一種用于電子聽(tīng)診器的心跳閃爍指示電路*

蔣飛朋 莫鴻強(qiáng) 田翔 田軍章 馬曉芬 談志軍

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一種用于電子聽(tīng)診器的心跳閃爍指示電路*

蔣飛朋1莫鴻強(qiáng)1田翔2田軍章3馬曉芬3談志軍1

（1.華南理工大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院 2.華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院 3.廣東省第二人民醫(yī)院）

為改善電子聽(tīng)診器的用戶體驗(yàn)，將LED燈指示電路應(yīng)用于電子聽(tīng)診器。分析了長(zhǎng)亮指示、呼吸燈指示和閃爍燈指示方式的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)醫(yī)院專用的電子聽(tīng)診器，基于低功耗、低成本的模擬電路設(shè)計(jì)了一款心跳閃爍指示電路。測(cè)試結(jié)果表明：該電路的指示燈可隨心跳閃爍，有效實(shí)現(xiàn)心跳指示功能。

電子聽(tīng)診器；心跳指示燈；網(wǎng)絡(luò)醫(yī)院；模擬電路

0　引言

心音聽(tīng)診是電子聽(tīng)診器最主要的臨床應(yīng)用之一，其聽(tīng)診要求以合適的力度將聽(tīng)診器置于正確部位，以獲取音質(zhì)良好的心音信號(hào)。曲線波形可直觀反映所拾取信號(hào)的質(zhì)量，但需要增加顯示屏和計(jì)算芯片。由于心臟跳動(dòng)具有明顯的節(jié)律，通過(guò)LED燈亮度變化亦可較好地指示電子聽(tīng)診器的工作狀態(tài)，間接反映聽(tīng)診部位和力度是否正確。

通常，LED燈指示電路有3種實(shí)現(xiàn)方式：長(zhǎng)亮指示、呼吸燈指示和閃爍燈指示。

長(zhǎng)亮指示燈原理圖如圖1所示，通常由一個(gè)限流電阻R和一個(gè)LED構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)。目前大多數(shù)電子聽(tīng)診器采用這種指示方式，但其亮度不變，無(wú)法實(shí)現(xiàn)前述指示功能。

圖1 長(zhǎng)亮指示燈原理圖

呼吸燈指示通過(guò)控制使指示燈的亮暗呈現(xiàn)出像呼吸一樣有節(jié)奏的視覺(jué)效果，廣泛用于數(shù)碼產(chǎn)品的狀態(tài)指示[1]。呼吸燈的設(shè)計(jì)方法主要有：1）單片機(jī)產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM脈沖作為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電路的控制信號(hào)，調(diào)節(jié)LED燈實(shí)現(xiàn)周期性明暗變化[2]，該方式呼吸指示效果較理想，但需要增加嵌入式控制芯片；2）使用NE555時(shí)基電路實(shí)現(xiàn)周期脈沖調(diào)節(jié)LED燈的周期性明暗變化[3]，該方式不易獲得理想的效果；亦可使用LM358雙運(yùn)放來(lái)設(shè)計(jì)呼吸燈電路[4]，但該方式調(diào)試較困難。呼吸燈指示方式的缺點(diǎn)在于呼吸頻率通常顯著小于心率，不適宜直接用于指示心跳，且因需增加處理芯片而使聽(tīng)診器尺寸增大。

閃爍燈指示能隨心跳周期性出現(xiàn)而閃爍，則可提供良好的用戶體驗(yàn)。相對(duì)于長(zhǎng)亮指示燈而言，閃爍燈指示不但能降低功耗，而且閃爍發(fā)光比靜態(tài)長(zhǎng)亮更醒目，指示效果更佳。

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)醫(yī)院專用的電子聽(tīng)診器，因其定位于家庭和社區(qū)醫(yī)院使用，成本受到限制。一種較為合理的方案為利用家庭已有手機(jī)或數(shù)字計(jì)算機(jī)的聲卡，將電子聽(tīng)診器從音頻口接入遠(yuǎn)程聽(tīng)診平臺(tái)。如此，采用模擬電路即可進(jìn)行音頻信號(hào)的采集、放大和濾波，而省去控制芯片、數(shù)字編解碼電路和藍(lán)牙等通訊電路，從而極大地節(jié)省成本。在此情況下，不宜在電子聽(tīng)診器本體增加額外的控制芯片實(shí)現(xiàn)心跳閃爍指示。因此，本文設(shè)計(jì)一款模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)心跳閃爍指示功能。

1　心音信號(hào)的產(chǎn)生及其成分

心音是在心動(dòng)周期中由心肌收縮舒張、瓣膜啟閉、血流沖擊心室壁和大動(dòng)脈等因素引起機(jī)械振動(dòng)，通過(guò)周圍組織傳到胸壁的振動(dòng)信號(hào)[5]。如圖2所示，正常心音信號(hào)含有4種成分：第一心音（S1）（位于收縮期，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)）、第二心音（S2）（位于舒張期，持續(xù)時(shí)間較短）、第三心音（S3）和第四心音（S4）。因S3和S4過(guò)弱，大多數(shù)情況下只能聽(tīng)到S1和S2，心跳指示可設(shè)計(jì)為隨S1和S2出現(xiàn)而有節(jié)奏地閃爍。

圖2　聽(tīng)診器記錄的正常心音

2　心跳閃爍指示電路硬件設(shè)計(jì)

電子聽(tīng)診器的整體框圖如圖3所示，其中心音采集電路通過(guò)麥克風(fēng)或者壓電傳感器將聲壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)放大濾波電路處理后由音頻口接入聽(tīng)診平臺(tái)。

圖3　電子聽(tīng)診器整體框圖

本文心跳閃爍指示電路包括：供電電池V1、耦合電容C1、偏置電阻R1與R2、三極管T1、限流電阻R3和高亮度發(fā)光二極管D1，如圖4所示。

其工作原理為：該電路的輸入信號(hào)為電子聽(tīng)診器放大濾波后的音頻信號(hào)，該音頻信號(hào)由耦合電容C1的A端輸入心跳閃爍指示電路。

圖4　心跳閃爍指示電路原理圖

三極管T1采用共射極接法，設(shè)定偏置電阻R1與R2的阻值使三極管T1的基極與發(fā)射極之間的電壓約為0.5 V，此時(shí)三極管T1的靜態(tài)工作點(diǎn)落于截止區(qū)與放大區(qū)的臨界區(qū)域，而發(fā)光二極管D1不發(fā)光或發(fā)光亮度非常弱。當(dāng)電子聽(tīng)診器檢測(cè)到第一心音的波峰時(shí)，耦合電容C1輸入端A處的電壓將出現(xiàn)一定幅度的正向波動(dòng)，導(dǎo)致三極管T1的基極與發(fā)射極之間的電壓超過(guò)導(dǎo)通的閾值，基極和集電極電流迅速增大，點(diǎn)亮發(fā)光二極管D1。第一心音結(jié)束后，耦合電容C1輸入端A處電壓下降至小于三極管T1基射結(jié)導(dǎo)通的截止電壓，集電極電流迅速減小，發(fā)光二極管D1熄滅。如此，發(fā)光二極管D1隨心音周期性出現(xiàn)而閃爍，實(shí)現(xiàn)心跳指示功能。

3　電路仿真與測(cè)試

供電電源電壓、LED顏色、三極管材料和電阻參數(shù)對(duì)電路均有影響。下面對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行分析與測(cè)試。

電池V1可選用電壓為3.0 V的鈕扣電池、干電池、鎳氫電池或3.7 V的鋰電池。

本心跳閃爍電路的發(fā)光二極管D1選用高亮度發(fā)光二極管。不同顏色的發(fā)光二極管的額定電壓與電流如表1所示（針對(duì)5 MM直插式的高亮度發(fā)光二極管）。通常發(fā)光二極管參數(shù)表指明其額定工作電流范圍約為5 mA ~20 mA（見(jiàn)表1），但在該范圍下工作時(shí)，肉眼不容易看出其亮度的變化。本文應(yīng)用時(shí)，令其在0 mA~2 mA之間變化，此時(shí)閃爍效果較佳。

表1　不同顏色的二極管的額定電壓和電流值

三極管T1為硅材料的NPN型三極管，采用共射極接法。如圖4所示，由于偏置電阻R1和R2的大小決定三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)，且放大濾波后的音頻信號(hào)Vin的波動(dòng)范圍為±250 mV。為減少測(cè)試數(shù)據(jù)，固定R1為220 kΩ，對(duì)偏置電阻R2取不同的值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，如表2所示。

表2　R1=220 kΩ、R3=5 kΩ以及R4=1 kΩ時(shí)，R2取不同值的測(cè)量數(shù)據(jù)

分析表2數(shù)據(jù)可知：對(duì)于紅色（或者藍(lán)色）LED，當(dāng)Vbe大于0.5 V（即R2大于40 kΩ）時(shí)常亮，LED的閃滅頻率很高，對(duì)尖峰噪聲過(guò)于敏感；當(dāng)Vbe小于0.2 V（R2小于10 kΩ）時(shí)，LED的閃滅頻率較低，對(duì)心音信號(hào)波動(dòng)不敏感。

結(jié)合上述測(cè)試，選取合適的偏置電阻R1與R2的阻值，使三極管T1的基極與發(fā)射極之間的電壓約為0.3 V，此時(shí)三極管T1的靜態(tài)工作點(diǎn)落于截止區(qū)與放大區(qū)的臨界區(qū)域，而發(fā)光二極管D1不發(fā)光或發(fā)光亮度非常弱。

一種可行的參數(shù)選擇為：電池V1選用單顆紐扣電池提供3 V電壓；發(fā)光二極管D1選用高亮度紅色發(fā)光二極管；限流電阻R4阻值取1 kΩ；三極管T1型號(hào)選為S9013；偏置電阻R1和R2的阻值分別取為220 kΩ和20 kΩ；耦合電容C1取2.2 uF；電阻R3阻值取為5 kΩ，如圖5所示。

圖5　仿真測(cè)試參數(shù)圖

當(dāng)在耦合電容C1的A端輸入幅值為80 mV、頻率為75 Hz的正弦波時(shí)，本心跳閃爍指示電路A、B、C三處的電壓波形如圖6所示。

當(dāng)在耦合電容C1的A端輸入放大濾波后的音頻信號(hào)時(shí)，該心跳閃爍指示電路A、B兩處（A為信號(hào)輸入端、B為二極管正極）的電壓波形如圖7所示。由圖7可知，在第一心音S1和第二心音S2處，B端電壓出現(xiàn)明顯下降，即LED燈閃爍，同步指示心跳。

圖6　正弦信號(hào)仿真波形圖

圖7　心音信號(hào)測(cè)試波形圖

4　結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)常用的3種LED指示電路的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析對(duì)比，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)醫(yī)院專用電子聽(tīng)診器的特殊要求，基于模擬電路設(shè)計(jì)了一種低功耗、低成本的心跳閃爍指示功能。該電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。仿真和測(cè)試結(jié)果表明，該電路可實(shí)現(xiàn)心跳閃爍指示功能。

應(yīng)指出的是，因人眼的視覺(jué)暫留特性[6]，當(dāng)心跳過(guò)快時(shí)，閃爍效果不佳（為此，應(yīng)保證三極管能迅速開(kāi)、關(guān)），也難以區(qū)分第一和第二心音。后續(xù)研究將針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)。

[1] 田立東,周繼軍,秦會(huì)斌.PWM調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程,2012,29(4):465-468.

[2] 王鐳.基于C51系列單片機(jī)LED 驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)[D].成都:西安電子科技大學(xué),2013.

[3] 文華兵,陳常婷,劉頻.基于NE555方波脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2014,37(11):138-139.

[4] 郭占苗,宋雪松.呼吸燈的設(shè)計(jì)與制作[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2017(1):32-34.

[5] 郭軍濤,林森財(cái),田曉東,等.心音信號(hào)的檢測(cè)與處理[J].現(xiàn)代儀器,2008,14(2):36-38.

[6] 沈新創(chuàng),錢平.基于視覺(jué)暫留原理的旋轉(zhuǎn)式線陣LED顯示屏開(kāi)發(fā)[J].上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,7(2): 150-153.

A Heartbeat-Flashing Indicator Circuit Used for Electronic Stethoscopes

Jiang Feipeng1Mo Hongqiang1Tian Xiang2Tian Junzhang3Ma Xiaofen3Tan Zhijun1

(1.School of Automation Science and Engineering, South China University of Technology 2.School of Electronics and Information Engineering, South China University of Technology 3.Guangdong Second Provincial People’s Hospital)

A heartbeat-flashing indicator circuit is designed to improve the experience for the users of electronic stethoscopes. The merits and demerits of several existing instruction modes, including long-light, breathing-light, and flashing-light modes, are compared, and the special requirements of the auscultation platform of a network hospital are taken into consideration. The heartbeat-flashing indicator is then realized with an LED analog circuit, which meets the requirements of low cost, small volume, and low-power consumption with a simple circuit structure and a few components.

Electronic Stethoscope; Heartbeat-Flashing Indicator; Network Hospital; Analog Circuit

蔣飛朋，男，1992年生，碩士研究生，主要研究方向：智能醫(yī)療器械開(kāi)發(fā)。E-mail: 120777401@qq.com

莫鴻強(qiáng)，男，1976年生，教授，主要研究方向：生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理及儀器開(kāi)發(fā)。E-mail: hqiangmo@scut.edu.cn

田翔，男，1974年生，副教授，主要研究方向：生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理及儀器開(kāi)發(fā)。E-mail: xtian@scut.edu.cn

田軍章（通信作者），男，1966年生，主任醫(yī)師，廣東省第二人民醫(yī)院院長(zhǎng)，主要研究方向：應(yīng)急醫(yī)學(xué)管理平臺(tái)建設(shè)、智慧醫(yī)療體系示范建設(shè)、智能化影像診斷平臺(tái)建設(shè)。E-mail: jz.tian@163.com

馬曉芬，女，1980年生，主治醫(yī)師，主要研究方向：神經(jīng)影像及功能磁共振成像。E-mail: xiaofenma12@163.com

談志軍，男，1991年生，碩士研究生，主要研究方向：智能醫(yī)療器械開(kāi)發(fā)。E-mail: 631514576@qq.com

廣東省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2017B020210002）