличить высоту преобразователя в рамках известной конструкции комбинированного приемника невозможно. В предлагаемом решении частота механического резонанса второго датчика, выполненного в виде кольцевого изгибного биморфного пьезопреобразователя, имеющего центральное отверстие, зависит от диаметров и толщины биморфа и может быть значительно снижена. Так, например, реализуемо значения резонанса 1,5-2 кГц (при каких условиях?). Это позволяет заявляемому приемнику работать на линейном участке АЧХ до частоты 1 кГц, т.е. в пределах требуемого для дыхательных звуков диапазона частот. Столь низкое по сравнению с прототипом значение резонансной частоты (примерно в 10 раз) второго датчика означает его лучшее согласование с источником сигналов, большие деформации пьезопреобразователя и, в результате, более высокую (в 5-10 раз) чувствительность к полезному сигналу. Поскольку уровень помех у предлагаемого устройства аналогичен прототипу, то результатом изобретения является улучшение отношение сигнал/помеха на выходе приемника.

Таким образом, предлагаемая конструкция комбинированного приемника для регистрации дыхательных звуков на поверхности грудной клетки позволяет решить поставленную задачу и получить заявленный технический результат, а именно повысить помехозащищенность приемника и увеличить достоверности диагностической информации за счет повышения отношения сигнал/помеха на выходе приемника.