EL1803, Examensarbete, 15 hp

Högskoleingenjörsprogrammet i Elektronik och datorteknik – Medicinsk teknik, 180 hp

Vt 2018

KONSTRUKTION OCH DESIGN

AV ETT DIGITALT STETOSKOP

Development and design o fen electronic stethoscope

Jennifer Törngren

Förord

Examensarbetet på 15 högskolepoäng som utförts är den sista delen på utbildningen förHögskoleingenjörsprogrammet i Elektronik och Datorteknik/ Medicinsk Teknik på UmeåUniversitet. Examensarbetet har genomförts för avdelningen Medicin Teknik Forskningoch 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 TomasBäcklund som gett mig handledning och hjälpt till att hitta material att tillgå underarbetet.

2

Sammanfattning

Stetoskopet är en stor och viktig del inom dagens sjukvård och diagnostik. Den me-dicinska undersökning som används för att lyssna på kroppens ljud kallas för auskul-tation. Genom att utföra auskultationer av hjärta och lungor har läkare möjlighetatt upptäcka och diagnostisera vanligt förekommande sjukdomar. Att digitaliserastetoskop är till stor fördel eftersom ljuden då kan förstärkas, spelas in och skickaspå distans.

Medicinsk teknik, forskning och utveckling (MT-FoU) på Norrlands Universitets-sjukhus har idag utvecklat och driftsatt ett mjukvarusystem som överför kroppsljudpå distans. Idag används en annan tillverkares stetoskop tillsammans med det ut-vecklade mjukvarusystemet. Detta innebär en risk om produkten skulle tas ur brukoch ger även mindre möjlighet till vidareutveckling av systemet. I detta projekt gesen 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 dessakroppsljud. En prototyp tillverkas för att ge en grund till hur ett digitalt stetoskopkan tillverkas. Olika jämförelser görs med hjälp av prototypen för att undersöka hurstörningar kan elimineras och minskas med hjälp av olika material på de tillhörandekomponenterna.

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 uppnåsför avlyssning av hjärtats ljud. Med den prototyp som tillverkats kan man höra ettnormalt hjärtljud som är något förstärkt och andra ointressanta ljud och störningarär tillräckligt bortfiltrerade för att höra tydliga slag.

1

Abstract

The stethoscope is a major and important part of today’s healthcare and diagnostics.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 isa great advantage since the sounds can then be amplified, recorded and transferedto 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 transmitsbody sounds remotely. Today, another manufacturer’s stethoscope is used with thedeveloped software system. This implies a risk of the product being taken out ofuse or a risk of having less opportunity for further development of the system. Thisproject 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 topicking up these body sounds. A prototype is manufactured to provide a basis forhow a digital stethoscope can be manufactured. Different comparisons are madeusing the prototype to evaluate how disturbances can be eliminated and reducedusing different materials on the input components.

The results indicate that a simple digital stethoscope using a piezoelectric sensorcan be manufactured and capture the relevant sounds for interception of the heart’ssound. With the prototype produced, you can hear a normal heart sound that isamplified. Other sounds that are not of interest and noise are sufficiently filtered tohear clear strokes.

2

8 augusti 2018

Contents

1 Introduktion 11.1 Bakgrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Mål och syfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 Krav och avgränsningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4 Metoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 Teori 42.1 Stetoskopet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2 Hjärtats ljud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3 Piezoelektriska sensorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.4 Nulägesanalys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.5 Laddningsförstärkare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.6 Frekvenser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3 Genomförande & Material 73.1 Mätuppställning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.2 Utvärdering av sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.3 Uppkoppling av krets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.3.1 Förstärkning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.3.2 Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.4 Uppkoppling till dator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.5 Utvärdering av membran & backing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.6 3D-utskrift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4 Resultat 12

5 Diskussion & vidareutveckling 20

6 Slutsats 22

8 augusti 2018

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 inriktningmedicinsk teknik. Arbetet utförs under läsperiod 3 och 4 och täcker in 15 högskolepoäng.Detta examensarbete utförs för Medicinsk teknik, forskning och utveckling (MT-FoU) påNorrlands Universitetssjukhus.

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

För inspelning av ljud under arbetet används programmet Goldwave [1]. som är ettljudredigerings program. Ljudet som plockas upp från sensorn kan spelas in och därmedanalyseras 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 auskultationav hjärta och lungor med digitala stetoskop. MT-FoU har utvecklat och driftsatt ettmjukvarusystem 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 stetoskopsom används skulle tas ur drift finns en risk att det tillverkade mjukvarusystemet intekan användas. Littmann Stetoskopet som används tillsammans med mjukvaran idag ärdet ledande på marknaden, däremot finns det ingen möjlighet till utvecklingen av helasystemet 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 debåda systemen kan vidareutvecklas. Genom att ta fram en prototyp ges en möjlighet tillskapandet av en egen hårdvara och en större chans ges att göra systemen kompatiblamed 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 demen djupare inblick i hårdvarans uppbyggnad och sensorernas prestanda. En egen kon-struktion ökar chanserna till vidareutveckling av hela systemet då man kommer kunnautföra 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

1

8 augusti 2018

tas ur drift.

Fokus i detta projekt ligger på att utvärdera olika akustiska sensorer samt de ingåendekomponenternas påverkan av signalkvalitet. Målet är att ta fram en prototyp som plockarupp hjärtljud och förstärker de låga ljuden till en nivå som går att avlyssna. Det är tänktatt prototypen ska kunna kopplas samman med line-in på en dator för att kunna lyssnaoch 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 skulleframställas och vad som skulle ingå. I tabell 1 visas kraven samt en kort tillhörandebeskrivning 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 viktigaredelarna av produkten.

Tabell 1 – Kravspecifikation

Krav nr. Krav Beskrivning Bas

1 Sensor och membran Utvärdering och val av relevant givareoch membran till produkten. Bas

2 Förstärkning och fiter Få ut en förstärkt och filtrerad signalsom kan avlyssna hjärtljud. Bas

3 Interface Produkten ska kunna anslutas tillline-in på en dator. Bas

4 Chassi En hållare ska tillverkas (3D) för atthålla samman komponenterna. Bas

5 Filtergränser Kunna ändra mellan filtergränser föratt skifta mellan hjärt- och lungljud. Extra

När man konstruerar en medicinteknisk produkt är det mycket viktigt att produktenär patientisolerad. Detta för att motverka att någon ström förs genom kroppen ochi värsta fall orsakar hjärtstopp. Eftersom det är mycket viktigt och används till mångamedicintekniska produkter är det ett känt moment som genomförts många gånger. Därförhar beställaren och projektansvarig kommit överens om att utesluta detta från projektetdå det kan göras i ett senare stadie. Även AD-omvandling kommer att uteslutas frånprodukten 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.

2

8 augusti 2018

1.4 Metoder

Under projektet görs en omfattande förstudie för att få en inblick i ämnet samt föratt skapa en vision om hur projektet ska struktureras upp. Beräkningar, simuleringaroch beställning av de komponenter som ska ingå görs för att sedan utföra mätningaroch slutligen kunna skapa en prototyp. Möten med handledare sker kontinuerligt därdiskussioner kring eventuella lösningar förs. Sökning av information görs framförallt viaUmeå universitetsbibliotek och Google scholars sökfunktioner där vetenskapliga artiklarfinns att tillgå.

3

8 augusti 2018

2 Teori

I teoriavsnittet presenteras en bakgrund till den vetskap som är relevant att kunna förprojektet. Det innefattar även en bakgrund till de nuvarande digitala stetoskop som finnspå marknaden.

2.1 Stetoskopet

Stetoskopet uppfanns av Rene Laennec 1816 och är ett medicintekniskt instrument somanvänds 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 fortsättaframåt. Idag konkurrerar många tillverkare om hur de ska få fram det bästa ljudet ochöverföringen av dessa med hjälp av de digitala stetoskopen. Med de digitala stetoskopenkan avancerad teknik användas för att förstärka de egentligen mycket låga kroppsljuden.Genom att omvandla de akustiska ljudvågorna som erhållits från bröstet till elektriskasignaler kan man anpassa och bearbeta signalen optimal för lyssning. Kretskorten tillå-ter också att ljud-energin digitaliseras, kodas och avkodas, för att reducera omgivandebrus med mjukvara samt sända ljudet vidare till andra digitala system. Att ljud överförselektroniskt gör det möjligt för digitala stetoskop att erbjuda funktioner som ljud- ellerseriell 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 vänsterkammare 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 tillbakaåt 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 andraljudet som hörs (s2) uppkommer när fickklaffarna som är placerat mellan kammare ochartärerna 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. S2är ett lite kortare ljud med en något högre frekvens [3].

2.3 Piezoelektriska sensorer

Piezoelektricitet uppvisas av ett antal naturligt förekommande kristaller där strukturenpå dem inte har någon som helst symmetripunkt, ett exempel är mineralen kvarts. Dessakristaller har en egenskap som omvandlar ett mekaniskt arbete till elektricitet när deutsätts för någon slags belastning eller deformation. Detta kallas för den piezoelektriskaeffekten. Även omvänt så kan en elektrisk påfrestning omvandlas till ett mekaniskt arbete.Detta kallas för omvänd piezoelektrisk effekt [5]. Dessa effekter används idag till mångaprodukter såsom medicinsk-, flyg- och rymdteknik.

4

8 augusti 2018

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

Tack vare piezogivares stora frekvensomfång kan de användas för att mäta både höga ochlåga frekvenser. Omfånget gör det möjligt att detektera mycket låga frekvenser vilket ärutmärkt när man vill mäta hjärtats frekvenser. Ofta vill man använda området mellanden nedre gränsfrekvensen och resonansfrekvensen för att få bästa möjliga respons frånpiezosensorn.

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 ochhar hög brusnivå, är att placera en mikrofon vid bröstet för ljuddetektering. En annanmetod 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 använderen metod där en kapacitiv sensor bildas med hjälp av ett elektromagnetiskt membranmed en ledande inre yta nyttjas. Detta membran svarar mot ljudvågor på samma sättsom ett akustiskt stetoskop fast med förstärkning. Förändringar i ett elektriskt fält somersätter förändringar i lufttrycket. Ekos CORE och Rijuven CardioSleeve är en enhetsom kan anslutas till ditt egna akustiska stetoskop och digitalisera ljuden som plockasupp av en mikrofon. De ledande på marknaden idag, Littmann, använder sig också av enpiezoelektrisk 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 attde flesta studier som gjorts och gett bäst resultat har någon typ av piezoelektrisk sensoranvänts för att plocka upp själva hjärtljudet och ge ut en bra signal. Detta eftersom depiezoelektriska 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 olikalösningar 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 litetjockare gummiliknande membran[3].

2.5 Laddningsförstärkare

Eftersom den piezoelektriska givaren har väldigt hög utgångsimpedans är det viktigtatt signalanpassa så att signalen kan samlas upp. En krets till för signalbehandling avett piezoelement måste ha mycket låg ingångsimpedans för att kunna samla upp det

5

8 augusti 2018

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 enkondensator och in på minusingången på en operationsförstärkare. Det är viktigt att setill att det är låg biasström på ingången på operationsförstärkaren eftersom biasström-men på ingången på förstärkaren strömmar genom det motstånd som används och skaparen utgångsspänning. En låg ingångs biasström på operationsförstärkaren medför att enhög 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 hänsyntill 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 ingångarta 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 sträckasig upp mot frekvenser över tusentals hertz [10]. Klockan på de akustiska stetoskopenbrukar oftast användas för att lyssna på hjärtljud i och med att ljuden innefattar litelägre frekvenser än vad exempelvis lungorna gör. En människas lungor arbetar på fre-kvenser omkring samma frekvenser som hjärtat men sträcker sig även till ännu högrefrekvenser. Om dessa ljud är av intresse används ofta membrandelen på stetoskopet dåde 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 kroppsljudäven 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 efterliknarklockan och membranet på vanliga akustiska stetoskop. Som användare kan man avgöravilka ljud man vill specificera att lyssna på. Eftersom en människa hör frekvenser kring20-20000Hz 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.

6

8 augusti 2018

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 genomförandetav projektet.

3.1 Mätuppställning

För utvärdering av olika faktorer och komponenters påverkan på signalkvalité utförsen rad olika tester. Tester av sensorernas diameter påverkan på signalen utfördes ochgranskades för att i slutändan få ett bra val på givare till projektet. Med hjälp av envibrationsgenerator 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 attmäta 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 ordentligutvärdering av dem. Valen påverkas av testerna som utförts och kommer även påverkasav vad en lämplig storlek på sensorn är för att kunna detektera hjärtljudet. Med dettainnebär att för optimal avlyssning av hjärtats ljud behöver sensorn fungera bra att föraöver 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 utförsmätningar med de olika materialen. Testerna analyseras med hjälp av ett oscilloskop. Närtesterna utförts och ska analyseras är det viktigt att ta i hänsyn till att valet av membranockså 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 programmetGoldwave kan ta fram en frekvenskurva där man tydligt kan avgöra om några frekvenserdämpas. Här utförs tester på hur tyngd och material spelar in på isolation och därmedsignalkvalité. 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 tättdå 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 tillvägagångssättsom användes för utvärdering av de olika komponenterna.

7

8 augusti 2018

Figur 1 – Utförande

3.2 Utvärdering av sensor

Som sensor till ett digitalt stetoskop är det viktigt att söka efter någon som ger en högutsignal från början, det vill säga utan förstärkning. Med en hög utsignal kan störning-ar reduceras eftersom en mindre förstärkning kommer krävas i signalbehandlingen. Justpiezoelement är analoga givare som levererar olika utspänning beroende på elementetsdiameter. Som läses i avsnitt 2.3, har de pieoelektriska sensorerna även ett mycket stortfrekvensomfång 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 omvilka som skulle passa bäst till denna konstruktionen. Ytterligare ett piezoelement somMT-FoU hade att tillgå testades och jämfördes därefter för att i slutskedet kunna göraen bedömning om vilken sensor som är relevant att använda för systemet. Sensorernaskända storlekar och resonansfrekvenser presenteras i tabell 2 nedan.

8

8 augusti 2018

Tabell 2 – Sensorernas kända resonansfrekvenser

Sensor Resonansfrekvens (Hz) Diameter (mm) del nr.1 okänd 12 okänd2 9000 12 7BB-12-93 6000 15 7BB-15-64 6300 20 7BB-20-65 4600 27 7BB-27-46 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 vibrationsplattankan man se vart det sker en mycket stor ökning av spänningen som snabbt avtar. Detta ärresonansfrekvensen. Desto större vikt på sensorn desto lägre blir resonansfrekvensen. Nå-got som även är intressant att mäta är spänningen ut från det piezoelektriska elementetför 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 efterutvärdering då resonansfrekvensen för denna sensor var högst [11]. Sensorn kopplades tillkretsen med en skärmad kabel. Två stycken 3.6V batterier användes som spänningskällatill 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 vissaytor där kopparn inte fräts bort helt skrapas bort med en skalpell. Komponenter löddessedan fast på kortet som sedan testades och felsöktes. Figur 2 visar kretsschemat somanvändes vid tillverkning av kretskortet.

9

8 augusti 2018

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 förförstärkningvill man uppnå en så hög förstärkning som möjligt. Enligt [6] är TLV271 en lämpligoperationsförstärkare 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. Dåmotståndet inte kan överstiga orimligt höga värden i praktiken väljs ett värde på dettatill 10MΩ. Ökningen av resistorvärdet påverkas av operationsförstärkarens biasström dåströmmen flyter genom resistorn och skapar en offset spänning ut. Ingångs biasström-men till operationsförstärkaren är 1pA, vilket fungerar så länge feedbackresistorn har ettvärde under 1GΩ.

Eftersom laddningsförstärkaren inte ger en tillräckligt hög förstärkning krävs ytterligareen förstärkning i kretsen. En vanlig förstärkargrundkoppling mellan hög och lågassfiltretär nödvändig för att få en spänningsamplitud runt 1V. Eftersom olika sensorer testasmed olika amplitud på utspänningen används en potentiometer här för att kunna justeraförstärkningen.

3.3.2 Filter

Som beskrivet i avsnitt 2.6 är människans öra ej kapabel till att höra frekvenser lägreän 20Hz. Som första ordningens högpassfilter väljs därför just denna frekvens som gräns-frekvens. Efter simulering av de exakta komponentvärdena resulterade gränsfrekvensen i19.89Hz.

10

8 augusti 2018

Då hjärtat arbetar på låga frekvenser är ett lågpassfilter behövligt för att filtrera bortljud och störningar över de relevanta frekvenserna. Att filtergränsen är brant är viktigtför 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 engränsfrekvens på 6000Hz. Efter simulering av de exakta komponentvärdena resulteradegränsfrekvensen i 6020Hz.

3.4 Uppkoppling till dator

När kretskortet som printats är klart kopplas detta upp mot in-line på ett externt ljudkortsom 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 görspå olika material på membran för att undersöka om materialet påverkar attenuering avljudet. Det är även viktigt att membranet som används till produkten är tåligt för slitageoch rengöring då det kommer utsättas en hel del för detta. Ljudet analyseras med endastplastbacking och sensor för att få en referens till de olika membranens tester och deraspåverkan.

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 högafrekvenser bättre än det andra.

3.6 3D-utskrift

Inför 3D utskriften görs en skiss på hur den ska konstrueras. Kretskort och batterier skaomfamnas 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 ingåmäts upp så att de platsar inuti 3D-utskriften.

11

8 augusti 2018

4 Resultat

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

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

Tabell 3 – Sensorernas egenskaper

Sensor Resonansfrekvens (Hz) Uppmätt resonansfrekvens (Hz) Uppmätt spänning (V)1 okänd 8000 0.522 9000 11000 0.523 6000 6200 1.014 6300 5900 2.615 4600 4800 3.146 2800 2600 12.1

Sensorerna som testades tejpades till en plastbacking och som membran användes etttunt gummi. Sensorerna placerades mot bröstet och hjärtats slag detekterades med hjälpav ett oscilloskop. Sensorn var uppkopplad med en differrentiell-laddningsförstärkare ochsignalen 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 iamplitud och kvalitet för de olika sensorerna. Det bör uppmärksammas att oscilloskopetsvolt/ruta ändras beroende på sensorns utspänning i de olika fallen.

12

8 augusti 2018

Figurerna 3 och 4 visas med en förstärkning på 4.8ggr. Oscilloskopet är inställt på1V/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.

13

8 augusti 2018

Figurerna 5 och 6 visas med en förstärkning på 2.8ggr. Oscilloskopet är inställt på1V/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.

14

8 augusti 2018

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

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

Nedan visas det utskrivna kretskortet, figur 8. Ledningarna från spänningskällorna samtjord har en bredd på 0.5mm. De övriga ledningarna har bredden 0.4mm. De hål somansluter 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”

15

8 augusti 2018

Resultaten nedan visar när hjärtljud är inspelade med hjälp av programmet Goldwave.Mätningarna utfördes med olika uppbyggnad av stetoskopets delar. Jämförelser gjordesmellan 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 långinspelning av hjärtat med prototypen uppkopplad mot ett externt ljudkort som sitterkopplad i datorn. Med programmet Goldwave kunde resultaten analyseras visuellt såsompå 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 programmetGoldwave. 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.

16

8 augusti 2018

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

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

Figur 12 – Metallbacking. på X-axeln visar frekvens uppmätt i kilohertz och Y-axeln visardecibel. Den röda kurvan presenterar högsta amplitud och gul kurva medelamplituden idecibel.

17

8 augusti 2018

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 ettfrekvensspektra över hjärtljud som plockas upp med ett tunt gummimembran.

Figur 13 – Gummimembran. Gul kurva visar medelamplitud och röd kurva visar högstaamplitud.

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

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

Figur 15 visar ett frekvensspektra över hjärtljud som plockas upp med Littmanns mem-bran. Samma mätprincip som ovan användes för att konstatera skillnaden för dennabacking.

18

8 augusti 2018

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

19

8 augusti 2018

5 Diskussion & vidareutveckling

De resultat som mätts upp och tagits fram har varit svåranalyserade. Eftersom olikafaktorer 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 deresultat som erhållits har påverkats av olika faktorer och slutsatser kan dras i hänsyntill dessa. Något som gjorde mätningarna på vibratorn komplicerade var vibratorns egnaresonanssvängningar. För att kunna avgöra sensorernas resonansfrekvenser användes enreferens, en piezoelektrisk accelerometer med känd resonansfrekvens placerades samtidigtsom 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. Desensorer som testades och analyserades visade på att ju större sensorns diameter, destostörre utsignal. Dock så fick även störningarna en större amplitud vilket påverkade valetav sensorns signalkvalitet. Den minsta sensorn, sensor 2, valdes eftersom resonansfre-kvensen för denne sades och konstaterades vara högst. Ett försök kunde då även görasatt förstärka signalen men eventuellt reducera och få lite störningar med hjälp av ladd-ningsförstärkaren. Eftersom hjärtljud, framförallt på personer med blåsljud kan innefattahögre frekvenser vill man ha en sensor som kan uppfatta även dessa frekvenser då det ärinnan 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 koppladestill. De hörlurar som användes för att analysera ljudet kan även vara en påverkan då deexempelvis inte fungerar så bra på lägre frekvenser. Backingen verkar inte ha någon direktinverkan på frekvensdämpning som vi kan se i figurerna 11 och 12. Båda mätningarnavisar frekvenser upp till ca. 800Hz. Anledningar till störningarna som uppkommit i figur11 kan bero på att plastbiten som användes inte var helt tät och stabil vid mätning. Pågrund av tidsbrist gjordes dock inga fler tester då tiden prioriterades till att skapa en3D-utskrift för att hålla samman komponenterna till stetoskopet.

Något som upptäcktes vid avlyssning av ljudet var att om en hårdare filtrering görs imjukvaran kan man höra att ljudet blir bättre på grund av att de högfrekventa ljudensom kommer in filtreras bort. En del förstärkning krävs även i mjukvaran för att ljudetska vara ordentligt hörbart.

20

8 augusti 2018

En hel del förbättringar går att åstadkomma om vidareutveckling av produkten skulleske. 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 avstetoskopet men kommer även ge en liten förlust av patientsignalen. Beroende på hurbra utsignalen från sensorn är kan förlusten av signalen ofta kompenseras för. Detta kanuppmärksammas om exempelvis utrustningen ska använda i en bullrig miljö, såsom vidtransporter 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 attmöjliggöra olika filtergränser beroende på vad användaren vill lyssna på kan tydligareljud uppnås. För att avgöra de olika filtergränserna är det viktigt att ta i hänsyn bådefriska 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 sigav en backing med en vikt bakom piezoelementet. Detta skapar en massa som arbetarmot piezoelementet och förbättrar prestandan och reducerar brus från användaren somhåller i bröstdelen. De flesta tillverkare använder sig av rostfritt stål för att inte skadaprodukten när den utsätts för sterilisering [13].

Ytterligare en faktor att ta i hänsyn till när man konstruerar ett digitalt stetoskop somska vara kompatibelt med en mjukvara är att göra lågpass-filtergränsen så brant sommöjligt. Detta på grund av Nyquist-Shannons samplingsteorem, som går ut på att manmåste sampla med en frekvens som är minst dubbla signalens bandbredd. Resultatet avmätningen blir annars lägre än signalens verkliga frekvens. Ett fjärde ordningens filterär relevant att komplettera med istället för ett andra ordningens i en sådan här produkt,men kommer dock att ge extra kostnader till produkten.

21

8 augusti 2018

6 Slutsats

När man arbetar med större projekt är det till stor fördel att sätta upp tydliga mål ibörjan av arbetet för att sikta mot att uppnå dessa. Det är viktigt att kunna avgränsaoch strukturera upp arbetet för att i slutändan få ett resultat som erhåller det som tagitsmed i kraven för produkten. Efter att ha genomfört detta projekt kan det konstaterasatt 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 möjligtatt både billigt och enkelt tillverka ett digitalt stetoskop. Den framställda prototypenplockar upp de ljud som är intressanta och det finns god potential till att vidareutvecklaprodukten. Vidareutveckling av produkten kan i framtiden leda till att den kan placerasut på virtuella vårdrum och hälsocentraler för att bedöma om hälsan hos de patientersom sökt vård är i behov av ytterligare undersökningar.

22

8 augusti 2018

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 EngineeringOnLine, 14, 66.

[4] The National Telehealth Technology Assessment Resource Centerhttp://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 andMurmurs 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

23