双膜式T型MEMS电子听诊器设计

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心脏病和心血管疾病已成为威胁人类生命安全和健康的头等大敌。现今对于人体心脏的检测多为心电图检测、冠状动脉造影以及医生传统听诊,然而心电图的滞后性、冠状动脉造影的高成本,有创检测以及传统心音听诊的主观臆断,均会对患者的心脏检测造成影响。心音听诊是心脏检测的最古老也是最普遍的检测方法,最早可以追溯到19世纪,一直沿用至今。并且心音的检测在国内外研究中均证明其对心血管疾病有早期筛查的作用。本文设计的MEMS电子听诊器主要是将传感器探头拾取的心音声信号通过信号处理技术转化为电信号,使得物理信号可视化,并且能够从时域与频域初步分析心音信号特征,极大的降低了医生对患者心音信号的主观臆断。中北大学自主研制的MEMS电子听诊器在基于MEMS矢量水听器的基础上,心音探测领域也表现出良好的性能,例如高灵敏度、高信噪比、低成本、可批量加工等优点。本文主要的工作有两点:第一对传感器探头的封装以及传感器拾振结构进行改进,旨在提高传感器的信噪比及灵敏度;第二大量心音信号测试验证了MEMS电子听诊器的可行性,最后对患者心音信号的检测为之后在医学领域的应运奠定了基础。MEMS电子听诊器在医学领域的运用也极大的降低了患者的医用费用,并且能够起到早期预防、筛查的作用。早期设计的传感器采用单膜式封装壳体,这种封装结构会对声信号产生吸附效果,导致传感器输出的心音信号信噪比低。为消除这种影响,文本提出的双膜式封装结构,该封装结构将原有的声信号与反射的声信号进行叠加,提高了输出信号的信噪比。通过理论仿真分析验证了其封装结构的可行性。此外本文对拾振结构的设计进行优化,提高了传感器的灵敏度,在对第一心音、第二心意的检测以及心音信号的时域与频域分析中起到至关重要的作用。传感器能否在临床心音信号的频段有较好的频率响应是传感器微结构设计的关键因素,本文设计的T型微结构主要通过力学建模以及理论分析,验证了其结构的改良,并通过后期实验验证与心音信号测试,也证明该结构能够满足心音信号检测。最后实验结果表明本文所设计的MEMS电子听诊器灵敏度为-179dB@500Hz,相比之前一维MEMS微结构灵敏度提高10dB,且在可测带宽内具有良好的线性,平均信噪比为38dB,比单膜式封装结构提高7dB,能够满足设计需求。
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