设计指南4694

数字听诊器及电子器件选型准则

John DiCristina

摘要:本应用笔记探讨关于数字听诊器的基本操作和设计考虑,介绍了数字听诊器和老一代声学听诊器的类似之处。本文还简要介绍了数字设计的最新技术,包括录音和回放功能。在讨论数字听诊器的设计考虑时,详细介绍了音频信号回路的重要功能,给出了音频编解码器的设计要点以及心脏、肺部音频信号的频率要求。本文还描述了系统的子功能,包括数据存储和传输、显示与背光、电源管理和电池管理等。

概述

无论是声学听诊器,还是数字听诊器,主要功能都是作为心脏和肺部的辅助诊断工具,通过倾听声音信号进行诊断。声学听诊器的使用已经有大约200年的历史,而电子数字听诊器则是近期开发出来的新型设备。

数字听诊器的基本目标是保持声学听诊器的外观和感觉,但提高了声音信号的检测能力。另外,高端数字听诊器还提供了一些新功能,例如:录音和回放,也可以提供直观的数据显示结果,并显示在外设显示器,如计算机监视器。先进的功能增强了医师的诊断能力。数字听诊器在改进性能的同时,还要求维持现有声学听诊器的外形(相同的外观和感觉),这就需要使用小尺寸、低功耗的解决方案。

音频信号通道

数字听诊器的主要单元是声传感器、音频编解码器和扬声器。声传感器将声音转换成模拟电压信号,这是信号链路的关键。它决定了数字听诊器的诊断质量,而确保用户获得与声学听诊器相同的体验。

需要对模拟电压进行调理,并通过音频模/数转换器(ADC)或音频编解码器将其转换为数字信号。有些数字听诊器带有消噪声功能,需要另一个声传感器或麦克风记录环境噪声,然后经过数字输出消除噪声。这种方案中,需要使用两个音频ADC。

数字听诊器原理框图。关于Maxim推荐的数字听诊器方案,请参考:china.maximintegrated.com/stethoscope。
数字听诊器原理框图。关于Maxim推荐的数字听诊器方案,请参考:china.maximintegrated.com/stethoscope

一旦转换成数字信号,即可利用微控制器单元(MCU)或数字信号处理器(DSP)进行信号处理,包括环境噪声抑制和滤波,限制心脏和肺部声音信号的带宽范围。处理后的数字信号通过音频数/模转换器(DAC)或音频编解码器再转换成模拟信号。

在输出到扬声器之前,利用耳机放大器或扬声器放大器对音频信号进行调整。可以在听诊器的管叉处放置单声道扬声器,放大后的声音通过双声管传递到耳朵。另一种方案是采用双声道扬声器,每个听筒末端放置一个。考虑到这里的声音信号频率较低,扬声器的频响特性接近于重低音扬声器。根据不同设计方案选择使用单路或两路扬声器放大器。

听诊器必须对20Hz至400Hz心脏发出的声音和100Hz至1200Hz肺部发出的声音信号保持较高的灵敏度。注意,不同厂商可能规定了不同的频率范围,可以利用DSP算法滤除频率范围以外的信号。

数据存储和传输

一旦将采集的声音信号转换成模拟电压,电压信号可以通过一个音频插孔输出,并且可以在计算机或数字听诊器上回放。采集到的声音信号还可以转换成数字信号,然后存储在听诊器内部或可移动非易失(NV)存储器,如EEPROM或闪存,需要时,可以通过听诊器的扬声器回放,也可以传送到计算机做进一步分析。增加一个实时时钟(RTC),可以按时间、日期标注记录。录音信号通过有线接口(如USB)或无线接口(如Bluetooth®或其它专有无线接口)传递。

显示和背光

多数数字听诊器由于空间受限只能配置小型显示器;有些显示器只带有按键和LED指示。因为听诊器在操作时环境亮度通常较暗,数字听诊器的显示器需要背光。小型显示器需要1到2个由LED驱动器控制的白光发光二极管(WLED)或由EL驱动器控制的场致发光(EL)板。当然,增加一个触摸屏及其控制器也可以去掉按键用户接口。

电源管理

绝大多数数字听诊器采用一节或两节AAA 1.5V原电池供电,设计要求用升压或boost开关调节器将电压提升到3.0V或5.0V,取决于具体电路。

如果安装了单节1.5V电池,开关调节器可能始终保持有效,系统的低静态电流成为延长电池寿命的关键。电池使用寿命越长,数字听诊器的使用就越便利,也更接近声学听诊器的使用习惯。

采用两节1.5V串联电池供电时,开关调节器可以始终保持有效,或在不使用时将其关断。如果电路的工作范围从3.6V至最低1.8V,可以不使用开关调节器,从而进一步降低成本、节省空间。低电量报警是必备功能,确保在对患者诊断过程中不需要更换电池。

电池管理

数字听诊器可以采用可充电电池供电,最好选择单节Li+电池。如果使用可充电电池,在数字听诊器或充电架内需要配备电池充电器。电量计可以精确测量电池的剩余电量,计算电池能够支持的工作时间。如果电池可拆卸,为确保安全以及较好地管理售后市场,有必要增加防伪认证功能。

Bluetooth是Bluetooth SIG, Inc.的字标,徽标是Bluetooth SIG, Inc.拥有的注册商标。Maxim已得到授权使用这些标志。



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