蒋飞朋 莫鸿强 田翔 田军章 马晓芬 谈志军



一种用于电子听诊器的心跳闪烁指示电路*

蒋飞朋1莫鸿强1田翔2田军章3马晓芬3谈志军1

（1.华南理工大学自动化科学与工程学院 2.华南理工大学电子与信息学院 3.广东省第二人民医院）

为改善电子听诊器的用户体验，将LED灯指示电路应用于电子听诊器。分析了长亮指示、呼吸灯指示和闪烁灯指示方式的优缺点，结合网络医院专用的电子听诊器，基于低功耗、低成本的模拟电路设计了一款心跳闪烁指示电路。测试结果表明：该电路的指示灯可随心跳闪烁，有效实现心跳指示功能。

电子听诊器；心跳指示灯；网络医院；模拟电路

0　引言

心音听诊是电子听诊器最主要的临床应用之一，其听诊要求以合适的力度将听诊器置于正确部位，以获取音质良好的心音信号。曲线波形可直观反映所拾取信号的质量，但需要增加显示屏和计算芯片。由于心脏跳动具有明显的节律，通过LED灯亮度变化亦可较好地指示电子听诊器的工作状态，间接反映听诊部位和力度是否正确。

通常，LED灯指示电路有3种实现方式：长亮指示、呼吸灯指示和闪烁灯指示。

长亮指示灯原理图如图1所示，通常由一个限流电阻R和一个LED构成，结构简单且易于实现。目前大多数电子听诊器采用这种指示方式，但其亮度不变，无法实现前述指示功能。

图1 长亮指示灯原理图

呼吸灯指示通过控制使指示灯的亮暗呈现出像呼吸一样有节奏的视觉效果，广泛用于数码产品的状态指示[1]。呼吸灯的设计方法主要有：1）单片机产生占空比可调的PWM脉冲作为LED驱动电路的控制信号，调节LED灯实现周期性明暗变化[2]，该方式呼吸指示效果较理想，但需要增加嵌入式控制芯片；2）使用NE555时基电路实现周期脉冲调节LED灯的周期性明暗变化[3]，该方式不易获得理想的效果；亦可使用LM358双运放来设计呼吸灯电路[4]，但该方式调试较困难。呼吸灯指示方式的缺点在于呼吸频率通常显著小于心率，不适宜直接用于指示心跳，且因需增加处理芯片而使听诊器尺寸增大。

闪烁灯指示能随心跳周期性出现而闪烁，则可提供良好的用户体验。相对于长亮指示灯而言，闪烁灯指示不但能降低功耗，而且闪烁发光比静态长亮更醒目，指示效果更佳。

对于网络医院专用的电子听诊器，因其定位于家庭和社区医院使用，成本受到限制。一种较为合理的方案为利用家庭已有手机或数字计算机的声卡，将电子听诊器从音频口接入远程听诊平台。如此，采用模拟电路即可进行音频信号的采集、放大和滤波，而省去控制芯片、数字编解码电路和蓝牙等通讯电路，从而极大地节省成本。在此情况下，不宜在电子听诊器本体增加额外的控制芯片实现心跳闪烁指示。因此，本文设计一款模拟电路来实现心跳闪烁指示功能。

1　心音信号的产生及其成分

心音是在心动周期中由心肌收缩舒张、瓣膜启闭、血流冲击心室壁和大动脉等因素引起机械振动，通过周围组织传到胸壁的振动信号[5]。如图2所示，正常心音信号含有4种成分：第一心音（S1）（位于收缩期，持续时间较长）、第二心音（S2）（位于舒张期，持续时间较短）、第三心音（S3）和第四心音（S4）。因S3和S4过弱，大多数情况下只能听到S1和S2，心跳指示可设计为随S1和S2出现而有节奏地闪烁。

图2　听诊器记录的正常心音

2　心跳闪烁指示电路硬件设计

电子听诊器的整体框图如图3所示，其中心音采集电路通过麦克风或者压电传感器将声压转换为电信号，经放大滤波电路处理后由音频口接入听诊平台。

图3　电子听诊器整体框图

本文心跳闪烁指示电路包括：供电电池V1、耦合电容C1、偏置电阻R1与R2、三极管T1、限流电阻R3和高亮度发光二极管D1，如图4所示。

其工作原理为：该电路的输入信号为电子听诊器放大滤波后的音频信号，该音频信号由耦合电容C1的A端输入心跳闪烁指示电路。

图4　心跳闪烁指示电路原理图

三极管T1采用共射极接法，设定偏置电阻R1与R2的阻值使三极管T1的基极与发射极之间的电压约为0.5 V，此时三极管T1的静态工作点落于截止区与放大区的临界区域，而发光二极管D1不发光或发光亮度非常弱。当电子听诊器检测到第一心音的波峰时，耦合电容C1输入端A处的电压将出现一定幅度的正向波动，导致三极管T1的基极与发射极之间的电压超过导通的阈值，基极和集电极电流迅速增大，点亮发光二极管D1。第一心音结束后，耦合电容C1输入端A处电压下降至小于三极管T1基射结导通的截止电压，集电极电流迅速减小，发光二极管D1熄灭。如此，发光二极管D1随心音周期性出现而闪烁，实现心跳指示功能。

3　电路仿真与测试

供电电源电压、LED颜色、三极管材料和电阻参数对电路均有影响。下面对各个因素进行分析与测试。

电池V1可选用电压为3.0 V的钮扣电池、干电池、镍氢电池或3.7 V的锂电池。

本心跳闪烁电路的发光二极管D1选用高亮度发光二极管。不同颜色的发光二极管的额定电压与电流如表1所示（针对5 MM直插式的高亮度发光二极管）。通常发光二极管参数表指明其额定工作电流范围约为5 mA ~20 mA（见表1），但在该范围下工作时，肉眼不容易看出其亮度的变化。本文应用时，令其在0 mA~2 mA之间变化，此时闪烁效果较佳。

表1　不同颜色的二极管的额定电压和电流值

三极管T1为硅材料的NPN型三极管，采用共射极接法。如图4所示，由于偏置电阻R1和R2的大小决定三极管的静态工作点，且放大滤波后的音频信号Vin的波动范围为±250 mV。为减少测试数据，固定R1为220 kΩ，对偏置电阻R2取不同的值进行实验测量，如表2所示。

表2　R1=220 kΩ、R3=5 kΩ以及R4=1 kΩ时，R2取不同值的测量数据

分析表2数据可知：对于红色（或者蓝色）LED，当Vbe大于0.5 V（即R2大于40 kΩ）时常亮，LED的闪灭频率很高，对尖峰噪声过于敏感；当Vbe小于0.2 V（R2小于10 kΩ）时，LED的闪灭频率较低，对心音信号波动不敏感。

结合上述测试，选取合适的偏置电阻R1与R2的阻值，使三极管T1的基极与发射极之间的电压约为0.3 V，此时三极管T1的静态工作点落于截止区与放大区的临界区域，而发光二极管D1不发光或发光亮度非常弱。

一种可行的参数选择为：电池V1选用单颗纽扣电池提供3 V电压；发光二极管D1选用高亮度红色发光二极管；限流电阻R4阻值取1 kΩ；三极管T1型号选为S9013；偏置电阻R1和R2的阻值分别取为220 kΩ和20 kΩ；耦合电容C1取2.2 uF；电阻R3阻值取为5 kΩ，如图5所示。

图5　仿真测试参数图

当在耦合电容C1的A端输入幅值为80 mV、频率为75 Hz的正弦波时，本心跳闪烁指示电路A、B、C三处的电压波形如图6所示。

当在耦合电容C1的A端输入放大滤波后的音频信号时，该心跳闪烁指示电路A、B两处（A为信号输入端、B为二极管正极）的电压波形如图7所示。由图7可知，在第一心音S1和第二心音S2处，B端电压出现明显下降，即LED灯闪烁，同步指示心跳。

图6　正弦信号仿真波形图

图7　心音信号测试波形图

4　结语

本文对常用的3种LED指示电路的优缺点进行了分析对比，结合网络医院专用电子听诊器的特殊要求，基于模拟电路设计了一种低功耗、低成本的心跳闪烁指示功能。该电路具有结构简单、体积小、成本低、功耗低等优点。仿真和测试结果表明，该电路可实现心跳闪烁指示功能。

应指出的是，因人眼的视觉暂留特性[6]，当心跳过快时，闪烁效果不佳（为此，应保证三极管能迅速开、关），也难以区分第一和第二心音。后续研究将针对该问题进行改进。

[1] 田立东,周继军,秦会斌.PWM调光LED驱动器设计[J].机电工程,2012,29(4):465-468.

[2] 王镭.基于C51系列单片机LED 驱动电源设计[D].成都:西安电子科技大学,2013.

[3] 文华兵,陈常婷,刘频.基于NE555方波脉冲发生器的设计及应用[J].现代电子技术,2014,37(11):138-139.

[4] 郭占苗,宋雪松.呼吸灯的设计与制作[J].自动化与仪器仪表,2017(1):32-34.

[5] 郭军涛,林森财,田晓东,等.心音信号的检测与处理[J].现代仪器,2008,14(2):36-38.

[6] 沈新创,钱平.基于视觉暂留原理的旋转式线阵LED显示屏开发[J].上海应用技术学院学报(自然科学版),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

蒋飞朋，男，1992年生，硕士研究生，主要研究方向：智能医疗器械开发。E-mail: 120777401@qq.com

莫鸿强，男，1976年生，教授，主要研究方向：生物医学信号处理及仪器开发。E-mail: hqiangmo@scut.edu.cn

田翔，男，1974年生，副教授，主要研究方向：生物医学信号处理及仪器开发。E-mail: xtian@scut.edu.cn

田军章（通信作者），男，1966年生，主任医师，广东省第二人民医院院长，主要研究方向：应急医学管理平台建设、智慧医疗体系示范建设、智能化影像诊断平台建设。E-mail: jz.tian@163.com

马晓芬，女，1980年生，主治医师，主要研究方向：神经影像及功能磁共振成像。E-mail: xiaofenma12@163.com

谈志军，男，1991年生，硕士研究生，主要研究方向：智能医疗器械开发。E-mail: 631514576@qq.com

广东省科技计划资助项目（2017B020210002）