數(shù)字聽診器的系統(tǒng)功能及設(shè)計(jì)考慮

　　摘要：本應(yīng)用筆記探討關(guān)于數(shù)字聽診器的基本操作和設(shè)計(jì)考慮，介紹了數(shù)字聽診器和老一代聲學(xué)聽診器的類似之處。本文還簡要介紹了數(shù)字設(shè)計(jì)的最新技術(shù)，包括錄音和回放功能。在討論數(shù)字聽診器的設(shè)計(jì)考慮時(shí)，詳細(xì)介紹了音頻信號回路的重要功能，給出了音頻編解碼器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及心臟、肺部音頻信號的頻率要求。本文還描述了系統(tǒng)的子功能，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸、顯示與背光、電源管理和電池管理等。

　　概述

　　無論是聲學(xué)聽診器，還是數(shù)字聽診器，主要功能都是作為心臟和肺部的輔助診斷工具，通過傾聽聲音信號進(jìn)行診斷。聲學(xué)聽診器的使用已經(jīng)有大約200年的歷史，而電子數(shù)字聽診器則是近期開發(fā)出來的新型設(shè)備。

　　數(shù)字聽診器的基本目標(biāo)是保持聲學(xué)聽診器的外觀和感覺，但提高了聲音信號的檢測能力。另外，高端數(shù)字聽診器還提供了一些新功能，例如：錄音和回放，也可以提供直觀的數(shù)據(jù)顯示結(jié)果，并顯示在外設(shè)顯示器，如計(jì)算機(jī)監(jiān)視器。先進(jìn)的功能增強(qiáng)了醫(yī)師的診斷能力。數(shù)字聽診器在改進(jìn)性能的同時(shí)，還要求維持現(xiàn)有聲學(xué)聽診器的外形(相同的外觀和感覺)，這就需要使用小尺寸、低功耗的解決方案。

　　音頻信號通道

　　數(shù)字聽診器的主要單元是聲傳感器、音頻編解碼器和揚(yáng)聲器。聲傳感器將聲音轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，這是信號鏈路的關(guān)鍵。它決定了數(shù)字聽診器的診斷質(zhì)量，而確保用戶獲得與聲學(xué)聽診器相同的體驗(yàn)。

　　需要對模擬電壓進(jìn)行調(diào)理，并通過音頻模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)或音頻編解碼器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。有些數(shù)字聽診器帶有消噪聲功能，需要另一個(gè)聲傳感器或麥克風(fēng)記錄環(huán)境噪聲，然后經(jīng)過數(shù)字輸出消除噪聲。這種方案中，需要使用兩個(gè)音頻ADC。

　　數(shù)字聽診器原理框圖。

　　一旦轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，即可利用微控制器單元(MCU)或數(shù)字信號處理器(DSP)進(jìn)行信號處理，包括環(huán)境噪聲抑制和濾波，限制心臟和肺部聲音信號的帶寬范圍。處理后的數(shù)字信號通過音頻數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)或音頻編解碼器再轉(zhuǎn)換成模擬信號。

　　在輸出到揚(yáng)聲器之前，利用耳機(jī)放大器或揚(yáng)聲器放大器對音頻信號進(jìn)行調(diào)整?？梢栽诼犜\器的管叉處放置單聲道揚(yáng)聲器，放大后的聲音通過雙聲管傳遞到耳朵。另一種方案是采用雙聲道揚(yáng)聲器，每個(gè)聽筒末端放置一個(gè)?？紤]到這里的聲音信號頻率較低，揚(yáng)聲器的頻響特性接近于重低音揚(yáng)聲器。根據(jù)不同設(shè)計(jì)方案選擇使用單路或兩路揚(yáng)聲器放大器。

　　聽診器必須對20Hz至400Hz心臟發(fā)出的聲音和100Hz至1200Hz肺部發(fā)出的聲音信號保持較高的靈敏度。注意，不同廠商可能規(guī)定了不同的頻率范圍，可以利用DSP算法濾除頻率范圍以外的信號。

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸

　　一旦將采集的聲音信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓，電壓信號可以通過一個(gè)音頻插孔輸出，并且可以在計(jì)算機(jī)或數(shù)字聽診器上回放。采集到的聲音信號還可以轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后存儲(chǔ)在聽診器內(nèi)部或可移動(dòng)非易失(NV)存儲(chǔ)器，如EEPROM或閃存，需要時(shí)，可以通過聽診器的揚(yáng)聲器回放，也可以傳送到計(jì)算機(jī)做進(jìn)一步分析。增加一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)，可以按時(shí)間、日期標(biāo)注記錄。錄音信號通過有線接口(如USB)或無線接口(如Bluetooth®或其它專有無線接口)傳遞。

　　顯示和背光

　　多數(shù)數(shù)字聽診器由于空間受限只能配置小型顯示器;有些顯示器只帶有按鍵和LED指示。因?yàn)槁犜\器在操作時(shí)環(huán)境亮度通常較暗，數(shù)字聽診器的顯示器需要背光。小型顯示器需要1到2個(gè)由LED驅(qū)動(dòng)器控制的白光發(fā)光二極管(WLED)或由EL驅(qū)動(dòng)器控制的場致發(fā)光(EL)板。當(dāng)然，增加一個(gè)觸摸屏及其控制器也可以去掉按鍵用戶接口。

　　電源管理

　　絕大多數(shù)數(shù)字聽診器采用一節(jié)或兩節(jié)AAA 1.5V原電池供電，設(shè)計(jì)要求用升壓或boost開關(guān)調(diào)節(jié)器將電壓提升到3.0V或5.0V，取決于具體電路。

　　如果安裝了單節(jié)1.5V電池，開關(guān)調(diào)節(jié)器可能始終保持有效，系統(tǒng)的低靜態(tài)電流成為延長電池壽命的關(guān)鍵。電池使用壽命越長，數(shù)字聽診器的使用就越便利，也更接近聲學(xué)聽診器的使用習(xí)慣。

　　采用兩節(jié)1.5V串聯(lián)電池供電時(shí)，開關(guān)調(diào)節(jié)器可以始終保持有效，或在不使用時(shí)將其關(guān)斷。如果電路的工作范圍從3.6V至最低1.8V，可以不使用開關(guān)調(diào)節(jié)器，從而進(jìn)一步降低成本、節(jié)省空間。低電量報(bào)警是必備功能，確保在對患者診斷過程中不需要更換電池。

　　電池管理

　　數(shù)字聽診器可以采用可充電電池供電，最好選擇單節(jié)Li+電池。如果使用可充電電池，在數(shù)字聽診器或充電架內(nèi)需要配備電池充電器。電量計(jì)可以精確測量電池的剩余電量，計(jì)算電池能夠支持的工作時(shí)間。如果電池可拆卸，為確保安全以及較好地管理售后市場，有必要增加防偽認(rèn)證功能。