مقدمه:
عملکرد بدن انسان را می توانیم به سیگنال الکتریکی تبدیل کنیم که با کمی تمرکز و تفکر روی آن می توان از
اطلاعات مفید و ارزشمندی را از وضعیت بدن بدست آوریم .
با پیشرفت علم و تکنولوژی، اساس روش تبدیل و اخذ سیگنال الکتریکی از بدن انسان پیشرفت های چشمگیری و اساسی کرده است چرا که دو علم الکترونیک و پردازش کامپیوتری به کمک این زمینه آمده اند بنابراین سطح کمی و کیفی قابل ملاحضه ای را به این علم هدیه داده اند.
کاربرد علم مهندسی در حل مشکلات پزشکی و اندازهگیری های دقیق و علمی علائم زیستی و بیولوژیکی کاملا مشهود است.
یک بخش مهمی از این مشکلات و نشان ها در اخذ و ثبت سیگنال ناشی از صدای قلب است چرا که در آسیب شناسی قلب از این ترفند به راحتی استفاده کنیم.
لازم به ذکر است که صدای تولید شده از یک قلب سالم با صدای قلبی که دچار نارسایی است کاملا متفاوت است و حال ما بدنبال ارائه سیستمی هستیم تا سیگنال ناشی از نوسانات و لرزش های قلب را به صورت گرافی معنادار ثبت و نشان دهد تا با کمک آن بتوانیم بیماری های قلبی را آشکار و طبقه بندی کنیم.
تلاش های قبلی درزمینه پردازش صدای قلب با هدف ایجاد کردن یک پیش زمینه برای این کار بود و هیچ یک از این تلاش ها به صورت کامل انجام نشده است.
Ultra Monitor یک پیشرفت در زمینه پیشرفت تجهیزات پزشکی محسوب می شود. هدف از Ultra Monitor مطالعه و اندازه گیری صدای قلب به روش غیر تهاجمی است و در نهایت پس از انجام تکنیک های پردازش تصویر و پردازش سیگنال و اخذ اطلاعات لازم آنرا به تصویر بکشیم.
فصل اول
1_1)فرضیه
سیگنال صدای قلب دارای اطلاعات بسیاری زیادی است که به ما کمک می کند که بتوانیم در زمینه های مسائل تشخیصی و درمانی در زمینه فعالیت قلب انجام دهیم. این اطلاعات اکثرا قابل شنیدن و تشخیص با گوش انسان نیستند.
پایه واساس بحث ما در بکار گیری این اطلاعات واطلاعا دریافتی از صداهای مبهم(Murmur) قلب است که این صداها بر خلاف اسمشان شامل اطلاعات مهم و مفیدی از فعالیت و وضعیت قلب هستند.
به طور ویژه این اطلاعات را می توانیم بوسیله تکنیک های پردازش سیگنال و پردازش صوت بدست آوریم.
2_1)هدف
هدف اصلی این پروژه ارائه یک ابزار و یک سیستم برای آنالیز مفید، با کیفیت و عالی از اطلاعات دریافتی از صدای اصلی و صدای مبهم قلب است.
3_1)محدودیت در شنیدن صدای قلب
یک بررسی نشان می دهد که یکی از پرکاریردترین تجهیزات پزشکی گوشی پزشکی است (استسکوپ)البته استفاده از آن تنها برای تشخیص بیماری ها وسیله ای مناسب نیست، بنابراین ما نیاز به تجهیزات مدرن تر و مناسب تر برای نشان دادن قلب هستیم که علاوه بر شنیدن صدای قلب برای امکان ثبت و ضبط سیگنال صدای قلب باشد و آنرا پردازش کند.
استفاده از صدای قلب برای تشخیص بیماری ها و نارسایی های قلبی غیر قابل انکار است اما برای این کار شنیدن صدا بوسیله گوش انسان و یا وسایلی از جمله استسکوپ و PCG معمولی ابزار های مناسبی برای این کار نیستند .
بسیاری از صداهای تولید شده در قلب در رنج شنوایی انسان نیستند و بسیاری دیگر از این اصوات مبهم هستند که سیستم پردازشی گوش و مغز ما قادر به تفکیک و تشخیص آنها نیستند.
زمانی که صدای قلب را توسط گوش می شنویم تنها گوش ما قادر به تشخیص صدا هایی در فرکانس پایین است
صداهایی از قلب که فرکانس پایین هستند و نیاز به تقویت دارند و دیگر صداها که دارای فرکانس متوسط هستند در رنج 1KHz هستند.
درک صوت برای مغز انسان دارای ویژگی های خاصی است . زمانی که انسان به صدایی گوش می دهد یک حالت خستگی رخ می دهد که باعث عدم آشکار سازی برخی از صداها می شود.
پس از شنیدن صدایی بلند برای گوش ما کار مشکلی است که یک صدای آرام را با صدا را با کیفیتی مناسب و با حساسیتی مطلوب بشنود. حالاتی را که ما پس از شنیدن یک صدای بلند به صدایی آرام گوش می دهیم حالت ماسک(Mask) گفته می شود، این حالت سکوت یک حالت واقعی است که دارای فرکانس غیرقابل تشخیص برای گوش و مغز ماست.
برای همین است که برای صدای قلب دو حالت صدای اصلی قلب و صدای نامفهوم (Murmure) در نظر می گیریم. این دوگانگی بوجود آمده در صدای قلب کاملا به فرکانس مرتبط است و کمترین زمان برای تشخیص این دو گانگی حدود 30MS است.
خصوصیات صدای قلب را می توان به خصوصیاتی قبیل زمان دم، فرکانس طبیعی، شکل و حالت نامفهومی صوت تقسیم بندی کرد.
در فصل های آینده روش های لازم را برای پردازش سیگنال قلب را بطور کامل ارائه می شود.
Digital PCG بسیاری از این مشکلات و محدودیت هارا برطرف کرده است و سیگنال صدای قلب را به صورت کمی(عددی) ودیداری(گرافیکی) نمایش می دهد. نمایش دیداری خود به تنهایی بساری از محدودیت هایی که وجود را برطرف می سازد.
البته توجه به این نکته ضروری است که الگوی تشخیصی چشم برای برداشت تمام اطلاعات و تشخیص نارسایی قلب به تنهایی الگوی مناسب و عملی نیست برای همین اطلاعاتی از قبیل تعداد ضربان ، پریود زمانی و فرکانس را نیز نمایش می دهد.
1_1)فیزیولوژی قلب
قلب انسان از چهاز قسمت تشکیل شده است که شامل: بطن چپ، بطن راست، دهلیز چپ، دهلیز راست
در حالت کلی قلب را به وسیله جناغ به دو قسمت چپ و راست تقسیم می کنیم.
گردش خون دارای مراحلی مهم و پشت سر هم است که این مراحل عبارتند از :
1- گردش خون دراندام های بدن
2- عبور خون از سیاهرگ ها
3- وارد شدن خون به دهلیز راست
4- وارد شدن خون به بطن راست
5- ورود خون به رگ های ششی
6- ورود خون کثیف(خونی که فاقد اکسیژن است) به ریه
7- تصفیه خون در ریه ها بوسیله آلوئول ها
8- خروج خون از ریه ها توسط سیاهرگ ششی
9- ورود خون به دهلیز چپ
10- ورود خوت به بطن چپ
11- ورود خون به آئورت
12- گردش خون در اندام های بدن
در حالت کلی می توان گفت انقباض و انبساط ماهیچه های قلب باعث ایجاد عمل گردش خون در قلب شود البته این انقباض و انبساط تنها عامل نیست بلکه بازو بسته شدن دریچه های قلب هم یکی دیگر از عوامل مهم در مکانیزم گردش خون است
پس از ورود خون کثیف (بدون اکسیژن) به دهلیز راست که ناشی از گردش خون در سراسر بدن است را حالت دیاستول می گویند. در طول مدت دیاستول دهلیز ها و بطن ها به صورت جداگانه باز می شوند و بطن راست و رگ های ششی در طول دیاستول بسته می شوند.
در قسمت راست قلب ، بین دهلیز و بطن راست دریچه ای وجود دارد که به آن دریچه میترال گویند و در قسمت چپ قلب دریچهسه لختی یا Tricuspid گویند.
پس از پایان دیاستول ، دهلیز ها منقبض می شوند و خون به بطن از طریق دریچه میترال فرستاده می شود. در این حالت دپلاریزاسیون در سلول های قلب بوجود می آیدکه این کار موجب این انتقال می گردد .
حال در این مرحله خون هنوز غاقد اکسیژن و اصطلاحا کثیف است و باید آنرا پاک سازی کنیم ، این کار را ریه ها برعهده دارند و خون موجود در بطن راست از طریق رگ های ششی خون به ریه ها فرستاده می شود. پس از ورود خون در ریه ها به کمک اندامی به نام آلوئول بین خون فاقد اکسیژن و اکسیژن موجود در ریه ای تبادل صورت می گیرد و اصطلاحا می گوییم خون تصفیه شده است حال خون تمیز از طریق رگ هی ششی وارد دهلیزچپ می گردد.
در این مرحله از گردش خون در قلب خون وارد شده به دهلیز چپ از طریق دریچه سه لختی به بطن چپ وارد می گردد و از آنجا به کمک شرخ رگ آئورت خون به اندان های بدن پمپاژ می شود و این سیکل به صورت مداوم طی می شود.
یکی از نقش های کلیدی در قلب را دریچه ها انجام می دهند که وظیفه اصلی آنها در قلی عبارت است از: کنترل جریان خون و جلوگیری از جریان برگشتی خون است.
مکانیسم عملکرد قلب را گره SAبرعهده دارد. گره SA یک دنباله زمانی است که فعالیت های قلب را اصلاح می کند و انجام مکانیزم قلب کاملا به آن وابسته است.
در نهایت می توان گفت که عملکرد فیزیولوژی قلب مکانیزمی کاملا غیره ارادی است .
در می توانیم ارتباط صدای قلب را با فعالیت الکتریکی قلب را به طور کامل مشاهده کنید. صدای S1 که همراه با بسته شدن دریچه میترال و سه لختی است و صدای دوم قلب یا همان S2 با بسته شدن آئورت و دریچه ششی همراه است.
1-1) خصوصیات صدای قلب
تشخیص صدای قلب و مورمور(صدای نامفهوم قلب)به صورت کاملا ساده از روی سیکل قلب انجام می گیرد. سیکل گردش خون در قلب صداهای مختلفی را ایجاد می کند که هر کدام از آنها دارای ویژگی های منحصر به فرد خود هستند.
1-1) پایه و اساس صدای اصلی و صدای نامفهوم (مورمور)قلب
طیف قابل قبولی از صدای اصلی قلب (S1و S2) برای گوش انسان قابل تشخیص است که آن هم ناشی از بسته شدن درچه ها است البته نوسانات ایجا د شده در قلب که ناشی از عبور و. فشار خون در رگ ها که در اثر بسته شدن دریچه های قلب است قابل شنیدن و تشخیص است.
دامنه صدای قلب شنیده شده متناسب با اندازه افت فشاری است که اندازه آن هم به جریان خون قبل از بسته شدن دریچه های قلب وابسته است.
یکی دیگر از ویژگی های مهم مربوط به فرکانس است که اندازه دیچه رابطه معکوس دارد و هرچه فرکانس بلاتر باشد عبور خون از درچه کوچکتری انجام شده است. لازم به ذکر است که این یک قانون فیزیکی است .
تا اینجا بیشتر بحث در رابطه با پایه و اساس صداهای قلب است حال می خواهیم بیشتر در رابطه با صدای مورمور بحث کنیم.
این تنوع فیزیولوژیکی است که باعث بوجود آمدن مورمور می شود البته مطالعه در مورد نشانه ها و علائم مور مور چیزی را جز نوسانات و آشفتگی دریچه ها نشان نمی دهد.
گردش خون کوچک یک حالت مطلوب و مناسب است کا آنرا از طریق همین صداهای مورمور می توانیم تشخیص دهیم و می توان برخی از بیماری ها و نارسایی های قلبی را تشخیص داد. اغلب مورمور قلب یک نشان برای آسیب شناسی قلب نیست.
حرکت یک مایع در یک راه باریک (مثل رگ) یک لرزشی را ایجاد می کند که اصل و اساس صدای نامفهوم(مورمور)همین صدا است که قابل ثبت و طبقه بندی با تجهیزات مطلوب و دارای حساسیت بالا است.
فصل دوم
2-1)استسکوپ دیجیتال
در سال های اخیر تلاش های زیادی برای طراحی یک گوشی پزشکی با ویژکی های خاص و کاربرد های بیشتر انجام شده است . اگرچه بین صای دریافتی و شنیده شده از قلب از استسکوپ های قدیمی و استسکوپ های جدید اختلافی وجود ندارد اما در نمونه های امروزی امکانات و کاربرد ههای زیادی به این سیستم افزوده شده است که نمونه های امروزی را کاملا متمایز کرده است .
شنیدن صدای قلب یکی از مرسوم ترین و پرکاربرد ترین روش های ممکن برای تشخیص برخی از بیماری ها و نارسایی های قلب که نزدیک به 1000سال است که قدمت دارد و طی این دوران تغییراتی زیادی کرده است
در این پروژه سعی شده است تا علاوه بر ساخت دستگاهی با داشتن امکانات موجود ویژگی هایی کاربردی را هم به این سیستم اضافه کنیم این ویژگی ها عبارتند از :
1- طراحی قالب و جعبهای مناسب برای دستگاه(به پرتابل و قابل حمل بودن سیستم کمک شایانی می کند)
2- قابلیت خروجی صوتی برای هدفن(گوشی)
3- قابلیت خروجی برای اسپیکر های توان بالا(این اسپیکر ها امکان پخش صوت را در محیط ما فراهم می سازد)
4- امکان شنیدن صدای قلب و صدای ریه ها هم زمان و یا جدا از هم
5- امکان رسم سیگنال صدای قلب به صورت گراف
6- امکان آنالیز سیکنال دریافتی و در یافت اطلاعات لازم و کاربردی از ان
در این پروژه با قراردادن میکروفن در محل مشخص شده ما سیگنال و صوت مورد نظر را دریافت می نماییم و پس از عبور آن از یک مدار تقویت کننده و انجام مراحل فیلترینگ(در ادامه مفصلا مورد بررسی قرار می دهیم) انرا برای پردازش آماده می کنیم.
هوشبر های اتاق عملنیاز به شنیدن صدای قلب و صدای ریه ها در طول مراحل بیهوشی و عمل دارند، استسکوپ های دستی که استفاده از آنها رایج است تنها برای کاربر امکان شنیدن صدای قلب را از طریق هدفن را فراهم می کند (که این کار خیلی قابل اعتماد نیست).
استسکوپی که در این طرح مراحل ساخت آنرا بررسی می کنیم این مشکل را برطرف می سازد و این امر را بسیار راحت و روان می سازد.
2-2)تاریخچه استسکوپ
با توجه به اهمین صلب و نحوه کار کرد آن در تشخیض بیماری ها و نارسایی ها، بدون شک استسکوپ را می توان یکی از پر کار برد ترین ابزارات در تجهیزات پزشکی دانست .
Rene Theophile یک پزشک فرانسوی است که اولین نمونه از استسکوپ را در سال 1816 اختراع کرد وآنرا روی بیماران خود امتحان کرد و برای اولین بار در جهان توانست صدار قلب را بشنود .
استسکوپ او یک لوله بلند و از جنس چوب بود که تنها از طریق یک گوش صدایی پر از مورمور را از قلب می شنید.
پس از آن در سال 1061 دکتری به نام Dr.DividLitman یک الگو و طرح جدیدی را برای شنیدن صدای قلب ارائه نمود. وی در مدلش از یک تیوپ دارای دو گوشی استفاده کرد و امکان شنیدن صدا را برای هر دو گوش فراهم نمود.
استسکوپ هایی که امروزه استفاده از آنها رایج است با نام گوشی پزشکی Litman شناخته می شوند.
نمونه اولیه
هدف شنیدن صدای قلب از روی نوسانات قلب است که با قرار گرفتن هد استسکوپ(Stethoscope Head) روی قلب این نوسانات را گرفته و در مرحله بعدی توسط یک ترانسدیویر آنرا به سیگنال الکتریکی تبیدل می کنیم و پس از انجام مراحل فیلترینگ و تقویت کنندگی آنرا از طریق اسپیکر و هدفن ارائه می کنیم.
توضیح مختصر مداری در رابطه با مدار فوق بدهیم باید بگوییم که سیگنال در یافتی از میکروفن دارای یک مقدارDC است که برای حذف آن از یک فیلتر حذف DC یا یک فیلتر بالاگذر آنرا حذف می کنیم و پس از عبور آن از یک پیش تقویت کننده با گین 10(استفاده از تقویت کننده LM386) آنرا از یک فیلتر پایین گذر با فرکانس قطع 400HZ عبور می دهیم .
حال سیگنال برای شنیدن از طریق هدفن کاملا آماده است اما اگر بخواهیم آنرا از طریق یک اسپیکر بشنویم نیاز به تقویت بیشتر و افزایش توان سیگنال هستیم برای این کار به کمک تقویت کننده های ابزاری(برای این کار از تقویت کننده TDA2003 استفاده می کنیم) با گین 400 این امر را ممکن می سازیم.
با وجود یک طرح کلی برای ساختن نمونه اولیه دستگاه ما از سه قسمت اصلی تشکیل شده است که این قسمت ها عبارتند از
1. نوع میکروفن(ورودی)
2. مراحل تقویت کنندگی و فیلترینگ
3. پخش صوت و ثبت سیگنال
فصل سوم
3-1)طراحی مدار
هر میکروفن پس از دریافت صوت از قلب نیاز به 4مرحله تقویت کنندگی خواهند داشت که در این تقویت کننده ها دو مرحله تقویت سیگنال و فیلترینگ انجام می گردد.
در این مدار از سه نوع تقویت کننده استفاده می شود که عبارتند از:
1. تقویت کنندگی سیگنال
2. تقویت کنندگی صوتی
3. میکسر
علت استفاده از این تقویت کننده ها انجام عمل فیلترینگ است و علت استفاده از میکسر تشخیص صدای زیر، بم و ایجاد تعادل بین دو سیگنال دریافتی از میکروفن ها است و در انتهای بلوک دیاگرام از یک کلید سوئیچ استفاده می شود که باتغییر وضعیت آن مشخص می کنیم که صدا روی اسپیکر برای ما پخش شود ویا صدا از طریق هدفن پخش گردد.
کل مدار ما با 12Vdc تغذیه می شود و شرط لازم برای بکار بردن از میکروفن خازنی است استفاده از 2Vdcاست که این ولتاژ را از طریق یک تقسیم ولتاژ درست می کنیم. وا این کار توان ورودی که به میکروفن نیز کاهش می یابد (تقسیم ولتاز شامل 2مقاومت است که یکی از آنها به زمین متصل است و مقاومت دیگر به ولتاژ 12ولت متصل استو حال نقطه مورد استفاده برای ما نقطه اتصال این دو مقاومت است که بعنوان Voutدر نظر می گیریم.
وجود یک خازن مجزا سیگنال در یافتی از میکرفن را به تقوت کننده 4کاناله LM324 می رساند.
این تقویت کننده با 12ولت و بدون در یافت ولتاژاز میکروفن کار می کند.نکته لازم به ذکر این است که ولتاژ بکار برده شده در LM324 باید رگوله باشد.
LM324 شامل 4OP AMPمجزا از یکدیگر است که به صورت سری در این تراشه قرار گرفته است . در دومرحله اول از این OP AMP بعنوان تقویت کننده استفاده می شود که در مرحله اول ضریب تقویت (گین) برابر با یک است و در مرحله بعدی ضریب تقویت 3است .
فرکانس های نویز (مزاحم) در حدود 1000Hzبه صورت خیلی کم نمایان می شود اما اگر فرکانس قطع را در حد1200Hz قرار دهیم خواهیم دید که فرکانس های نویز ووارد فرکانس های اصلی می شوند و صدا و سیگنال خروجی را خراب می کند .
حال وارد مرحله جدید می شویم که در این مرحله سیگنال در یافتی از تقویت کننده 4کانالهLM324 وارد میکسر LM1036 می شود که شامل 4پتانسیومتر است که به ترتیب برای شنیدن صدای زیر ، صدای بم ، تعادل و حجم صدا است.
نکته قابل توجه این است که برای کاهش و محدود کردن صدای پس زمینه و مزاحم موجود باید پتانسیومتر مربوط به صدای زیر را کاهش دهیم و پتانسیومتر مربوط به صدای بم را افزایش دهیم. این کار به ما امکان شنیدن صدای قلب را می دهد.
میکسر دارای 2 ورودی و 2خروجی است و سوئیچ های طراحی شده در آن به ما امکان پخش صوت روی اسپسکر و یا هدفن را می دهد.
حال در این مرحله صدای Min شده توسط میکسر وارد تقویت کننده ای دیگر با نام TDA2003می شود
گین این تقویت کننده 100 است اگر بخواهیم صدا را روی اسپیکر اجرا کنیم و آنرا در محیط اتاق بشنویم . استفاده از TDA2003 بهخود برای اسپیکر یک نوع خاصیت فیلتریگ خواهد داشت و تاحدی صدای محیط (نویز) را حذف می کند.
حال اگر با سوئیچ صدا را برای هدفن بفرستیم که این کار خود نیاز به تقویت دارد که از تریق تقویت کننده صوتی دیگر با نام LM386انجام می دهیم و صوت را برای شنیدن در هدفن آماده می کنیم. برای این کار ضریب تقویت را روی 20 قرار می دهیم.
