А.И.Потапов, И.А.Потапов , В.Е.Махов

Источник

В настоящее время приборы акустического контроля достаточно широко используются в медицине (стетоскопы и регистраторы пульсовой волны). Акустические приборы позволяют получать многие данные о состоянии здоровья человека. Появление электронных акустических приборов [1] расширяют функциональные возможности акустической диагностики, позволяя повысить качественную сторону диагностики (улучшая качество полезного акустического сигнала, визуализировать форму сигнала), производить диагностику одновременно несколькими врачами, сохранять сигнал и данные проводимого обследования. В последнее время большой интерес представляют возможности диагностического прибора передавать получаемые данные от пациента непосредственно в компьютерную систему, или удаленный медицинский центр, что является одной из задач телемедицины [1]. Другая задача заключается в том, чтобы вести непрерывный контроль за состоянием здоровья, в процессе жизнедеятельности человека. Обе задачи тесно связаны с созданием беспроводной коммуникации диагностической части прибора с различными компьютерными системами. Основными требованиями к разработке таких диагностических систем контроля являются масштабируемость (возможность построения линейки приборов для различных условий использования), низкая стоимость, простота эксплуатации и возможность коммуникаций с различными компьютерными системами (настольными, ноутбуками, КПК, коммуникаторами). Другим актуальным аспектом решения этой задачи является создание приборов двух уровней: для профессионального использования (для врачей) и бытового назначения (для самообследования пациента). При этом предполагается их функциональная совместимость и взаимозаменяемость. В данной работе рассмотрены вопросы выбора оптимальных схемотехнических решений аппаратной части акустического датчика и системы телекоммуникаций, а также способы реализации их в электронном стетоскопе на основе стандарта беспроводной связи Bluetooth. В настоящее время стандарт Bluetooth и его сервисы широко поддерживается в различной компьютерной технике, включая КПК и коммуникаторы, поэтому имеется возможность разработать серию приборов для решения целого ряда различных задач медицинской диагностики, которые не будут требовать в процессе своей эксплуатации дополнительных или специальных компьютерных устройств. Обеспечить невысокую стоимость и гибкую функциональность представляется возможным на базе компьютерных технологий фирмы National Instruments (NI). Использование технологий фирмы NI позволяет реализовать требуемый интерфейс, задание требуемой коммуникационной функциональности прибора, причем для одного и того же регистрирующего прибора. Кроме этого, появляется возможность быстрой модернизации функциональной и интерфейсной частей прибора, или последующей модификация по желанию пользователя. Например, один и тот же прибор может использоваться как для непрерывного наблюдения, работая с КПК (например, во время поездки загород или туристического похода), так и для периодической проверки своего состояния дома или на работе. В любом из этих случаев требуется модификация лишь программной части диагностической системы. Использование компьютерных технологий фирмы NI на базе беспроводных коммуникаций по стандарту Bluetooth позволяет также строить более сложные мобильные диагностические системы, включающие в себя различные регистрирующие датчики (например, датчик кардио импульса, температуры, позиционирования), что еще больше расширяет их возможности, необходимые в решении задач телемедицины.

Остановив свой выбор на стандарте беспроводной связи Bluetooth, и руководствуясь стремлением сохранить принятую методику проведения прослушивания обычным и электронным стетоскопом (сохранить при этом их форм фактор), была разработана структурная схема нового многофункционального диагностического прибора (рис.1). В качестве прототипа беспроводного прибора акустического контроля был использован электронный стетоскоп ФСЭ-1М (рис.2 а) [2] с датчиком на базе пьезокомпозиционной керамики (ЭКО-1, объемная пьезочувствительность ? = 1400 – 1500 мкв/Па, емкость 35 пФ). Использование контактного пьезокерамического датчика принципиально улучшает снятие акустического сигнала с требуемого участка поверхности, исключая влияние внешних акустических помех. Однако принцип построения структурной схемы не исключает возможности использование микрофонов, как, например, в датчике в приборе для снятия акустической волны [3].

<\p>

Данная структурная схема реализована в приборе.Модульность данной схемы позволяет делать исполнение или использование приборы как с ограниченными, так и с расширенными функциями. Так минимальная конфигурация датчика 1 и усилителя 2 приводит к обычному электронному стетоскопу с возможностью проводного аналогового подключения к компьютеру (через звуковую карту или плату сбора данных). Расширенная конфигурация прибора включает в себя АЦП и модуль Bluetooth, которые позволяют осуществить беспроводную передачу данных. В приборе заложена аппаратная оцифровка аналогового сигнала, которая может находиться в диапазоне от 250 до 5000 Выб/сек. Выбранная частоты оцифровки определяется назначением прибора, оптимальное значение для медицинского прослушивания составляет порядка 500 Выб/сек. В разработанном приборе акустического контроля универсальным образом реализованы функции передачи получаемого акустического сигнала. Параллельное прослушивание усиленного сигнала может осуществляться, как и в стетоскопе ФСЭ-1М, на проводной гарнитуре 8, Аналоговый сигнал с модуля датчика может передан в компьютер через звуковую карту или плату сбора данных, где используя ВП, реализуется его обработка прослушивание и отображение. В приборе имеется плата, включающая АЦП 3, микропроцессор 4, модуль Bluetooth 5, источник питания (два элемента 1.5 В), фильтр питания 7, которые позволяют осуществлять беспроводное коммуникацию датчика с компьютерной системой. Дополнительно предусмотрена возможность передачи оцифрованного сигнала с АЦП 3 в компьютер. В случае беспроводной передачи сигнала в компьютер (в том числе мобильный и КПК), ВП также осуществляет его обработку и отображение. Получаемый в компьютере сигнал может быть соответствующим образом обработки, архивирован или передан на удаленный компьютер (медицинский центр). Модуль прибора Bluetooth, построенного на базе WARP THOR 2022, работает через виртуальный COM порт установленного на компьютере адаптера Bluetooth. Поэтому в ВП на компьютере использованы функции VISA (LabVIEW). Таким образом, способ получения, обработки, отображения сигнала полученного с датчика полностью определяются функциями ВП. Как видно из рис.1, аппаратная часть акустического датчика позволяет реализовать целый ряд методик прослушивания и передачи получаемых данных, не используя дополнительно специальных компьютерных устройств. В результате работы была выявлена возможность создания малогабаритного бюджетного варианта электронного стетоскопа на базе стандартной электронной части гарнитуры Bluetooth (рис.2в), объединенной с пъезодатчиком (вместо микрофона). Такой вариант стетоскопа может быть использован в компьютерной системе как стандартное акустическое устройство ПК. На его базе может быть построен виртуальный прибор с заданной функциональностью (рис.3а). При построении ВП, возможно и непосредственное использовать имеющиеся в LabVIEW функции для работы с Bluetooth. Один из вариантов построения ВП акустической диагностики, лицевая панель которого представлена на рис. 3а, который позволяет принимать акустический сигнал с беспроводного датчика и производить с ним целый ряд различных функций, показывает универсальность технологии NI в решении задач акустической диагностики. Блок-диаграмма данного прибора построена на базе Event- структуры, все функциональные кнопки ВП определяют требуемые фрагменты кода. Виртуальный прибор позволяет получать и отображать акустический сигнал заданной длительности с беспроводного датчика (кнопка «СИГНАЛ»). После того как акустический сигнал получен, его можно многократно воспроизвести его на акустической системе компьютера (кнопка «ВОСПР»). Модно произвести фильтрацию полученного сигнала с заданными параметрами («кнопка «ФИЛЬТР»), в случае неудовлетворительного результата вернуться к предыдущему сигналу (кнопка «ВОЗВРАТ»), производить усиление по амплитуде уже полученного сигнала (кнопка «УСИЛЕНИЕ»), при этом также возможен возврат к предыдущему варианту. На любом этапе действия с полученным сигналом можно получить его спектральную характеристику (кнопка «СПЕКТР»). Функции работы с полученным сигналом реализованы в структуре с шифтовыми регистрами. Прибор предусматривает изменение масштаба и перемещение шкалы отображения формы сигнала и его спектра. Полученный сигнал на любом этапе можно сохранить в файл. Данный прибор являлся исследовательским, поэтому при построении блок-диаграммы данного ВП, использовались экспресс функции работы со звуком. В связи с этим настройка некоторых параметров работы со звуковыми сигналами производилась в ассистенте этих функций.

Особенностью виртуального прибора (рис. 3а) является отсутствие параллельного звукового воспроизведения сигнала в компьютере в процессе его получении. Это может вызывать некоторое неудобство для пользователей. Однако, несложно модифицировать ВП, чтобы имелась возможность воспроизведения с некоторой задержкой (на размер буфера). Такая задержка не вызывает практически никакого неудобства в работе с прибором, однако обеспечивает акустическую развязку в случае близости датчика к акустической системе. В процессе экспериментальных исследований был разработан целый ряд ВП для получения акустических сигналов с использованием различных функций LabVIEW и рассмотрены различные коммуникации с другими компьютерными системами с возможностью управления ВП по сети используя проводное сетевое соединение, а также Wi-Fi, а также Bluetooth. Использование среды разработки LabVIEW позволяло в короткие сроки провести довольно обширные исследования работы таких приборов. Задержки сетевого управления создавали заметное неудобство в работе по снятию акустического сигнала при сетевом соединении по сетевому соединению Bluetooth, особенно это было заметно при работе компьютерного адаптора с другими сервисами Bluetooth. В этом отношении можно утверждать, что вариант прибора Bluetooth, работающий через виртуальный COM порт (рис.2б), работал намного стабильней, что, по всей видимости, связано с меньшим объемом передаваемых данных (по сравнению с акустическим сигналом). В связи с этим этот вариант следует позиционировать как профессиональный вариант, а акустические – бытовые, в первую очередь для самодиагностики пациента. Часто задачи медицинской диагностики предполагают использование нескольких диагностических приборов, например электрокардиографа и стетоскопа. В случае использования технологий фирмы NI такое масштабирование в различные диагностические системы представляется легко реализуемым. При этом возможно объединение производить на уровне виртульных приборов, в этом случае диагностика по нескольким каналам будет проводиться параллельно.