电子设计教学用电子听诊器系统设计

心脏听诊教学是一个重要的部分，传统的听诊方法虽然简单，但往往难以捕 捉到人体内部脏器发出的一些微弱但非常重要的生物声，致使无法及时作出诊断， 在讲学过程中存在很多不便。本论文设计了一种可供多人同时监听的新型教学用 电子听诊器，由传感器、放大电路、工频陷波器、低通滤波器、高通滤波器、功 率放大电路、扬声器、波形转换电路、动态显示电路等模块组成。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；检测结果既可以 通过耳机监听，还可以用数字显示心率，利于教学使用。 关键词 电子听诊器，心音，信号处理，数字显示 Abstract Cardiac auscultation is an important part in medical education. Although the traditional auscultation methods are very easy, but they always cannot catch some biological sound which comes from Human organs and it is weak but very important. It causes that the users can't make diagnose in time, and there are many inconvenience in the education. I have designed an electronic stethoscope which can be used by one to ten people for listening into the cardiac in my thesis. It was made up with voice sensor, amplifying circuit, 50Hz band trap, low pass filter, high pass filter, power amplifier circuit, speaker, waveform conversion circuit, LED display circuit and so on. It has many advantages such as the performance is stability, it is cheap for finished, it is simple for operation, and the result can be displayed by display circuit and so on. Keywords electronic stethoscope; heart sounds； signal process； digital display 摘要 I Abstract I 1 绪论 1 1.1 本课题研究意义 1 1.2 国内外研究现状 1 1.3虚拟仪器技术简介 2 1.4心音检测的发展 3 1. 5 心音检测中存在的问题 4 1. 6本章小结 5 2电子听诊器系统的总体设计 6 2. 1 引言 6 2. 2系统技术指标和设计要求 6 2. 3系统总体架构及总体设计方案 6 2.4各模块的设计方案 7 2. 5 本章小结 8 3心音信号的提取和放大 9 3. 1 引言 9 3.2心音的分类 9 3.3 心音的生理意义 10 3.4心音信号的采集 11 3.5 前置放大电路简介 13 3. 6 AD620 简介 13 3.7放大电路 14 4工频陷波器和低通滤波器的设计 16 4. 1 概述 16 4.2 双T陷波器的缺点 16 4. 3 UAF42器件简介 17 4.4 UAF42在50Hz双T陷波器中的应用 18 4. 5 50Hz陷波实际电路的调试 19 4.6 仿真中使用的50Hz陷波器 20 4.7低通滤波器 22 4. 8 结论 25 5功率放大模块及扬声器 26 5. 1功率放大模块 26 5.2 TDA2030 简介 26 5. 3 计算 27 5.4扬声器 28 6施密特触发器实现波形转换 30 6. 1 比较器简介 30 6. 2施密特触发器 30 6.3 施密特触发器的应用 31 6.4 集成施密特触发器CC40106 33 7 6位动态LED显示电路 35 7. 1 引言 35 7.2 单片机 80C51 35 7. 3 定时器8155简介 36 7.4 6位LED显示电路 37 8 系统电路图 39 9系统的可视化功能扩展 41 9. 1 可视化设计总方案 41 9.2 LCD波形显示 41 9. 3 结论 43 10 总结和展望 44 10. 1调试结果及问题解决 44 10.2今后工作展望 45 致谢 47 参考文献 47 附录：夕卜文资料翻译 49 Al. 1 译文：电子听诊器 49 A1. 2 原文： A kind of electronic stethoscope 52 课件之家精心整理资料欢迎欣赏 1绪论 1. 1课题研究方向和意义 在医学教学中，听诊教学是一个很重要的环节，特别是心脏听诊器，为了使 学员有实际感受，过去是由老师对病员进行听诊，然后再与自己的学员讲解心杂 音的性质特点，再由学员在病人身上听诊。这种方式带来许多不便：首先老师讲 时，学员没有同时听，效果不如边听诊边由老师讲解好；其次，由每位学员在病 人身上轮流听诊所花费的时间长；并且更重要的是由每个学员在病人身上进行听 诊给病人带来痛苦，极不方便，往往遭到病人反对。因此，极有必要设计一种供 临床教学用的多人用电子听诊器。 沿用了多年的听诊器听诊心音，虽然方法简单，但往往难以捕捉到内部脏器 发出的一些微弱但却非常重要的生物声，致使无法及时作出诊断，且诊断的依据 主要根据医师的经验，准确性差。从另一个角度讲，人耳对声音的敏感是声强与 频率的综合效应，因而一些病例特征难以捕捉，这就需要设计出一种新型电子听 诊器对听诊音进行定量准确的分析⑴。目前国内外电子听诊器产品在价格，功能上 的差异较大，而且没有视频显示，不利于教学，所以开发和研制功能完善、性能良 好、价格低廉的新型电子听诊器具有重大意义。 1. 2心音国外研究现状 了解心音与心脏的生理、病理状况之间的相关性方面有着重要的意义。下面 简述心音的产生机制。 对于心音的发生机理的研究不仅需要考虑心脏的血流动力学方面的特征，而 且要研究心脏的振动力学问题。心音是人体最重要的声音信号之一。它是在心动 周期中，由于心肌收缩和舒张、瓣膜启闭、血流冲击心室壁和大动脉等因素引起 的机械振动，通过周围组织传到胸壁，将耳贴近胸壁或将听诊器放在胸壁一定部 位所听到的声音。 正常人的心音有第一心音（S1）、第二心音（S2）、第三心音（S3）和第四心 音（S4）组成（各个心音图参见图3.1第二条曲线），一般成年人因第三、第四心 音很弱，只能听到第一、第二心音。通常，心动周期是指心室的活动周期，心动 周期是从心房收缩开始，紧接着是心室的收缩。心动周期中，心肌收缩、瓣膜开 闭、血流加速和减速对心血管壁的加压或减压作用以及形成的涡流等因素引起的 机械振动，通过周围组织传递到胸壁，产生的声音叫做心音。其中含有心脏的生 理、病理信息，因此成为国内外学者研究的重要课题。 根据资料检索，当前国外对心音的研究主要有对心音信号传导和基本特征的 理论研究，对采集到的心音信号用数字处理的方法进行时频特性的研究等。 与最优良的传统听诊器相比，电子听诊器可以使脏器等发出微弱的生物声放 大数十倍，即使细微的声音也清晰可鉴，从而使医生不会错过任何有价值的线索, 更加易于判断心肺等器官可能发生的病变。 电子听诊器设计采用相关的消噪技术，最大程度的降低环境噪音。新型电子 听诊器可对心音信号进行记录与显示⑵。 目前，在国内对心音的分析仍处于初级阶段。随着生物医学工程在国内的发 展，对心音的分析和研究将进一步深入。在国外，早在半个世纪以前，在国际生 物医学界，尤其是美国、加拿大、日本和欧洲等国家和地区的相当一批学者就一 直在从事心音的分析和研究，每年都有高质量的论文发表，部分成果已在临床上 得到应用。 1.3心音检测的发展 1.3.1听诊器及其发展 一个圆圆的金属探头，连接着一根橡皮管子，然后分叉，分别通过两个金属 耳塞一直介入到医生的耳朵里一这就是听诊器。 听诊器作为我们要设计的心音检测仪的鼻祖，从诞生但现在的200多年的时 间里，作为临床上的一个重要的诊断工具，发挥了巨大的作用。 雷奈克发明听诊器：1816年9月13日，一个比较偶然的机会，从小孩子的游 戏中得到灵感，解决了困扰他的一个重要的医学问题，更是发明了震惊当时的医 学界，惠利之后医学界的一个重要的工具一听诊器。刚发明的听诊器不是现在这 个样子，经过很多医学界的天才的改进，终于变成了当今的这个样子。 1. 3. 2电子听诊器 虽然传统听诊器在使用过程中存在很多问题，但是在当时的生产力水平和科 技水平下很难改进，而且一般的疾病通过传统听诊器可以判断，基本满足使用要 求。到了现代，微电子科技迅猛发展，于是电子听诊器应运而生，它在声音的准 确度和对噪声的处理上有着普通听诊器无可比拟的优点。具体讲述这些优点，与 课件之家精心整理资料欢迎欣赏 传统听诊器进行比较。 1.3.3现代心音检测的发展 比电子听诊器更高级的专门进行心音检测的就是心音检测仪，它有着更多的 更先进的优点。 信号调整电路设计采用了硬件电路和软件结合的技术，主要应用在： （1） 用软件设计实现了自动调节显示波形的辐值，也可以任意放大或缩小并 能对心音信号时限进行放大或缩小。 （2） 信号模拟滤波和数字滤波相结合，以达到更优的滤波效果。 （3） 自动补偿零点漂移，用软件方法补偿由传感器和放大器产生的温漂和时 漂。 采用Windows98操作系统环境下用Delphi 5. 0编制软件，主要体现以下功能: （1） 窗口化软件设计，界面友好，功能齐全，操作方便，易于扩展。 （2） 实现了实时采样与信号波形显示，操作者可以根据需要设置参数和选择 喜欢的显示风格。 （3） 设计了一个友好的图形界面供使用者进行手动分析，通过操作鼠标或键 盘移动屏幕上的测试标线，能够灵活方便地测试信号波形的间期，辐值，斜率参 数。保留传统的手动测试方法，是对自动信号分析的验证和补充。 （4） 应用小波分析技术和医学专家知识编制了自己信号分析程序，可以对第 一心音辐值和心脏的收缩期和舒张期自动识别。 （5） 建立了病历档案管理数据库，存储患者基本情况，测试得到的数据， 分析结果及医生诊断意见等内容，为病因查询、分类、统计工作提供数据资料。 （6） 打印检测报告程序具有打印预览功能，能够控制打印机输出包括心音辐 值，时限，心音波形以及病人的有关资料。 1. 4心音检测中存在的问题 （1） 局限性：进行心音信号研究所用的心音信号检测设备基本上都是由心音 传感器、心音放大器、A/D变换器和计算机等组成，功能单一，体积较大，检测 的心音信号数据与计算机之间采用有线通信方式，这些都限制了其只能在固定场 合使用； （2） 安全性：用220V交流供电，这使其不论是在病房还是运动场地使用起 来都不方便，并且为了防止漏电而危及受试者的人身安全，还需要采取严格的安 全防范措施； （3） 测量幅度小：于在不同运动负荷下检测的心音信号幅度存在1〜10倍左 右的差异，因此在心音信号检测电路中需要设计增益控制电路，以防溢出。但是 现有的心音信号检测仪一般都采用手动方式来调节心音信号的放大增益，不仅测 试效率低且影响测试精度和客观性； （4） 效率低：由于心音信号存在较大的变