CN107260206B - 基于mems声传感原理的电子式听诊器 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种基于MEMS声传感原理的电子式听诊器，包括两端分别固定聚氨酯透声帽和封装底座的拾音头壳体，拾音头壳体内安装有声传感器微结构并灌满硅油；拾音头壳体通过内置引线的柱形连接管连接手持支撑体，手持支撑体内安装有信号处理电路板和供电电源，信号处理电路板通过引线与声传感器微结构连接，供电电源为信号处理电路板和声传感器微结构供电。本发明听诊器是利用MEMS技术加工的声学传感器作为接收声信号的敏感元件，并结合信号处理电路板上各模块的处理功能，使收到的心肺音信号更准确，同时通过蓝牙模块将实时采集到的心音、心率及呼吸音信号发送到客户端上进行实时显示和分析，并通过相应算法计算出心率等常规参数。

Description

基于MEMS声传感原理的电子式听诊器
技术领域
本发明涉及一种智能生物医疗器件，具体是一种基于MEMS声传感原理的电子式听诊器。
背景技术
目前在临床上对心脑血管和呼吸***疾病的主要诊断手段仍然是对心音和呼吸音的听诊。听诊器仍是广大医生判断病人的主要手段和工具，传统听诊器主要是医生依靠心跳次数来计算心率，而且信号极其微弱，低频响应差，诊断很大程度上依赖于医生的主观判断，并且人耳具有先天限制（听觉最敏感的频率范围在1kHz-3kHz之间），对于低频声音敏感性差，而有临床价值的心音频率范围常集中在20Hz-600Hz，因而一些具有重要诊断意义的低频及强度较小的心音（如第二心音等）的病理特征难以捕捉。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种基于MEMS声传感原理的电子式听诊器。本发明听诊器是基于MEMS技术设计的一种既能听诊又能够实时显示波形的高信噪比、低成本电子听诊器。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种基于MEMS声传感原理的电子式听诊器，其特征在于：包括拾音头壳体、聚氨酯透声帽、封装底座、声传感器微结构、柱形连接管和手持支撑体；拾音头壳体的两端为敞口设置，拾音头壳体的壳壁上开设有注油孔；聚氨酯透声帽封装于拾音头壳体的一端敞口端，封装底座封装于拾音头壳体的另一端敞口端；声传感器微结构设于拾音头壳体内并通过圆形PCB板固定于封装底座上，声传感器微结构包括矩形支撑框、矩形应变片、悬臂梁和压敏电阻，矩形支撑框固定于圆形PCB板上，矩形应变片通过悬臂梁悬置于矩形支撑框的中心位置，压敏电阻共有四个，其中两个分布于悬臂梁上，剩余两个分布于与悬臂梁连接的矩形支撑框的框边上，四个压敏电阻连接成一个惠斯通电桥；柱形连接管的一端与拾音头壳体的壳壁连接、另一端与手持支撑体连接，柱形连接管内穿设有引线；手持支撑体内安装有信号处理电路板和供电电源，信号处理电路板上安装有电源供压模块、可调稳压电源模块、信号调理模块、信号采集模块、数据存储模块和蓝牙模块；信号处理电路板通过柱形连接管内的引线与声传感器微结构连接，供电电源为信号处理电路板及声传感器微结构供电；拾音头壳体的内部空腔通过注油孔灌满具有良好声传导性能的硅油。
本发明听诊器将MEMS技术加工的声传感器微结构作为敏感单元运用在听诊器的听音部分，作为心音信号的接收装置，通过信号调理和信号采集的配合实现对心音信号的采集，首先信号经信号调理模块出来，再到信号采集模块处理，然后送蓝牙模块将信号通过相应算法处理，最后在手机客户端APP上实现波形显示和心率数字计算。
作为优选的技术方案，拾音头壳体的外型为圆台状，聚氨酯透声帽封装于拾音头壳体的大敞口端，封装底座封装于拾音头壳体的小敞口端。
本发明听诊器是利用MEMS技术加工的声学传感器作为接收声信号的敏感元件，并结合信号处理电路板上各模块的处理功能，使听到的心肺音信号更准确，同时通过蓝牙模块将实时采集到的心音、心率及呼吸音信号发送到客户端上进行实时显示和分析，并通过相应算法计算出心率等常规参数。本发明听诊器的功能显示了MEMS听诊器的实用性，将来可进一步结合临床经验，给出初步的诊断结果，以提高心脏病变诊断或小儿胎心监测的准确性。此外，本发明听诊器具有体积小、灵敏度高、低成本、可无线传输到手机等客户端显示波形及心音数字特征的优点，比传统听诊器检测心率更清晰、更方便。
附图说明
图1为本发明听诊器的背面结构示意图。
图2为本发明听诊器的正面结构示意图。
图3为本发明听诊器中圆形PCB板及声传感器微结构的结构示意图。
图4为本发明听诊器中信号处理电路板上各模块连接框图。
图5为本发明听诊器中声传感器微结构的应力云图。
图6为本发明听诊器中声传感器微结构的一阶模态图。
图7为本发明听诊器中声传感器微结构的悬臂梁及矩形应变片上应力曲线图。
图8为本发明听诊器中声传感器微结构的谐响应曲线图。
图中：1-拾音头壳体、2-聚氨酯透声帽、3-封装底座、4-声传感器微结构、4-1-压敏电阻、4-2-矩形支撑框、4-3-矩形应变片、4-4-悬臂梁、5-柱形连接管、6-手持支撑体、7-注油孔、8-圆形PCB板、9-信号处理电路板、10-供电电源。
具体是方式
以下结合附图对本发明作进一步地描述：
如图1至图4所示，一种基于MEMS声传感原理的电子式听诊器，包括拾音头壳体1、聚氨酯透声帽2、封装底座3、声传感器微结构4、柱形连接管5和手持支撑体6。
拾音头壳体1由铝合金材质制作而成，拾音头壳体1的外型为圆台状，且其上下两端为敞口设置，其中，上端为小敞口端，下端为大敞口端，拾音头壳体1的壳壁上开设有注油孔7。
聚氨酯透声帽2通过聚氨酯密封胶粘结固定在拾音头壳体1的大敞口端，用于接触人体而传导心音或肺音；封装底座3由铝合金材质制作而成，封装底座3通过螺纹密封圈螺纹连接在拾音头壳体1的小敞口端。
声传感器微结构4设于拾音头壳体1内并通过圆形PCB板8固定于封装底座3上，声传感器微结构4用于将心音转换为电信号；声传感器微结构4包括矩形支撑框4-2、矩形应变片4-3、悬臂梁4-4和压敏电阻4-1，矩形支撑框4-2固定于圆形PCB板8上，矩形应变片4-3通过悬臂梁4-4悬置于矩形支撑框4-2的中心位置，矩形应变片4-3的四个边分别与矩形支撑框4-2的四个框边平行设置，悬臂梁4-4的一端与矩形应变片4-3的其中一边的中间位置固定连接，悬臂梁4-4的另一端与对应的矩形支撑框4-2的框边的中间位置固定连接，矩形应变片4-3形成一个扇形片；压敏电阻4-1共有四个，其中两个分布于悬臂梁4-4上，剩余两个分布于与悬臂梁4-4连接的矩形支撑框4-2的框边上，四个压敏电阻4-1连接成一个惠斯通电桥；声传感器微结构4的加工材料为SOI硅片，采用MEMS微加工技术加工而成，具体是在硅衬底上利用ICP等离子刻蚀技术刻蚀出矩形支撑框4-2、矩形应变片4-3、以及用于连接矩形支撑框4-2和矩形应变片4-3的悬臂梁4-4，在悬臂梁4-4及矩形支撑框4-2的框边上分别利用等离子注入技术注入硼离子形成压敏电阻4-1，四个压敏电阻4-1的阻值相等且之间通过金属引线连接成一个检测心肺声信号的惠斯通全桥差动电路。当不同强度的心音振动信号通过聚氨酯透声帽经硅油传递到拾音头壳体1空腔内的声传感器微结构4时，引起矩形应变片4-3上下摆动弯曲，将振动信号传递给高精度的悬臂梁4-4，悬臂梁4-4上应力发生变化，相应的悬臂梁4-4上的压敏电阻的阻值发生变化，惠斯通电桥的输出电压值也同步发生变化，从而达到分辨不同声信号的目的。根据一段时间的采集和该时间对应的输出电压值，就能绘制出心音振动信号的心跳波形图，通过计算可以得出心率参数。
柱形连接管5的一端与拾音头壳体1的壳壁连接、另一端与手持支撑体6连接，柱形连接管5内穿设有引线。
手持支撑体6由塑料材质制成，方便医生手持听诊器诊断病人身体状况，手持支撑体6内安装有信号处理电路板9和供电电源10，信号处理电路板9通过柱形连接管5内的引线与声传感器微结构4连接，供电电源10分别为信号处理电路板9及声传感器微结构4供电；信号处理电路板9安装于手持支撑体6的背面位置，信号处理电路板9上安装有电源供压模块、可调稳压电源模块、信号调理模块、信号采集模块、数据存储模块和蓝牙模块，其中，电源供压模块的电源输入端与供电电源10连接，电源供压模块的电源输出端与可调稳压电源模块的电源输入端连接，可调稳压电源模块的电源输出端分别与信号调理模块、信号采集模块、数据存储模块、蓝牙模块以及声传感器微结构4的电源输入端连接，声传感器微结构4的信号输出端与信号调理模块的信号输入端连接，信号调理模块的信号输出端与信号采集模块的信号输入端连接，信号采集模块的信号输出端分别与数据存储模块的信号输入端以及蓝牙模块的信号输入端连接；电源供压模块的供电电源10经过可调稳压电源模块将直流电源电压调节至相应的幅值，供给声传感器微结构4及信号处理电路板9，；通过信号调理模块、信号采集模块的配合实现对心音信号的放大采集，首先信号经信号调理模块出来，再到信号采集模块处理，然后将数据信号通过相应算法处理后存储至数据存储模块，同时也能将数据通过蓝牙模块传输到手机APP上，蓝牙模块通过信号采集模块控制蓝牙芯片,与手机客户端配对,最后在手机客户端APP上实现心音及呼吸音波形显示和心率数字计算。同时因为放大电路的作用，微弱信号被相应放大，更便于观察。信号采集模块是由模拟量转变成数字量，为后面的存储模块和蓝牙数传模块准备的，信号采集模块采用stm32单片机，它集成了ADC模块，减少单独的ADC器件占用的体积，同时stm32单片机控制也蓝牙模块得数据传输；供电电源10包括开设于手持支撑体6正面的电池槽，电池槽内安装有电池，电池槽口安装电池盖，电池的电源输出端与电源供压模块的电源输入端连接。
拾音头壳体1的内部空腔通过注油孔7灌满具有良好声传导性能的硅油，注油孔及拾音头壳体1与柱形连接管5连接处的引线孔进行密封设置。
图5为本发明听诊器中声传感器微结构某一结构尺寸仿真的应力云图，图7为本发明听诊器中声传感器微结构相应尺寸下的悬臂梁上应力曲线图，从图5和图7中可知，其反应了悬臂梁上应力分布，从而确定了排布压敏电阻的合适位置。图6为本发明听诊器中声传感器微结构相应尺寸下的一阶模态图，图8为本发明听诊器中声传感器微结构相应尺寸下的谐响应曲线图，从图6和图8可知，其反应了结构的固有频率，具体为4300hz，心音信号范围是20-600Hz，固有频率大于这个范围，说明满足频带要求，符合诊断要求。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。应当指出，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于MEMS声传感原理的电子式听诊器，其特征在于：包括拾音头壳体（1）、聚氨酯透声帽（2）、封装底座（3）、声传感器微结构（4）、柱形连接管（5）和手持支撑体（6）；拾音头壳体（1）的两端为敞口设置，拾音头壳体（1）的壳壁上开设有注油孔（7）；聚氨酯透声帽（2）封装于拾音头壳体（1）的一端敞口端，封装底座（3）封装于拾音头壳体（1）的另一端敞口端；声传感器微结构（4）设于拾音头壳体（1）内并通过圆形PCB板（8）固定于封装底座（3）上，声传感器微结构（4）包括矩形支撑框（4-2）、矩形应变片（4-3）、悬臂梁（4-4）和压敏电阻（4-1），矩形支撑框（4-2）固定于圆形PCB板（8）上，悬臂梁（4-4）有一根，矩形应变片（4-3）通过一根悬臂梁（4-4）悬置于矩形支撑框（4-2）的中心位置，悬臂梁（4-4）的一端与矩形支撑框（4-2）固定、另一端与矩形应变片（4-3）固定，压敏电阻（4-1）共有四个，其中两个分布于悬臂梁（4-4）上，剩余两个分布于与悬臂梁（4-4）连接的矩形支撑框（4-2）的框边上，四个压敏电阻（4-1）连接成一个惠斯通电桥；柱形连接管（5）的一端与拾音头壳体（1）的壳壁连接、另一端与手持支撑体（6）连接，柱形连接管（5）内穿设有引线；手持支撑体（6）内安装有信号处理电路板（9）和供电电源（10），信号处理电路板（9）上安装有电源供压模块、可调稳压电源模块、信号调理模块、信号采集模块、数据存储模块和蓝牙模块；信号处理电路板（9）通过柱形连接管（5）内的引线与声传感器微结构（4）连接，供电电源（10）为信号处理电路板及声传感器微结构（4）供电；拾音头壳体（1）的内部空腔通过注油孔（7）灌满具有良好声传导性能的硅油。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS声传感原理的电子式听诊器，其特征在于：拾音头壳体（1）的外型为圆台状，聚氨酯透声帽（2）封装于拾音头壳体（1）的大敞口端，封装底座（3）封装于拾音头壳体（1）的小敞口端。
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