Исследование эффективности электроакустических преобразователей электронных стетофонендоскопов

Приведены результаты экспериментальных исследований характеристик приемных электроакустических преобразователей электронных стетофонендоскопов: контактного пьезокерамического стержневого микрофона, специального микрофонного сенсора с воздушной камерой и высокочувствительного изгибного акселерометра....

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Акустичний вісник
Date:	2009
Main Authors:	Артемьев, А.М., Макаренков, А.П., Макаренкова, А.А.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут гідромеханіки НАН України 2009
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87268
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Исследование эффективности электроакустических преобразователей электронных стетофонендоскопов / А.М. Артемьев, А.П. Макаренков, А.А. Макаренкова // Акустичний вісник — 2009. —Т. 12, № 1. — С. 3-10. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859660873763651584
author	Артемьев, А.М. Макаренков, А.П. Макаренкова, А.А.
author_facet	Артемьев, А.М. Макаренков, А.П. Макаренкова, А.А.
citation_txt	Исследование эффективности электроакустических преобразователей электронных стетофонендоскопов / А.М. Артемьев, А.П. Макаренков, А.А. Макаренкова // Акустичний вісник — 2009. —Т. 12, № 1. — С. 3-10. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Акустичний вісник
description	Приведены результаты экспериментальных исследований характеристик приемных электроакустических преобразователей электронных стетофонендоскопов: контактного пьезокерамического стержневого микрофона, специального микрофонного сенсора с воздушной камерой и высокочувствительного изгибного акселерометра. Установлено, что наиболее эффективные преобразователи - это пьезокерамический контактный микрофон и акселерометр. Проанализированы источники помех преобразователей в процессе аускультации. Отмечена перспективность применения электронных стетофонендоскопов. Наведені результати експериментальних досліджень характеристик приймальних електроакустичних перетворювачів електронних стетофонендоскопів: контактного п'єзокерамічного стрижневого мікрофона, спеціального мікрофонного сенсора з повітряною камерою і високочутливого згинального акселерометра. Встановлено, що найбільш ефективні перетворювачі - це п'єзокерамічний контактний мікрофон і акселерометр. Проаналізовані джерела перешкод перетворювачів у процесі аускультації. Відзначено перспективність застосування електронних стетофонендоскопів. The paper deals with results of experimental studying of characteristics of receiving electroacoustic transducers of an electronic stethophonendoscope: the contact piezoceramic rod microphone, special microphone sensor with an air-chamber and highly sensitive flexural accelerometer. The piezoceramic contact microphone and accelerometer have been found the most efficient acoustic transducers. The sources of interferences for transducers in the process of auscultation have been analyzed. The perspective of application of electronic stethophonendoscopes is pointed out.
first_indexed	2025-11-30T10:02:20Z
format	Article
fulltext	ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2009. Том 12, N 1. С. 3 – 10 УДК 534.7+621.391.8 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОННЫХ СТЕТОФОНЕНДОСКОПОВ А. М. АР ТЕ МЬ ЕВ, А. П. М АК А РЕ Н К ОВ, А. А. М АК А Р ЕН К ОВ А Институт гидромеханики НАН Украины, Киев Получено 01.08.2009 Приведены результаты экспериментальных исследований характеристик приемных электроакустических преобразо- вателей электронных стетофонендоскопов: контактного пьезокерамического стержневого микрофона, специального микрофонного сенсора с воздушной камерой и высокочувствительного изгибного акселерометра. Установлено, что наиболее эффективные преобразователи – это пьезокерамический контактный микрофон и акселерометр. Проана- лизированы источники помех преобразователей в процессе аускультации. Отмечена перспективность применения электронных стетофонендоскопов. Наведенi результати експериментальних дослiджень характеристик приймальних електроакустичних перетворюва- чiв електронних стетофонендоскопiв: контактного п’єзокерамiчного стрижневого мiкрофона, спецiального мiкро- фонного сенсора з повiтряною камерою i високочутливого згинального акселерометра. Встановлено, що найбiльш ефективнi перетворювачi – це п’єзокерамiчний контактний мiкрофон i акселерометр. Проаналiзованi джерела пере- шкод перетворювачiв у процесi аускультацiї. Вiдзначено перспективнiсть застосування електронних стетофонендо- скопiв. The paper deals with results of experimental studying of characteristics of receiving electroacoustic transducers of an electronic stethophonendoscope: the contact piezoceramic rod microphone, special microphone sensor with an air-chamber and highly sensitive flexural accelerometer. The piezoceramic contact microphone and accelerometer have been found the most efficient acoustic transducers. The sources of interferences for transducers in the process of auscultation have been analyzed. The perspective of application of electronic stethophonendoscopes is pointed out. ВВЕДЕНИЕ В медицинской практике на протяжении почти 190 лет широко применяется акустический при- бор – стетофонендоскоп [1], с помощью которо- го врачи успешно осуществляют достаточно про- стую, но вместе с тем весьма ценную диагностиче- скую процедуру – аускультацию. Ее ценность со- стоит в том, что врач неинвазивным экологиче- ски безопасным методом получает большой объем акустической информации, содержащейся в зву- ках, генерируемых при функционировании основ- ных систем организма: сердечно-сосудистой, дыха- тельной, желудочно-кишечного тракта, суставов и др. Акустическая информация обрабатывается и анализируется совершенным полифункциональ- ным органом – мозгом диагноста. Это и определи- ло широкое использование стетофонендоскопов в клинической медицине. Описанное акустическое биомеханическое устройство не лишено недостатков, часть из которых была устранена в процессе совершен- ствования стетофонендоскопа. Тем не менее, ряд проблем обусловлен самой пневматической схемой стетофонендоскопов: наличием полой звукоприемной головки, диафрагмы и гибких эла- стичных звукопроводов – элементов, без которых невозможны регистрация и передача звукового давления от поверхности тела к слуховым орга- нам. Как показано в теоретической работе [2] и подтверждено экспериментально [3, 4], в первую очередь сюда следует отнести нелинейность и изрезанность амплитудно-частотной характе- ристики, вызванные звукоприемной головкой, диафрагмой, звукопроводами, обладающими определенными механическими и геометрически- ми параметрами. Указанные функциональные части стетофонендоскопа невозможно устранить, поэтому разработчики варьируют размерами и материалами, из которых они изготавливаются. Существенными недостатками биомеханических стетофонендоскопов являются также ограничен- ная механическая фильтрация полезного сигнала и невозможность его усиления. Все это послужило определяющими стимулами для создания принципиально новых видов стето- фонендоскопов – электронных [6 – 9]. Использова- ние современных электронных технологий в та- ких приборах медицинского диагностического на- значения существенно расширяет их технические возможности и повышает достоверность аускуль- тативной информации о состоянии здоровья чело- века. Первые попытки в этом направлении были сделаны еще в середине 1930-ых гг., а реально c© А. М. Артемьев, А. П. Макаренков, А. А. Макаренкова, 2009 3 ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2009. Том 12, N 1. С. 3 – 10 действующие электронные приборы (одноканаль- ные и многоканальные) с приемлемыми для ди- агноста акустическими характеристиками появи- лись в последнее десятилетие. Одноканальные сте- тофонендоскопы предназначены для аускульта- ции врачами-практиками, а многоканальные по- зволяют одновременно осуществлять выслушива- ние группе диагностов, что удобно при работе кон- силиумов и обучении студентов. К настоящему времени не решен ряд вопросов, обеспечивающих акустическое совершенство электронных стетофо- нендоскопов, в том числе, выбор наиболее эффе- ктивных электроакустических преобразователей. Не осуществлена оценка их акустической эффе- ктивности. Цель данной работы – исследование электроаку- стических преобразователей звука, используемых в электронных стетофонендоскопах, и определе- ние их акустической эффективности. 1. ОПИСАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ Известно, что процесс передача звука из одной среды в другую определяется соотношением их волновых сопротивлений [10]. При переходе зву- ка из акустически мягкой среды в акустически жесткую звуковое давление во второй среде воз- растает, в то время как колебательная скорость уменьшается. Переход звука из акустически жес- ткой среды в акустически мягкую сопровождается противоположными явлениями – звуковое давле- ние понижается, а колебательная скорость возрас- тает. Эти физические закономерности указывают пути рациональной регистрации звука с поверхно- сти тела человека. Если необходимо регистриро- вать звуковое давление, то в сенсорах контактные поверхности должны быть выполнены из матери- алов с волновым сопротивлением, большим вол- нового сопротивления биотканей тела. При реги- страции колебательной скорости поверхности те- ла должен использоваться сенсор с контактной по- верхностью из материалов с волновым сопротив- лением, близким к волновому сопротивлению би- отканей. Многолетний опыт применения в практической медицине традиционного биомеханического при- бора аускультации был использован при разрабо- тке конструкции и эргономики электронных сте- тофонендоскопов. Так, было выявлено, что эле- ктронные стетофонендоскопы целесообразно ком- поновать из двух основных узлов: 1. электроакустического преобразователя, сов- мещенного в одном блоке с системой эле- ктронного усиления и фильтрации сигналов и источником электропитания прибора; 2. устройства озвучивания, состоящего из эле- ктроакустического преобразователя – конвер- тора электрических сигналов в звук, и оголо- вья, через звукопроводы которого звук посту- пает на вход слуховых органов диагноста. Подобное конструктивное решение обусловлено тем, что врачу в процессе аускультации более удо- бно манипулировать пальцами одной руки: при- держивать, переставлять и прижимать преобразо- ватель к телу пациента. В корпусе электронного блока обычно расположены регулятор громкости сигнала, переключатель и индикаторы режимов “сердце” и “легкие”. Использование в электрон- ном стетофонендоскопе привычного для диагно- ста оголовья, соединенного кабелем с электрон- ным блоком, существенно облегчает и упрощает процедуру аускультации. Хотя с момента появления первых электрон- ных стетофонендоскопов прошло всего чуть бо- лее десяти лет, за это время были реализованы две тенденции в создании этих приборов. Пер- вая из них доминировала в начальный период ра- зработки (до 2000 г.), когда в электронном бло- ке усиление и фильтрация сигналов осуществля- лась универсальными микросхемами (чипами) с дополнительной навеской других радиоэлектрон- ных элементов. В дальнейшим стали внедрять спе- циализированные микросхемы, разрабатываемые для конкретной конструкции электронного стето- фонендоскопа. Это – второй путь, более затра- тный на начальной стадии разработки, но имею- щий ряд существенных преимуществ. Он расши- ряет технические возможности прибора, умень- шает массогабаритные параметры и существенно снижает энергопотребление, удешевляет его при серийном производстве. Общими и неизменными для электронного сте- тофонендоскопа основными устройствами остаю- тся электроакустические преобразователи. Один из них предназначен для регистрации звуков жи- знедеятельности человека и преобразование их в электрический сигнал. Другой преобразова- тель конвертирует предварительно усиленный и отфильтрованный сигнал в звук, воспринимаемый и анализируемый диагностом. В большинстве эле- ктронных стетофонендоскопов используются пре- образователи на основе звукоприемных головок механических стетофонендоскопов, внутри кото- рых размещается электретный микрофон. Суще- ствуют также стетофонендоскопы с микрофоном, 4 А. М. Артемьев, А. П. Макаренков, А. А. Макаренкова ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2009. Том 12, N 1. С. 3 – 10 а б в Рис. 1. Схемы электроакустических преобразователей: а – контактный микрофон (0 – биоткани, 1 – передняя накладка, 2 – корпус, 3 – тыльная накладка, 4 – предусилитель, М – мембрана, ПК – чувствительный элемент); б – специальный датчик микрофонного типа с воздушной камерой (0 – биоткани, 1 – корпус, 2 – отверстия, 3 – механический фильтр, 4 – микрофон); в – электроакустический преобразователь колебательного ускорения (0 – биоткани, 1 – основание, 2 – предусилитель, 3 – инерционная масса, 4 – корпус) установленным внутри эластичного звукопрово- да [8, 9]. Акустические характеристики приемных и конвертирующих преобразователей звука опре- деляют эффективность электронных стетофонен- доскопов. В Институте гидромеханики НАН Украины со- зданы и исследованы три типа портативных мо- бильных электронных стетофонендоскопов, отли- чающихся лишь тем, что в каждом из них исполь- зованы разные электроакустические преобразова- теля: контактный микрофон [11], специальный да- тчик микрофонного типа с воздушной камерой и электроакустический преобразователь колеба- тельного ускорения – акселерометр (разработка авторов статьи). Схемы исследованных приемных преобразователей представлены на рис. 1. Подробно конструкция контактного микрофона описана в работе [11]. Он представляет собой стер- жневой односторонний пьезокерамический при- емник звукового давления. Роль приемной кон- тактной поверхности такого сенсора играет тон- кая металлическая мембрана “М” (см. рис. 1, а), а чувствительным элементом служит пьезокера- мический цилиндр “ПК”, работающий в режи- ме “сжатие – растяжение”. Градуировкой установ- лено, что амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) контактного микрофона линейна в диапа- зоне 10÷50000 Гц, его чувствительность составля- ет 2.5 мВ/Па [12], а коэффициент трансформации равен 9. В специальном сенсоре микрофонного типа, с воздушной камерой (см. рис. 1, б) чувствительным элементом служит однонаправленный малора- змерный электретный микрофон КРСМ-20В, АЧХ которого линейна в диапазоне 40÷16000 Гц, а чув- ствительность в свободном поле равна 66±2 дБ. Из схемы видно, что в предложенным нами микро- фонном электроакустическом преобразователе, в отличие от микрофонных устройств, применяе- мых зарубежными исследователями [13, 14], уста- новлен оригинальный механический фильтр, кото- рый включает три отверстия в звукоприемной го- ловке, пористый материал внутри полого цилин- дра, ряд отверстий в его донной части, а также слой воздуха между поверхностью микрофона и дном цилиндра. Так обеспечивается более равно- мерное распределение компенсирующего статиче- ского давления по площади микрофона и исклю- чается возникновение резонансных эффектов вну- три звукоприемной головки. Третьим исследовался акселерометр [15], специ- ально разработанный и созданный с учетом ха- рактеристик звуков, генерируемых при функци- онировании сердца и легких человека, линейно- сти АЧХ и чувствительности по ускорению (см. рис. 1, в). Нами была выбрана консольная изгибно- деформационная схема нагрузки пьезокерамиче- ского элемента, что позволило получить выходную чувствительность на уровне 25 мВ/(м ·с−2) в ди- апазоне частот 20÷2000 Гц. Конструкция сенсора обеспечивает постоянное усилие прижатия его к поверхности тела в процессе аускультации, когда периметр корпуса плотно прилегает к телу. Те- хнически такая возможность реализована за счет установки сенсора в металлический корпус с кре- плением его верхней части к торцевой поверхно- сти корпуса через упругий элемент. Это сделано для того, чтобы условия, при которых осуществ- А. М. Артемьев, А. П. Макаренков, А. А. Макаренкова 5 ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2009. Том 12, N 1. С. 3 – 10 Рис. 2. Блок-схема электронных стетофонендоскопов с анализирующей аппаратурой: 1 – преобразователь с предусилителем, 2 – ФНЧ – сердечный тракт, 3 – ФНЧ – легочный тракт, 4 – ФВЧ – легочный тракт, 5 – усилитель легочного тракта, 6 – оконечный усилитель, 7 – преобразователь звука, 8 – оголовье, 9 – анализатор спектра 2034 B&K, 10 – плоттер 2379 B&K Рис. 3. Общий вид электронного стетофонендоскопа с микрофонным сенсором ляется аускультация звуков жизнедеятельности, были неизменными в любой точке поверхности те- ла пациента. Все электронные стетофонендоскопы с перечи- сленными электроакустическими преобразовате- лями имеют практически одинаковые электрон- ные тракты усиления, фильтрации и конвертации звуковых сигналов. АЧХ каждого из них линейна в диапазоне частот 10÷5000 Гц. Отличаются лишь предусилители, что вызвано различием величи- ны выходного сопротивления: пьезокерамические чувствительные элементы контактного микрофо- на и акселерометра имеют высокоомный выход, а электретный микрофон – низкоомный. Обобщенная блок-схема электронного стето- фонендоскопа представлена на рис. 2. Рассмо- трим более подробно функционирование основных узлов. Преобразуемые чувствительными элемен- тами сенсоров сигналы, генерируемые процесса- ми жизнедеятельности организма человека, посту- пают на предусилитель 1, где трансформирую- тся из высокоомных в низкоомные (в случае пье- зокерамических чувствительных элементов), что существенно снижает уровень электромагнитных наводок. Их снижению также способствует ра- змещение предусилителя в одном металлическом корпусе с чувствительными элементами преобра- зователя. Далее усиленный сигнал подается на фильтр сердечного или легочного тракта, в зави- симости от того, звуки какого органа выслуши- ваются. Фильтр сердечного тракта – это фильтр низкой частоты (ФНЧСТ) – 2, уменьшающий на 24 дБ/окт амплитуду сигнала, начиная с грани- чной частоты 350 Гц. В тракте легочных сиг- налов имеется два фильтра: низкой (ФНЧЛТ) и высокой частоты (ФВЧЛТ), а также усилитель 5. Фильтр низкой частоты – трехступенчатый актив- ный фильтр, снижающий сигнал на 12 дБ/окт на частотах выше 1500 Гц. Фильтр высокой часто- ты предназначен для понижения амплитуды си- гнала на частотах ниже 30 Гц. Крутизна спада в нем составляет 24 дБ/окт. Необходимость нали- чия усилителя 5 в легочном тракте стетофонендо- скопа вызвана различием уровней полезного си- гнала звуков сердца и звуков дыхания: в области низких частот звуки сердца обычно существенно выше звуков дыхания. Переключатель В1а позво- ляет прослушивать отфильтрованные и усиленные оконечным усилителем 6 звуки сердца или легких. С помощью потенциометра диагност регулирует уровень сигнала, который затем конвертируется в электроакустическом преобразователе 7 в звук, передаваемый по звуковопроводам оголовья и оли- вам 8 на слуховые органы врача. В электронном блоке прибора расположены светодиоды индика- ции сердечного и легочного каналов, источник эле- ктропитания (аккумулятор). В стетофонендоско- пе предусмотрен линейный выход для подключе- ния его к другим устройствам обработки и анализа сигналов. Общий вид электронного стетофонендо- скопа с контактным микрофоном представлен на рис. 3. Исследования по определению эффективности 6 А. М. Артемьев, А. П. Макаренков, А. А. Макаренкова ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2009. Том 12, N 1. С. 3 – 10 электроакустических преобразователей проводи- лись в клинике, где осуществлялась аускультация девяти пациентов в возрасте от 34 до 46 лет, пред- варительно верифицированных стандартными ме- тодами. Пять пациентов были совершены здо- ровы – у них отсутствовали какие-либо забо- левания сердца и бронхолегочной системы. У двух пациентов наблюдалась клинически подтвер- жденная правосторонняя верхнедолевая пневмо- ния средней тяжести, двое других пациентов бо- лели обструктивным бронхитом. Аускультацию сердца и легких с помощью эле- ктронных стетофонендоскопов с исследуемыми электроакустическими преобразователями прово- дил высококвалифицированный врач. Используя регулятор громкости, он мог обеспечить наибо- лее комфортный уровень звука, который позволял ему выявлять звуковые феномены сердца. При ау- скультации легких врач отчетливо различал вези- кулярное, бронхиальное, трахеальное дыхание и дополнительные звуки дыхания – хрипы, свисты, трески, присущие данному заболеванию. Эти зву- ковые сигналы, выслушиваемые врачом, синхрон- но регистрировались и обрабатывались спектро- анализатором типа 2034 с последующей их визуа- лизацией на плоттере типа 2319 (оба – производ- ства фирмы “Брюль и Къер”). Далее, тем же самым стетофонендоскопом при неизменном усилении (громкости) проводилась ре- гистрация и спектральная обработка звуков на бе- дренной мышце пациента. Сигналы, регистрируе- мые при этом, классифицировались как помехи. Они вызваны переизлучением поверхности тела звуковым фоном помещения и вибрациями, иду- щими от пола и распространяющимися по телу пациента [17]. Разность уровней звуков жизнедея- тельности и звуков, зарегистрированных на бедре, определяло соотношение сигнал/помеха, т. е. аку- стическую эффективность электроакустического преобразователя электронного стетофонендоско- па. Регистрация звуков сердца, звуков дыхания и звуков на бедренной мышце осуществлялась в режимах работы стетофонендоскопа “сердце” или “легкие”. 2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Проведенные исследования показали, что в эле- ктронных стетофонендоскопах с успехом могут быть использованы приемные преобразователи как звукового давления (микрофоны), так и коле- бательного ускорения (акселерометры). Это под- тверждают графики спектральных зависимостей Рис. 4. Спектры мощности звуков дыхания, зарегистрированные специальным сенсором микрофонного типа: 1 – звуки сердца в точке 5Л, 2 – звуки сердца через ткань в точке 5Л, 3 – звуки на бедренной мышце Рис. 5. Спектры мощности звуков сердца, зарегистрированные контактным микрофоном: 1 – звуки сердца в точке 5Л, 2 – звуки сердца через ткань в точке 5Л, 3 – звуки на бедренной мышце звуков сердца и звуков дыхания пациента. Подо- бные спектры сигналов жизнедеятельности, заре- гистрованные нашими электронными стетофонен- доскопами, в полной мере коррелируют со спе- ктрами, полученными с помощью фоноспирогра- фического комплекса “КоРА-03М1” [15]. Рис. 4 соответствует звукам сердца у практичес- ки здорового пациента, зарегистрированным сен- сором микрофонного типа (см. рис. 1, б). Спектры звуков сердца того же пациента, зарегистрирован- ные стетофонендоскопом с контактным микрофо- ном на основе стержневого преобразователя (см. рис. 1, а), изображены на рис. 5. На графиках так- же приведены спектры звуков сердца при аускуль- тации через рубашку из плотной джинсовой тка- ни и спектры звуков, снятые на бедренной мышце пациента. Нетрудно заметить, что чувствитель- ность сенсоров достаточна для аускультации зву- ков сердца даже через слой плотной ткани. Хотя у А. М. Артемьев, А. П. Макаренков, А. А. Макаренкова 7 ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2009. Том 12, N 1. С. 3 – 10 Рис. 6. Эффективность электроакустических преобразователей при аускультации звуков сердца: 1 – контактный стержневой преобразователь, 2 – акселерометр, 3 – специальный микрофонный сенсор Рис. 7. Спектры мощности звуков дыхания: 1 – форсированное дыхание (точка 2П), 2 – трахеальное дыхание (точка 1Я), 3 – бронхиальное дыхание (точка 4П), 4 – везикулярное дыхание (точка 2П), 5 – звуки на бедренной мышце микрофонного преобразователя уровни полезного сигнала уменьшаются при этом на 4÷6 дБ, фор- ма спектра остается неизменной. При регистра- ции звуков сердца контактным микрофоном через ткань происходит снижение уровней спектраль- ных составляющих на 10 дБ в диапазоне низких частот 25÷125 Гц. Спектры звуков сердца, снятые акселерометром, по своей форме и уровням близ- ки к спектрам, зарегистрированным контактным микрофоном. Подобные результаты были получе- ны Краманом [16]. С использованием звуков сердца, полученных при регистрации непосредственно с поверхности грудной клетки в точке 5Л, выполнена оценка эф- фективности электроакустических преобразовате- лей. Величина эффективности определялась как разность звуков сердца (полезный сигнал) и зву- ков, регистрируемых на бедренной мышце (по- мехи), где звуки сердца полностью отсутствуют, см. рис. 6. Из графика видно, что наиболее эф- фективным преобразователем в диапазоне частот 30÷150 Гц, характерных для звуков сердца, ока- зался контактный микрофон 1. Его эффектив- ность изменяется в пределах 8÷25 дБ, т. е. поле- зный сигнал в 7.5÷20 раз выше уровня помех. Не- сколько меньшая эффективность выявлена у пре- образователя на основе акселерометра, однако эти отличия не превышают 2÷3 дБ. Как было установ- лено, эффективность специального микрофонно- го преобразователя для звуков сердца составляет около 10÷12 дБ (полезный сигнал всего в 3÷4 ра- за превышает помеху). При определении акустической эффективности исследуемых преобразователей при аускультации звуков дыхания необходимо учитывать следую- щее. В отличие от звуков сердца, которые всегда регистрируются в спокойном физическом и эмо- циональном состоянии пациентов, уровни звуков дыхания существенно зависят от интенсивности дыхания (слабое, спокойное, форсированное) и ме- ста регистрации. В качестве примера рассмотрим спектры звуков дыхания одного и того же паци- ента, зарегистрированные микрофонным преобра- зователем в разных точках грудной клетки в со- ответствии с общепринятыми нормами (рис. 7). В точке 2П (в правой среднеподключичной обла- сти грудной клетки) хорошо выслушивалось вези- кулярное дыхание. На спине выше лопаток зву- ки соответствовали бронхиальному дыханию (точ- ка 4П). На груди (в районе яремной ямки) ре- гистрировалось трахеальное дыхание (точка 1Я). Звуки форсированного дыхания были слышны в точке 2П. Отличия спектральных составляющих звуков дыхания в разных точках хорошо просматриваю- тся во всем диапазоне исследуемых частот. Так, при аускультации здорового пациента самые сла- бые звуки соответствовали точке 2П, где наибо- лее четко выслушивается везикулярное дыхание. При бронхиальном и трахеальном дыхании выяв- лены более высокие уровни. Форсированное дыха- ние приводило к существенному повышению уров- ня полезного сигнала. При регистрации звуков дыхания у больных пневмонией или бронхитом обнаружено суще- ственное повышение уровня сигнала во всех ука- занных точках. Поэтому максимальная эффектив- ность стетофонендоскопов, определенная по соо- тношению сигнала/помеха, выявлена при аускуль- тации звуков дыхания у больных пневмонией и бронхитом. Это связано с изменением биомехани- ческих свойств в их бронхолегочной системе, при- водящим к повышению уровня полезного сигна- ла. Однако, по нашему мнению, акустическую эф- фективность прибора более корректно определять 8 А. М. Артемьев, А. П. Макаренков, А. А. Макаренкова ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2009. Том 12, N 1. С. 3 – 10 по звукам сердца и звукам дыхания у здоровых людей, так как у различных больных уровни зву- ков жизнедеятельности могут существенно отли- чаться как в сторону увеличения, так и уменьше- ния их уровня. На рис. 8 приведена экспериментально опреде- ленная акустическая эффективность для трех ис- следуемых преобразователей в режиме аускуль- тации звуков везикулярного дыхания у здоро- вых людей. Установлено, что она максимальна для контактного пьезокерамического микрофо- на и акселерометра, а минимальна – для специ- ального микрофонного преобразователя. У пер- вых двух приемных устройств в диапазоне ча- стот 100÷580 Гц эффективность достигает 25 дБ, а у третьего составляет всего лишь 10÷15 дБ. На частотах от 600 до 1400 Гц эффективность пер- вых двух исследованных сенсоров понижается до 10÷12 дБ, а у специального микрофонного она па- дает до нуля уже в окрестности 1000 Гц. Как видно из результатов наших исследова- ний, роль приемных преобразователей в электрон- ных стетофонендоскопах трудно переоценить. Эф- фективность преобразования звуковой энергии в электрическую в значительной мере определяе- тся типом чувствительных элементов сенсора и его конструкцией. Если рассмотреть устройство контактного микрофона как наиболее эффектив- ного преобразователя, то в нем механические ко- лебания звуков жизнедеятельности поступают не- посредственно на чувствительный пьезокерамиче- ский элемент с поверхности тела. При этом вол- новые сопротивления приемного элемента (метал- лической мембраны) выше волнового сопротивле- ния биотканей тела в 25 раз, что приводит к во- зрастанию звукового давления полезного сигнала. Жесткий внешний корпус и слой воздуха, окру- жающий чувствительный элемент, изолируют сен- сор от воздействия внешнего звукового фона (по- мехи). Подобное конструктивное решение приме- нено и в специальном акселерометре [15]. Эти ме- роприятия обусловили высокую акустическую эф- фективность обоих приемных устройств. При работе микрофонного преобразователя с воздушной камерой необходимо принимать во вни- мание две основные причины, снижающие его эф- фективность. Первая из них заключается в том, что капилляр, предназначенный для компенсации статического давления, является механическим фильтром звука, но через него также частично передаются звуки внешнего фона (помехи). Вто- рой причиной, понижающей эффективность пре- образователя, служит наличие электретного ми- крофона. Как уже отмечалось, мы использовали в Рис. 8. Эффективность электроакустических преобразователей: 1 – контактный стержневой преобразователь, 2 – акселерометр, 3 – специальный микрофонный сенсор этом преобразователе однонаправленный электре- тный микрофон. Тем не менее, уровни полезно- го сигнала и внешнего фона в исследуемом слу- чае достаточно близки, и сигналы от источников внешнего фона (помехи), поступающие на вторую (нерабочую) менее чувствительную поверхность микрофона, снижают его эффективность. Мож- но утверждать, что в электронных стетофонен- доскопах следует использовать электроакустиче- ские преобразователи, у которых отсутствует про- межуточная звукопроводящая среда с волновым сопротивлением, существенно меньшим волнового сопротивления чувствительного элемента (в дан- ном случае – воздух). Кроме того, в микрофонном преобразователе с воздушной камерой отсутствует звукоизоляция чувствительного элемента от внеш- ней помехи. Электронные стетофонендоскопы дают возмож- ность проводить аускультацию звуков жизнедея- тельности организма человека подобно биомеха- ническим стетофонендоскопам, однако они име- ют ряд существенных преимуществ, а именно, ли- нейную АЧХ, высокую чувствительность прием- ных электроакустических преобразователей, по- зволяют осуществлять фильтрацию звуковых сиг- налов на заданных частотах и усиливать полезный сигнал. Эти технические решения обеспечивают выслушивание электронными стетофонендоскопа- ми даже звуковых сигналов низкой интенсивно- сти, могущих содержать диагностические призна- ки. Как известно, острота слуха у человека ухуд- шается с возрастом и возникает неразрешимое при аускультации биомеханическим стетофонендоско- пом противоречие между накопленным бесценным практическим опытом врача и необратимым суже- нием возможностей его слухового аппарата. В то же время, электронный стетофонендоскоп позво- ляет в значительной степени смягчить эту пробле- А. М. Артемьев, А. П. Макаренков, А. А. Макаренкова 9 ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2009. Том 12, N 1. С. 3 – 10 му путем целенаправленной фильтрации и усиле- ния полезных звуковых сигналов в конвертирую- щих электроакустических преобразователях. Наряду с отмеченными положительными сторо- нами электронных стетофонендоскопов существу- ет возможность подключения их к анализирую- щей аппаратуре или сети Интернет [18]. В первом случае полезные сигналы могут быть подробно и объективно проанализированы и визуализирова- ны, а во втором, передавая регистрируемые при аускультации звуки жизнедеятельности, диагност оказывается в состоянии использовать опыт высо- коквалифицированных специалистов, находящи- хся в специализированных диагностических цен- трах. Исходя из этого, мы считаем, что со вре- менем электронные стетофонендоскопы заменят в практическом медицине традиционные биомеха- нические. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Проведены экспериментальные исследования по определению эффективности трех приемных эле- ктроакустических преобразователей, предназна- ченных для работы в портативных мобильных стетофонендоскопах: контактного пьезокерамиче- ского стержневого микрофона, специального ми- крофонного сенсора с воздушной камерой и ди- афрагмой, а также высокочувствительного пье- зокерамического изгибно-деформационного аксе- лерометра. Установлено, что наиболее эффектив- ными преобразователями звуков сердца и звуков дыхания (по соотношению сигнал/помеха) являю- тся контактный микрофон и акселерометр, эффе- ктивность которых составляет 18÷25 дБ, в диа- пазоне частот, характерных для звуков сердца и звуков дыхания. Эффективность же микрофон- ного сенсора не превышает 12÷15 дБ. Выявлена возможность аускультации звуков сердца с помо- щью исследуемых сенсоров через слой плотной ткани. Указаны источники помех, снижающие эф- фективность исследованных электроакустических преобразователей. Отмечены преимущества и пер- спективность применения электронных стетофо- нендоскопов в практической медицине. БЛАГОДАРНОСТЬ Авторы выражают благодарность Г. П. Вино- градному за техническую помощь, оказанную при выполнении данных исследований. 1. Большая советская энциклопедия, 3-е изд. Том 1.– М.: Сов. энцикл, 1969–1978.– С. 483 с. 2. Вовк И. В., Гончарова И. Ю. Аналитический ме- тод для оценки акустических свойств стетоско- пов // Акуст. вiсн.– 2000.– 3, N 3.– С. 10–16. 3. Abella M., Formolo J., Penney D. G. Comparison of the acoustic properties of six popular stethoscopes // J. Acoust. Soc. Amer.– 1992.– 91.– P. 2224–2228. 4. Сallahan D., Waugh J., Mathew G. A., Grander W. M. Stethoscopes: what are we hear- ing? // Biomed. Instrum. Technol.– 2007.– 41, N 4.– P. 318–323. 5. Николаенков А. И. Стетоскоп.– Изобретение СС- СР, а/с N 1491456, кл. А 61 В7/04 // Бюл. N 25, 07.07.89. 6. Руководство пользователя электронного стетоско- па HP STETHOS [электронный ресурс]. Режим до- ступа к сайту: http://www.hp.com/go/hpstethos. 7. Стетофонендоскоп 100194 Meditron [эле- ктронный ресурс]. Режим доступа к сайту: http://www.55355.ru/100/100_001/000_506.htm. 8. Cтетофонендоскоп Литтманн (Littmann) Electronic Stethoscope Model 3000 [эле- ктронный ресурс]. Режим доступа к сайту: http://www.3m-spb.ru/littmann/index.pbp. 9. Cтетофонендоскоп Литтманн (Littmann) Electronic Stethoscope Model 4100 WS [эле- ктронный ресурс]. Режим доступа к сайту: http://www.3m-spb.ru/littmann/index.pbp. 10. Ржевкин С. Н. Курс лекций по теории звука.– М.: Изд-во МГУ, 1960.– 335 с. 11. Грiнченко В. Т., Виноградний Г. П., Макаренко- ва А. А. Акустичний сенсор – Пат. 14732 Україна, МПК 7 А61 В7/00 – N u200512326 // Бюл. N 5, 15.05.2006. 12. Гринченко В. Т., Макаренкова А. А. Сравнение эффективности электроакустических преобразо- вателей устройств электронной аускультации // Акуст. вiсн.– 2007.– 10, N 1.– С. 17–29. 13. Kraman S. S., Wodicka G. R., Oh Y., Pasterkamp H. Measurement of respiratory acoustic signals. Effect of microphone air cavity width, shape, and venting // Chest.– 1995.– 108.– P. 1004–1008. 14. Гончарова И. Ю. Датчик для регистрации шумов дыхания на основе использования микрофона // Акуст. вiсн.– 2000.– 3, N 2.– С. 56–62. 15. Макаренкова А. А. Акустичнi характеристики звукiв дихання, методи їх реєстацiї та обробки: ав- тореф. дис. . . . канд. фiз.-мат. наук.– К.: Iн-т гiдро- мех. НАН України, 2008.– 20 с. 16. Kraman S. S. Transmission of lung sounds through light clothing // Respiration.– 2008.– 75, N 1.– P. 85– 88. 17. Вовк И. В., Макаренкова А. А. Эксперименталь- ное исследование помех, возникающих при реги- страции дыхательных шумов электронными сте- тофонендоскопами // Акуст. вiсн.– 2007.– 10, N 4.– С. 26–34. 18. Электронный портативный стетоскоп Handheld STG T-Mobile Kit [электронный ресурс]. Режим доступа к сайту: http://stethographics.com. 10 А. М. Артемьев, А. П. Макаренков, А. А. Макаренкова
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-87268
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1028-7507
language	Russian
last_indexed	2025-11-30T10:02:20Z
publishDate	2009
publisher	Інститут гідромеханіки НАН України
record_format	dspace
spelling	Артемьев, А.М. Макаренков, А.П. Макаренкова, А.А. 2015-10-16T15:35:18Z 2015-10-16T15:35:18Z 2009 Исследование эффективности электроакустических преобразователей электронных стетофонендоскопов / А.М. Артемьев, А.П. Макаренков, А.А. Макаренкова // Акустичний вісник — 2009. —Т. 12, № 1. — С. 3-10. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 1028-7507 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87268 534.7+621.391.8 Приведены результаты экспериментальных исследований характеристик приемных электроакустических преобразователей электронных стетофонендоскопов: контактного пьезокерамического стержневого микрофона, специального микрофонного сенсора с воздушной камерой и высокочувствительного изгибного акселерометра. Установлено, что наиболее эффективные преобразователи - это пьезокерамический контактный микрофон и акселерометр. Проанализированы источники помех преобразователей в процессе аускультации. Отмечена перспективность применения электронных стетофонендоскопов. Наведені результати експериментальних досліджень характеристик приймальних електроакустичних перетворювачів електронних стетофонендоскопів: контактного п'єзокерамічного стрижневого мікрофона, спеціального мікрофонного сенсора з повітряною камерою і високочутливого згинального акселерометра. Встановлено, що найбільш ефективні перетворювачі - це п'єзокерамічний контактний мікрофон і акселерометр. Проаналізовані джерела перешкод перетворювачів у процесі аускультації. Відзначено перспективність застосування електронних стетофонендоскопів. The paper deals with results of experimental studying of characteristics of receiving electroacoustic transducers of an electronic stethophonendoscope: the contact piezoceramic rod microphone, special microphone sensor with an air-chamber and highly sensitive flexural accelerometer. The piezoceramic contact microphone and accelerometer have been found the most efficient acoustic transducers. The sources of interferences for transducers in the process of auscultation have been analyzed. The perspective of application of electronic stethophonendoscopes is pointed out. Авторы выражают благодарность Г. П. Виноградному за техническую помощь, оказанную при выполнении данных исследований. ru Інститут гідромеханіки НАН України Акустичний вісник Исследование эффективности электроакустических преобразователей электронных стетофонендоскопов Studying the efficiency of electroacoustic transducers of electronic stethophonendoscopes Article published earlier
spellingShingle	Исследование эффективности электроакустических преобразователей электронных стетофонендоскопов Артемьев, А.М. Макаренков, А.П. Макаренкова, А.А.
title	Исследование эффективности электроакустических преобразователей электронных стетофонендоскопов
title_alt	Studying the efficiency of electroacoustic transducers of electronic stethophonendoscopes
title_full	Исследование эффективности электроакустических преобразователей электронных стетофонендоскопов
title_fullStr	Исследование эффективности электроакустических преобразователей электронных стетофонендоскопов
title_full_unstemmed	Исследование эффективности электроакустических преобразователей электронных стетофонендоскопов
title_short	Исследование эффективности электроакустических преобразователей электронных стетофонендоскопов
title_sort	исследование эффективности электроакустических преобразователей электронных стетофонендоскопов
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87268
work_keys_str_mv	AT artemʹevam issledovanieéffektivnostiélektroakustičeskihpreobrazovateleiélektronnyhstetofonendoskopov AT makarenkovap issledovanieéffektivnostiélektroakustičeskihpreobrazovateleiélektronnyhstetofonendoskopov AT makarenkovaaa issledovanieéffektivnostiélektroakustičeskihpreobrazovateleiélektronnyhstetofonendoskopov AT artemʹevam studyingtheefficiencyofelectroacoustictransducersofelectronicstethophonendoscopes AT makarenkovap studyingtheefficiencyofelectroacoustictransducersofelectronicstethophonendoscopes AT makarenkovaaa studyingtheefficiencyofelectroacoustictransducersofelectronicstethophonendoscopes

Исследование эффективности электроакустических преобразователей электронных стетофонендоскопов

Institution

Similar Items