探討數(shù)字聽診器的系統(tǒng)功能及設計考慮

概述

無論是聲學聽診器，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行診斷。聲學聽診器的使用已經有大約200年的歷史，而電子數(shù)字聽診器則是近期開發(fā)出來的新型設備。

數(shù)字聽診器的基本目標是保持聲學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)顯示結果，并顯示在外設顯示器，如計算機監(jiān)視器。先進的功能增強了醫(yī)師的診斷能力。

數(shù)字聽診器在改進性能的同時，還要求維持現(xiàn)有聲學聽診器的外形(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、音頻編解碼器和揚聲器。聲傳感器將聲音轉換成模擬電壓信號，這是信號鏈路的關鍵。它決定了數(shù)字聽診器的診斷質量，而確保用戶獲得與聲學聽診器相同的體驗。

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

數(shù)字聽診器原理框圖。

一旦轉換成數(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)/模轉換器(DAC)或音頻編解碼器再轉換成模擬信號。

在輸出到揚聲器之前，利用耳機放大器或揚聲器放大器對音頻信號進行調整?？梢栽诼犜\器的管叉處放置單聲道揚聲器，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聲器，每個聽筒末端放置一個?？紤]到這里的聲音信號頻率較低，揚聲器的頻響特性接近于重低音揚聲器。根據(jù)不同設計方案選擇使用單路或兩路揚聲器放大器。

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。

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需要配備電池充電器。電量計可以精確測量電池的剩余電量，計算電池能夠支持的工作時間。如果電池可拆卸，為確保安全以及較好地管理售后市場，有必要增加防偽認證功能。

數(shù)據(jù)存儲和傳輸

一旦將采集的聲音信號轉換成模擬電壓，電壓信號可以通過一個音頻插孔輸出，并且可以在計算機或數(shù)字聽診器上回放。采集到的聲音信號還可以轉換成數(shù)字信號，然后存儲在聽診器內部或可移動非易失(NV)存儲器，如EEPROM或閃存，需要時，可以通過聽診器的揚聲器回放，也可以傳送到計算機做進一步分析。增加一個實時時鐘(RTC)，可以按時間、日期標注記錄。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。

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，設計要求用升壓或boost開關調節(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，開關調節(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，也更接近聲學聽診器的使用習慣。

采用兩節(jié)1.5V串聯(lián)電池供電時，開關調節(jié)器可以始終保持有效，或在不使用時將其關斷。如果電路的工作范圍從3.6V至最低1.8V，可以不使用開關調節(jié)器，從而進一步降低成本、節(jié)省空間。低電量報警是必備功能，確保在對患者診斷過程中不需要更換電池。

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。因為聽診器在操作時環(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個由LED驅動器控制的白光發(fā)光二極管(WLED)或由EL驅動器控制的場致發(fā)光(EL)板。當然，增加一個觸摸屏及其控制器也可以去掉按鍵用戶接口。

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