گوشی پزشکی پیشرفته

گوشی های پزشکی امروزی خیلی پیشرفته نیستند. در این بخش یک گوشی پزشکی جدید معرفی شده است که دارای ویژگی های پیشرفته ای می باشد. این گوشی فوق العاده مدرن مجهز به یک مبدل (transducer) حساس است که توانایی آشکارسازی ضعیف ترین صداها و ضربان شش ها و قلب را دارد. مدار دارای یک تقویت کننده قدرتمند است که صداهای ضعیف را به صداهای قابل شنود و ضربان را به تپش های با صدای بلند تبدیل می نماید.

صدای ضربان قلب دارای دامنه بسیار کم و فرکانس پایین است. فرکانس آن معمولا کمتر از 450Hz است اگرچه بعضی اوقات به بزرگی 2750Hz می گردد. البته صداهایی که فرکانس آنها کمتر از 600Hz می باشد مورد نظر پزشکان می باشد. به طور مشابه ششها نیز در اثر تنفس، صدایی با فرکانس 200 تا 600 هرتز تولید می نمایند.

مدار معرفی شده در این بخش برای کار در این محدوده فرکانسی با حداکثر بازده ممکن طراحی شده است . با توجه به دامنه و فرکانس کم صداهای مزبور، تقویت کننده باید دارای ضریب تقویت بالا، نویز کم و قابلیت حذف وزوز یا هوم (Hum) باشد. همچنین به یک فیلتر برای تضعیف فرکانس های بالا و تقویت همزمان فرکانس های پایین نیاز است.

توصیف مدار

در طراحی مدار، تأکید بر سادگی، فشردگی، سبکی و قابلیت حمل آن بوده است. مدار براساس دو تراشه که پیش تقویت کننده و تقویت کننده را تشکیل می دهند کار می کند. قلب پیش تقویت کننده، تراشه کیفیت بالای کم نویز مرسوم LM381N می باشد که دارای بهره حلقه باز خیلی بالای 320000 و قابلیت حذف هوم عالی می باشد.

ورودی تراشه LM381N از صداگیر کریستالی (Pickup cartridge) می آید. با قرار گرفتن صداگیر روی پوست، هرگونه ارتعاشی به خوبی آشکار خواهد شد. استفاده از میکروفون معمولی برای این کار مناسب نیست زیرا میکروفون معمولی نمی تواند تماس کاملی با پوست داشته باشد و در نتیجه تلفات و پارازیت های محیط زیاد خواهد شد.

خروجی تقویت شده پیش تقویت کننده از طریق یک فیلتر پایین گذر که برای گرفتن پاسخ کامل طراحی شده است به یک تقویت کننده اعمال می شود. این فیلتر فعال شامل یک شبکه RC معمولی و یک زوج ترانزیستور npn – pnp می باشد. خازن های این شبکه، C6، C5 ، C4 ، C3 و مقاومت های آن R6 ، R5 ، R4 و R7 هستند که فرکانس های بالا را تضعیف و فرکانس های پایین را به طور مناسب تقویت می نمایند. سیگنال حاصل سپس به یک تقویت کننده که براساس تراشه تقویت کننده قدرت (LM380(IC2 کار می نماید اعمال می شود. این تراشه دارای مدار حفاظت اتصال کوتاه و محدود کننده دمای داخلی می باشد. ضریب تقویت این تراشه 34db است و هرگز در محدوده پهنای باند فرکانسی آن به زیر 25db نمی رسد.

شکل 1 نمودار بلوکی گوشی پزشکی پیشرفته

شکل 2 نفشه شماتیک پروژه گوشی پزشکی پیشرفته

شکل 3 نقشه مدار چاپی گوشی پزشکی پیشرفته

شکل 4 نقشه مدار چاپی همراه با قطعات مونتاژ شده بر روی مدار

مقاومت ورودی 150K تقویت کننده نیاز به طبقه بافر ورودی را برطرف می سازد. تقویت کننده می تواند توان 2/5W مؤثر را به یک بلندگوی 8 اهمی در صورت داشتن گرمابر (heat sink) مناسب تحویل دهد. خروجی فیلتر از طریق خازن C9 به ورودی غیر معکوس کننده IC2 کوپلاژ AC شده است. خازن C10 که به پایه 1 وصل شده است بای پس مناسب را ایجاد می نماید. خروجی IC2 از طریق خازن C12 به بلندگو اعمال می گردد (کوپلاژ AC). کاربرد کوپلاژ AC ضروری است زیرا خروجی بدون سیگنال را به طور خودکار به نصف ولتاژ تغذیه تنظیم می نماید.
شبکه زوبل که از R11، C11 و R12 تشکیل شده است از نوسان تقویت کننده جلوگیری می نماید.

ساخت مدار

مدار دستگاه بسیار ساده است و می تواند روی صفحات مدار چاپی عمومی موجود در بازار سوار شود. نمونه ساخته شده تقریبا روی یک صفحه مدار چاپی 4*6 سانتی متر جای گرفت. فشرده و کوچک بودن مدار چاپی بسیار ضروری است زیرا این حالت هوم (وزوز) را هنگام تغذیه از برق شهر حذف می نماید. هنگامی که جابجایی دستگاه لازم باشد باید از باتری های قابل شارژ برای تغذیه آن استفاده گردد. یک نمونه مدار تغذیه تثبیت شده در شکل 5 نشان داده شده است که برای تغذیه دستگاه مناسب می باشد. صداگیر باید به وسیله یک کابل کواکسیال با شیلددار به مدار وصل شود. IC3 باید به یک گرمابر مناسب وصل شود. کل مدار باید در داخل یک محفظه فلزی قرار گیرد که بدنه آن از طریق یک سیم به زمین وصل می شود. در غیر این صورت ممکن است هوم یا وزوز ایجاد شود.

شکل 5 مدار منبع تغذیه تثبیت شده

لیست قطعات پروژه گوشی پزشکی پیشرفته

روش به کارگیری دستگاه

صداگیر باید به وسیله کاربر گرفته شود و به آرامی روی سینه یا پشت شخص مورد نظر فشار داده شود. از فشار زیاد صداگیر به شدت جلوگیری کنید زیرا سبب ضعیف شدن نوسانات صداگیر می شود. میزان دقیق فشار به آسانی از روش آزمون و خطا به دست می آید. چنانچه دستگاه از زمین مجزا باشد، صدای شنیده شده کمی گرفته خواهد بود. این به خاطر اثر خازنی بین بدن شخص مریض و صداگیر می باشد. این مشکل را می توان با وصل بدنه دستگاه به زمین (یا لوله کشی آب شهر) برطرف نمود. قلب معمولا دو نوع صدای اصلی تولید می کند. صدای اول ناشی از بسته شدن شیرهای بین بطن ها و شریان، بازشدن شیرهای بین بطن ها و شریان های اصلی و ارتعاش بطن ها می باشد. همچنان که بطن ها متراکم می شوند و خون را به شریان های اصلی پمپ می نمایند، صدای دومی نیز در اثر باز شدن شیرهای بطنی – شریانی و بسته شدن شیر های بین بطن ها و شریان های اصلی تولید می گردد.

این دو صدا به هم نزدیک بوده و سپس یک مکث طولانی تر برای این که شریان خون بیشتری جذب نماید و برای ضربان بعدی آماده شود وجود دارد. این دو صدا به صورت “… LUB – DUB , LUB – DUB ” توصیف می شود. شکل موج صدای تولید شده به وسیله قلب که توسط یک ECG (الکتروکاردیوگرام) ضبط شده در شکل (الف -6) نشان داده شده است. شکل (ب -6)، شکل موج نقطه A مدار شکل (2) را نشان می دهد. مقایسه دو شکل موج نشان می دهد که این گوشی پزشکی صدای سوم و چهارمی را که در شکل (الف -6) مربوط به ECG وجود ندارد را نیز آشکار می نماید. صداهای سوم و چهارم به ترتیب در اثر ارتعاش دیوارهای بطن ها ناشی از یورش خون به آنها و همچنین شریان ها همچنان که خون را به بطن ها وارد می سازند، می باشد.

این گوشی همچنین می تواند برای گوش کردن به صدای تنفس نیز به کار رود. هنگامی که هوا به شش های یک شخص سالم وارد و یا از آنها خارج می شود، صدای ناشی از آن یکنواخت و منظم می باشد. اما چنانچه شخص دچار سرماخوردگی یا هر نوع عفونتی که مجرای هوا را مسدود نماید باشد صدای خرخری تولید می شود که می توان به آسانی آن را شنید.

شکل 6 نحوه پاسخ دهی مدار گوشی پزشکی نسبت به سیگنال های مختلف

نمایی از مدار گوشی پزشکی پیشرفته مونتاژ شده

نظریات خوانندگان

سوال: به عنوان یک دانشجوی پزشکی از مدار گوشی معرفی شده بسیار لذت بردم. با وجود این، انتخاب تغذیه 12V برای دستگاه حمل و نقل آن را سخت می سازد. آیا می توان دستگاه را طوری تغییر داد که با تغذیه 3V کار نماید؟

جواب: جریان مصرفی دستگاه بیش از 50mA است. بنابراین استفاده از باطری های خشک برای تغذیه آن مناسب نیست. برای قابل حمل و نقل بودن دستگاه از باتری های قابل شارژ مثل باتری Ni – cd یا gelled electrolyte استفاده شود.

سوال: آیا با افزودن یک فرستنده به مدار می توان یک گوشی بی سیم ساخت؟

جواب: یک مدار فرستنده ساده با کیفیت خوب برای بی سیم نمودن گوشی در شکل زیر نشان داده شده است. برد این فرستنده حدود 10 متر است.

مدار فرستنده برای عملکرد بی سیم گوشی

سوال: لطفا کمی درباره صداگیر (pick – up cartridge) توضیح دهید، از کجا می توان آن را خرید و قیمت آن چند است؟

جواب: صداگیر به کار رفته در این نمونه از نوع قدیمی 1229 sony می باشد. اما مارک های دیگر مانند HMV یا Murphy قابل کاربرد است که حدود 2000 تومان قیمت دارد. کل مدار در حدود 7000 تومان هزینه دارد.

سوال: امپدانس بلندگو در متن، 8 اهم داده شده است اما در لیست قطعات به بلندگوی 8 وات سرامیکی اشاره شده است. لطفا مشخصات دقیق بلندگو را معرفی کنید. در شکل های 2 و 3،مقاومت R10 برابر 10M داده شده است اما در لیست قطعات مقدار آن 10K می باشد. کدام صحیح است؟

جواب: مقدار مقاومت R10 برابر 10M می باشد و 10K نیست. امپدانس بلندگو 8 اهم (نه 8 وات) است.

مدار کنترل ولوم

سوال: چگونه می توان یک تنظیم کننده دامنه صدا (ولوم) به مدار اضافه نمود؟

جواب: یک تنظیم کننده ولوم مطابق شکل زیر می توان برای مدار در نظر گرفت.

نظریات و نامه های خوانندگان بیانگر این بود که تهیه صداگیر pick up cartridge به دلیل کمیاب بودن آن مشکل است. بنابراین مدار اصلاح شده زیر برای کار با میکروفون های پیزوالکتریک معرفی شده است. این مدار پاسخ صاف 3db را در محدوده 150Hz تا 10000Hz ارائه می دهد، خروجی باید به یک گوشی سر با مشخصاتZ=600 Ω ، R=200 Ω و قابلیت دریافت توان 0/9mw وصل گردد. پتانسیومتر VR1 برای تنظیم قدرت و پتانسیومتر VR2 برای کنترل ولوم در نظر گرفته شده است. میکروفون به کار رفته در نمونه ساخته شده اولیه از نوع sony می باشد.

تنظیم کننده ولوم