基于myDAQ的电子听诊器-课程设计报告

课程设计报告题目：基于myDAQ的可视电子听诊器设计学院：电子与信息工程系专业：通信工程学生信息：指导教师：日期：2012-7-3摘要：听诊器作为一种医生常用的医疗设备，可以帮助医生通过心跳的情况判断患者的患病情况，而老式的电子听诊器由于只是简单的通过物理通道传送到人的耳朵，往往难以捕捉到人体内部脏器发出的一些微弱但却非常重要的生物声，致使医生无法及时做出诊断，且诊断的依据主要根据医师的经验，准确性较差。而电子听诊器心电信号通过拾音器采集，信号通过放大电路、低高通滤波电路、音频放大器后听到放大后的心音信号。此设备具有良好的分析波形能力，能够将设置好的频率段以外的声音频率滤除，故可以清晰的得到放大以后的心音信号，这样有助于医务人员提高初诊的准确度。本次课程设计我们就按照这样的思路设计简单的电子听诊器，并且通过myDAQ采集到电脑通过Labview的信号处理及分析，实现对波形的观看以及心率的测量。关键词：电子听诊器，labview，matlab，myDAQ，心率目录1．项目描述.................................................1.1课程设计题目以及要求....................................................1.2电子听诊器的发展.......................................................1.3心音基础知识以及异常和相干疾病..........................................2.电子听诊器的设计...................................2.1整体模块简介...............................................2.2硬件部分.............................................................2.2.1探头的选择....................................................2.2.2外围电路的设计................................................2.2.3MyDAQ设备的介绍...............................................2.3软件部分.............................................................2.3.1软件工具的介绍2.3.2Labview程序的介绍.............................................2.3.3心率的测量以及相应的代码................................3.性能综述..........................3.1听诊器的功能及使用方法..................................................3.2听诊器的优缺点.........................................................3.3所用器件汇总...........................................................4.实验总结..........................................................5.参考文献..........................................................1，项目描述1.1课程设计题目以及要求本次课程设计的题目是基于myDAQ的可是电子听诊器的设计，要求有以下内容，设计并实现一个电子听诊器，借助NI公司的myDAQ设备进行信号的采集，利用LabVIEW软件进行数据的分析、处理和显示，集听诊和心电信号监测功能于一体，实时记录并显示心率及心音图。基本要求：要能采集心音信号，实现心音信号的去噪、识别和分析功能。发挥部分：实现心音信号的存储和回放。1.2电子听诊器的发展法国著名医学家，“胸腔医学之父”雷内克于1816年发明了第一台木笛子式的单耳听诊器，通过象牙管和橡皮管来扩大音量。之后的一个世纪，单耳听诊器经英国医师乔治·菲利普·卡门以及凯尔改良，发展成为了可以产生立体音响效果的复式听诊器。随着20世纪科技的迅速发展，目前所使用的非电子听诊器的性能已经远远超过了最初的样品，并且成为了内外妇儿医师最常用的诊断用具。但是，目前最为广泛应用的老式听诊器，虽然制作及使用方法简单，但该工具需要医生与患者进行近距离接触且诊断效果与医生双耳听力有关，人耳往往难以捕捉到内部脏器发出的一些微弱但非常重要的生物声，致使诊断的主观性大、准确性低。从另一角度讲，人耳对声音的敏感是声强于频率的综合效应，因而一些病理特征难以捕捉。电子听诊器应运而生，并且发展迅速，成为现代医疗场所必备的医用设备，相信随着科技的发展，电子听诊器会朝着更加智能更加简单更加人性化的方向发展。1.3心音基础知识以及异常和相干疾病心脏收缩舒张时产生的声音，可用耳或听诊器在胸壁听到，亦可用电子仪器记录下来。可分为第一心音第二心音第三心音第四心音。从心脏产生的心音经过组织的介导传到胸壁表面，其中以骨传导最好，血液和肌肉次之，肺和脂肪组织最差，所以在肺气肿和肥胖的患者从胸壁听录到的心音较正常人为轻，振幅低。正常心脏在舒缩活动中产生的心音频率为1～800Hz。人听觉比较敏感的是其中40～400Hz的频带，20Hz以下的振动人耳听不见。心音强度、频率及相互关系可以反映心瓣膜、心肌功能及心内血流的状况。在正常心脏，心脏喷血速度加快等因素可产生生理性杂音。在心脏与大血管病变时，心肌收缩力改变、心瓣膜口狭窄或关闭不全，或心内血流速度变化，均可使心脏舒缩活动中振动，幅度或频率发生明显变化，改变正常心音的强度、频率，还可产生异常的心音或心脏病理性杂音。这些变化有助于诊断心脏血管病，观察病情、推断疾病发生的病理生理，选择治疗方法，估计预后等。异常心音包括第一第二心音的增强减弱和分裂，通过相应的心音可以判断患者相应的疾病。2，电子听诊器的设计2.1整体模块介绍听诊器的系统结构如图所示。该可视听诊器由采集处理和波形显示二部分组成，具体由声音传感器、信号调理采样电路和显示电路组成。借助NI公司的myDAQ设备进行信号的采集，利用LabVIEW软件进行数据的分析、处理和显示，集听诊和心电信号监测功能于一体，实时记录并显示心率及心音图。其中拾音头为一个电阻随电容改变的传感器，调理即是外部电路，包括电压跟随器，反向放大器，低通滤波器，其他两个不再介绍。2.2硬件部分2.2.1探头的选择探头包括传统探头和声音转换两部分。1）传统探头传统听诊器前端是一个面积较大的膜腔，体内声波鼓动膜腔后，听诊器内的密闭气体随之震动，而塞入耳朵的一端，由于腔道细窄，气体震动幅度就比前端大很多，由此放大了患者体内的声波震动。在听诊器材质和设计的选择上需要考虑一下几个方面：听诊头与身体的接触面越大，拾取的音效越好。但是，人体表面有弧度，若胸件过大，听头不能完全与人体接触，音响不仅不能很好地拾取，还会从空隙泻漏出去，因此，听诊头的大小应基于临床需要。本产品选用的听诊头直接为50mm。传导管路的设计要点在于隔音。对于隔音材料，要减弱透射声能，阻挡声音的传播，就不能如同吸音材料那样多孔、疏松、透气,相反它的材质应该是重而密实的，如钢板、铅板、砖墙等一类材料。隔音材料材质的要求是密实无孔隙或缝隙；有较大的重量。由于这类隔音材料密实,难于吸收和透过声能而反射能强，所以它的吸音性能差。我们所采用的听诊器传导部分的材质为橡胶管。2）声音转换声音转换部分用到的为一个拾音头，其实就是一个传感器，通过外部的因素改变传感器电阻的大小，从而改变传感器两端电压，便实现了振动到电的转换。开始我们选用了压电式薄膜传感器，但是不知道什么原因传感器坏了，后来我们选用了电容式话筒，电容式话筒声波作用在振膜上引起振动，从而改变两极板间电容量的变化，引起极板上电荷量的改变，电荷量随时间变化形成高变电流，流经电阻R上在两端产生压降，在经过放大器输出高变信号。电容式话筒特点是频响宽、灵敏度高，非线性失真小，瞬态响应好，也是电声特性最好的一种话筒。缺点是防潮性差，机械强度低，价格稍贵，使用稍麻烦。2.2.2外围电路的设计1）传感器设计：1.目的分析：老式的听诊器是直接听声音信号，而本次设计的目的就是将声音信号转化成电信号，然后再处理，处理以后在听声音信号和观察波形。经过试验，我门发现拾音头的效果较好，选择拾音头。2.原理图：2）电压跟随器设计1.目的分析：传感器后想连接放大器，需要先连接电压跟随器。电压跟随器具有具有输入阻抗很高，几乎不从信号源吸取电流；输出主抗很小，可视作电压源，是较理想的阻抗变换器。2.原理图：电压跟随器是根据是一种特殊的同相放大器，放大倍数约等于1.3.电路图仿真：输入正弦交变电流Vsin，其中VAMPL=1mv，VOFF=0，FRE=200HZ.3.1瞬态分析：输入波形：输出波形;3.2交流分析：使正弦电压的AC=1mv，DC=0。输入主抗：输出阻抗：4.性能分析：由仿真图可以看出，输入主抗很高，达到1TΩ，输出主抗很低，为几十毫欧姆。可以满足要求。4）放大器设计：1.目的分析：由传感器采集的信号，幅度很微弱，较难测量。为了便于测量，需要将信号线性放大。由运放构成的差分放大器具有双端输入-单端输出、共模抑制比高的特点，通常用作传感器放大器或测量仪器的前端放大器。2.原理图：选用LF353为放大器，工作原理如下：由心脏发出的声音经传感器采集到以后，通过V-输入，其中R5为反馈电阻；。则电路的增益：Av=Vout/Vin=-R5/R4;3.电路图仿真：在放大器两端输入正弦交变电流Vsin，其中VAMPL=1mv，VOFF=0，FRE=200HZ.。3.1瞬态分析：输入电压波形：输出电压波形：3.2交流分析使正弦电压的AC=1mv，DC=0;3.性能分析：经仿真放大器增益满足要求，而且带宽很宽，可以根据实际需要调整电阻R5参数，改变增益。4）低通滤波器设计1.目的分析：经放大器放大的信号，带有噪声，有热噪声等与心音信号叠加，心音的频率为0~600HZ，需要用低通滤波器去噪。2.原理图：理想的低通滤波器很难实现，只能用实际的特性去逼近理想的。设计二阶压控电压源低通滤波器，本设计使用的是Butterwth最大平坦响应法，选用TI公司的LF353运放。根据心音频率的范围，可以确定截止频率fc=600HZ，从截止频率fc、参数K、电容C的关系图中，取C=0.15uF，对应的参数K=1,满足；设定增益Av=2，可得C1=C=0.15u。查巴特沃斯响应设计表，K=1时，R1=1.126KΩ，R2=2.250KΩ，R3=6.752KΩ，R4=6.752KΩ；因为参数K=1，所以电阻就取以上值。为了更好的使截止频率为fc接近600HZ，适当的调整了部分元件的参数。3.电路图仿真在滤波器输入端输入正弦交变电流Vsin，其中VAMPL=50mv，VOFF=0，FRE=200HZ。AC=50mv，DC=0。4.性能分析：经仿真从频率特性图可以看出，增益Av=2，当增益下降到时所对应的频率为602HZ,满足设计要求。2.2.3myDAQ设备的介绍由美国国家仪器公司发布，它是适合大学工程类课程的myDAQ便携式仪器设备。可以让学生在实验室之外，随时随地实践工程创新。此设备由NI设计，并采用了由德州仪器提供的模拟电路芯片，包含数据转换器、放大器、各种接口及电源管理器件。NImyDAQ硬件与LabVIEW图形化系统设计软件的结合，在降低工程教育成本的同时让学生能够与真实的模拟电路，传感器测量以及实际信号处理进行实践性交互。“学生