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        聽診器技術(shù)要求和測試方法研究

        2022-12-28 07:40:30符師陳卓強呂以源廣東省醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗所廣東廣州510700
        中國醫(yī)療器械信息 2022年21期
        關(guān)鍵詞:信號

        符師 陳卓強 呂以源 廣東省醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗所 (廣東 廣州 510700)

        內(nèi)容提要: 聽診器是一種聲學(xué)聽診設(shè)備,是內(nèi)科醫(yī)療設(shè)備不可或缺的設(shè)備,也是最好的家庭醫(yī)療設(shè)備,是家庭保健不可缺少的物品。聽診經(jīng)常被用于聽肺和心臟的聲音,它也可以用來聽腸和血流量在動脈和靜脈的聲音,再結(jié)合血壓計,就可以用于測量血壓,這是很常見的。在國內(nèi)早些年已有電子聽診器上市,因此關(guān)于電子聽診器方面的技術(shù)也較為成熟,且至今尚未出現(xiàn)不良事件,故產(chǎn)品的安全有效性是符合要求的。在結(jié)合市場現(xiàn)狀與需求量的情況下,國內(nèi)多家企業(yè)研發(fā)的電子聽診器,順應(yīng)當(dāng)代經(jīng)濟(jì)背景和當(dāng)代市場需求,推動了聽診方面的醫(yī)學(xué)進(jìn)步和發(fā)展,在診斷患者過程中更加準(zhǔn)確高效,且使用過程中簡單易用。2022年隨著聽診器新標(biāo)準(zhǔn)的實施,修改和增加了部分的性能和測試方法,在儀器在設(shè)計上結(jié)構(gòu)合理,簡潔實用,性能穩(wěn)定可靠,滿足醫(yī)護(hù)人員使用需求基礎(chǔ)上,最主要的也要滿足聽診器標(biāo)準(zhǔn)要求。文章就YY/T 1035-2021聽診器的術(shù)語和定義、要求、測試方法和聽診器原理進(jìn)行解析研究。

        隨著2022年YY/T 1035-2021[1]聽診器的實施,替代了YY 91035-1999[2]聽診器和YY/T 91077-1999[3]聽診器傳聲特性測試方法的標(biāo)準(zhǔn),針對定義和性能要求做修改和增加,尤為重要的是性能方面,性能增加了頻響測試的模式、增加等效輸入噪聲級、總諧波失真的測試要求,刪除了老舊的實驗儀器方法,所以現(xiàn)在使用的測試設(shè)備是不一樣的[1]。本文深入講解了技術(shù)要求和測試方法,以及新設(shè)備的配套使用測試,結(jié)合聽診器原理和軟件,保證其安全性、可靠性以及有效性。

        1.聽診器產(chǎn)品作用機(jī)制和原理

        1.1 機(jī)制

        聽診器產(chǎn)品作用機(jī)制,見圖1。

        圖1.作用機(jī)制圖

        1.2 工作原理

        電子聽診器由主機(jī)、低頻耳機(jī)(藍(lán)牙耳機(jī)/有線耳機(jī))和充電線組成。電子聽診器的工作原理是對收集的聲音進(jìn)行(頻率)非線性放大,其主要利用主機(jī)探頭中的拾音傳感器采集聽診音,膜片與人體接觸時產(chǎn)生振動,人體內(nèi)發(fā)出的聲波信號轉(zhuǎn)變成電波信號,通過放大及濾波裝置把生物音放大到相應(yīng)的倍數(shù),然后經(jīng)過處理芯片以及專用的耳機(jī),最后讓醫(yī)師可以清晰地聽到生物音。

        1.3 產(chǎn)品技術(shù)特點

        采用可充電的鋰電池,實現(xiàn)循環(huán)使用,同時還具有心音、肺音兩種功能模式,醫(yī)護(hù)人員可根據(jù)不同的需要選擇適合的功能模式,讓聽診更具人性化。其不需連接電腦便能直接進(jìn)行操作,具有操作簡單、方便攜帶、性能安全、外觀精美等特點。

        1.4 產(chǎn)品使用特點

        本產(chǎn)品外形美觀大方;結(jié)構(gòu)簡潔實用;性能穩(wěn)定可靠;在對患者進(jìn)行聽診時可根據(jù)不同的需要選擇不同的聽診模式,同時本產(chǎn)品輕便小巧,方便攜帶,操作簡單方便,無機(jī)械噪聲。

        1.4.1 工作原理

        電子聽診器的工作原理由開關(guān)電源對整機(jī)進(jìn)行供電,控制電路外接顯示屏、按鍵、指示燈、藍(lán)牙耳機(jī),通過按鍵可對肺音、心音的聽診等進(jìn)行控制。

        1.4.2 結(jié)構(gòu)組成

        電子聽診器由主機(jī)、低頻耳機(jī)(藍(lán)牙耳機(jī)/ 有線耳機(jī))和充電線組成。

        1.4.3 預(yù)期用途

        適用于聽診人體心、肺等器官的活動聲響變化。

        2.聽診器軟件結(jié)構(gòu)組成

        2.1 軟件的組成模塊及功能

        聽診模式選擇:選擇測試項目心音模式或肺音模式。

        數(shù)據(jù)處理:針對采集到的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并傳輸至聽診耳機(jī)。

        錄音模式:錄取當(dāng)前模式拾取音源信號并創(chuàng)建ID進(jìn)行存儲。

        數(shù)據(jù)傳輸:將內(nèi)部存儲的心、肺音測試數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸至電腦保存及查看。

        2.2 硬件關(guān)系

        2.2.1 硬件框架圖

        系統(tǒng)的硬件主要由主機(jī)和信號采集探頭及耳機(jī)組成,其中主機(jī)由ARM主控制器、顯示屏、按鍵、存儲器、藍(lán)牙通信模塊、音頻處理模塊、電池等組成。

        2.2.2 軟件和醫(yī)療器械硬件的物理連接關(guān)系

        軟件裝載與運行的ARM主控單元中,ARM主控單元控制音頻單元來獲取探頭采集信號音,選擇相應(yīng)的聽診模式,拾取相應(yīng)的音頻信號,ARM主控單元把采集到的信號,按照相應(yīng)模式的軟件算法進(jìn)行處理濾波,得到相應(yīng)的心、肺音實時數(shù)據(jù)并傳輸至耳機(jī),通過錄音功能把采集數(shù)據(jù)保存到存儲器中,并在顯示器上顯示,也可以通過USB數(shù)據(jù)接口傳輸至PC端保存及查看測試結(jié)果。另外,ARM主控單元控制按鍵,結(jié)合顯示器的界面菜單,可以簡單、靈活操作,進(jìn)入相應(yīng)的功能,實現(xiàn)了良好的人機(jī)界面。

        2.3 運行環(huán)境

        電子聽診器軟件是運行于ARM內(nèi)部的嵌入式軟件。

        2.3.1 硬件配置

        處理器:STM32F411RET6。

        存儲器:FLASH存儲器型號是MX25L6406EM2I-12G,存儲容量是32M字節(jié)。

        接口:USB2.0。

        2.3.2 軟件環(huán)境

        系統(tǒng)軟件:無;支持軟件:無;安全軟件:無。

        自主開發(fā)設(shè)計軟件運行在ARM中。

        2.4 適用范圍

        電子聽診器軟件為電子聽診器嵌入式軟件。因此,軟件的適用范圍與電子聽診器相同。本產(chǎn)品提供心音聽診和肺音聽診測試功能,供醫(yī)療人員用于聽診人體心、肺等器官的活動聲響變化。

        3.YY/T1035-2021聽診器的技術(shù)要求

        3.1 外觀和結(jié)構(gòu)要求

        外觀和結(jié)構(gòu)要求詳見YY/T1035-2021中4.1,主要為:主機(jī)和聽診頭以及膜片的外部結(jié)構(gòu)應(yīng)無松動、牢固、平整等,且電鍍零部件應(yīng)符合YY/T 0076中Ⅳ類2級光亮度要求[4]。

        3.2 聽診器傳聲特性

        聽診器特性的具體要求詳見YY/T1035-2021中4.2。

        3.2.1 聽診器測聽

        聽診器測聽?wèi)?yīng)清晰。

        3.2.2 頻響曲線

        聲衰減式聽診器的頻響曲線衰減限值如下:①在100~500Hz范圍內(nèi):當(dāng)聽診頭外徑≤35mm時,以測試聲源為參考衰減應(yīng)≤30dB;當(dāng)聽診頭外徑>35mm時,以測試聲源為基準(zhǔn)衰減應(yīng)≤16dB。②在500~1000Hz范圍內(nèi):當(dāng)聽診頭外徑≤35mm,以測試聲源為基準(zhǔn)衰減應(yīng)≤25dB;當(dāng)聽診頭外徑>35mm,以測試聲源為基準(zhǔn)衰減應(yīng)≤20dB。

        3.2.3 聲增益式聽診器的電聲特性

        輸出聲壓級:當(dāng)最大增益時,輸出聲壓級應(yīng)≤132dB。

        等效輸入噪聲級:當(dāng)最大增益時,等效輸入噪聲級應(yīng)≤32dB。

        總諧波失真:當(dāng)最大增益時,聽診器的總諧波失真應(yīng)≤3%。

        3.3 聽診器耳環(huán)要求

        當(dāng)左右耳塞拉開距離至140mm時,實測彈力值應(yīng)在1.4~5.0N。

        當(dāng)左右耳塞拉開距離至300mm時,恢復(fù)后其變形距離應(yīng)≤10mm。

        3.4 傳聲連接導(dǎo)管要求

        連接導(dǎo)管的參數(shù)由制造商自行規(guī)定,驗證并應(yīng)符合制造商規(guī)定的要求;

        連接導(dǎo)管的管壁厚度應(yīng)≥1.5mm。

        3.5 電氣安全要求

        根據(jù)檢驗時電氣安全的最新版國標(biāo)要求,應(yīng)符合GB9706.1的要求。

        3.6 電磁兼容性

        電磁兼容性應(yīng)符合YY0505[5]的要求。

        3.7 生物相容性

        按照GB/T 16886[6]中給出的指南和原則進(jìn)行評估和形成文件。

        3.8 環(huán)境適應(yīng)性

        按照GB/T 14710[7]中的規(guī)定進(jìn)行試驗。

        4.YY/T1035-2021聽診器的測試方法[1-3]

        4.1 外觀和結(jié)構(gòu)

        通過目測和檢查,結(jié)果應(yīng)符合要求。

        4.2 聽診器傳聲特性

        人耳測聽:通過人耳進(jìn)行測聽,結(jié)果應(yīng)能符合要求。

        聽診器的傳聲特性:聽診器的傳聲特性應(yīng)第3章的步驟,結(jié)果應(yīng)符合聽診器的傳聲特性的要求。

        4.3 聽診器耳環(huán)

        用拉力計測試,固定左右耳塞,緩慢拉至140mm時,結(jié)果應(yīng)符合要求。

        固定左右耳塞,緩慢將左右耳環(huán)距離拉至相距300mm,1min后自然恢復(fù),根據(jù)以上測試方法再次操作,在測量左右耳塞之間的變形距離。結(jié)果應(yīng)符合要求。

        4.4 傳聲連接導(dǎo)管

        根據(jù)制造商自定義的要求,目測和使用測量儀器進(jìn)行測量,結(jié)果應(yīng)符合要求。

        4.5 安全

        按照GB9706.1中的規(guī)定進(jìn)行實驗,結(jié)果應(yīng)符合要求。

        4.6 電磁兼容

        按照YY 0505中的規(guī)定進(jìn)行實驗,其結(jié)果應(yīng)符合要求。

        4.7 生物相容性

        按照GB/T 16886相關(guān)部分進(jìn)行生物學(xué)評價。

        4.8 環(huán)境適應(yīng)性

        按照GB/T 14710中氣候環(huán)境II組,機(jī)械環(huán)境II組的要求進(jìn)行試驗,結(jié)果應(yīng)符合要求。

        5.聽診器的傳聲特性測試方法[1]

        5.1 測試原理

        聽診器的傳聲特性原理如圖2所示:①采用人工嘴將音頻分析儀輸出的音頻電信號轉(zhuǎn)換為聲壓信號,通過密閉腔體使聲壓信號耦合至聽診器探頭膜片上。②采用人工耳接收聽診器耳機(jī)輸出的聲壓信號,轉(zhuǎn)換為音頻電信號返回至頻率分析儀的輸入端。③設(shè)置頻譜分析儀輸出若干特定頻率音頻信號(100~1000Hz),同時采集輸入信號加以分析,轉(zhuǎn)換,得到聲壓級(dBSPL)/頻率關(guān)系曲線、失真率(THD%)/頻率關(guān)系曲線。

        圖2.聽診器音頻測試原理

        5.2 儀器校準(zhǔn)

        儀器清單:①音頻分析儀;②人工嘴;③人工耳;④標(biāo)準(zhǔn)傳聲器;⑤校準(zhǔn)器;⑥前置驅(qū)動;⑦電腦主機(jī)。

        試開展之前,音頻分析儀需要對人工嘴、人工耳進(jìn)行94dBSPL聲壓級的校準(zhǔn)。

        人工嘴校準(zhǔn)方法以及操作步驟:首先,使用校準(zhǔn)器(94dBSPL@1kHz)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)傳聲器,使得標(biāo)準(zhǔn)傳聲器在音頻分析儀中的聲壓級校準(zhǔn)為94dBSPL,如圖3所示。然后,將標(biāo)準(zhǔn)傳聲器組裝成聽診器探頭并放置在人工嘴上,用于校準(zhǔn)人工嘴,如圖4所示。接著,在音頻分析儀中設(shè)置,從100~1000Hz中選取的若干頻點并輸出信號至人工嘴,調(diào)整各個頻點輸出音頻信號的幅值,使得傳聲器輸入的信號恒定為94dBSPL,最后可以得到人工嘴的輸出音頻信號幅值/頻率的94dBSPL校準(zhǔn)曲線。

        圖3.標(biāo)準(zhǔn)傳聲器校準(zhǔn)

        圖4.人工嘴校準(zhǔn)

        人工耳校準(zhǔn)方法以及操作步驟:使用校準(zhǔn)器(94dBSPL@1kHz)分別校準(zhǔn)左右人工耳,使得人工耳在音頻分析儀中的聲壓級校準(zhǔn)為94dBSPL,如圖5所示。

        圖5.人工耳校準(zhǔn)

        5.3 測試步驟

        ①人工嘴和人工耳校準(zhǔn),校準(zhǔn)方法詳見上述“儀器校準(zhǔn)”小節(jié)。②將聽診器放入測試夾具中,聽診器探頭壓在人工嘴上,聽診器耳機(jī)插入人工耳上,如圖6、圖7所示。③打開聽診器電源,音量調(diào)節(jié)至最大,切換到心音模式,啟動音頻分析儀的頻率掃描100~1000Hz,得到聽診器心音模式下的得到聲壓級(dBSPL)/頻率關(guān)系曲線、失真率(THD%)/頻率關(guān)系曲線。④聽診器分別切換至肺音模式、取消降噪模式,得到對應(yīng)的曲線。⑤按照上文②、③方法進(jìn)行連接、調(diào)整,在信號源不給聲的狀態(tài)下記錄各頻點測試結(jié)果,然后將信號聲強調(diào)整為60dBSPL輸出再次測試各頻點測試數(shù)據(jù),將不給聲時測試結(jié)果減去給聲時測試結(jié)果即測得等效輸入噪聲。

        圖6.聽診器探頭壓在人工嘴上

        圖7.聽診器耳機(jī)插入人工耳上

        6.測試結(jié)果

        聲壓級(dBSPL)/頻率關(guān)系曲線如圖8所示。

        圖8.聲壓級(dBSPL)/頻率關(guān)系曲線

        失真率(THD%)/頻率關(guān)系曲線如圖9所示。

        圖9.失真率(THD %)/頻率關(guān)系曲線

        7.小結(jié)

        經(jīng)研究分析,國內(nèi)對于電子聽診器的研發(fā)制造廠家相對較少,電子聽診器產(chǎn)品主要集中在國外,電子聽診器的聲音傳感器的低頻響應(yīng)特性和靈敏度特性差,同時產(chǎn)品價格也十分昂貴,嚴(yán)重阻礙了電子聽診器在臨床醫(yī)學(xué)、教學(xué)實踐、遠(yuǎn)程醫(yī)療以及移動醫(yī)療等場所的廣泛使用。

        針對電子聽診器方面存在的一些不足,本研究設(shè)計的電子聽診器盡量避免上述缺點,儀器在設(shè)計上結(jié)構(gòu)合理,簡潔實用,性能穩(wěn)定可靠,滿足醫(yī)護(hù)人員的使用需求。且根據(jù)新發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)要求和測試方法進(jìn)行分析研究,滿足國內(nèi)聽診器的標(biāo)準(zhǔn)要求。

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