Реферат: Акустичні характеристики звуків дихання та методи їх реєстрації і обробки

У другому підрозділі виконаний аналіз біомеханічних пристроїв аускультації звуків дихання (стетофонендоскоп-слухові органи лікаря). Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) у всіх моделей стетофонендоскопів нелінійна, порізана й знижується з ростом частоти (A. Jones, K. Kwong, S. Sіu, 1998). Порізаність АЧХ обумовлена резонансами та антирезонансами діафрагми звукоприймальної голівки, що є механічним фільтром у системі "біотканини - стетофонендоскоп - вухо лікаря". Зниження АЧХ обумовлено нераціональним переходом звуку з біотканин на біосенсори слухових органів, що знижує в стетофонендоскопах звуковий тиск, тому що перехід звуку відбувається через акустично м'яке середовище - повітря, із хвильовим опором в 3500 разів нижче хвильового опору біотканин. Незважаючи на це, ефективність цих біомеханічних пристроїв визначається, в основному, більшими функціональними можливостями мозку лікаря, здатністю виділяти частотні і тимчасові характеристики звукових феноменів.

У підрозділі 3 розглянуті результати досліджень акустичних характеристик запропонованих для аускультації електроакустичних перетворювачів.

У теперішній час, в електронній аускультації широко використовуються перетворювачі звукового тиску - спеціальні мікрофони, у жорсткому конічному корпусі якого встановлений електретний мікрофон. АЧХ таких мікрофонів подібно АЧХ стетофонендоскопів нелінійна, так як, перехід звуку з біотканин відбувається через акустично м'яке середовище (повітря).

Запропоновано новий спеціальній електроакустичний перетворювач - контактний мікрофон, у якого реалізовано перехід звука з акустично м'якого середовища в акустично жорстке (біотканина-сталь), що сприяє істотному підвищенню його ефективності.

За принципом реєстрації звуків - це односторонній стрижневий п’єзокерамічний приймач звукового тиску, а по використанню його при аускультації, контактний мікрофон. Розроблені та досліджені дві модифікації мікрофона: на основі п’єзокераміки ЦТС-19 та п’єзокристалічного матеріалу ХГС-2. При аускультації звуків дихання, передня накладка мікрофона притискається до тіла пацієнта. Звуки дихання через накладку, передаються на чутливий елемент мікрофона, де перетворюються в змінну електричну напругу.

Розрахункова схема п’єзокерамічного мікрофона наведена на рис.1.

Метод фізичного градуювання мікрофонів по тиску, заснований на фізичній аксіомі: силовий вплив коливань поверхні тіла людини на мембрану мікрофона еквівалентно впливу на неї вібрацій на фіксованій частоті.

Градуювання реалізовано за допомогою комплекту віброакустичної апаратури фірми "Брюль та Къер" у діапазоні частот 20-6000 Гц.

Встановлено, що АЧХ мікрофонів лінійна в діапазоні частот 25-6400 Гц, чутливість першого г=2,5·10-3 В/Па, другого г = 5,2·10-3 В/Па. Відмінність чутливості обумовлена питомими параметрами п’єзоелектриків. Резонанси мікрофонів перебувають на частотах 167,3 кГц та 63,2 кГц, відповідно. Розрахунково та експериментально визначена чутливість, та частоти резонансів близькі. Загальна ймовірна похибка градуювання мікрофонів – 1,14 дБ.

Апробація контактних мікрофонів виконана в контрольованих умовах при вимірі звуків серця, звуків дихання та звуків зовнішнього фона, перевипромінених тілом. Звуки серця вимірялися в лівій області грудної клітки

(т.2Л). Звуки дихання - у правій підключичній області (т.2П). Звуки перевипромінювані тілом реєструвалися на стегні пацієнта. Виявлено, що звуки спокійного та форсованого дихання, істотно перевищують звуки серця та звуки перевипромінювані тілом. Отримані результати корелюють із подібними результатами інших дослідників (S. Kraman, G. Wodіcka, H. Pasterkamp, 1995).

Виявлений ефект підвищення рівня звуків дихання зі збільшенням питомого тиску на контактну поверхню мікрофона, рис.2. На нашу думку, це викликано ущільненням біотканин, що забезпечує кращі умови переходу звуку.

Запропованований та досліджений перетворювач, у якого чутливим елементом є гідрофон, розташований у жорсткому корпусі заповненому рідиною, із хвильовим опором близьким до хвильового опору біотканин. Контактна поверхня перетворювача виконана з тонкої еластичної гуми. В цьому перетворювачі реалізовано перехід звуку (біотканина – рідина – гідрофон). Встановлено, що АЧХ перетворювача лінійна на частотах 20 - 3600 Гц, а чутливість складає 18 мВ/Па. Контактний мікрофон та гідрофон запатентовані.

Для використання в пристроях електронної аускультації нами розроблено та досліджено спеціальний легкий, високочутливий акселерометр АД-16, гнучко-деформаційного типу, з біморфними консольними п’єзоелементами.

Механічний імпеданс акселерометра істотно нижче механічного імпедансу поверхні біотканин, на яких здійснюється реєстрація звуків дихання.

АЧХ акселерометра, у площині перпендикулярної до його основи, лінійна, у діапазоні частот 20-2000 Гц, а чутливість дорівнює 15±5 мВс2/м. Резонанс перебуває на частоті 2400 Гц.

У четвертому підрозділі наведено порівняння ефективності контактного мікрофона та акселерометра, за критерієм перешкодозахищеності (сигнал/перешкода). Дослідження були виконані при синхронній реєстрації перетворювачами звуків вдиху пацієнтів (т.2П - сигнал) і звуків на стегні (перешкода). Контактний мікрофон більш ефективний акселерометра в діапазоні досліджуваних частот. Ефективність сенсора, на основі акселерометра "Sіemens ЕМТ 25С", який широко використовується закордонними дослідниками, значно нижче (рис.3).

У розділі 3 систематично досліджені і класифіковані перешкоди електроакустичних перетворювачів і цифрового електронного стетофонендоскопу. Запропоновані методи зниження перешкод.

Узагальнена схема джерел сигналу, які сприймаються перетворювачем під час аускультації (рис.4). Показано, що основними перешкодами перетворювачів, є перешкоди звукової, вібраційної і електромагнітної природи.

Для експериментального дослідження перешкод електронного стетофонендоскопу було застосовано лабораторний зразок одноканального цифрового стетофонендоскопу.

Стетофонендоскоп складався з п’єзокерамічного акселерометру (чутливість 15 мВ·c2/м, маса 14 грам та з лінійною АЧХ у діапазоні частот 20-2000 Гц), малошумного підсилювача, фільтрів Баттерворта високих та низьких частот, аттенюатора та комп'ютера зі звуковою картою на вході. Сигнали, які сприймались акселерометром підсилювалися, фільтрувалися та оцифровувалась із частотою дискретизації 10000 Гц та роздільною здатністю 16 біт. Обробка сигналів виконувалась з використанням звукового редактора Сool Edіt Pro 2.0.

Дослідження дозволили розділити всі перешкоди на перешкоди низького рівня й перешкоди високого рівня. Перешкодами високого рівня, як установлено дослідженнями, являються перешкоди вібраційних й електромагнітних полів.

Методи зниження перешкод пристроїв електронної аускультації зазначені на рис.5.

У розділі 4 наведений опис комп'ютерного фоноспірографічного комплексу "Кора – 03 М1", який призначений для цифрової аускультації звуків дихання, та створений при особистій участі автора дисертації (Рис.6).

Це 4-х канальний електронний цифровий пристрій, який дозволяє: синхронно реєструвати звуки дихання в чотирьох точках грудної клітини людини, підсилювати, фільтрувати, оцифровувати та обробляти. Акустичні характеристики звуків дихання, отримані в результаті обробки, візуалізуються на дисплеї, а якщо є необхідність – роздруковуються. Комплекс сертифікований і допущений МОЗ України для аускультації органів дихання людини.

Програмний продукт комплексу забезпечує: формування цифрової бази звуків дихання, їх прослуховування, експрес-класифікацію дихальної системи за принципом "хворий-здоровий", обчислення спектрів потужності, "миттєвих спектрів", визначення характеристик взаємного спектра сигналів двох будь-яких каналів, документацію характеристик звуків дихання в цифровій формі.

Методика застосування комплексу складається із чотирьох етапів:

- підготовка комплексу до роботи;

- підготовка пацієнта до реєстрації звуків дихання;