Телемедицина. Реверс инжиниринг электронного стетоскопа
Разработкой электроники занимаюсь уже более 10 лет, но как-то так получилось, что первый проект в области медицины у меня появился только в прошлом году и после этого я уже с этой темы «не слазил». Как водится в таких случаях, разработку было решено начинать с изучения прототипов. В этой статье хочу поделиться побочными результатами реверсинженеринга плода одного телемедицинского стартапа с китайскими корнями — электронного стетоскопа. Если вам интересно, что скрывают внутренности типичного представителя стартапов в области телеметрии, запущенных в начале 2010-ых годов и почему было выбрано именно такое схемотехническое решение, милости прошу под кат.
Следующий раз уже наступил. В статье «Телемедицина. Три технологических стартапа. Продукт один, а судьбы разные» можно ознакомиться с историями развития трёх проектов по созданию электронных стетоскопов.
Заглянем внутрь упаковки
Заглянув внутрь, на редкость качественной картонной упаковки, мы обнаружим приятный на ощупь чехольчик с двумя девайсами. Тот, что побольше и вытянут как крокодил — бесконтактный термометр. Круглый же — наш сегодняшний пациент, стетоскоп.
С градусником ребята сильно промахнулись — мало того, что стабильность измерений у него оказалась крайне низка, так ещё и надёжность работы подкачала. Для реверсинженеринга мы купили бывший в употреблении прибор и бесконтактный градусник в нём оказался неисправным. Так что сосредоточим своё внимание на стетоскопе. Для начала присмотримся к соединительному кабелю.
Можно заметить, что с одной стороны он заканчивается аудиоджеком, а с другой microUSB разъёмом. Почему проще понять, если мысленно перенестись в 2012 — год появления стартапа на свет. В те времена на Кикстартере можно было найти огромное количество самых разнообразных приборов, подсоединяемых к гаджету столь экзотическим способом.
Все они были рассчитаны, прежде всего, на работу с тогдашним поколением iPhone. USB разъёма он не имел, а организация передачи сигнала по беспроводным каналам с ним была крайне затруднена. Поэтому, гаджеты подсоединяли по аудиокабелю, через разъём для гарнитуры, а обмен командами осуществлялся с помощью аудиосигналов, кодированных частотой и длительностью посылок. Именно такой принцип связи задействован и в нашем подопытном. Пора, однако, заглянуть ему под капот!
Пора переходить к деталям
Литой металлический корпус состоит из двух соединённых резьбой половинок. Внутри корпуса расположены две платки. Одна из них недостойна нашего внимания — не ней расположен лишь держатель трёхвольтового элемента питания, а вот вторую стоит рассмотреть подробнее и даже с двух сторон.
С левой стороны плат видим microUSB разъём. Выбор на него пал потому, что он гораздо меньше по размеру стандартного аудиоджека диаметром 3.5 мм. Справа изображена верхняя часть платы. На ней расположены многочисленные блокирующие питание ёмкости и защитные элементы в трёхвыводных корпусах SOT23, напоминающих транзисторы. Вспомним, что мы как никак имеем дело с медицинским прибором, и даже простейший уровень сертификации требует их наличия.
Сердцем, а по совместительству и ухом, данного прибора безусловно является микрофон. Дешёвый электретный, который аналогично микрофону гарнитуры можно запитать от телефона, тут использовать не получится. Полезная информация звуковых сигналов, поступающих на гарнитуру стетоскопа/фонендоскопа лежит в пределах от 20 Гц до Гц 600. Нижний диапазон ограничен частотными свойствами уха, верхний максимальной частотой, в которой располагаются шумы сердца и внутренних органов. Найти малогабаритный микрофон с такой частотной характеристикой не просто. В данном устройстве был использован аналоговый микрофон, изготовленный по MEMS технологии. Сигнал с него, без всякого дополнительного усиления, поступал в аудиотракт смартфона. Микрофон был заботливо прикрыт резиновой прокладкой, которую я снял для лучшего обзора.
Для удобства, я присвоил ключевым компонентам цифры, и изобразил ниже сильно упрощённую функциональную схему устройства.
Казалось бы, достаточно поставить микрофон с батарейкой и не усложнять всё дополнительными чипами. Однако, даже в отсутствии входного сигнала, тока потребления микрофона достаточно, чтобы разрядить батарейку за несколько дней. Конечно, можно было бы установить на корпус прибора малогабаритный механический выключатель, но это не путь джедаев, прежде всего потому, что его легко забыть выключить или наоборот случайно включить. В результате, в момент, когда вам срочно необходимо будет прослушать лёгкие больного, прибор окажется в неработоспособном состоянии. Для медприложений это совсем не гуд, можно даже сказать больше — недопустимо.
Пришлось нашим китайцам, скрепя сердце, пойти на усложнение схемы. Первым делом они добавили микроконтроллер из серии STM32L с ультранизким потреблением 1.(о низкопотребляющих микроконтроллерах можно почитать в одной из моих предыдущих статей) Затем установили стабилизатор напряжения в цепь питания микрофона 2 и в заключении разорились ещё и на чип аналогового коммутатора.
На управляющий микроконтроллер возложены следующие функции:
- Подача питания на микрофон
- Определение уровня напряжения питания батареи и, в случае необходимости, формирование сигнала о скором её разряде
- Детектирование управляющего синусоидального аудио сигнала со смартфона
- Генерация аналогового синусоидального сигнала для процесса обмена данными со смартфоном
- Переключения линии аналогового сигнала, который поступает на микрофонный вход смартфона
Принцип работы устройства весьма прост
После того, как пользователь прикладывает стетоскоп к телу человека, он нажимает на кнопку, расположенную на экране смартфона. Смартфон посылает управляющую звуковую последовательность, в которой закодировано время прослушивания. Она поступает на компаратор микроконтроллера. Почувствовав перепад напряжения на своём входе, микроконтроллер по прерыванию выходит из состояния глубокого сна, дешифрирует входной сигнал и посылает на микрофонный вход телефона ответную звуковую последовательность, содержащую информацию об уровне заряда батареи. После этого, микроконтроллер на заданное время подаёт питание на микрофон и переключает аудиокоммутатор в режим передачи сигнала с микрофона на микрофонный вход телефона. По окончанию заданного периода времени, всё возвращается в исходное состояние и микроконтроллер погружается в глубокий сон.
Смартфон с помощью встроенного ПО записывает аудиосигнал в виде файла в собственную память. В дальнейшем его можно прослушать, просмотреть на экране смартфона и даже передать в облака для анализа и детальной обработки.
Недостатки устройства
Как и многие медтех стартапы “первой волны”, к которой я отношу проекты запущенные в начале 2010-ых, этот в конечном итоге потерпел крах. Впрочем, подробному анализу причин взлётов и падений медицинских стартапов того поколения, есть задумка посвятить мою следующую статью.
В этой отмечу лишь очевидные просчёты, связанные с техническим исполнением.
В качестве небольшой зарядки для ума предлагаю найти явные промахи самим, а потом открыть спойлер и сравнить с теми,
Основным минусом стетоскопа является проводное соединение его с гаджетом. Во первых, со временем надёжность такого соединения неминуемо уменьшается и скажется на качестве сигнала. Во вторых, даже на фото из рекламного проспекта заметно какой изворотливости требует у мамаши процесс аускультации.
С учётом того, что для запуска этого процесса следует нажать на виртуальную кнопочку, расположенную на сенсорном экране смартфона, удобным в использовании его назвать сложно. Ещё сложнее, по очень маленькой картинке на экране, понять в правильное ли место ты приложил стетоскоп, ведь аудиоканал телефона занят и наушники не подключишь, а малогабаритные встроенные динамики телефона не способны воспроизводить звук в столь низкочастотном диапазоне.
Проводное соединение стетоскопа и гаджета не только неудобно — оно ненадёжно. Со временем надёжность и качество контакта неминуемо будет ухудшаться. Ну и наконец, качество оцифровки звука весьма сильно будет зависеть от типа гаджета. Микрофонный вход большинства телефонов и планшетов предназначен в первую очередь для поддержки гарнитур, его АЧХ имеет сильный завал в низкочастотной области спектра и может вносить существенные искажения для сигналов в этой области. Дорогие модели будут справляться с задачей лучше, более дешёвые существенно хуже. Соответственно, один и тот же стетоскоп в с разными телефонами будет выдавать разные результаты.
Источник
Устройство для диагностики неисправностей технического оборудования
Устройство относится к области диагностики технического оборудования и может быть использовано для обнаружения неисправностей, возникающих в процессе эксплуатации технического оборудования. Заявляемое устройство для диагностики неисправностей технического оборудования включает стетоскоп, состоящий из звукоприемной головки с мембраной и стержнем, звукопровода и оголовья с «оливами», микрофон, установленный вместо одной из «олив», предназначенный для регистрации звукового сигнала, и пьезокерамический датчик детонации, зафиксированный с помощью элемента крепления на корпусе диагностируемого технического оборудования, предназначенный для регистрации вибрационного сигнала, подключенные проводами к разъему для микрофона персонального компьютера, на котором установлена программа обработки звукового сигнала. Технический результат состоит в повышении точности диагностики неисправностей технического оборудования. 1 н.п. ф-лы, 3 ил.
Устройство относится к области диагностики технического оборудования и может быть использовано для обнаружения неисправностей, возникающих в процессе эксплуатации технического оборудования.
При неполадках в работе технического оборудования возникают посторонние шумы и вибрации. С целью выявления неисправностей в работе технического оборудования проводят диагностику, основанную на записи акустических колебаний и вибраций. Использование диагностических комплексов, позволяющих снимать и записывать акустические колебания и вибрации с помощью специализированных программ и усилителей является затруднительным в связи с неприемлемой ценой диагностических комплексов.
Широкое применение в медицине имеют устройства, используемые для исследования органов пищеварения и суставов, для прослушивания физиологических и патологических звуковых колебаний при работе сердца, легких и сосудов, а также для определения артериального давления и распознавания артерия-венозных аневризм (БМЭ, Т.2, с.366-368) — стетоскоп, фонендоскоп, стетофонендоскоп.
Стетоскоп представляет собой устройство в виде трубки, на концах которой расположены воронки разного диаметра. В верхней части трубки расположена воронка меньшего диаметра, которая прикладывается к участком тела обследуемого человека, а в нижней части трубки — воронка большего диаметра, которая прикладывается к уху врача (Е.В.Трифонов Пневмопсихосамотология человека, 2012 г). Результатом усовершенствования стетоскопа является фонендоскоп — медицинский прибор для прослушивания больных, состоящий из двух гибких слуховых трубок, соединенных с звукоулавливающей камерой (толковый словарь С.И.Ожегова). Отличие фонендоскопа от стетоскопа состоит в том, что фонендоскоп имеет туго натянутую мембрану, чувствительную к вибрациям звука. В настоящее время широкое применение в медицине имеет стетофонендоскоп — устройство, состоящее из совмещенных в одном узле или сменных звуковоспринимающих частей стетоскопа и фонендоскопа, гибких звукоприводов, заканчивающихся жесткими трубами с оливами и пружинного устройства, способствующего фиксации олив в ушах врача. Звуковоспринимающая часть без мембраны (аналогичная звуковоспринимающей части стетоскопа) наиболее подходит для прослушивания шумов сердечно-сосудистой системы, а также иных шумов с низкими частотами. Звуковоспринимающая часть с мембраной используется для прослушивания легких и иных шумов, обладающих более высокими частотами.
Наиболее близким техническим решением, выбранным заявителем в качестве прототипа, является медицинский стетоскоп, состоящий из звукоприемной головки с мембраной и стержнем, звукопровода и оголовья со слуховыми наконечниками («оливами»), позволяющий определять на слух место и характер неисправности двигателя автомобиля. «Оливы» вставляют в уши, стержень звукоприемной головки стетоскопа прижимают к участку поверхности двигателя автомобиля. Стуки и шумы усиливаются мембраной звукоприемной головки стетоскопа и передаются по звукопроводу к «оливам»: http://brkauto.ru/avtoslesar/vidy-tehnicheskogo-obsluzhivaniya-i-remonta-avtomo/59-stacionarnoe-oborudovanie-dlya-tehnicheskogo-obsluzhivaniya-i-remonta-avtomobilya.html.
Недостаток технического решения состоит в том, что медицинский стетоскоп, предназначенный для приема и анализа звукового сигнала с помощью уха, не позволяет принимать и анализировать вибрационный сигнал, а также наглядно отображать вибрационный и акустический сигналы в виде амплитудно-частотных характеристик.
Технический результат заявляемой полезной модели состоит в повышении точности диагностики неисправностей технического оборудования.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для диагностики неисправностей технического оборудования содержит стетоскоп, состоящий из звукоприемной головки с мембраной и стержнем, звукопровода и оголовья с «оливой», микрофон, подключенный к одной из «олив», предназначенный для регистрации звукового сигнала, пьезокерамический датчик детонации, предназначенный для регистрации вибрационного сигнала, и персональный компьютер, на котором установлена программа обработки звукового сигнала. Микрофон и зафиксированный на корпусе диагностируемого технического оборудования с помощью элемента крепления пьезокерамический датчик детонации подключены проводами к разъему для микрофона персонального компьютера.
В связи с тем, что выходное сопротивление пьезокерамического датчика детонации соответствует выходному сопротивлению микрофона, электрические характеристики пьезокерамического датчика детонации соответствуют электрическим характеристикам микрофона является возможным обработать вибрационный сигнал с помощью программы обработки звукового сигнала, установленной на персональном компьютере.
Результатом обработки вибрационного сигнала, преобразованного в электрический сигнал, является амплитудно-частотная характеристика вибрационного сигнала, отображаемая в графическом виде на мониторе персонального компьютера. Анализ амплитудно-частотной характеристики вибрационного сигнала позволяет наиболее точно оценить состояние диагностируемого технического оборудования.
Заявляемая полезная модель поясняется следующими иллюстрациями.
На Фиг.1 представлено устройство для диагностики неисправностей технического оборудования, где:
2 — звукоприемная головка с мембраной;
3 — металлический стержень;
9 — персональный компьютер;
10 — пьезокерамический датчик детонации;
11 — элемент крепления;
На Фиг.2 представлена амплитудно-частотная характеристика вибрационного сигнала, иллюстрирующая текущее техническое состояние подшипникового узла цилиндрического редуктора, где:
14 — ось X, по которой откладывается частота вибрационного сигнала, Гц;
15 — ось Y, по которой откладывается амплитуда вибрационного сигнала, дБ.
На Фиг.3 представлена амплитудно-частотная характеристика вибрационного сигнала, иллюстрирующая исправное техническое состояние подшипникового узла цилиндрического редуктора, где:
14 — ось X, по которой откладывается частота вибрационного сигнала, Гц;
15 — ось Y, по которой откладывается амплитуда вибрационного сигнала, дБ.
Устройство для диагностики неисправностей технического оборудования (Фиг.1) содержит стетоскоп 1, состоящий из звукоприемной головки с мембраной 2 и металлическим стержнем 3, звукопровода 4 и оголовья 5 с «оливой» 6, микрофон 7, предназначенный для регистрации звукового сигнала, пьезокерамический датчик детонации 10, предназначенный для регистрации вибрационного сигнала, персональный компьютер 9. Микрофон 7 подключенный к одной из «олив» 6 стетоскопа 1, и пьезокерамический датчик детонации 10, зафиксированный элементом крепления 11 на корпусе 12 диагностируемого технического оборудования, проводами 8 подключены к разъему MIC 13 персонального компьютера 9, на котором установлена программа обработки звукового сигнала.
Устройство для диагностики неисправностей технического оборудования работает следующим образом. На персональный компьютер 9 устанавливают программу анализа и обработки звукового сигнала, например SpectraLab, Пьезокерамический датчик детонации 10 фиксируют на корпусе 12 исправно работающего технического оборудования с помощью элемента крепления 11 в виде шурупа и подключают проводами 8 к разъему MIC 13 персонального компьютера 9. Получаемый с пьезокерамического датчика детонации 10 вибрационный сигнал обрабатывают с помощью программы SpectraLab. В результате обработки вибрационного сигнала на мониторе персонального компьютера 9 в окне программы SpectraLab получают амплитудно-частотную характеристику вибрационного сигнала, соответствующую исправному техническому состоянию диагностируемого технического оборудования. Затем формируют перечень неисправностей, которые могут возникнуть у диагностируемого технического оборудования. Каждая неисправность технического оборудования имеет свою амплитудно-частотную характеристику. Для каждой неисправности из перечня неисправностей записывают амплитудно-частотную характеристику вибрационного сигнала: на корпусе 12 технического оборудования, имеющего неисправность, с помощью элемента крепления 11 в виде шурупа фиксируют пьезокерамический датчик детонации 10, проводами 8 подключают пьезокерамический датчик детонации 10 к разъему MIC 13 персонального компьютера 9. Обрабатывая вибрационный сигнал с помощью программы SpectraLab, получают амплитудно-частотные характеристики неисправностей.
Выявление существующей неисправности технического оборудования осуществляют путем сравнения амплитудно-частотной характеристики вибрационного сигнала, полученной при диагностике технического оборудования, с амплитудно-частотными характеристиками неисправностей, содержащимися в перечне неисправностей технического оборудования. При наличии неисправности у диагностируемого технического оборудования амплитудно-частотная характеристика вибрационного сигнала, полученная при диагностике технического оборудования, соответствует какой-либо амплитудно-частотной характеристике, содержащейся в перечне неисправностей технического оборудования.
Пример применения заявляемой полезной модели.
Существуют перебои в работе цилиндрического редуктора. Технические специалисты предполагают, что перебои вызваны неисправностью подшипникового узла. Необходимо установить исправен ли подшипниковый узел и определить вид неисправности.
Диагностику подшипникового узла осуществляют с помощью заявляемого устройства для диагностики неисправностей технического оборудования. Перед началом диагностики проводят подготовительные работы: вместо одной из «олив» стетоскопа 1 устанавливают микрофон 7, на персональный компьютер 9 устанавливают программу SpectraLab, предназначенную для анализа и обработки звукового сигнала. Пьезокерамический датчик детонации 10 с помощью элемента крепления 11 в виде шурупа фиксируют на подшипниковом узле. Микрофон 7 и пьезокерамический датчик детонации 10 проводами 8 подключают к к разъему MIC 13 персонального компьютера 9 (Фиг.1). Поступающий с датчика преобразованный в электрический сигнал вибрационный сигнал обрабатывают с помощью программы SpectraLab. В окне программы SpectraLab получают амплитудно-частотную характеристику, отражающую текущее техническое состояние диагностируемого подшипникового узла (Фиг.2).
Для того, чтобы установить является ли подшипниковый узел исправным осуществляют сравнение амплитудно-частотной характеристики вибрационного сигнала, представленной на Фиг.2, с амплитудно-частотными характеристиками неисправностей, содержащимися в перечне неисправностей подшипникового узла. Полученная амплитудно-частотная характеристика (Фиг.2) не совпадает с амплитудно-частотной характеристикой, иллюстрирующей исправное техническое состояние подшипникового узла цилиндрического редуктора (Фиг.3). Следовательно, подшипниковый узел цилиндрического редуктора является неисправным. Сравнение полученной амплитудно-частотной характеристики вибрационного сигнала с амплитудно-частотными характеристиками, содержащимися в перечне возможных неисправностей подшипникового узла, позволяет установить, что полученная амплитудно-частотная характеристика вибрационного сигнала соответствует амплитудно-частотной характеристике коррозии, содержащейся в перечне неисправностей, которые могут возникнуть у подшипникового узла.
Таким образом, диагностируемый подшипниковый узел цилиндрического редуктора имеет коррозию. Рекомендовано установить новый подшипниковый узел и регулярно наносить на него защитную смазку, препятствующую образованию коррозии.
Заявляемая полезная модель является конструктивно простым и удобным в эксплуатации устройством, предназначенным для диагностики неисправностей, возникающих при работе технического оборудования, например, гидроаппаратов, подшипников, элементов механических передач. Данное устройство позволит промышленным предприятиям значительно снизить затраты на приобретение дорогостоящих диагностических комплексов, позволяющих снимать акустические колебания и вибрации и записывать их с помощью специализированных программ и усилителей. Доступность заявляемого устройства по цене обусловлена тем, что для снятия вибрационной характеристики вместо промышленных вибродатчиков в качестве вибродатчика используют пьезокерамический датчик детонации — устройство, предназначенное для определения момента возникновения детонации в двигателях внутреннего сгорания автомобилей.
Устройство для диагностики неисправностей технического оборудования, включающее стетоскоп, состоящий из звукоприемной головки с мембраной и стержнем, звукопровода и оголовья с «оливой», отличающееся тем, что содержит микрофон, установленный вместо одной из «олив», предназначенный для регистрации звукового сигнала, и пьезокерамический датчик детонации, зафиксированный с помощью элемента крепления на корпусе диагностируемого технического оборудования, предназначенный для регистрации вибрационного сигнала, подключенные проводами к разъему для микрофона персонального компьютера, на котором установлена программа обработки звукового сигнала.
Источник
