Ультразвуковой прибор для диагностики поражений слуха
Владельцы патента RU 2307587:
Систер Владимир Григорьевич (RU)
Терешин Сергей Николаевич (RU)
Гудков Александр Григорьевич (RU)
Леушин Виталий Юрьевич (RU)
Лучкин Геннадий Васильевич (RU)
Цыганов Дмитрий Игоревич (RU)
Изобретение относится к области медицинского оборудования и предназначен для диагностики различных поражений слуха. Ультразвуковой прибор для диагностики поражений слуха содержит генератор колебаний ультразвуковой частоты, усилитель с дискретно регулируемым коэффициентом усиления, соединенный с усилителем мощности, выход которого через датчик тока соединен с пьезоэлектрическим излучателем, преобразователь тока в напряжение, подсоединенный к выходу датчика тока, блок коммутации и панель управления с кнопками увеличения мощности излучения, уменьшения мощности излучения и изменения скорости регулирования мощности, а также цифровыми сегментными индикаторами. Дополнительно устройство содержит полосовой фильтр, микропроцессор, амплитудный детектор тока, амплитудный детектор напряжения и аналого-цифровой преобразователь. Изобретение позволяет повысить надежность диагностики поражений слуха. 1 ил.
Изобретение относится к области медицинского оборудования. Прибор для диагностики поражений слуха предназначен для диагностики различных поражений слуха и может использоваться в больницах и клиниках, а также в научно-исследовательских медицинских учреждениях.
Известны приборы для проведения объективной аудиометрии, работающие в звуковом диапазоне частот (см. Аудиометр автоматизированный «ЭРГОТЕСТ-АУДИО», Каталог «Радиопромышленность медицине», Издание 5, М., 1997, с.124). Прибор позволяет провести оценку слухового анализатора пациента методом аудиометрии при воздушном звукопроведении и предназначен для определения слуховой чувствительности на отдельных звуковых частотах от 125 до 16000 Гц.
Недостатком этих устройств является ограниченная область применения в связи с использованием только звукового диапазона частот.
В последнее время было установлено, что для повышения достоверности диагностики различных поражений слуха к результатам анализа определения слуховой чувствительности, проведенного в звуковом диапазоне частот, необходимо добавлять (или сопоставлять) результаты исследования восприятия пациентом ультразвука (см. «Тугоухость», ред. Н.А.Преображенский, М.: Медицина, 1978, с.79-85). Для проведения комплексного аудиологического исследования ультразвуки воспроизводили с помощью звукового генератора частот широкого спектра - ГЗ-7А и преобразователя из пластин титаната-цирконата бария.
Известен аудиотестер ультразвуковой (Б.М.Сагалович. Слуховое восприятие ультразвука. М.: Наука, 1988, с.30-33, Рис.2), содержащий генератор ультразвуковых сигналов 1, соединенный с модулятором (аттенюатором) и устройством управления (ключом 3), усилитель мощности 5, соединенный с зондом (пьезокерамическим излучателем).
Указанный аудиотестер ультразвуковой выполнен в составе комплексной установки, предназначенной для проведения исследования, в частности, измерения дифференциальных порогов восприятия ультразвуков при фиксированных уровнях излучения ультразвука 6 и 20 дБ и сопоставления их с дифференциальными порогами восприятия силы звуков обычно слышимого диапазона частот.
Недостатком указанного устройства является сложность, недостаточная надежность, обусловленная назначением - проведением исследований и невозможность определения дифференциальных порогов восприятия ультразвуков по интенсивности.
Наиболее близким к данному техническому решению является ультразвуковой прибор для диагностики поражений слуха, содержащий генератор колебаний ультразвуковой частоты, усилитель с дискретно регулируемым коэффициентом усиления, соединенный с усилителем мощности, выход которого через датчик тока соединен с пьезоэлектрическим излучателем, преобразователь тока в напряжение, подсоединенный к выходу датчика тока, блок коммутации и панель управления с кнопками увеличения мощности излучения, уменьшения мощности излучения и изменения скорости регулирования мощности, а также цифровыми сегментными индикаторами (см. RU 2252698, кл. А61В 5/12, 27.05.2005).
Недостатком указанного ультразвукового прибора для диагностики поражений слуха является нестабильность мощности излучения при различной механической нагрузке на пьезоэлектрический излучатель, возникающей в результате различной силы прижатия излучателя.
Другим недостатком указанного ультразвукового прибора для диагностики поражений слуха является недостаточная надежность, обусловленная большим количеством цифровых схем.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении надежности диагностики поражений слуха за счет контроля и управления мощности излучения и за счет использования микропроцессора вместо большого количества цифровых схем.
Указанный технический результат достигается тем, что ультразвуковой прибор для диагностики поражений слуха, содержащий генератор колебаний ультразвуковой частоты, усилитель с дискретно регулируемым коэффициентом усиления, соединенный с усилителем мощности, выход которого через датчик тока соединен с пьезоэлектрическим излучателем, преобразователь тока в напряжение, подсоединенный к выходу датчика тока, блок коммутации и панель управления с кнопками увеличения мощности излучения, уменьшения мощности излучения и изменения скорости регулирования мощности, а также цифровыми сегментными индикаторами, содержит полосовой фильтр, микропроцессор, амплитудный детектор тока, амплитудный детектор напряжения и аналого-цифровой преобразователь, причем полосовой фильтр подключен между генератором колебаний ультразвуковой частоты и усилителем с дискретно регулируемым коэффициентом усиления, к управляющему входу которого подключен первый выход микропроцессора, второй выход которого подключен к цифровым сегментным индикаторам, к входам микропроцессора подсоединены кнопки изменения скорости регулирования мощности, увеличения и уменьшения мощности излучения, а также через аналого-цифровой преобразователь выход блока коммутации, к входу которого подсоединены амплитудный детектор тока, подключенный к преобразователю тока в напряжение, и амплитудный детектор напряжения, подключенный ко второму выходу датчика тока.
На чертеже представлена принципиальная схема ультразвукового прибор для диагностики поражений слуха.
На чертеже приведены следующие обозначения:
1 - генератор колебаний ультразвуковой частоты;
2 - полосовой фильтр;
3 - усилитель с дискретно регулируемым коэффициентом усиления;
4 - усилитель мощности;
5 - датчик тока;
6 - пьезоэлектрический излучатель;
7 - преобразователь тока в напряжение;
8 - панель управления;
9 - кнопка увеличения мощности излучения;
10 - кнопка уменьшения мощности излучения;
11 - кнопка изменения скорости регулирования мощности;
12 - цифровые сегментные индикаторы;
13 - амплитудный детектор тока;
14 - амплитудный детектор напряжения;
15 - блок коммутации;
16 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
17 - микропроцессор;
Ультразвуковой прибор для диагностики поражений слуха содержит генератор колебаний ультразвуковой частоты 1, соединенный через полосовой фильтр 2 с усилителем 3 с дискретно регулируемым коэффициентом усиления, выход которого через усилитель мощности 4 и датчик тока 5 соединен с пьезоэлектрическим излучателем 6. К датчику тока 5 подсоединен преобразователь тока в напряжение 7. Прибор содержит панель управления 8 с кнопками увеличения мощности излучения 9, уменьшения мощности излучения 10 и кнопкой изменения скорости регулирования мощности 11, цифровыми сегментными индикаторами 12, а также амплитудный детектор тока 13 и амплитудный детектор напряжения 14, подключенные соответственно к преобразователю тока в напряжение 7 и второму выходу датчика тока 5. Выходы указанных амплитудных детекторов через блок коммутации 15 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 16 соединены с входом микропроцессора 17, первый выход которого подсоединен к управляющему входу усилителя 3 с дискретно регулируемым коэффициентом усиления, а второй выход - к цифровым сегментным индикаторам 12. К входам микропроцессора 17 подсоединены также кнопки изменения скорости регулирования мощности 9, увеличения 10 и уменьшения 11 мощности излучения, расположенные на панели управления 8.
Работа ультразвукового прибор для диагностики поражений слуха осуществляется следующим образом.
С выхода генератора 1 колебаний ультразвуковой частоты модулированный ультразвуковой сигнал поступает на вход полосового фильтра 2, который подавляет паразитные гармоники и комбинационные составляющие, возникающие при модуляции ультразвукового сигнала. С выхода полосового фильтра модулированный ультразвуковой сигнал поступает на вход усилителя с дискретно регулируемым коэффициентом усиления 3.
С выхода усилителя с дискретно регулируемым коэффициентом усиления модулированный 3 ультразвуковой сигнал поступает на усилитель мощности 4, обеспечивающий необходимую мощность на пьезоэлектрическом излучателе 6, который преобразует электрический сигнал в механические колебания ультразвуковой частоты.
Между усилителем мощности 4 и пьезоэлектрическим излучателем 6 включен датчик тока 5. К нему подключен преобразователь тока в напряжение 7, на котором ток, проходящий через пьезоэлектрический излучатель, преобразуется в напряжение и поступает на амплитудный детектор тока 13. К второму выходу датчика тока 5 подключен амплитудный детектор напряжения 14. С выходов амплитудных детекторов 13 и 14 контролируемые напряжения через блок коммутации 15 поступают на АЦП, где происходит их преобразование в цифровой код и передача на микропроцессор 17.
Микропроцессор осуществляет программное управление усилителем с дискретно регулируемым коэффициентом усиления 3 по последовательному интерфейсу I2C, вычисление уровня мощности на излучателе путем измерения напряжений, пропорциональных уровню выходного напряжения и току излучателя, поступающих с соответствующих детекторов напряжения и тока. Таблица значений номинальных мощностей, соответствующих каждому уровню в диапазоне 0-30 дБ, хранится в микропроцессоре.
Вычисление текущей мощности на излучателе производится по следующей формуле:
где
U1(Uвых)=[U'1-U1(0)-U1(t°)] - значение выходного напряжения на излучателе;
U2(Iн)=[U2-U'2(0)-U2(t°)] - значение напряжения, пропорциональное уровню выходного тока излучателя.
Здесь:
- напряжение, снимаемое с детектора 1 (UВЫХ);
U1(0) - начальное напряжение смещения детектора 13 (UВЫХ) при отсутствии выходных ультразвуковых колебаний на излучателе (режим «ПАУЗА»), измеренных при 
и вводимых в программу в качестве константы;
U1(tо) - напряжение смещения детектора 13 (UВЫХ) в режиме «ПАУЗА» во время работы;
- напряжение, снимаемое с детектора 14 (IН);
U2(0) - начальное напряжение смещения детектора 14 (IH) при отсутствии выходных ультразвуковых колебаний на излучателе (режим «ПАУЗА»), измеренных при и вводимых в программу в качестве константы;
U2(to) - напряжение смещения детектора 14 (IH) в режиме «ПАУЗА» во время работы;
К - коэффициент пропорциональности, учитывающий нелинейность характеристик детекторов при измерении мощности во всем динамическом диапазоне.
Коэффициент К вводится в память микропроцессора в качестве константы при настройке прибора.
Таким образом, на основании измеренных значений тока и напряжения микропроцессор вырабатывает сигнал управления коэффициентом усиления усилителя с дискретно регулируемым коэффициентом усиления и, таким образом, стабилизирует мощность сигнала, подаваемого на пьезоэлектрический излучатель.
Управление прибором для диагностики поражений слуха осуществляется с панели управления 8, на которой располагаются кнопки увеличения и уменьшения мощности излучения, кнопки изменения скорости регулирования мощности и цифровые сегментные индикаторы.
При подаче электропитания на прибор на выходе его формируются пачки радиоимпульсов с f=100 кГц, длительностью t1=0,8 с и периодом следования t2=1,6 с. Таким образом, рабочий цикл и пауза составляют время t=0,8 с.
Во время рабочего цикла (выдача ультразвуковой частоты на излучатель) из микропроцессора на усилитель с дискретно регулируемым коэффициентом усиления поступают коды, соответствующие уровню мощности, введенному кнопками уменьшения и увеличения мощности. Однако при прижатии излучателя к различным участкам тела человека меняется комплексное сопротивление пьезоэлектрического излучателя, что приводит к изменению мощности излучения при одинаковом сигнале на выходе прибора, поскольку происходит изменение тока нагрузки. Поэтому в процессе работы требуется корректировка выходной мощности. Корректировка ее производится после вычисления реальной мощности на излучателе по формуле (1) путем изменения коэффициента усиления усилителя с дискретно регулируемым коэффициентом усиления до достижения установленного значения. Коррекция мощности производится с частотой f=250 Гц. При изменении импеданса нагрузки (излучателя) за время рабочего цикла коррекция мощности происходит за 200 шагов. Режим «ПАУЗА» задается микропроцессором путем загрузки в усилитель с дискретно регулируемым коэффициентом усиления кода, соответствующего минимальному коэффициенту усиления Кус=0. Во время паузы микропроцессор вычисляет начальные текущие напряжения смещения детекторов 13 и 14 для компенсации температурного дрейфа детекторов.
Во время рабочего цикла микропроцессор также производит самоконтроль прибора с излучателем. В случае отсутствия тока в излучателе на индикаторы выводится знак «□» («ОБРЫВ»). В случае короткого замыкания в излучателе на индикаторы выводится знак «∃» («ЗАМЫКАНИЕ»). В этом случае работа прибора блокируется с целью недопущения выхода из строя усилителя мощности. После устранения причин короткого замыкания или обрыва прибор готов к работе.
Анализ этих режимов производится путем измерения напряжений, поступающих с амплитудных детекторов 13 и 14.
При необходимости быстрого изменения уровня мощности излучения (в случае уточнения порога восприятия ультразвука) нажимают кнопку изменения скорости регулирования мощности 11.
Введение ультразвука пациенту оператором осуществляется посредством пьезоэлектрического излучателя, поверхность которого прижимается к заушной или лобовой части головы через тонкую пленку вазелинового масла. Воздействие ультразвука воспринимается пациентом благодаря наличию костной проводимости.
При постепенном увеличении интенсивности ультразвука достигается значение мощности излучения, при котором пациент начинает воспринимать ультразвук как слышимый сигнал. Это позволяет определить дифференциальный порог восприятия ультразвука и соответственно определить степень атрофии слухового нерва, т.е. диагностировать степень потери нейросенсорной чувствительности.
При этом надпороговый уровень ультразвука не используется и отрицательные воздействия ультразвука на человека практически исключаются.
Изобретение позволяет создать простое и надежное устройство, позволяющее обеспечить повышение достоверности диагностики различных поражений слуха за счет добавления или сопоставления результатов исследования восприятия пациентом ультразвука. В предлагаемом устройстве используется 100% модуляция звука, при этом при определении дифференциальных порогов восприятия силы звука мощность ультразвука изменяется от нуля до порогового значения, что существенно уменьшает опасность побочных отрицательных воздействий на пациента.
В качестве микропроцессора в ультразвуковом приборе для диагностики поражений слуха может быть использован микроконтроллер типа AT89S8252 фирмы ATMEL, амплитудные детекторы могут быть выполнены на операционных усилителях типа TL084 или LM318 фирмы TEXAS INSTRUMENTS. Могут быть использованы блок коммутации МРс509 фирмы TEXAS INSTRUMENTS и аналого-цифровой преобразователь AD 7818 фирмы ANALOG DEVICE.
Усилитель с дискретно регулируемым коэффициентом усиления может быть собран на операционных усилителях с резистивными цепочками, которые коммутируются с помощью электронных ключей.
Ультразвуковой прибор для диагностики поражений слуха, содержащий генератор колебаний ультразвуковой частоты, усилитель с дискретно регулируемым коэффициентом усиления, соединенный с усилителем мощности, выход которого через датчик тока соединен с пьезоэлектрическим излучателем, преобразователь тока в напряжение, подсоединенный к выходу датчика тока, блок коммутации и панель управления с кнопками увеличения мощности излучения, уменьшения мощности излучения и изменения скорости регулирования мощности, а также цифровыми сегментными индикаторами, отличающийся тем, что содержит полосовой фильтр, микропроцессор, амплитудный детектор тока, амплитудный детектор напряжения и аналого-цифровой преобразователь, причем полосовой фильтр подключен между генератором колебаний ультразвуковой частоты и усилителем с дискретно регулируемым коэффициентом усиления, к управляющему входу которого подключен первый выход микропроцессора, второй выход которого подключен к цифровым сегментным индикаторам, к входам микропроцессора подсоединены кнопки изменения скорости регулирования мощности, увеличения и уменьшения мощности излучения, а также через аналого-цифровой преобразователь выход блока коммутации, к входу которого подсоединены амплитудный детектор тока, подключенный к преобразователю тока в напряжение, и амплитудный детектор напряжения, подключенный ко второму выходу датчика тока.
