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數(shù)字聽診器及電子器件選型指南

發(fā)布時間:2012-09-26 來源:電子元件技術(shù)網(wǎng) 責(zé)任編輯:sunnypeng

【導(dǎo)讀】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)計考慮時,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,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。

音頻信號通道選型

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,需要使用兩個音頻ADC。

數(shù)字聽診器原理框圖。關(guān)于Maxim推薦的數(shù)字聽診器方案
數(shù)字聽診器原理框圖。關(guān)于Maxim推薦的數(shù)字聽診器方案

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。可以在聽診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,每個聽筒末端放置一個??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。
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數(shù)據(jù)存儲和傳輸選型

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音頻插孔輸出,并且可以在計算機(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,然后存儲在聽診器內(nèi)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(yáng)聲器回放,也可以傳送到計算機(jī)做進(jìn)一步分析。增加一個實(shí)時時鐘(RTC),可以按時間、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。

顯示和背光選型

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(qū)動器控制的白光發(fā)光二極管(WLED)或由EL驅(qū)動器控制的場致發(fā)光(EL)板。當(dāng)然,增加一個觸摸屏及其控制器也可以去掉按鍵用戶接口。

電源管理
選型

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,開關(guān)調(diào)節(jié)器可以始終保持有效,或在不使用時將其關(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(rèn)證功能。
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