数字听诊器系统的设计详解

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。

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。