Электронный фонендоскоп

Полезная модель относится к медицинской технике и предназначена для профессиональной аускультации для диагностики дыхательной и сердечно-сосудистой систем пациентов различной конституции тела и степени тяжести состояния.
Наиболее близкими аналогами к заявляемой полезной модели по функциональному назначению относятся электронные стетоскопы и электронные фонендоскопы, электронно-акустические интерфейсы для стетоскопов. Главными отличительными признаками вышеупомянутых устройств являются наличие акустических и электронных преобразователей, содержащих электронные устройства: микрофон, усилитель-преобразователь, мини-динамик или головные телефоны, источник питания, которые конструктивно интегрированы неразъемным соединением, как правило, с головкой и гарнитурой стетоскопа.
Известен интерфейс для стетоскопа, содержащий корпус с гибким трубчатым элементом для соединения с головкой стетоскопа с образованием акустического и электронного каналов, включающим первую трубку, вентиль, источник питания, последовательно соединенные микрофон, регулируемый усилитель и динамик, причем в гибкий трубчатый элемент введена вторая трубка, первая и вторая трубки гибкого трубчатого элемента встроены в корпус с возможностью разделения соответственно акустического и электронного каналов, вентиль выполнен с возможностью акустической коррекции и переключения указанных каналов, причем регулируемый усилитель выполнен с электрическим линейным выходом для подключения внешних электронных устройств, в том числе записи и/или анализа звука (патент RU №70777 2008 г.).
К недостаткам известного интерфейса можно отнести следующие:
1. отсутствует компенсация внешних звуков, недостаточная величина регулировки нижних частот;
2. отсутствует выход на головные телефоны;
3. неудобно использовать при мониторинге легких из-за относительно большого размера и веса, когда необходимо головку стетоскопа закрепить неподвижно на длительное время.
Известно устройство для преобразования механического стетофонендоскопа в электронный, состоящее из наконечника с резьбовым соединением для стето- или фонендоскопической головки от стетоскопа типа Sprague Rappaport (Little Doctor, Китай), в основании резьбового соединения по центру основания встроен электретный микрофон, к которому жестко закреплен коаксиальный кабель, зафиксированный в наконечнике установочным винтом, с другой стороны к кабелю припаян аудиоконнектор формата mini-jack 3.5 мм для подключения к записывающему устройству (патент RU №188636 2019 г.).
К недостаткам известного устройства следует отнести:
1. отсутствие возможности прослушивания в реальном времени аускультируемого сигнала без использования дополнительных устройств (ноутбук, компьютер, звукозаписывающие устройства);
2. отсутствие возможности какой-либо обработки сигнала, будь то усиление сигнала или его фильтрация, или подавление помех без использования дополнительных устройств;
3. невозможность автономного применения устройства, ввиду необходимости дополнительного оборудования для прослушивания/обработки/записи сигналов.
Известно устройство для регистрации звуковых проявлений функционирования внутренних органов человека и животных, состоящее из акустической головки стетофонендоскопа, и соединенного с ее выходом электретного микрофона и усилителя звука с разъемом mini-jack. (патент RU №169816 U1 2017 г.).
К недостаткам известного устройства следует отнести:
1. отсутствие возможности обработки аускультируемых сигналов средствами самого устройства;
2. необходимость дополнительного оборудования (компьютер, ноутбук, смартфон) для полноценной работы устройства;
3. невозможность автономной работы электронной части устройства (что сводит на нет пользу наличия электронной части).
В качестве прототипа по наиболее близкой технической сущности нами выбран фонендоскоп - стетоскоп электронный, который содержит последовательно соединенные акустический приемник, блок усиления и фильтрации, усилитель мощности, соединенный с ним телефон, имеющий проводящие звук трубки и оголовье, последовательно соединенные аккумуляторную батарею, устройство сенсорного включения и схему формирования средней точки (земли) питания, а также интерфейс в виде двух включенных встречно-параллельно светодиодов с выводом электрического разъема, с возможностью подключения блоков аналого-цифрового преобразователя, соединенного с блоками эталонных фонограмм и блоком анализа, (патент RU №2173538, 2001 г.).
К недостаткам данного фонендоскопа можно отнести следующие:
Отсутствие схемы шумоподавления, а также малое значение соотношения сигнал/шум акустического приемника (соотношение сигнал/шум достигает величины 30 дБ), ввиду чего возникает риск «размытия» звуковой картины при прослушивании и наложение на основной сигнал дополнительных призвуков, тем самым затрудняя восприятие основного выслушиваемого сигнала.
В качестве источника звука используется один телефон, соединенный с проводящими звук трубками. Наличие дополнительной полости между телефоном и ухом исследователя ухудшает качество передаваемого телефоном звука, так как возникают риски влияний внешних шумов (трение об одежду, посторонние звуки в помещении). Также возможно неравномерное распределение звука между левой и правой «оливами», ввиду возможной негерметичности какой-либо из проводящих звук трубок.
Устройство сенсорного включения фонендоскопа осложняет управление фонендоскопом, так как возникает риск случайного нежелательного включения или отключения прибора во время работы или во время хранения, что снижает удобство работы с фонендоскопом, и может привести к преждевременному разряду аккумулятора.
Отсутствие индикатора включения прибора и/или индикатора разряда аккумулятора (источника питания), выполняющего его роль. Это не позволяет контролировать уровень заряда аккумулятора, что может привести к отключению прибора в любой момент времени, в том числе во время диагностики.
Конструктивная сложность фонендоскопа, что затрудняет его сборку/настройку и снижает надежность, ремонтопригодность, мобильность, время его работы на одном заряде источника питания, а также удобство работы с ним.
Задачей, на решение которой направлено создание предлагаемого изобретения, является:
повышение эффективности устранения влияния посторонних шумов, что улучшит качество передачи звука, и в свою очередь, повысит достоверность в постановке диагноза заболевания;
упрощение конструкции электронного фонендоскопа, и таким образом, повышение удобства работы с ним, включая процессы его сборки/настройки, а также увеличение времени его работы на одном заряде источника питания.
Техническим результатом, достигаемым с помощью заявляемой полезной модели, является:
возможность повышения соотношения сигнал/шум акустического приемника, что улучшит восприятие основного выслушиваемого сигнала, снижая риск «размытия» звуковой картины при прослушивании;
исключение использования проводящих звук трубок;
исключение возможности сенсорного включения электронного фонендоскопа, что исключит риск его случайного включения/отключения, и, соответственно, увеличит активное время его работы на одном заряде источника питания;
возможность контроля уровня заряда аккумулятора, что позволит пользователю предотвратить его преждевременный разряд.
Технический результат достигается тем, что электронный фонендоскоп содержит акустический приемник, электронные фильтры, регулятор усиления и усилитель мощности, соединенный последовательно с телефонами, выходной электрический разъем, переключатель режимов работы прибора, оголовье, источник питания, а также индикатор уровня разряда источника питания и схему шумоподавления. Внутри акустического приемника размещены два электретных микрофона, основной и компенсационный, с соотношением сигнал/шум 58 дБ. Схема шумоподавления включает инвертор фазы сигнала компенсационного микрофона, который соединен с усилителем, выполненным дифференциальным. Выход схемы шумоподавления соединен с входами электронных фильтров. Электронные фильтры представляют собой активные фильтры низких частот 8-го порядка, частоты среза которых выбраны исходя из частотных диапазонов работы органов человека. Оба телефона размещены на оголовье. В качестве выключателя источника питания использован движковый выключатель. Все конструктивные элементы, исключая акустический приемник и оголовье, размещены в блоке электроники.
На фиг. 1 изображена блок-схема фонендоскопа, где:
1. - акустический приемник;
2. - основной электретный микрофон;
3. - компенсационный электретный микрофон;
4. - схема шумоподавления;
5. - блок электроники;
6. - инвертор фазы сигнала;
7. - дифференциальный усилитель;
8. - электронный фильтр 1;
9. - электронный фильтр 2;
10. - переключатель режимов работы;
11. - регулятор усиления;
12. - усилитель мощности;
13. - выходной электрический разъем;
14. - телефоны;
15. - оголовье;
16. - источник питания;
17. - движковый выключатель;
18. - индикатор уровня разряда источника питания.
Выслушиваемые звуки поступают на акустический приемник (1), внутри которого размещены два электретных микрофона - основной (2) и компенсационный (3), необходимый для работы схемы шумоподавления (4).
Электрические сигналы от микрофонов (2, 3) поступают в блок электроники (5) на вход схемы шумоподавления (4), которая состоит из инвертора фазы сигнала (6) и дифференциального усилителя (7). Работа схемы шумоподавления (4) основана на вычитании инвертированного сигнала компенсационного микрофона (3) (шум) из сигнала основного (2) (аускультируемые звуки). Выход схемы шумоподавления (4) соединен с входами электронных фильтров (8, 9). Выбор активного в данный момент фильтра осуществляется переключателем режимов работы (10). Электронные фильтры (8, 9) представляют собой активные фильтры низких частот 8-го порядка, частоты среза которых выбраны исходя из частотных диапазонов работы органов человека. Наличие двух фильтров позволяет оперативно переключаться между двумя основными режимами работы фонендоскопа - выслушивание сердечной или легочной деятельности. После фильтров (8, 9) сигнал через регулятор усиления (11) поступает на вход усилителя мощности (12), который усиливает сигнал (усиление ~30 дБ) и выводит его параллельно на выходной электрический разъем (13), и на телефоны (14), установленные в оголовье (15). Источник питания (16) включает в себя два Li-ion аккумулятора со встроенной защитой, схему зарядки и балансировки для аккумуляторов, разъем подключения зарядного устройства. Движковый выключатель (17) соединен с индикатором разряда источника питания (18), и служит для включения и отключения фонендоскопа.
В качестве акустического приемника нами была использована головка фонендоскопа Little Doctor LD Special, но могут быть использованы головки фонендоскопа и других фирм.
Выходной электрический разъем (13) предназначен для подключения различных внешних устройств. В качестве внешних устройств могут быть использованы любые устройства, обладающие входным разъемом типа jack - компьютер, ноутбук, планшетный компьютер, смартфон - или же акустические устройства - например, дополнительная пара наушников или активная акустическая система. Это позволяет оцифровать аускультируемые сигналы и записать их для дальнейшего анализа, а также дает возможность использовать данный фонендоскоп при обучении студентов в медицинских образовательных учреждениях. Записанная на электронные носители библиотека аускультативных данных может быть использована в образовательных целях и практической медицине, например, для демонстрации студентам и врачам аускультативных явлений различных патологий. Также, данные полученные при аускультации могут быть записаны практическими врачами и переданы коллегам, руководителям, в консультативные поликлиники для коллегиального решения по диагнозу.
Отличительные существенные признаки и причинно-следственная связь между ними и достигаемым техническим результатом:
В акустическом приемнике размещены два электретных микрофона, основной и компенсационный, с соотношением сигнал/шум 58 дБ.
Два электретных микрофона, основной и компенсационный, обеспечивают работу схемы шумоподавления, дополнительно включенную в электронный фонендоскоп, которая основана на вычитании инвертированного сигнала компенсационного микрофона (шум) из сигнала основного (аускультируемые звуки.)
Повышение соотношения сигнал/шум до 58 дБ акустического приемника (в прототипе соотношение сигнал/шум достигает величины 30 дБ), а также использование схемы шумоподавления обеспечивает снижение влияния внешних шумов, что улучшает восприятие основного выслушиваемого сигнала, снижая риск «размытия» звуковой картины при прослушивании;
Схема шумоподавления включает инвертор фазы сигнала компенсационного микрофона, соединенный с усилителем, выполненным дифференциальным, при этом выход схемы шумоподавления соединен с входами электронных фильтров.
Применение дифференциального усилителя позволяет выполнить вычитание сигналов внешних шумов из основного, тем самым снижая их влияние на результаты исследования.
Оба телефона размещены на оголовье.
Наличие второго телефона, в отличие от прототипа, необходимо для исключения проводящих звук трубок, что обеспечивает повышение качества передаваемого телефонами звука, так как исключаются риски влияний внешних шумов от трубок и возможность неравномерного распределения звуков между левой и правой «оливами».
Электронные фильтры представляют собой активные фильтры низких частот 8-го порядка, частоты среза которых выбраны, исходя из частотных диапазонов работы органов человека.
Использование электронных фильтров 8-го порядка позволяет минимизировать влияние сигналов, лежащих вне частотного диапазона работы органов человека, благодаря высокому значению крутизны спада сигнала.
Электронный фонендоскоп дополнительно, кроме схемы шумоподавления, а также второго телефона, информация о которых содержится выше, содержит индикатор уровня разряда источника питания, который обеспечивает контроль уровня заряда аккумулятора, что позволяет пользователю предотвратить его преждевременный разряд.
В качестве выключателя источника питания возможно использование движкового выключателя, так как он исключает возможность случайного включения фонендоскопа.
Все вышеперечисленные конструктивные элементы, исключая акустический приемник и оголовье, размещены в блоке электроники, что обеспечивает эргономичность конструкции электронного фонендоскопа.
Совокупность существенных отличительных признаков является новой и обеспечивает достижение технического результата и выполнение задачи изобретения.
Заявляемая полезная модель успешно апробирована у 300 пациентов. При апробации заявляемого фонендоскопа у пациентов были диагностированы патологии органов дыхания, сердечно-сосудистой системы, желудочно-кишечного тракта и острой хирургической патологии. Записана на электронные носители библиотека аускультативных данных при разной патологии, которая может быть использована в образовательных целях и практической медицине. Например, демонстрация студентам и врачам аускультативных явлений при различных патологиях. Электронный фонендоскоп может быть использован на занятиях по пропедевтике внутренних болезней для контроля за освоением навыков аускультации. Данные, полученные при электронной аускультации, могут быть записаны практическими врачами и переданы коллегам, руководителям, в консультативные поликлиники для коллегиального решения по диагнозу.
Таким образом, полезная модель обеспечивает:
повышение соотношения сигнал/шум акустического приемника, а также уменьшение влияния внешних шумов, что улучшает восприятие основного выслушиваемого сигнала, снижая риск «размытия» звуковой картины при прослушивании;
исключение использования проводящих звук трубок;
исключение сенсорного включения электронного фонендоскопа, что исключает риск его случайного включения/отключения, и, соответственно, увеличивает активное время его работы на одном заряде источника питания;
контроль уровня заряда источника питания, что позволяет пользователю предотвратить его преждевременный разряд,
что в совокупности
повышает эффективность устранения влияния посторонних шумов, что улучшает качество передачи звука, что, в свою очередь, повышает достоверность в постановке диагноза заболевания;
упрощает конструкцию электронного фонендоскопа, и таким образом, повышает удобство работы с ним, включая процессы его сборки/настройки, а также увеличивает время его работы на одном заряде источника питания.