Электронный медицинский стетоскоп
ELECTRONIC MEDICAL STETHOSCOPE

Изобретение относится к электронной медицинской технике и предназначено для медицинского персонала и индивидуального использования при самодиагностике акустических проявлений функционирования внутренних органов человека или иного живого биологического существа в преимущественно носимом (нательном) варианте выполнения.
В последнее время наблюдается тенденция к сокращению квалифицированного медицинского персонала в отдаленных районах, в сельской местности, а также обслуживающего персонала буровых вышек, бригад геологов и др. коллективов, находящихся в удалении. Квалифицированную медицинскую помощь зачастую оказать проблематично. В связи с этим становится особо актуальным произвести разработку методики мониторинга и обследования для больших групп населения, построенной по схеме телеметрии.
Среди существующих в настоящее время медицинских фонендоскопов все большее распространение получают электронные фонендоскопы. Их отличие от традиционных приборов состоит в том, что в комплект входят электронный микрофон и наушники. Электронные фонендоскопы позволяют объективно оценивать и анализировать выслушанные звуки за счет того, что все данные записываются и обрабатываются на персональном компьютере (ПК), и идеально подходят для выслушивания всех органов, нуждающихся в диагностике.
При оснащении электронного медицинского стетоскопа системой беспроводной передачи информации с персонификацией данных пациента открывается возможность передачи данных на удаленные медицинские центры, где на основании полученной информации специалистами, обладающими высокой квалификацией, может быть поставлен правильный диагноз.
Известен многоканальный электронный стетоскоп (1. RU 2229843, МПК А61В 7/04, опубл. 10.06.2004), содержащий акустический приемник, блок фильтров, регистратор, аналого-цифровой преобразователь, блок анализа и блок эталонных фонограмм, блок управления, первый и второй блоки ключей, управляющие входы которых соединены с соответствующим выходом блока управления, при этом акустический приемник и блок фильтров выполнены многоканальными и включены последовательно, их управляющие входы соединены с соответствующими выходами блока управления, аналого-цифровой преобразователь и блок анализа выполнены многоканальными и включены последовательно, выход блока фильтров через первый блок ключей подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, регистратор выполнен многоканальным и подключен к выходу первого блока ключей, блок эталонных фонограмм выполнен многоканальным, а его управляющий вход соединен с соответствующим выходом блока управления, а выход через второй блок ключей подключен к другому входу блока анализа.
Недостатком данного устройства является относительно невысокая защищенность устройства от акустических помех.
Известно устройство для аускультации (2. RU 2062047, МПК А61В 7/04, опубл. 20.06.1996), содержащее последовательно соединенные акустический датчик, электронный блок, снабженный фильтрами с частотой полосы пропускания, соответствующей диапазону частот шумов диагностируемых органов, и электроразъемами для подключения головных телефонов и регистрирующих устройств, а также головные телефоны, причем акустический датчик выполнен в виде приемника колебательного ускорения, подвешенного через амортизатор в корпусе датчика с возможностью выступания основания-аппликатора приемника на величину не более половины высоты приемника колебательного ускорения, а на основании-аппликаторе укреплены на опорах биморфные пьезоэлектрические элементы и электромагнитный экран.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности передачи данных о результатах аускультации с одновременным результатом трансляции персональных данных пациента на удаленный терминал.
Известен индивидуальный электронный стетоскоп (3. RU 2316256, МПК А61В 7/02, опубл. 10.07.2005), содержащий последовательно соединенные панель управления и акустический приемник, телефон и блок эталонных фонограмм, блок микропроцессора, цифровой вход установок которого соединен с другим выходом панели управления, выполненной с возможностью выбора установок, порт ввода соединен с выходом акустического приемника и входом телефона, выполненного стереофоническим, другой вход которых соединен с портом вывода блока микропроцессора, в свою очередь, другой цифровой вход которого соединен с выходом блока эталонных фонограмм, содержащего индивидуальные фонограммы в цифровом виде.
Недостатком данного устройства является низкая помехозащищенность от акустических шумов и помех в окружающей среде, отсутствие аппаратуры передачи результатов исследований на удаленный медицинский центр.
Известен мобильный телефон с функцией стетоскопа (4. US 8200277, МПК Н04М 1/00, опубл. 06.12.2012), содержащий мобильный телефон с функцией обработки данных и связи, который включает в себя микрофон стетоскопа, и систему обработки данных, которая встроена в корпус мобильного телефона. Диагностические данные могут быть сохранены и переданы на удаленный медицинский центр с помощью функции связи мобильного телефона.
Наиболее близким аналогом (прототипом) к заявляемому устройству по назначению и совокупности общих существенных признаков является фонендоскоп-стетоскоп электронный (5. RU 2173538, МПК А61В 7/04, опубл. 20.09.2001), содержащий акустический приемник пьезоэлектрического типа, соединенный с согласующим каскадом, который представляет собой истоковый повторитель, выполненный в виде умножителя сопротивления, и соединен с устройством усиления и фильтрации, телефон с проводящими звук трубками, оголовьем с «оливами», электрический разъем, выход усилителя мощности соединен с телефоном через интерфейс, выполненный в виде оптопары, содержащей два светодиода, включенных встречно-параллельно с выводом электрического разъема, другой вывод которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого и выход блока эталонных фонограмм соединены с входами блока анализа.
Недостатками данного устройства являются: наличие влияния посторонних шумов, недостаточно высокие чувствительность и достоверность в постановке диагноза заболевания, невозможность передачи результатов исследования с индивидуальными данными пациента на удаленный терминал для проведения более тщательного обследования, а также невозможность текущего контроля энергетического состояния и автоотключения источника питания.
Задачей, на решение которой направлено создание предлагаемого изобретения, является улучшение технико-эксплуатационных характеристик и расширение функциональных возможностей за счет устранения влияния посторонних шумов, повышения чувствительности и увеличения достоверности в постановке диагноза заболевания, возможности беспроводной передачи данных на удаленный терминал, возможности текущего контроля энергетического состояния и автоотключения источника питания.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в электронном медицинском стетоскопе, содержащем: акустический приемник пьезоэлектрического типа, соединенный с согласующим каскадом, который соединен с устройством усиления и фильтрации, блок эталонных фонограмм и блок анализа, сенсорный переключатель и аналого-цифровой преобразователь, в состав устройства усиления и фильтрации входят малошумящий усилитель, четыре полосовых фильтра, регулируемый предварительный усилитель мощности и фильтр цепи питания, причем выход малошумящего усилителя соединен с первыми входами четырех полосовых фильтров, соединенных по параллельной схеме, с полосами пропускания 15-1000 Гц у первого, 100-500 Гц у второго, 15-2500 Гц у третьего и 20-16000 Гц у четвертого, выходы полосовых фильтров подключены к входу регулируемого предварительного усилителя мощности, который подключен к входу оконечного усилителя мощности, второй выход которого соединен с головными телефонами, а первый выход последовательно соединен с аналого-цифровым преобразователем, контроллером, приемо-передатчиком устройства беспроводной связи, причем выход приемо-передатчика устройства беспроводной связи соединен с входами гарнитуры устройства беспроводной связи, мобильным терминалом связи и персональным компьютером, второй вход контроллера соединен с блоком анализа, выход которого соединен с входом блока эталонных фонограмм, предусмотрен автономный источник питания, своим выходом подключенный к сенсорному переключателю, выход которого соединен с фильтром цепи питания, который соединен с переключателем режимов для коммутации малошумящего усилителя с входами первого, второго, третьего и четвертого полосовых фильтров.
Решение задачи улучшения технико-эксплуатационных характеристик и расширения функциональных возможностей стетоскопа достигается также за счет дополнительных конструктивных признаков (при сохранении указанной основной совокупности):
- стетоскоп может дополнительно содержать контроллер заряда источника питания и схему разряда источника питания, при этом указанный контроллер заряда должен будет подключен ко входу источника питания, а схема разряда источника питания должна будет подключена к выходу источника питания через третий вход контроллера (это позволяет реализовать две дополнительные функции стетоскопа: текущего контроля энергетического состояния как по уровню заряда, так и по уровню разряда, то есть по электрическому напряжению); автоотключения источника питания (что позволяет более длительно его использовать);
- стетоскоп может дополнительно содержать схему автоотключения источника питания, соединенную с третьим выходом контроллера (это позволяет реализовать дополнительную функцию стетоскопа: автоотключения источника питания, что позволяет более длительно поддерживать источник питания в работоспособном состоянии).
Структурная схема предлагаемого электронного стетоскопа изображена на чертеже, где позициями обозначены основные элементы:
1 - акустический приемник пьезоэлектрического типа;
2 - согласующий каскад;
3 - малошумящий усилитель;
4 - фильтр с полосой пропускания 15-1000 Гц («первый фильтр»);
5 - фильтр с полосой пропускания 100-500 Гц («второй фильтр»);
6 - фильтр с полосой пропускания 15-2500 Гц («третий фильтр»);
7 - фильтр с полосой пропускания 20-16000 Гц («четвертый фильтр»);
8 - регулируемый предварительный усилитель мощности;
9 - оконечный усилитель мощности;
элементы поз. 3-8 входят в состав устройства усиления и фильтрации;
10 - головные телефоны (наушники);
11 - аналого-цифровой преобразователь;
12 - контроллер;
13 - дисплей жидкокристаллический;
14 - приемопередатчик устройства (сети) беспроводной связи, например Wi-Fi (Bluetooth);
15 - гарнитура устройства (сети) беспроводной связи, например Wi-Fi (Bluetooth);
16 - мобильный терминал связи;
17 - персональный компьютер (ПК);
18 - источник питания (преимущественно аккумуляторная батарея);
19 - сенсорный переключатель;
20 - фильтр цепи питания или фильтр-накопитель (в составе устройства усиления и фильтрации);
21 - переключатель режимов;
22 - блок эталонных фонограмм;
23 - блок анализа;
24 - контроллер заряда источника питания (аккумуляторной батареи);
25 - схема автоотключения источника питания;
26 - схема контроля разряда источника питания (аккумуляторной батареи).
Заявляемый электронный медицинский стетоскоп содержит:
- пьезоэлектический приемник 1, который представляет собой пьезоэлектрический датчик ускорений с максимальной поперечной чувствительностью к сигналам, распространяющимся от органов человека, и с минимальной поперечной чувствительностью к сигналам, распространяющимся по воздуху, позволяющий значительно снизить влияние шумов и увеличить соотношение сигнал/шум, т.е. улучшающий технико-эксплуатационные характеристики и эксплуатационные возможности стетоскопа;
- согласующий каскад 2, позволяющий согласовать выходное сопротивление пьезоэлектрического датчика ускорений и входное сопротивление малошумящего усилителя 3;
- малошумящий усилитель 3, позволяющий существенно улучшить шумовые характеристик тракта усиления сигнала и тем самым значительно увеличить его чувствительность к слабым колебаниям;
- полосовой фильтр с полосой пропускания 15-1000 Гц, но акцентирующий колебания в области 20-200 Гц («первый фильтр») 4, предназначенный преимущественно для выслушивания тонов сердца;
- полосовой фильтр с полосой пропускания 100-500 Гц («второй фильтр») 5, предназначенный преимущественно для выслушивания шумов легких;
- полосовой фильтр с полосой пропускания 15-2500 Гц («третий фильтр») 6, обеспечивающий широкую частотную характеристику;
- полосовой фильтр с полосой пропускания 20-16000 Гц («четвертый фильтр») 7, предназначенный преимущественно для акустического ввода индивидуальных данных пациента (фамилия, имя, отчество, условия аускультации и пр.);
- регулируемый предварительный усилитель мощности 8, позволяющий выбирать комфортный уровень звука при выслушивании шумов организма;
- оконечный усилитель мощности 9, позволяющий усилить колебания по мощности для комфортного выслушивания шумов организма;
- головные телефоны (наушники) 10, позволяющие выслушивать внутренние шумы организма без использования беспроводного канала связи;
- аналого-цифровой преобразователь 11, предназначенный для преобразования аналогового сигнала в дискретный код (цифровой сигнал);
- контроллер 12, предназначенный для ввода данных в приемопередатчик 14, реализации процедур цифровой фильтрации в соответствующих частотных диапазонах, расчета частоты сердечных сокращений, формирования сигнала автоотключения устройства от источника питания, если пользовать забыл его выключить;
- дисплей 13, преимущественно жидкокристаллический и предназначенный для отображения режимов работы устройства (вид фильтра, степень разряда источника питания, частота сердечных сокращений и др.);
- приемопередатчик 14 устройства (сети) беспроводной связи (УБС), например Wi-Fi (Bluetooth), предназначенный для организации связи по беспроводному каналу с гарнитурой 15 УБС, например Wi-Fi (Bluetooth), и мобильным терминалом связи 16;
- мобильный терминал связи 16, предназначенный для передачи результатов аускультации на удаленный медицинский терминал и приема предыдущих фонограмм пациента для их перезаписи в блоке эталонных фонограмм 22;
- персональный компьютер (ПК) [иначе говоря - персональная электронно-вычислительная машина (ПЭВМ)] 17, предназначенный для отображения результатов аускультации, их записи, обработки и хранения (формирования баз данных);
- автономный источник питания 18 (преимущественно аккумуляторная батарея), предназначенный для обеспечения энергоснабжением устройства во всех режимах работы в течение заданного времени;
- сенсорный переключатель (устройство сенсорного включения) 19, предназначенный для включения и выключения устройства, регулировки громкости при выслушивании;
- фильтр цепи питания (фильтр нижних частот, фильтр-накопитель) 20, предназначенный для исключения радиопомех в цепи питания и формирования оптимальных режимов работы электронных усилительных приборов;
- переключатель режимов 21, предназначенный для переключения фильтров 4-7;
- блок эталонных фонограмм 22, предназначенный для хранения эталонных фонограмм аускультации;
- блок анализа 23, предназначенный для сравнительного анализа выслушиваемой фонограммы с эталонной, которая хранится в блоке эталонных фонограмм 22;
- контроллер заряда источника питания (аккумуляторной батареи) 24, предназначенный для ее защиты от перезаряда, защиты от перегрузки по току и короткого замыкания;
- схему автоотключения источника питания 25, предназначенную для автоматического отключения источника питания при сильном разряде аккумуляторной батареи и в случае, если пользователь забыл выключить устройство после работы;
- схему индикации разряда источника питания (аккумуляторной батареи) 2, предназначенную для формирования данных о времени разряда источника питания с целью отображения их на жидкокристаллическом дисплее 13.
Может быть предусмотрен второй выход сенсорного переключателя 19, соединенный с делителем напряжения питания (на чертеже не показан).
Элементы 1, 2 и 3, как правило, конструктивно объединены в один общий экранированный блок.
Описанный пример конструктивного выполнения заявляемого устройства не исключает других конструктивных вариантов в рамках заявляемой формулы изобретения.
Все элементы заявляемого устройства могут быть выполнены на типовых комплектующих, например:
- малошумящий усилитель 3 может быть выполнен на микросхеме с большим входным сопротивлением типа LMP7721MA;
- фильтры 4-7 могут быть выполнены на операционном усилителе типа LMV796QMF;
- предварительный усилитель мощности 8 может быть выполнен на операционном усилителе типа LMV796QMF;
- оконечный усилитель мощности 9 может быть выполнен на специализированной микросхеме усилителя мощности с коэффициентом усиления типа LM4881M;
- головные телефоны 10 могут быть выполнены идентично или аналогично телефонам Т-PEOS D-201 или JVC HA-FXC51;
- аналого-цифровой преобразователь 11 может быть выполнен на DAC102 S085;
- контроллер 12 может быть выполнен на SCADAPack LP;
- приемопередатчик (модуль) 14 может быть выполнен, например, на WT11i;
- гарнитура 15 может быть выполнена на Sony SBH70;
- блоки анализа 23 и эталонных фонограмм 22 могут быть выполнены на микроконтроллерах LPC408x;
- мобильный терминал связи 16 может быть выполнен на андроиде Samsung Galaxy S3;
- ПК (ПЭВМ) 17 может быть выполнен(а) на Hp 255 G3 L7z53es;
- фильтр 20 цепи питания может быть выполнен на резисторах и конденсаторах;
- источник питания 18 может быть выполнен на основе аккумуляторной батареи типа LP855085;
- контроллер 24 заряда источника питания 18 (аккумуляторной батареи) может быть выполнен на основе сборки TXY8205A;
- схема 26 контроля разряда источника питания 18 (аккумуляторной батареи) и схема его (ее) автоотключения 25 могут быть выполнены на основе микросхемы LM393AAD.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
При замыкании контактов сенсорного переключателя 19 происходит замыкание цепи питания, и напряжение питания от источника 18 подается через фильтр 20 цепи питания на элементы схемы.
При проведении аускультации, заключающейся в выслушивании звуков, образующихся в процессе функционирования внутренних органов (внутренних шумов организма), звуковой сигнал поступает на пьезоэлектрический приемник 1 и через согласующий каскад 2 подается на малошумящий усилитель 3. Использование в качестве акустического приемника пьезоэлектрического датчика ускорений 1, имеющего максимальную поперечную чувствительность к сигналам, распространяющимся от органов человека, и минимальную поперечную чувствительность к сигналам, распространяющимся по воздуху, позволяет значительно снизить влияние шумов и увеличить соотношение сигнал/шум, что улучшает технико-эксплуатационные характеристики, расширяет эксплуатационные возможности заявляемого стетоскопа.
Переключателем режимов 21 выбирают соответствующие частотные диапазоны, коммутируя выходы малошумящего усилителя 3 со сходами соответствующих фильтров 4-7. Так, фильтр 4 с полосой пропускания 15-1000 Гц акцентирует колебания в области 20-200 Гц за счет цифрового фильтра, реализованного в контроллере 12, фильтр 5 с полосой пропускания 100-500 Гц позволяет выслушивать шумы легких, а фильтр 6 с полосой пропускания 15-2500 Гц обеспечивает широкую частотную характеристику (причем фильтры с аналогичными полосами пропускания реализованы в контроллере 12), фильтр 7 с полосой пропускания 20-16000 Гц пропускает разговорную речь при вводе персональных данных.
С выхода фильтров сигнал подается на регулируемый предварительный усилитель мощности 8 с коэффициентом усиления от 0 до 100, после чего - на оконечный усилитель мощности 9 с коэффициентом 1, включенный по суммирующей схеме, который усиливает звуковую частоту до уровня, необходимого для качественного прослушивания в головных телефонах (наушниках) 10, которые при необходимости подключены ко второму выходу оконечного усилителя мощности 9. Это необходимо в случае, когда гарнитурой 15 по каким-либо причинам пользоваться нет необходимости.
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 11, подключенный к первому выходу усилителя мощности 9, преобразует входной аналоговый сигнал в дискретный код. Далее цифровой код, пропорциональный аналоговому сигналу, поступает в контроллер 12, где реализуются следующие процедуры: рассчитывается частота сердечных сокращений, реализуются процедуры цифровой фильтрации. Если в течение 60 секунд данные в контроллере не обновляются, то формируется команда на автоотключение источника питания 18. Формирование команды производится на третьем выходе контроллера 12 и подается на схему 25 автоотключения источника питания 18.
Второй выход контроллера 12 подключен к дисплею 13 (на данном этапе развития науки и техники - преимущественно жидкокристаллическому), где отображается следующая информация: тип фильтра, частота сердечных сокращений, индицируется степень разряженности источника питания 18 (аккумуляторной батареи) и индицируется текущий коэффициент усиления.
Прошедшие цифровую фильтрацию результаты аускультации поступают в приемопередатчик 14 УБС и далее на гарнитуру 15 УБС для выслушивания с использованием беспроводного канала, причем эту информацию могут одновременно получать несколько пользователей, что важно, например, при обучении медицинского персонала. Также результат аускультации посредством передатчика 14 может передаваться на мобильный терминал связи 16 или на ПК (ПЭВМ) 17 для визуализации принятых колебаний с помощью специального программного обеспечения (СПО). С выхода мобильного терминала связи 16 результаты выслушивания пациента могут передаваться по беспроводным сетям в удаленные медицинские центры для принятия решения специалистами, а также записи и хранения в специализированных базах данных.
При необходимости через блок анализа 23 в блок эталонных фонограмм 22 записываются эталонные фонограммы, которые также могут выслушиваться, отображаться на ПК (ПЭВМ) 17.
В случае необходимости ввода персональных данных пациента (фамилия, имя, отчество и т.д.), а также описания условий аускультации подключают фильтр 4 с полосой пропускания 20-16000 Гц, и лицо, проводящее выслушивание звуков организма в пьезоэлектрический приемник 1, голосом вводит эти данные.
Технический результат от использования заявляемого изобретения заключается в увеличении соотношения сигнал/шум, устранении влияния посторонних шумов, обеспечении возможности трансляции результатов исследования на удаленный терминал с одновременным вводом данных о личности пациента в беспроводной канал передачи данных, при этом использование цифровой обработки данных в контроллере позволяет добиться большей эффективности процедур фильтрации сигналов. Это в совокупности обусловливает улучшение технико-эксплуатационных характеристик фонендоскопа. Использование изобретения также позволяет расширить функциональные возможности устройства за счет использования беспроводного канала передачи данных и системы ввода индивидуальных данных пациента, реализации функций текущего контроля энергетического состояния и автоотключения источника питания (что позволяет более длительно его использовать), применения жидкокристаллического или иного дисплея (позволяет реализовать отображение необходимой информации).