基于ARM的胎兒心電信號數(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和健康狀況。對圍產(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，由于測量得到的原始信號成分非常復(fù)雜，干擾嚴(yán)重，胎兒心電信號被淹沒在強(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)象及生物電信號的特殊影響,母體腹部記錄的胎兒心電信號相當(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；在嵌入式操作系統(tǒng)uC/OS-Ⅱ下，對從母體上得到的混雜信號進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)胎兒心電信號的數(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。
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，信號調(diào)理電路對生物電信號進(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 信號調(diào)理

信號調(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、陷波電路及后級放大電路，隔離電路，框圖如圖2所示。

由于胎兒心電信號十分微弱,一般幾十微伏到幾百微伏之間，而且在檢測生物電信號的同時(shí)存在著強(qiáng)大的干擾,這對調(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；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)，加上胎兒心電信號微弱，可能濾掉部分有用信號，為此本系統(tǒng)采用軟件濾波的方法。后級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，對放大后的大信號進(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。