基于ARM的胎兒心電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1 引 言

胎兒心電(FetalElectrocardiogram，F(xiàn)ECG)是反映胎兒心臟電生理活動(dòng)的一項(xiàng)客觀指標(biāo)，反映了胎兒在孕期中的生長(zhǎng)和健康狀況。對(duì)圍產(chǎn)期的胎兒心電提取及分析可以確定胎兒心率、胎兒心臟功能參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)胎兒宮內(nèi)缺氧等妊娠期或分娩期的病理情況，以便盡早采取措施，保證胎兒健康.但是，由于測(cè)量得到的原始信號(hào)成分非常復(fù)雜，干擾嚴(yán)重，胎兒心電信號(hào)被淹沒在強(qiáng)背景噪聲中(尤其是母體心電干擾)，從而使其對(duì)胎兒心電的提取造成很大困難。因此，研究如何準(zhǔn)確、有效地從孕婦腹壁電極中提取胎兒心電信號(hào)的方法具有重要的理論價(jià)值和臨床應(yīng)用價(jià)值。

胎兒受孕期生理現(xiàn)象及生物電信號(hào)的特殊影響,母體腹部記錄的胎兒心電信號(hào)相當(dāng)微弱,幾乎被淹沒在強(qiáng)烈的噪聲中,胎兒心電與母親心電（MECG)在時(shí)域和頻域上重疊,且具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和非平穩(wěn)性,用何種方法來消除干擾,提取胎心電波形，獲得無損的胎兒心電信號(hào)是問題的關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用基于ARM核的32位低功耗微處理器S3C44B0X作為核心，配合電極，高放大倍數(shù)放大器和高共模抑制比的放大電路，獲取實(shí)時(shí)母嬰心電信號(hào)；在嵌入式操作系統(tǒng)uC/OS-Ⅱ下，對(duì)從母體上得到的混雜信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)胎兒心電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集分離與顯示，從而獲得單一的、噪聲干擾小的胎兒心電信號(hào)。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理

基于S3C44B0X為核心的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理如下：首先通過醫(yī)用Ag-AgCl電極分別獲取母體胸部和腹部混合心電信號(hào)，信號(hào)調(diào)理電路對(duì)生物電信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，然后A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)而通過32位微處理器對(duì)采集過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法分離，實(shí)時(shí)顯示胎兒PQRS波形并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS) µ;C/OS-Ⅱ協(xié)調(diào)各功能模塊工作，使系統(tǒng)具有很高的實(shí)時(shí)性和可靠性。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)調(diào)理

信號(hào)調(diào)理主要包括導(dǎo)聯(lián)部分，前置放大電路，基線漂移穩(wěn)定電路，帶通濾波、陷波電路及后級(jí)放大電路，隔離電路，框圖如圖2所示。

由于胎兒心電信號(hào)十分微弱,一般幾十微伏到幾百微伏之間，而且在檢測(cè)生物電信號(hào)的同時(shí)存在著強(qiáng)大的干擾,這對(duì)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)提出了很高的要求
。本方案設(shè)計(jì)采用共有7個(gè)的電極：兩個(gè)母體胸部導(dǎo)聯(lián)電極，作為分離出胎兒心電的參考電極；兩個(gè)腹部母胎混合導(dǎo)聯(lián)電極，用來采集母親和胎兒混合心電信號(hào)；一個(gè)公共端電極，作為胸部和腹部導(dǎo)聯(lián)電極的公共端；其余兩個(gè)接地電極，作為接地端。干擾源主要有以50Hz的工頻干擾以及導(dǎo)聯(lián)線與皮膚接觸形成的極化電壓。工頻干擾主要以共模形式存在,幅值可達(dá)幾伏甚至幾十伏,抑制這種干擾的目的主要是提高整個(gè)電路的共模抑制比；極化電壓是由于測(cè)量電極與生物體之間構(gòu)成化學(xué)半電池而產(chǎn)生的直流電壓,最大可達(dá)300mV。本系統(tǒng)采用AD公司儀表放大器AD620作為系統(tǒng)的前置放大器，輸人阻抗高、失調(diào)溫漂小、共模抑制比高、輸入噪聲小。AD620放大倍數(shù)G由單一電阻Rg決定，增益公式G=1+（49.4 kΩ/Rg)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，前置放大倍數(shù)一般在6~10倍，防止前置放大電路出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。利用集成運(yùn)算放大器OP90輸出反饋到AD620引腳5，防止基線漂移。由于胎兒心電信號(hào)主要集中在0.05~100Hz頻段，在前置放大電路之前設(shè)計(jì)一個(gè)限幅電路和無源低通濾波器，前者防止肌電脈沖對(duì)前置放大電路破壞，后者有效去除各種高頻干擾。然而50 Hz工頻干擾和35Hz肌電干擾仍存在于頻帶之內(nèi)，通常采用專用陷波電路進(jìn)行處理，但由于模擬器件本身的特性不可能實(shí)現(xiàn)理想的狀態(tài)，加上胎兒心電信號(hào)微弱，可能濾掉部分有用信號(hào)，為此本系統(tǒng)采用軟件濾波的方法。后級(jí)放大電路主要用集成運(yùn)算放大器OP90，可以設(shè)置增益量程。隔離電路主要為防止人體安全，實(shí)現(xiàn)與電氣設(shè)備的隔離，與此同時(shí)，為了避免通道間由于共同接地而形成閉合環(huán)流，在各通道進(jìn)入A/D之前需要進(jìn)行隔離，考慮到噪聲的關(guān)系，將隔離電路放在放大器后，對(duì)放大后的大信號(hào)進(jìn)行隔離，可以大大減少隔離放大器引入的噪聲。該部分電路核心為1片開關(guān)電容耦合式隔離放大器ISO124，其隔離電阻高達(dá) Ω以上，隔離電容僅有幾個(gè)pF，非線性度小于0.01%，這也是其他方法，如光電隔離所無可比擬的。采用DC-DC模塊使其前后級(jí)間電源獨(dú)立供電，并特別采用π型濾波以減弱DC-DC的紋波干擾。因?yàn)殚_關(guān)電容工作機(jī)理的關(guān)系，開關(guān)電容式隔離放大器都會(huì)在輸出端疊加有內(nèi)部開關(guān)時(shí)鐘頻率的紋波干擾。為了減少這一干擾，在隔離放大器之后加入一級(jí)二階低通有源濾波器，用以濾除開關(guān)頻率500 kHz的干擾。具體電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。