بخشی از مقاله
طراحی و ساخت دستگاه شنوایی سنج
چکیده
سیستم شنوایی ، انسان را قادر ساخته است تا اصواتی را که در محدوده معینی از نظر انرژی و فرکانس قرار دارند تشخیص دهد. اگر بر اثر عواملی نظیر افزایش سن، دریافت پیوسته صداهای بلند و یا بصورت مادرزادی محدوده شنوایی تغییر کند، برای تعیین میزان و نواحی تغییرات ایجاد شده از دستگاه شنوایی سنج ( Audiometer ) استفاده می شود. از آنجا که با پیشرفت علم الکترونیک و با توجه به ارتباط نزدیک آن با علوم پزشکی ، رشته مهندسی پزشکی عمیقاً با علم الکترونیک عجین شده است، بر آن شدیم تا یکی از دستگاههای مورد نیاز در مهندسی پزشکی که در ارتباط با سنجش شنوایی می باشد را طراحی و به مرحله ساخت برسانیم. این مقاله به معرفی قسمتهای مختلف این دستگاه کاربردی و نحوه طراحی و مدارهای بکار رفته در آن می پردازد.
کلمات کلیدی : شنوایی سنج، تونی خالصی ، اسیلاتور، نویز پوششی ، عدد نویز
۱ مقدمه
در این مقاله با ارائه نمودارهایی در مورد سطوح و استانداردهای شنوایی ، نگاهی اجمالی به مبانی شنوایی سنجی خواهیم داشت و در ادامه با بیان نحوه دریافت اصوات و برخی رفتارهای فیزیولوژیکی تاثیرگذار بر سطح شنوایی ، لزوم بکارگیری نویز پوششی به هنگام آزمایش را مورد بررسی قرار داده و در انتها به معرفی بلوکهای تشکیل دهنده هر یک از قسمتهای دستگاه خواهیم پرداخت. دستگاهی که به معرفی آن میپردازیم حاصل ۱۴ ماه مطالعه و آزمایش و بر پایه تحقیقات به عمل آمده از مراکز معتبر درمانی نظیر دانشکده توانبخشی دانشگاه تهران، بخش گفتاردرمانی دانشکده توانبخشی دانشکده علوم پزشکی ایران، مراکز درمانی ادیولوژی در تهران و کرج و نظر خواهی و پرسش از متخصصین ادیولوژی و نیز بکارگیری مدارهای الکترونیکی گوناگون بر پایه روشهای مختلف تولید و ارسال اصوات در محدوده شنوایی انسان میباشد. لازم بذکر است که دستگاه شنوایی سنج میتواند کاربرد عملی در محدوده وسیعی از مراکز، سازمانها و اماکن گوناگون از قبیل مهدهای کودک، مراکز دبستانی و پیش دبستانی ، کارخانجات صنعتی و مراکز تولیدی ، مراکز و سازمانهای نظامی ، مراکز علوم پزشکی و بیمارستانها داشته باشد.
۲- مبانی شنوایی سنجی
۲- ۱- اصوات در شنوایی سنجی :
از آنجا که محدوده شنوایی انسان از Hz ۲۰ تا kHz ۲۰ میباشد، می توان دریافت که در آزمایشهای شنوایی سنجی تنها تولید، ارسال و آزمایش این فرکانسها مورد نظر می باشد که البته هر یک از آنها باید بصورت تون خالص (یک تک فرکانس) و دارای شدت استاندارد باشند. با کمی دقت ملاحظه می شود که در زمان بروز اختلال در دستگاه شنوایی شخصی ، مهمترین بخش فرکانسی شامل فرکانس هسایی می شود که در محدوده سیگنالهای صحبت قرار دارند، یعنی در سنجش شنوایی فرکانسهای محدوده سیگنالهای صحبت از اهمیت بیشتری برخوردارند و لذا در آزمایشهای شنوایی سنجی فرکانسهای بین HZ ۱۰۰ تا ۱۰KHZ مورد بررسی قرار می گیرند.
۲- ۲- واحدهای اندازه گیری : واحد اندازه گیری شدت اصوات که بر حسب لگاریتم شدت واقعی آنها می باشد
، دسی بل (dB) نام دارد که بیانگر افزایش واقعی در شدت صوت به میزان ۱/۲۶ برابر است. واحدهایی که در شنوایی سنجی بکار می روند تنها از نظر شدت انتخاب شده به عنوان صفردسی بل (فشار صوتی مبنا) باهم متفاوت و مهمترین آنها dBSPL و dBHL هستند. سیستم dBSP در رابطه با یک مبنای فیزیکی شناخته شده یعنی ریشه میانگین مربعات فشار صوتی تعریف شده است و مهمترین مزیت این مبنا مستقل بودن آن از شخصی بوده و در همه جا مقادیر ثابت و قابل اندازه گیری دارد. اما در مبنای مdBHL که تقریبا عمومی ترین مبنای اندازه گیری در شنوایی سنجی است، در واقع فشار صوتی معادل آستانه شنوایی یک شخصی به عنوان مبنا (OdB) انتخاب شده و بقیه فشارها نسبت به آن سنجیدہ میی شوند.
۳-۲- آستانه های شنوایی : آستانه شنوایی که بیانگر کمترین فشار صوتی قابل درک توسط شخصی در یک فرکانس بخصوصی است، همان چیزی است که پزشک معالج برای تشخیصی میزان ضعف شنوایی به آن نیاز دارد. لازم بذکر است که این آستانه ها در همه فرکانس ها یکسان نیستند و حتی در افراد مختلف نیز متفاوتند. شکل (۱) که تغییرات شدت صوت بر حسب فرکانس را نشان می دهد یک نمودار آستانه شنوایی است. همانطور که مشاهده می شود حساسیت گوش در محدوده فرکانس های HZ ۵۰۰ تا ۵kHZ می باشد.
در آزمایشهای شنوایی سنجی، گاهاً پزشک معالج جدولی در اختیار دارد که محسور عمودی آن بیانگر سطح شنوایی بر حسب مdBHL و محور افقی ان بیانگر فرکانسی بر حسب HZ است که می تواند شدت صوت قابل درک در هر فرکانس را در آن مشخص نماید. شکل (۲- الف) آستانه های شنوایی در یک فرد سالم و شکل (۲- ب) آستانه های
شنوایی شخصی با شنوایی نادرست را نشان می دهند.
۳- رفتار دستگاه شنوایی
بطور کلی می توان گفت که اصوات از دو طریق به مغز منتقل می شوند:
۱- انتقال از طریق هوا که با عبور از کانال شنوایی و مرتعش کردن پرده صماخ شنیده می شوند.
۲- از طریق استخوان جمجمه.
در هریک از این دو راه انتقال ، آستانه های شنوایی می تواند متفاوت باشد که در آزمایشهای شنوایی سنجی باید مد نظر قرار گیرند. از طرفی صوتی که از یک گوش شنیده می شود به میزان خاصی که به آن افت بین دو گوشی گفته می شود تضعیف شده و در گوش دیگر شنیده می شود و این میزان افت نیز بسته به فرکانس صوت متفاوت است. پس ملاحظه می شود که برای آزمایش سطح آستانه شنوایی یک گوش می بایست به این پارامتر نیز توجه شود.
۴ - نویز پوششی همانطور که ذکر شد، افت بین دو گوشی می تواند باعث تاثیر گذاری صوت درون گوشی آزمایشی بر روی گوشی غیر آزمایشی شود. راه حلی که برای از بین بردن این وضعیت بنظر می رسد پوشش دادن گوش غیر آزمایشی از دریافت صوت است. برای نیل به این هدف تنها راه ارسال تمامی فرکانسهای قابل دریافت بطور تصادفی و نامنظم به گوش غیر آزمایشی است که به آن نویز پوششی گفته می شود. این نویز دارای طیفی در محدوده فرکانسهای شنوایی است و از نوع سفید و یا صورتی می باشد. شدت نویز ارسالی باید به اندازه ای باشد که باعث تاثیر متقابل بر روی گوشی ازمایشی نشود.
۵ - اساس کار دستگاه ادیومتر دستگاه ادیومتر برای تعیین سطح شنوایی افراد در فرکانس های مختلف ( فرکانس های محدوده شنوایی و بویژه محدوده سیگانالهای صحبت که شامل هفت اکتاو اصلی و یک یا سه نیم اکتاو می باشد ) بکار می رود. وظیفه این دستگاه تولید این فرکانس ها بطور دقیق و در شدتهای مختلف است. اساسی کار دستگاه ادیومتر مطابق با بلوک دیاگرام ( شکل ۳) می باشد که در ذیل به معرفی و شرح مدارات هر ۱-۵- مولد سیگنال سینوسی : در آزمایشهای شنوایی که در آن از تون خالص (Pure Tone) استفاده می شود، در قسمت مولد سیگنال به یک اسیلاتور موج سینوسی نیاز داریم چرا که تون خالص ، صوتی است که انرژی آن در طیف فرکانس شنوایی تنها در یک فرکانس مشخص متمرکز می باشد و شکل موج سینوسی دارای چنین خصوصیتی است . در این دستگاه از آی سی اسیلاتور 2206-XR بعنوان مولد موج سینوسی استفاده شده است این آی سی می تواند شکل موجهای سینوسی ، مربعی ، مثلثی و دندانه اره ای را در محدوده HZ ۰/۰۱ تا MHZ ۱ تولید کند. قابل توجه آنکه فرکانس موج سینوسی تولید شده توسط یک خازن و یک مقاومت و مطابق با رابطه : f = 1/RCتعیین می شود.
۵ - ۲- طبقه انتخاب فرکانس : برای تعیین و تغییر فرکانس سیگنال تولید شده ، از یک مدار انتخاب فرکانس استفاده شده است. مدار انتخاب فرکانس باید قابلیت ارائه ۸ یا ۱۰ فرکانس مختلف در خروجی را داشته باشد. برای اینکار می توان یا مقدار خازن را تغییر داد و یا مقدار مقاومت را در این طبقه با انتخاب یک مقاومت از بین ۸ مقاومتی که مقادیر انها بر اساس فرکانس های مورد نظر از پیش محاسبه شده است می توان به هر یک از هشت فرکانس مورد نظر رسید. برای افزایش و یا کاهش فرکانس از دو کلید مجزا که مجهز به مدار نوسان گیر هستند استفاده شده است که امکان تغییر سریع فرکانس را نیز فراهم می آورد. نمایش هر یک از فرکانس ها از طریق اعمال خروجی مدار انتخاب فرکانس به یک مبدل سه بیتی و اتصال ان به LED حاصل شده است.(شکل ۴)
۵ - ۳- طبقه تقویت کننده اصلی و تضعیف کننده ها : سیگنال تولید شده علاوه بر دارا بودن فرکانس
مشخص ، می بایست شدت معینی هم داشته باشد. لازم بذکر است که در این دستگاه ، سیگنال تولید شده در ۱۶ مرحله و در هر مرحله به اندازه dB ۵ تقویت ( و یا تضعیف ) می شود مسهمترین اصلی در این قسمت توجه به جلوگیری از حضور نیز در خروجی می باشد که البته بطور کامل امکان پذیر نیست. برای نیل به این منظور باید از طرحی استفاده شود که عدد نویز در خروجی را کوچک نماید . از اینرو بجای تقویت سیگنال اصلی در ۱۶ مرحله ، ابتدا سیگنال تولید شده را یکبار و در حدوده dB ۱۰۰ تقویت می کنیم . این تقویت کننده باید دارای ویژگی نویز پذیری
بسیار کم باشد. سپس این سیگنال را طی ۱۶ مرحله و بوسیله تقویت کننده های عملیاتی صوتی تضعیف می نماییم (شکل ۵ ). این روش بعنوان یک اصل در تقویت کننده های با نویز کم مطرح می شود و عدد نویز کوچکی را در خروجی بدست می دهد . همانطور که در شکل مشخص است ، تضعیف dB ۵ از تقسیم ولتاژ بین مقاومتهای ورودی
۵ - ۴- انتخاب شدت صوت : برای تعیین و تغییر شدت سیگنال ارسالی ، از مداری مشابه با قسمت تعیین فرکانس استفاده شده است (شکل۶)، با این تفاوت که در اینجا از یک سوئیچ آنالوگ ۱۶ به ۱ و نیز بجای مبدل هشت بیتی از یک مبدل ۱۶ بیتی استفاده شده است.
در این قسمت ، مداری برای داشتن دو حالت ارسال سیگنال به خروجی طراحی شده است . با استفاده از یک مدار مونو استابل می توان سیگنال تولید شده را برای مدت معینی به خروجی مدار ارسال نمود که این زمان نیز قابل تنظیم خواهد بود. برای تحریک مدار مونواستابل، خروجی کلیدهای فشاری را پس از عبور از یک گیت XNOR به پایه تریگر مونواستابل وصل کرده ایم . با استفاده از گیت XNOR میتوان از حالت غیر مجازی که بهنگام فشردن هر دو کلید بطور همزمان رخ می دهد ، جلوگیری کرد . خروجی مدار منواستابلی به یک مدار جهت انتخاب حالت ارسال سیگنال ( بصورت مداوم یا پالس ) متصل می شود. در این قسمت بطور مثال می توان از دو گیت Tri-State استفاده کرد به شرطی که پایه های کنترلی آنها در حالت عکس یکدیگر قرار بگیرند تا سیگنال تنها در یک حالت به خروجی ارسال گردد.
۵ - ۵ - طبقه نویز : در این طبقه ، مداری برای تولید نویز پوششی برای ارسال به گوشی غیر آزمایشی ارائه شده است. نویز پوششی برای از بین بردن اثر سیگنال موجود در گوش آزمایشی بر روی گوش غیر آزمایشی بکار می رود این نویز از نوع نویز صورتی است که اکتاوهای اصلی را در بر می گیرد. منبع تولید نویز در این مدار پیوند بیسی - امتیر یک ترانزیستور PNP است که در حالت بایاس معکوس از ان استفاده شده است . این نویز پس از عبور از دو طبقه تقویت کننده به خروجی مدار اعمال می شود ( شکل ۷ ).
۵ - ۶ - طبقه خروجی : این طبقه شامل دو خروجی مجزا می باشد. یکی از آنها برای گوشی های با امپدانس کم و دیگری برای هدفونهای با امپدانس زیاد بکار می رود. سیگنال و نویز تولید شده در طبقات قبل به ورودی یک انتخاب کننده دو ورودی - دو خروجی، متصل می شوند . حال می توان با فشردن کلیدهای ۲ و ۳ حضور سیگنال یا نویز را در هر یک از گوشهای چپ یا راست تعیین کرد . کلید ۱ نیز بعنوان مرتبط کننده ورودی به خروجی عمل انتقال سیگنال یا نویز را به خروجی مدار کنترل می نماید. در نهایت خروجی مدار از یک طبقه تقویت کننده جریان پوش - پول که اعوجاج عبور از صفر آن بوسیله یک آپ امپ با گین بالا جبران شده است، برای تطبیق امپدانس با گوشی های با امپدانس کم استفاده شده است ( شکل ۸ ).
۶ - نتیجه گیری
در این مقاله به معرفی نمونه ای از یک دستگاه نیمه اتوماتیک شنوایی سنج پرداخته شد. این دستگاه فراتر از یک طرح آزمایشگاهی بوده و بصورتی جامع، صنعتی و مطابق با استانداردهای ارائه شده می باشد که دارای مشخصات زیر است:
۱- قابلیت انتخاب و ارسال سیگنالهای سینوسی با فرکانسهای استاندارد و دقیق زیر :
۲- قابلیت انتخاب و ارسال سیگنالهای سینوسی با شدتهای مختلف.
در این دستگاه شدت صوت ارسالی در گامهای ۵dB کالیبره شده که در شانزده مرحله مختلف می توان آن را افزایش داد. ضمنا به هنگام کار با این دستگاه، این نکته قابل توجه است که مقادیر آستانه های شنوایی به دست آمده بر حسب dBSPL می باشند.
۳- قابلیت ارسال سیگنالهای خروجی به صورت مداوم و یا تک پالسی بازمان ارسال قابل تنظیم از ۰/۵ تا ۲ ثانیه.
۴- دارا بودن دو خروجی مجزا برای گوشهای راست و چپ ( به صورت استریو ).
