KONSTRUKTION OCH DESIGN AV ETT DIGITALT STETOSKOP

EL1803, Examensarbete, 15 hp

Högskoleingenjörsprogrammet i Elektronik och datorteknik – Medicinsk teknik, 180 hp

KONSTRUKTION OCH DESIGN AV ETT DIGITALT STETOSKOP

Development and design o fen electronic stethoscope

Jennifer Törngren

Högskoleingenjörsprogrammet i Elektronik och Datorteknik/ Medicinsk Teknik på Umeå Universitet. Examensarbetet har genomförts för avdelningen Medicin Teknik Forskning och Utveckling på Norrlands universitetssjukhus.

Jag skulle vilja börja med att tacka Medicinsk teknik, forskning och utveckling (MT-FoU) på Norrlands Universitetssjukhus för att jag fick möjligheten att göra detta examensar- bete hos er samt att jag under projektet fått tillträde till datorsal och laborationssal.

Jag vill även tacka min handledare Johan Skönevik för att ha gett mig stöd och handled-

ning under projektets gång. Ett tack även riktat till min biträdande handledare Tomas

Bäcklund som gett mig handledning och hjälpt till att hitta material att tillgå under

arbetet.

dicinska undersökning som används för att lyssna på kroppens ljud kallas för auskul- tation. Genom att utföra auskultationer av hjärta och lungor har läkare möjlighet att upptäcka och diagnostisera vanligt förekommande sjukdomar. Att digitalisera stetoskop är till stor fördel eftersom ljuden då kan förstärkas, spelas in och skickas på distans.

Medicinsk teknik, forskning och utveckling (MT-FoU) på Norrlands Universitets- sjukhus har idag utvecklat och driftsatt ett mjukvarusystem som överför kroppsljud på distans. Idag används en annan tillverkares stetoskop tillsammans med det ut- vecklade mjukvarusystemet. Detta innebär en risk om produkten skulle tas ur bruk och ger även mindre möjlighet till vidareutveckling av systemet. I detta projekt ges en inblick i hur konstruktionen av de digitala stetoskopen som finns idag är upp- byggda samt en utvärdering av sensorer som är relevanta för att plocka upp dessa kroppsljud. En prototyp tillverkas för att ge en grund till hur ett digitalt stetoskop kan tillverkas. Olika jämförelser görs med hjälp av prototypen för att undersöka hur störningar kan elimineras och minskas med hjälp av olika material på de tillhörande komponenterna.

Resultaten tyder på att ett enkelt digitalt stetoskop som använder sig av en pie-

zoelektrisk sensor kan tillverkas och fånga upp de relevanta ljuden som vill uppnås

för avlyssning av hjärtats ljud. Med den prototyp som tillverkats kan man höra ett

normalt hjärtljud som är något förstärkt och andra ointressanta ljud och störningar

är tillräckligt bortfiltrerade för att höra tydliga slag.

Askultation is the medical examination that is used to listen to the body’s sounds.

By performing auscultations of the heart and lungs, doctors have the ability to de- tect and diagnose common diseases. The development of electronic stethoscopes is a great advantage since the sounds can then be amplified, recorded and transfered to the doctor at a distance.

Biomedical Engineering Research and Development (BE-R & D) at Norrlands Uni- versity Hospital has developed and implemented a software system that transmits body sounds remotely. Today, another manufacturer’s stethoscope is used with the developed software system. This implies a risk of the product being taken out of use or a risk of having less opportunity for further development of the system. This project provides an insight in how the structures of the digital stethoscopes avail- able today are designed. The report also gives an evaluation of sensors relevant to picking up these body sounds. A prototype is manufactured to provide a basis for how a digital stethoscope can be manufactured. Different comparisons are made using the prototype to evaluate how disturbances can be eliminated and reduced using different materials on the input components.

The results indicate that a simple digital stethoscope using a piezoelectric sensor

can be manufactured and capture the relevant sounds for interception of the heart’s

sound. With the prototype produced, you can hear a normal heart sound that is

amplified. Other sounds that are not of interest and noise are sufficiently filtered to

hear clear strokes.

1 Introduktion 1

1.1 Bakgrund . . . . 1

1.2 Mål och syfte . . . . 1

1.3 Krav och avgränsningar . . . . 2

1.4 Metoder . . . . 3

2 Teori 4 2.1 Stetoskopet . . . . 4

2.2 Hjärtats ljud . . . . 4

2.3 Piezoelektriska sensorer . . . . 4

2.4 Nulägesanalys . . . . 5

2.5 Laddningsförstärkare . . . . 5

2.6 Frekvenser . . . . 6

3 Genomförande & Material 7 3.1 Mätuppställning . . . . 7

3.2 Utvärdering av sensor . . . . 8

3.3 Uppkoppling av krets . . . . 9

3.3.1 Förstärkning . . . . 10

3.3.2 Filter . . . . 10

3.4 Uppkoppling till dator . . . . 11

3.5 Utvärdering av membran & backing . . . . 11

3.6 3D-utskrift . . . . 11

4 Resultat 12

5 Diskussion & vidareutveckling 20

6 Slutsats 22

1 Introduktion

Under åren har en stor utveckling av de klassiska stetoskopen tagit fart och börjar ersät- tas med de smarta digitala stetoskopen. Ett digitalt stetoskop ska konstrueras som exa- mensarbete för högskoleingenjörsprogrammet i elektronik och datorteknik med inriktning medicinsk teknik. Arbetet utförs under läsperiod 3 och 4 och täcker in 15 högskolepoäng.

Detta examensarbete utförs för Medicinsk teknik, forskning och utveckling (MT-FoU) på Norrlands Universitetssjukhus.

Examensarbetet ger en inblick i uppbyggnad och design hos några av de digitala stetoskop som finns på marknaden idag. Information ges kring ett tillvägagångssätt att konstruera ett digitalt stetoskop. Rapporten innefattar sensorernas och de ingående komponenternas påverkan på signalkvalitet. Projektet ger en omfattande beskrivning på ett tillvägagångs- sätt som kan användas vid konstruktion av ett digitalt stetoskop som använder sig av en piezoelektrisk sensor för att plocka upp hjärtljud.

För inspelning av ljud under arbetet används programmet Goldwave [1]. som är ett ljudredigerings program. Ljudet som plockas upp från sensorn kan spelas in och därmed analyseras vid ljuduppspelning samt visuellt.

1.1 Bakgrund

Något som haft en enorm utveckling under de senaste åren är digitaliseringen av sjuk- vården. Man jobbar framförallt på att öka tillväxten av virtuella vårdrum och konsulta- tioner och diagnostik på distans. En vanligt förekommande undersökning är auskultation av hjärta och lungor med digitala stetoskop. MT-FoU har utvecklat och driftsatt ett mjukvarusystem som överför just dessa ljud på distans. Utvecklingen av de digitala ste- toskopen har dock inte gått lika fort framåt genom åren. Om det nuvarande stetoskop som används skulle tas ur drift finns en risk att det tillverkade mjukvarusystemet inte kan användas. Littmann Stetoskopet som används tillsammans med mjukvaran idag är det ledande på marknaden, däremot finns det ingen möjlighet till utvecklingen av hela systemet samt hård- och mjukvarans kompatibilitet med varandra. För att kunna ut- veckla bästa möjliga produkt där både hård- och mjukvara ingår är det viktigt att de båda systemen kan vidareutvecklas. Genom att ta fram en prototyp ges en möjlighet till skapandet av en egen hårdvara och en större chans ges att göra systemen kompatibla med varandra och därmed en optimal konstruktion för avlyssning av olika kroppsljud[2].

1.2 Mål och syfte

MT-FoU har efterfrågat konstruktion och design av ett digitalt stetoskop för att ge dem

en djupare inblick i hårdvarans uppbyggnad och sensorernas prestanda. En egen kon-

struktion ökar chanserna till vidareutveckling av hela systemet då man kommer kunna

utföra ändringar i både hård- och mjukvara för optimal funktion. Det minskar även ris-

kerna att mjukvarusystemet blir oanvändbart om det stetoskop man använder idag skulle

tas ur drift.

Fokus i detta projekt ligger på att utvärdera olika akustiska sensorer samt de ingående komponenternas påverkan av signalkvalitet. Målet är att ta fram en prototyp som plockar upp hjärtljud och förstärker de låga ljuden till en nivå som går att avlyssna. Det är tänkt att prototypen ska kunna kopplas samman med line-in på en dator för att kunna lyssna och bedöma kvaliteten på den färdiga produkten.

1.3 Krav och avgränsningar

I början av projektet lades en del krav fram för att kunna avgöra hur produkten skulle framställas och vad som skulle ingå. I tabell 1 visas kraven samt en kort tillhörande beskrivning av dessa som ställdes på slutprodukten av MT-FoU. Eftersom det är en pro- totyp som tas fram har även en del avgränsningar gjorts för att fokusera på de viktigare delarna av produkten.

Tabell 1 – Kravspecifikation

Krav nr. Krav Beskrivning Bas

1 Sensor och membran Utvärdering och val av relevant givare och membran till produkten. Bas 2 Förstärkning och fiter Få ut en förstärkt och filtrerad signal

som kan avlyssna hjärtljud. Bas 3 Interface Produkten ska kunna anslutas till

line-in på en dator. Bas

4 Chassi En hållare ska tillverkas (3D) för att

hålla samman komponenterna. Bas 5 Filtergränser Kunna ändra mellan filtergränser för

att skifta mellan hjärt- och lungljud. Extra När man konstruerar en medicinteknisk produkt är det mycket viktigt att produkten är patientisolerad. Detta för att motverka att någon ström förs genom kroppen och i värsta fall orsakar hjärtstopp. Eftersom det är mycket viktigt och används till många medicintekniska produkter är det ett känt moment som genomförts många gånger. Därför har beställaren och projektansvarig kommit överens om att utesluta detta från projektet då det kan göras i ett senare stadie. Även AD-omvandling kommer att uteslutas från produkten i sig men diskussioner förs om hur signalen ska anpassas för att AD-omvandlas.

Detta för att hårdvaran senare ska kunna användas tillsammans med en mjukvara.

1.4 Metoder

Under projektet görs en omfattande förstudie för att få en inblick i ämnet samt för

att skapa en vision om hur projektet ska struktureras upp. Beräkningar, simuleringar

och beställning av de komponenter som ska ingå görs för att sedan utföra mätningar

och slutligen kunna skapa en prototyp. Möten med handledare sker kontinuerligt där

diskussioner kring eventuella lösningar förs. Sökning av information görs framförallt via

Umeå universitetsbibliotek och Google scholars sökfunktioner där vetenskapliga artiklar

finns att tillgå.

2 Teori

I teoriavsnittet presenteras en bakgrund till den vetskap som är relevant att kunna för projektet. Det innefattar även en bakgrund till de nuvarande digitala stetoskop som finns på marknaden.

2.1 Stetoskopet

Stetoskopet uppfanns av Rene Laennec 1816 och är ett medicintekniskt instrument som används för auskultation, en icke-invasiv undersökningsmetod för att lyssna på kropps- ljud [3]. Stora framsteg har gjorts kring utvecklingen av stetoskopet sedan första uppfin- ningen på 1800-talet och goda möjligheter finns för att utvecklingen kommer fortsätta framåt. Idag konkurrerar många tillverkare om hur de ska få fram det bästa ljudet och överföringen av dessa med hjälp av de digitala stetoskopen. Med de digitala stetoskopen kan avancerad teknik användas för att förstärka de egentligen mycket låga kroppsljuden.

Genom att omvandla de akustiska ljudvågorna som erhållits från bröstet till elektriska signaler kan man anpassa och bearbeta signalen optimal för lyssning. Kretskorten tillå- ter också att ljud-energin digitaliseras, kodas och avkodas, för att reducera omgivande brus med mjukvara samt sända ljudet vidare till andra digitala system. Att ljud överförs elektroniskt gör det möjligt för digitala stetoskop att erbjuda funktioner som ljud- eller seriell datautgång, trådlös överföring och inspelning av ljudklipp [4].

2.2 Hjärtats ljud

Människans hjärta har fyra rum. Höger och vänster förmak upptill samt höger och vänster kammare nedtill. Mellan förmak och kammare och även mellan kammare och huvudar- tärer befinner sig klaffar som öppnas och stängs för att förhindra att blodet åker tillbaka åt fel håll. När man lyssnar på hjärtat hörs två dunk. Det första ljudet, också kallat s1, hörs när segelklaffarna som befinner sig mellan förmak och kammare stängs. Det andra ljudet som hörs (s2) uppkommer när fickklaffarna som är placerat mellan kammare och artärerna stängs. Det första hjärtljudet (s1) är ett lågfrekvent ljud och varar några mil- lisekunder längre än (s2). S1 hörs när klaffarna mellan förmak och kammare stängs. S2 är ett lite kortare ljud med en något högre frekvens [3].

2.3 Piezoelektriska sensorer

Piezoelektricitet uppvisas av ett antal naturligt förekommande kristaller där strukturen på dem inte har någon som helst symmetripunkt, ett exempel är mineralen kvarts. Dessa kristaller har en egenskap som omvandlar ett mekaniskt arbete till elektricitet när de utsätts för någon slags belastning eller deformation. Detta kallas för den piezoelektriska effekten. Även omvänt så kan en elektrisk påfrestning omvandlas till ett mekaniskt arbete.

Detta kallas för omvänd piezoelektrisk effekt [5]. Dessa effekter används idag till många

produkter såsom medicinsk-, flyg- och rymdteknik.

Piezoelektrska sensorer kan anses som väldigt tåliga. När de utsätts för kompression visas minimal böjning. De visar en linjäritet kring stora amplitudområden och en mycket hög naturlig frekvens. Elementen har även en stabilitet kring höga och låga temperaturer och är okänsliga för elektromagnetiska fält och strålning [6].

Tack vare piezogivares stora frekvensomfång kan de användas för att mäta både höga och låga frekvenser. Omfånget gör det möjligt att detektera mycket låga frekvenser vilket är utmärkt när man vill mäta hjärtats frekvenser. Ofta vill man använda området mellan den nedre gränsfrekvensen och resonansfrekvensen för att få bästa möjliga respons från piezosensorn.

2.4 Nulägesanalys

Till skillnad från akustiska stetoskop, som alla bygger på samma fysik, varierar omvand- lare i elektroniska stetoskop mycket. En enkel metod, som dock inte är så effektiv och har hög brusnivå, är att placera en mikrofon vid bröstet för ljuddetektering. En annan metod som används är att placera en piezoelektrisk kristall vid huvudet på en metal- laxel. Andra delen av axeln har kontakt med ett membran. Andra tillverkare använder en metod där en kapacitiv sensor bildas med hjälp av ett elektromagnetiskt membran med en ledande inre yta nyttjas. Detta membran svarar mot ljudvågor på samma sätt som ett akustiskt stetoskop fast med förstärkning. Förändringar i ett elektriskt fält som ersätter förändringar i lufttrycket. Ekos CORE och Rijuven CardioSleeve är en enhet som kan anslutas till ditt egna akustiska stetoskop och digitalisera ljuden som plockas upp av en mikrofon. De ledande på marknaden idag, Littmann, använder sig också av en piezoelektrisk kristall som är placerad i skum bakom ett gummimembran[7][8].

Anordningarna för de elektroniska stetoskopen varierar något för de olika tillverkarna.

Framförallt val av sensorer och membran. Från analyser av lästa artiklar kan man se att de flesta studier som gjorts och gett bäst resultat har någon typ av piezoelektrisk sensor använts för att plocka upp själva hjärtljudet och ge ut en bra signal. Detta eftersom de piezoelektriska har ett mycket brett frekvensomfång och kristallerna som sätts i sväng- ning ger ett noggrant resultat[3].

Lika många studier har dock inte gjorts kring membran. De olika tillverkarna har olika lösningar på detta moment vilket gör det svårt att urskilja den bästa lösningen på detta.

En av de ledande stetoskopstillverkarna är Littman. De använder sig av ett styvt och lite tjockare gummiliknande membran[3].

2.5 Laddningsförstärkare

Eftersom den piezoelektriska givaren har väldigt hög utgångsimpedans är det viktigt

att signalanpassa så att signalen kan samlas upp. En krets till för signalbehandling av

ett piezoelement måste ha mycket låg ingångsimpedans för att kunna samla upp det

mesta av laddningen från sensorn. Om laddning försöker byggas upp på sensorns plat- tor eller kapacitansen hos operationsförstärkaren kommer en spänning uppstå vid opera- tionsförstärkarens ingång. Denna spänning elimineras med hjälp av negativ återkoppling.

Förstärkningen kommer bestämmas av kondensatorn som återkopplas till operationsför- stärkarens minusingång [9].

En enkel laddningsförstärkare kopplas upp med ett motstånd parallellt kopplad mot en kondensator och in på minusingången på en operationsförstärkare. Det är viktigt att se till att det är låg biasström på ingången på operationsförstärkaren eftersom biasström- men på ingången på förstärkaren strömmar genom det motstånd som används och skapar en utgångsspänning. En låg ingångs biasström på operationsförstärkaren medför att en hög resistans kan väljas och därmed en låg kondensator. Desto lägre värde på kondensa- torn desto högre förstärkning kan uppnås i detta steg. Däremot måste det tas i hänsyn till att högpassfiltet som bildas inte får för hög gränsfrekvens.

För att reducera brus rekommenderas en differentiell-laddningsförstärkare. Vid använd- ning av differentiell matning till operationsförstärkaren kan nätstörningar som 50Hz un- dertryckas. Förutsatt att återkopplingen är densamma för båda ingångarna på opera- tionsförstärkaren kommer de common-mode-signalerna som inkommer på bägge ingångar ta ut varandra [9].

2.6 Frekvenser

En människas normala hjärtljud, s1 och s2 arbetar på frekvenser runt 20-400Hz. Däre- mot erhålls mycket högre frekvenser i andra förekommande hjärtljud. Ljuden kan sträcka sig upp mot frekvenser över tusentals hertz [10]. Klockan på de akustiska stetoskopen brukar oftast användas för att lyssna på hjärtljud i och med att ljuden innefattar lite lägre frekvenser än vad exempelvis lungorna gör. En människas lungor arbetar på fre- kvenser omkring samma frekvenser som hjärtat men sträcker sig även till ännu högre frekvenser. Om dessa ljud är av intresse används ofta membrandelen på stetoskopet då de lägsta frekvenserna filtreras bort. Ska man konstruera ett digitalt stetoskop är det där- emot viktigt att inte hänga upp sig på dessa frekvenser på grund av att andra kroppsljud även kan vara av intresse samt att olika människors organ arbetar på olika frekvenser.

Något som de flesta digitala stetoskop erhåller idag är olika filtergränser som efterliknar klockan och membranet på vanliga akustiska stetoskop. Som användare kan man avgöra vilka ljud man vill specificera att lyssna på. Eftersom en människa hör frekvenser kring 20-20000Hz filtreras frekvenser lägre än 20Hz oftast bort i digitala stetoskop.

Resonansfrekvenser uppkommer när ett föremål hamnar i självsvängning vid oscillation.

Det innebär att ett system oscillerar med en större amplitud vid resonansfrekvensen.

Denna frekvens beror av materialets tyngd och dimension.

3 Genomförande & Material

I detta avsnitt presenteras vilka material som användes under projektets gång. En be- skrivning kring olika mätuppställningar samt en detaljerad beskrivning av genomförandet av projektet.

3.1 Mätuppställning

För utvärdering av olika faktorer och komponenters påverkan på signalkvalité utförs en rad olika tester. Tester av sensorernas diameter påverkan på signalen utfördes och granskades för att i slutändan få ett bra val på givare till projektet. Med hjälp av en vibrationsgenerator kan dessa tester utföras med ett oscilloskop som mätinstrument.

Vibrationsplattan kopplas samman med en signalgenerator där frekvensen som vibra- tionsplattan ska arbeta i kan justeras. Sensorerna placeras på vibrationsplattan för att mäta upp resonansfrekvens och spänning vid en viss frekvens. Det är viktigt att testning- en sker under samma förhållanden när sensorerna testas för att kunna göra en ordentlig utvärdering av dem. Valen påverkas av testerna som utförts och kommer även påverkas av vad en lämplig storlek på sensorn är för att kunna detektera hjärtljudet. Med detta innebär att för optimal avlyssning av hjärtats ljud behöver sensorn fungera bra att föra över bröstets ojämna delar.

Olika membran testas även och en analys kring deras påverkan på signalkvalité görs.

Vid dessa tester är det lämpligt att prova de olika membran-materialen på en person.

En markering görs på kroppen vart mätuppställningen ska placeras och därefter utförs mätningar med de olika materialen. Testerna analyseras med hjälp av ett oscilloskop. När testerna utförts och ska analyseras är det viktigt att ta i hänsyn till att valet av membran också kommer påverkas av materialets hållbarhet och hur tåligt det är för tvätt.

Lämplig backing till sensorn testas också för att avgöra dess påverkan på signalkvali- té. Detta testas också med hjälp av en person eftersom man med hjälp av programmet Goldwave kan ta fram en frekvenskurva där man tydligt kan avgöra om några frekvenser dämpas. Här utförs tester på hur tyngd och material spelar in på isolation och därmed signalkvalité. Även dessa tester utförs med hjälp av ett oscilloskop som mätinstrument.

I slutändan kommer valet av material också påverkas av hållbarhet.

Ett plaststycke svarvas platt för backing till sensorn. Backingen ligger bakom piezoe- lementet och är till för att dämpa överdriven vibration. Materialet är ofta mycket tätt då det ska absorbera energi som strålar ut från baksidan av det piezoelektriska elementet.

Nedan presenteras en tabell 1 på hur projektet lades upp och de olika tillvägagångssätt

som användes för utvärdering av de olika komponenterna.

Figur 1 – Utförande

3.2 Utvärdering av sensor

Som sensor till ett digitalt stetoskop är det viktigt att söka efter någon som ger en hög utsignal från början, det vill säga utan förstärkning. Med en hög utsignal kan störning- ar reduceras eftersom en mindre förstärkning kommer krävas i signalbehandlingen. Just piezoelement är analoga givare som levererar olika utspänning beroende på elementets diameter. Som läses i avsnitt 2.3, har de pieoelektriska sensorerna även ett mycket stort frekvensomfång vilket ger en större möjlighet till att kunna detektera hjärtats låga fre- kvenser.

Fem olika piezoelement beställdes från ELFA Distrelect för att göra en utvärdering om

vilka som skulle passa bäst till denna konstruktionen. Ytterligare ett piezoelement som

MT-FoU hade att tillgå testades och jämfördes därefter för att i slutskedet kunna göra

en bedömning om vilken sensor som är relevant att använda för systemet. Sensorernas

kända storlekar och resonansfrekvenser presenteras i tabell 2 nedan.

Tabell 2 – Sensorernas kända resonansfrekvenser Sensor Resonansfrekvens (Hz) Diameter (mm) del nr.

1 okänd 12 okänd

2 9000 12 7BB-12-9

3 6000 15 7BB-15-6

4 6300 20 7BB-20-6

5 4600 27 7BB-27-4

6 2800 35 7BB-35-3

När man undersöker resonansfrekvenser letar man efter toppar i amplituden på oscillo- skopet. Genom att göra ett frekvenssvep när sensorn är placerad på vibrationsplattan kan man se vart det sker en mycket stor ökning av spänningen som snabbt avtar. Detta är resonansfrekvensen. Desto större vikt på sensorn desto lägre blir resonansfrekvensen. Nå- got som även är intressant att mäta är spänningen ut från det piezoelektriska elementet för att undersöka hur stora skillnaderna är för de olika sensorerna.

3.3 Uppkoppling av krets

Innan ljudet kopplades upp mot en dator konstruerades ett kretskort för att göra det en- kelt att utföra vidare mätningar och dessutom reducera störningar. Sensor 2 valdes efter utvärdering då resonansfrekvensen för denna sensor var högst [11]. Sensorn kopplades till kretsen med en skärmad kabel. Två stycken 3.6V batterier användes som spänningskälla till kretskortets komponenter. Kretsschemat ritades upp i CAD-programmet EAGLE.

Filerna användes sedan för att skapa en kretskortslayout och utskrift av kretskort. Kom-

ponenter placerades ut optimalt för att reducera störningar. Det borras hål i alla vias,

som är de hål som ansluter fram och baksida på kretskortet. Kortslutningar mellan vissa

ytor där kopparn inte fräts bort helt skrapas bort med en skalpell. Komponenter löddes

sedan fast på kortet som sedan testades och felsöktes. Figur 2 visar kretsschemat som

användes vid tillverkning av kretskortet.

Figur 2 – Kretsschema. Komponentnamnen kan bortses från i schemat då andra kom- ponenter med liknande egenskaper användes i programmet Eagle endast för kretskortstill- verkning.

3.3.1 Förstärkning

Som nämnt i avsnitt 2.5 så har piezogivarna en mycket hög impedans. För att få en sta- bil signal krävs en laddningsförstärkare direkt efter sensorn. Med denna förförstärkning vill man uppnå en så hög förstärkning som möjligt. Enligt [6] är TLV271 en lämplig operationsförstärkare att använda tillsammans med just piezoelement då den har låg bi- asström. Förstärkningen påverkas av kondensatorn som återkopplas, nämnt i avsnitt 2.5.

Eftersom kondensatorn väljs till ett lågt värde för att öka förstärkningen måste motstån- det väljas högt för att högpassfiltret som bildas inte ska få en för hög gränsfrekvens. Då motståndet inte kan överstiga orimligt höga värden i praktiken väljs ett värde på detta till 10M Ω. Ökningen av resistorvärdet påverkas av operationsförstärkarens biasström då strömmen flyter genom resistorn och skapar en offset spänning ut. Ingångs biasström- men till operationsförstärkaren är 1pA, vilket fungerar så länge feedbackresistorn har ett värde under 1GΩ.

Eftersom laddningsförstärkaren inte ger en tillräckligt hög förstärkning krävs ytterligare en förstärkning i kretsen. En vanlig förstärkargrundkoppling mellan hög och lågassfiltret är nödvändig för att få en spänningsamplitud runt 1V. Eftersom olika sensorer testas med olika amplitud på utspänningen används en potentiometer här för att kunna justera förstärkningen.

3.3.2 Filter

Som beskrivet i avsnitt 2.6 är människans öra ej kapabel till att höra frekvenser lägre

än 20Hz. Som första ordningens högpassfilter väljs därför just denna frekvens som gräns-

frekvens. Efter simulering av de exakta komponentvärdena resulterade gränsfrekvensen i

19.89Hz.

Då hjärtat arbetar på låga frekvenser är ett lågpassfilter behövligt för att filtrera bort ljud och störningar över de relevanta frekvenserna. Att filtergränsen är brant är viktigt för samplingen då samplingshastigheten ska vara dubbelt så hög som den högsta fre- kvensen för att undvika aliasing. För lågpassfiltret som är av andra ordningen väljes en gränsfrekvens på 6000Hz. Efter simulering av de exakta komponentvärdena resulterade gränsfrekvensen i 6020Hz.

3.4 Uppkoppling till dator

När kretskortet som printats är klart kopplas detta upp mot in-line på ett externt ljudkort som är kopplat till datorn. Med hjälp av programmet Goldwave kan ljudinspelning ske.

Resultaten kan analyseras både visuellt och genom att avlyssna ljudet som spelats in.

3.5 Utvärdering av membran & backing

Membranet används framförallt för att skydda patient och sensor. En utvärdering görs på olika material på membran för att undersöka om materialet påverkar attenuering av ljudet. Det är även viktigt att membranet som används till produkten är tåligt för slitage och rengöring då det kommer utsättas en hel del för detta. Ljudet analyseras med endast plastbacking och sensor för att få en referens till de olika membranens tester och deras påverkan.

För mätningarna med backing används samma membran till alla, ett tunt gummimem- bran. En undersökning görs för att ta reda på om något av materialen dämpar höga frekvenser bättre än det andra.

3.6 3D-utskrift

Inför 3D utskriften görs en skiss på hur den ska konstrueras. Kretskort och batterier ska

omfamnas av en låda, likaså ska sensorn och dess backing ingå. En on/off knapp ska fin-

nas tillgänglig för att bryta matspänningen till kretsen. Alla delars volym som ska ingå

mäts upp så att de platsar inuti 3D-utskriften.

4 Resultat

Nedan presenteras de resultat som tagits fram i projektet. De innefattar bilder tagna från oscilloskopsmätningar där sensorer testats på en mätuppställning med vibrator samt på person. Delar av resultaten innefattar även bilder tagna från programmet Goldwave efter att den färdiga produkten kopplats ihop med in-line på en dator.

Resonansfrekvenser och spänning för en viss frekvens mättes upp för de olika sensorerna och därmed kunde signalkvaliteten bedömas. Eftersom det är ytterst små ljud som ska plockas upp är det viktigt att sensorn ger en bra utsignal och är stabil på lägre frekvenser då det är på dessa hjärtat arbetar. I tabellen nedan 3 beskrivs de egenskaper som mätts upp för respektive sensor.

Tabell 3 – Sensorernas egenskaper

Sensor Resonansfrekvens (Hz) Uppmätt resonansfrekvens (Hz) Uppmätt spänning (V)

1 okänd 8000 0.52

2 9000 11000 0.52

3 6000 6200 1.01

4 6300 5900 2.61

5 4600 4800 3.14

6 2800 2600 12.1

Sensorerna som testades tejpades till en plastbacking och som membran användes ett

tunt gummi. Sensorerna placerades mot bröstet och hjärtats slag detekterades med hjälp

av ett oscilloskop. Sensorn var uppkopplad med en differrentiell-laddningsförstärkare och

signalen förstärktes utefter sensorns behov. En högpassfiltering på 15hz var även upp-

kopplat på kopplingsplattan vid mätningarna. Figurerna 3, 4, 5, 6 och 7 visar skillnaden i

amplitud och kvalitet för de olika sensorerna. Det bör uppmärksammas att oscilloskopets

volt/ruta ändras beroende på sensorns utspänning i de olika fallen.

Figurerna 3 och 4 visas med en förstärkning på 4.8ggr. Oscilloskopet är inställt på 1V/ruta och en tidbas på 200ms.

Figur 3 – Sensor 1. Högsta amplitud visar en spänning på 240mV.

Figur 4 – Sensor 2. Högsta amplitud visar en spänning på 400mV.

Figurerna 5 och 6 visas med en förstärkning på 2.8ggr. Oscilloskopet är inställt på 1V/ruta och en tidbas på 200ms.

Figur 5 – Sensor 3. Högsta amplitud visar en spänning på 600mV.

Figur 6 – Sensor 4. Högsta amplitud visar en spänning på 1.53V.

Figur 7 visas med en förstärkning på 2.8ggr. Oscilloskopet är inställt på 5V/ruta och en tidbas på 200ms.

Figur 7 – Sensor 4. Högsta amplitud visar en spänning på 6.4V.

Nedan visas det utskrivna kretskortet, figur 8. Ledningarna från spänningskällorna samt jord har en bredd på 0.5mm. De övriga ledningarna har bredden 0.4mm. De hål som ansluter fram och baksidan på kortet, ”Via hålen”, har en inre diameter på 0.7mm. Mot- stånden och kondensatorerna som löddes fast på kretskortet var av typen SMD 0805.

Figur 8 – Kretskort ”Stethoscope amp”

Resultaten nedan visar när hjärtljud är inspelade med hjälp av programmet Goldwave.

Mätningarna utfördes med olika uppbyggnad av stetoskopets delar. Jämförelser gjordes mellan olika membran och backing.

Figur 9 visar en sexton sekunders lång inspelning av hjärtljud i programmet Goldwave.

Sensorn placerades mot bröstet och fångade upp S1 och S2 från mätepersonens hjärta.

Figur 9 – Ljudinspelning från programmet Goldwave.

I figur 10 visas tydligt två hjärtslag. Det vi ser på bilden är en 0.85 sekunders lång inspelning av hjärtat med prototypen uppkopplad mot ett externt ljudkort som sitter kopplad i datorn. Med programmet Goldwave kunde resultaten analyseras visuellt såsom på bilden. S1 och S2 visas för de två hjärtslagen.

Figur 10 – S1 & s2

Resultatet för undersökningen om material eller tyngd på backing spelar roll för att däm- pa frekvenser presenteras nedan. Bilderna är tagna efter en inspelning från programmet Goldwave. Sensorn placeras mellan en backing och Littmanns membran mot bröstet.

Figur 11 visar ett frekvensspektra över hjärtljud som plockas upp med en lättare plast-

plastbacking.

Figur 11 – Plastbacking. på X-axeln visar frekvens uppmätt i kilohertz och Y-axeln visar decibel. Den röda kurvan presenterar högsta amplitud och gul kurva medelamplituden i decibel.

Figur 12 visar ett frekvensspektra över hjärtljud som plockas upp med en lite tyngre metallbacking. Samma mätprincip som ovan användes för att konstatera skillnaden för denna backing.

Figur 12 – Metallbacking. på X-axeln visar frekvens uppmätt i kilohertz och Y-axeln visar

decibel. Den röda kurvan presenterar högsta amplitud och gul kurva medelamplituden i

decibel.

Figurerna 13, 14 och 15 visar amplitudförändringen för de tre olika membran som tes- tats. Dessa tester utförs för att avgöra attenuering av ljudet för de olika membranen.

Bilderna är tagna efter en inspelning från programmet Goldwave. Sensorn placeras mel- lan en plastbacking och de olika membranen som testas mot bröstet. Figur 13 visar ett frekvensspektra över hjärtljud som plockas upp med ett tunt gummimembran.

Figur 13 – Gummimembran. Gul kurva visar medelamplitud och röd kurva visar högsta amplitud.

Figur 14 visar ett frekvensspektra över hjärtljud som plockas upp med Meditrons mem- bran. Samma mätprincip som ovan användes för att konstatera skillnaden för denna backing.

Figur 14 – Meditron membran. Gul kurva visar medelamplitud och röd kurva visar högsta amplitud.

Figur 15 visar ett frekvensspektra över hjärtljud som plockas upp med Littmanns mem-

bran. Samma mätprincip som ovan användes för att konstatera skillnaden för denna

backing.

Figur 15 – Littmann membran. Gul kurva visar medelamplitud och röd kurva visar högsta

amplitud.

5 Diskussion & vidareutveckling

De resultat som mätts upp och tagits fram har varit svåranalyserade. Eftersom olika faktorer såsom placering, tryck, och andra inkommande störningar påverkat varje mät- ning är det svårt att dra några objektiva slutsatser. Man måste ta i hänsyn till att de resultat som erhållits har påverkats av olika faktorer och slutsatser kan dras i hänsyn till dessa. Något som gjorde mätningarna på vibratorn komplicerade var vibratorns egna resonanssvängningar. För att kunna avgöra sensorernas resonansfrekvenser användes en referens, en piezoelektrisk accelerometer med känd resonansfrekvens placerades samtidigt som sensorn på vibrationsplattan och de båda kunde betraktas på oscilloskopet. Frekven- ser sveptes för att avgöra med hjälp av ögat när endast sensorns amplitud ökade.

De mätningar som är utförda på mitt egna hjärta har också en del påverkande faktorer.

Samma som ovan beror mycket på placering av sensor och tryck, men även den ojäm- na ytan den placeras på och hjärtats olika pumpande kommer påverka resultaten. De sensorer som testades och analyserades visade på att ju större sensorns diameter, desto större utsignal. Dock så fick även störningarna en större amplitud vilket påverkade valet av sensorns signalkvalitet. Den minsta sensorn, sensor 2, valdes eftersom resonansfre- kvensen för denne sades och konstaterades vara högst. Ett försök kunde då även göras att förstärka signalen men eventuellt reducera och få lite störningar med hjälp av ladd- ningsförstärkaren. Eftersom hjärtljud, framförallt på personer med blåsljud kan innefatta högre frekvenser vill man ha en sensor som kan uppfatta även dessa frekvenser då det är innan resonansfrekvensen sensorn är som mest känslig.

Mätningarna som utfördes efter uppkoppling med datorn påverkades av ovannämnda fak- torer men kan även haft en påverkan av det externa ljudkortet som prototypen kopplades till. De hörlurar som användes för att analysera ljudet kan även vara en påverkan då de exempelvis inte fungerar så bra på lägre frekvenser. Backingen verkar inte ha någon direkt inverkan på frekvensdämpning som vi kan se i figurerna 11 och 12. Båda mätningarna visar frekvenser upp till ca. 800Hz. Anledningar till störningarna som uppkommit i figur 11 kan bero på att plastbiten som användes inte var helt tät och stabil vid mätning. På grund av tidsbrist gjordes dock inga fler tester då tiden prioriterades till att skapa en 3D-utskrift för att hålla samman komponenterna till stetoskopet.

Något som upptäcktes vid avlyssning av ljudet var att om en hårdare filtrering görs i

mjukvaran kan man höra att ljudet blir bättre på grund av att de högfrekventa ljuden

som kommer in filtreras bort. En del förstärkning krävs även i mjukvaran för att ljudet

ska vara ordentligt hörbart.

En hel del förbättringar går att åstadkomma om vidareutveckling av produkten skulle ske. 3M Littman stetoskopet har ett mjukt skum placerat runt sensorn för att reduce- ra störningar från handhavande av instrumentet. Det har konstaterats enligt källa [12]

att användning av ett mjukt skum runt sensorn ska reducera brus från handhavande av stetoskopet men kommer även ge en liten förlust av patientsignalen. Beroende på hur bra utsignalen från sensorn är kan förlusten av signalen ofta kompenseras för. Detta kan uppmärksammas om exempelvis utrustningen ska använda i en bullrig miljö, såsom vid transporter eller liknande.

Som nämnt i början av rapporten arbetar inte alla kroppens organ på samma frekvenser.

Eftersom stetoskopen används till att lyssna på olika kroppsljud och inte endast hjär- tat, är det viktigt att kunna filtrera ut det ljud man vill specificera sig på. Genom att möjliggöra olika filtergränser beroende på vad användaren vill lyssna på kan tydligare ljud uppnås. För att avgöra de olika filtergränserna är det viktigt att ta i hänsyn både friska och sjuka personer då instrumentet ska användas för konsultationer och diagnostik.

För att minska olika bakgrundsljud för sensorn att plocka upp är det bra att använda sig av en backing med en vikt bakom piezoelementet. Detta skapar en massa som arbetar mot piezoelementet och förbättrar prestandan och reducerar brus från användaren som håller i bröstdelen. De flesta tillverkare använder sig av rostfritt stål för att inte skada produkten när den utsätts för sterilisering [13].

Ytterligare en faktor att ta i hänsyn till när man konstruerar ett digitalt stetoskop som

ska vara kompatibelt med en mjukvara är att göra lågpass-filtergränsen så brant som

möjligt. Detta på grund av Nyquist-Shannons samplingsteorem, som går ut på att man

måste sampla med en frekvens som är minst dubbla signalens bandbredd. Resultatet av

mätningen blir annars lägre än signalens verkliga frekvens. Ett fjärde ordningens filter

är relevant att komplettera med istället för ett andra ordningens i en sådan här produkt,

men kommer dock att ge extra kostnader till produkten.

6 Slutsats

När man arbetar med större projekt är det till stor fördel att sätta upp tydliga mål i

början av arbetet för att sikta mot att uppnå dessa. Det är viktigt att kunna avgränsa

och strukturera upp arbetet för att i slutändan få ett resultat som erhåller det som tagits

med i kraven för produkten. Efter att ha genomfört detta projekt kan det konstateras

att ett enkelt digitalt stetoskop kan konstrueras för att plocka upp hjärtljud. Den piezoe-

lektriska sensorns otroliga kapacitet att fånga upp de lågfrekventa ljuden gör det möjligt

att både billigt och enkelt tillverka ett digitalt stetoskop. Den framställda prototypen

plockar upp de ljud som är intressanta och det finns god potential till att vidareutveckla

produkten. Vidareutveckling av produkten kan i framtiden leda till att den kan placeras

ut på virtuella vårdrum och hälsocentraler för att bedöma om hälsan hos de patienter

som sökt vård är i behov av ytterligare undersökningar.

Referenser

[1] Goldwave Inc, Goldwave Tillgänglig: https://www.goldwave.com/(Hämtad: 2018) [2] Johan Skönevik, (2018) Examensarbete 15 hp i Medicinsk Teknik ; Bakgrundsbe-

skrivning till projektet

[3] Leng, Shuang, Tan, Ru San, Chai, Kevin Tshun Chuan, Wang, Chao, Ghista, Dhan- joo, & Zhong, Liang. (2015). The electronic stethoscope. BioMedical Engineering OnLine, 14, 66.

[4] The National Telehealth Technology Assessment Resource Center http://www.telehealthtechnology.org/toolkits/electronic-stethoscopes/about- electronic-stethoscopes/technology-overview (hämtad: 2018-05-15)

[5] J.W. Waanders. (1991). Piezoelectric Ceramics. Nederländerna: N.V Philips Gloei- lampenfabrieken

[6] James Karki. (2000) Signal conditioning piezoelectric sensors

[7] EKO Devices, Tillgänglig: http://www.freepatentsonline.com/y2015/0201272.html (Hämtad:2018-04-13)

[8] Rijuven CardioSleeve: User Manual, Tillgänglig:

http://www.rijuvenindia.com/assets/pdfs/CSUserManual.pdf (Hämtad:2018- 04-13)

[9] Eduardo Bartolome. (2010) Signal conditioning for piezoelectric sensors

[10] Gretzinger, D., Doyle, D. J., & Dolan, A. M. (1996). Analysis of Heart Sounds and Murmurs by Digital Signal Manipulation, ProQuest Dissertations and Theses.

[11] Murata Manufacturing Co.,Ltd. (2007) Specification of Piezoelectric Diaphragm, Tillv. delnr.: 7BB-12-9

[12] Nelson, G., Rajamani, Rajesh, Erdman, Arthur G., Gebre-Egziabher, Demoz, & Sun, Zongxuan. (2015). Stethoscope Design for Auscultation in High Noise Environments, ProQuest Dissertations and Theses (Hämtad: 2018-03-28)

[13] Charles Richard Abbruscato (2009) Piezo element stethoscope