新型多通道體表子宮肌電(EHG)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　引言

　　本世紀(jì)初，Veit用Einthoven 氏電流計(jì)首次從體表記錄了人的妊娠子宮的電活動(dòng)。1950 年，Steer 和Hertsch 將這一信號(hào)定義為體表子宮電信號(hào)(eletrohyst rogram, EHG)[1]。自此之后，人們開(kāi)始了對(duì)體表子宮電信號(hào)的深入研究。開(kāi)始的研究興趣集中在體表子宮電信號(hào)是否具有意義，以及時(shí)域、頻域的特點(diǎn)上。直至1993 年，法國(guó)Compiegne 大學(xué)研究組發(fā)表綜述文章，認(rèn)為EHG信號(hào)能夠反映肌肉纖維興奮的原始過(guò)程，提供有關(guān)子宮肌肉活動(dòng)的輔助信息，是妊娠和分娩監(jiān)護(hù)的有效手段[2]。從此，轉(zhuǎn)入了對(duì)體表子宮電信號(hào)的應(yīng)用研究，研究人員從不同的角度嘗試將其應(yīng)用于臨床， 提出了早產(chǎn)檢測(cè)、宮縮次數(shù)檢測(cè)等多種設(shè)想。

　　在過(guò)去的幾十年中，許多研究人員在體表子宮電信號(hào)的研究方面所作的大量的工作，以及取得的很多極有價(jià)值的研究成果。然而總的來(lái)說(shuō)，對(duì)EHG信號(hào)的過(guò)去50年的研究還主要集中在實(shí)驗(yàn)研究、定性研究階段，研究的目的在很大程度上是驗(yàn)證體表子宮電信號(hào)是否是子宮收縮的真實(shí)反映。此前我們?cè)兄屏艘惶锥鄬?dǎo)同步的體表子宮電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能以較高的采樣率， 完成16 導(dǎo)聯(lián)體表子宮電數(shù)據(jù)的同步采集，同時(shí)可以用Windows下的應(yīng)用程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)或事后分析、處理和顯示，為此領(lǐng)域的研究作出了貢獻(xiàn)[3]。但近些年電子技術(shù)通信技術(shù)取得飛速發(fā)展，一大批高性能的新型器件應(yīng)運(yùn)而生，新興的USB等通信技術(shù)逐漸占據(jù)走上電子產(chǎn)品的舞臺(tái)。因此我們?cè)谏钊胙芯?、廣泛借鑒國(guó)內(nèi)外電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)原有系統(tǒng)作了重大改進(jìn)。主要體現(xiàn)為以下幾方面：(1)以性高價(jià)廉AduC847取代原有的8051單片機(jī)，充分改善智能系統(tǒng)整體的性能。(2)以新型的生物前置放大器代替原有的雙運(yùn)放放大器，使效果更佳。(3)精選AD7674、多路模擬開(kāi)關(guān)ADG726、存儲(chǔ)器ARM628128等新型的優(yōu)良器件，使系統(tǒng)得到全面的升級(jí)。(4)將流行的USB通信技術(shù)融入系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，為系統(tǒng)擴(kuò)展提供了支持。(5)結(jié)合VC技術(shù)的新發(fā)展將用戶界面改進(jìn)得更加生動(dòng)直觀。

　　EHG信號(hào)的特點(diǎn)

　　子宮平滑肌的興奮和收縮是EHG信號(hào)的表現(xiàn)和結(jié)果。在子宮收縮時(shí)，EHG信號(hào)表現(xiàn)為峰電活動(dòng)較頻繁的爆發(fā)波。爆發(fā)波的幅值隨被試個(gè)體以及實(shí)驗(yàn)條件的不同差異較大，變化范圍由100μv 到1.8mv。子宮電信號(hào)的頻率較低，其主要頻率成分集中在0～5Hz，且物種差異不大。隨著產(chǎn)程的進(jìn)展，子宮電爆發(fā)波表現(xiàn)為幅值升高，頻率加快，每次爆發(fā)波的持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)[6]。子宮電信號(hào)的主要頻率成分可以分為F1 和F2 兩部分(如圖1 所示)[2]。F1 代表了爆發(fā)波出現(xiàn)的頻率。在產(chǎn)婦分娩時(shí)，爆發(fā)波出現(xiàn)的最高頻率是每10min3 次( F1max = 0.005Hz)。F2 又可以清楚地分為兩個(gè)頻率段:其一是頻率為0.014～0.033Hz 的慢波，一般文獻(xiàn)認(rèn)為F1 和慢波所在頻率段已經(jīng)與機(jī)械偽跡混疊，不具有臨床意義。其二是頻率為0.1～3Hz 的快波，能夠真實(shí)地代表子宮肌肉活動(dòng)，無(wú)論在妊娠還是在分娩時(shí)都可以觀測(cè)到，是我們所希望不失真采集到的頻譜成分。

　　系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示，檢測(cè)原理是16導(dǎo)聯(lián)EHG信號(hào)經(jīng)電極耦合進(jìn)入16導(dǎo)聯(lián)前置放大器后，再經(jīng)放大器放大，濾波網(wǎng)絡(luò)濾波后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器。單片機(jī)AduC847以200Hz的采樣率在定時(shí)中斷內(nèi)讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出，送入RAM中暫存，在定時(shí)中斷外與筆記本電腦進(jìn)行通訊，將RAM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不斷經(jīng)串口送入筆記本電腦。筆記本電腦中的應(yīng)用程序由串口接收單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。

　　該系統(tǒng)能以200Hz的采樣率，完成16導(dǎo)聯(lián)體表子宮電數(shù)據(jù)的同步采集[9]。采集得到的數(shù)據(jù)以文件的形式存儲(chǔ)在筆記本電腦的硬盤(pán)中，可以用Windows下的應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)或事后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和顯示。在多導(dǎo)生理電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面，該系統(tǒng)采用了新型多通道生物電前置放大器。該放大器不但具備了傳統(tǒng)的“三運(yùn)放”的優(yōu)點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省器件。在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上，該系統(tǒng)采用了以單片機(jī)AduC847為核心的智能板卡，由單片機(jī)板上RAM的“蓄水池”的作用解決了Windows下應(yīng)用程序響應(yīng)消息不及時(shí)的問(wèn)題。同時(shí)簡(jiǎn)化了筆記本電腦上的應(yīng)用程序，使其有較充沛的資源完成后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作[4]。

　　系統(tǒng)配有通用串口與USB接口。使用串口在線下載調(diào)試程序，將已調(diào)試好的程序下載到ADuC847。當(dāng)采樣率較低時(shí)，采用串口通訊與筆記本電腦間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)需要較高采樣率時(shí)，可以使用USB接口與筆記本電腦通訊，提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過(guò)率，為系統(tǒng)擴(kuò)展提供支持。

　　模擬部分設(shè)計(jì)

　　·前置放大器模塊

　　本文采用了一種新型的生理電信號(hào)前置放大器[7][8]。記錄方式為雙極輸入。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以在抑制直流干擾的情況下，無(wú)需刻意匹配便可以提供極高的共模抑制比。該電路由四部分構(gòu)成：高通網(wǎng)絡(luò)，并聯(lián)型雙運(yùn)放放大器，帶有積分反饋電路的高通差分放大器和共模信號(hào)取樣驅(qū)動(dòng)電路，電路如圖3所示。這個(gè)放大電路有兩個(gè)不同于以往其它生物前置放大器的特點(diǎn)。其一是，高通網(wǎng)絡(luò)放在了放大電路的前端；其二是，放大電路的放大倍數(shù)都做在前級(jí)放大即并聯(lián)型雙運(yùn)放放大器上。

　　在以前的生物電前置放大器設(shè)計(jì)中，有人試圖在前置放大器的輸入端加上隔直電容來(lái)避免極化電壓使高增益的前置放大器進(jìn)入飽和狀態(tài)，但由于信號(hào)源的內(nèi)阻高，且兩輸入端不平衡，隔直電容使等共模干擾轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅８蓴_，結(jié)果適得其反，嚴(yán)重地?fù)p害了放大器的性能。但是在這個(gè)放大器設(shè)計(jì)中信號(hào)輸入的高通網(wǎng)絡(luò)是不接地的，如果輸入一個(gè)共模電壓，在網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有電流流過(guò)(沒(méi)有共模電流的通路)，高通網(wǎng)絡(luò)中各點(diǎn)電位相等，不會(huì)變共模信號(hào)為差模信號(hào)，可以達(dá)到很高的共模抑制比。此外，由于生物體信號(hào)源的內(nèi)阻一般較高，因此我們使用時(shí)盡可能選取大阻值的R1 、R2 ，可以比較好的滿足電路需要。

　　·濾波網(wǎng)絡(luò)模塊

　　為了更好的濾除高頻干擾，我們?cè)O(shè)計(jì)出有源三階低通濾波器抑制噪聲。濾波網(wǎng)絡(luò)的截止頻率為25Hz。

　　·多路模擬開(kāi)關(guān)模塊

　　本系統(tǒng)通過(guò)軟件控制CMOS多路模擬開(kāi)關(guān)ADG726來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的切換，ADG726由地址譯碼器和多路雙向模擬開(kāi)關(guān)組成，通過(guò)外部地址輸入，經(jīng)內(nèi)部經(jīng)內(nèi)部地址譯碼器譯碼后，接通與地址碼相對(duì)應(yīng)的一個(gè)開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)兩組從16線到1線或者一組差分16線到1線的傳送，

　　·模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

　　在系統(tǒng)中，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波，進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器。因?yàn)閷m縮檢測(cè)系統(tǒng)是多導(dǎo)聯(lián)采集，因此需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有較高的采樣速度。我們選用了AD7674，它是一款速度極快，低功耗，單電源供電，分辨率可達(dá)18位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，采用逐次逼近型結(jié)構(gòu)。為了給用戶更好的選擇和平衡，AD7674有三種工作模式供選擇：WARP模式、通用模式和脈沖模式。在WARP模式，數(shù)據(jù)的輸出速率可高達(dá)800kSPS；在通用模式，具有很好的同步性能；而在低功耗模式，可獲得極低的功耗。18位AD7674分辨率可以達(dá)到，滿足了檢測(cè)EHG信號(hào)的要求。

　　數(shù)字部分設(shè)計(jì)

　　·新型的數(shù)據(jù)采集芯片ADuC847

　　ADuC847是ADI公司新推出的高性能處理芯片，該芯片提供62K字節(jié)閃速/電擦除程序存儲(chǔ)器，4K字節(jié)片上閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和2304字節(jié)數(shù)據(jù) RAM。

　　ADuC847通過(guò)一個(gè)片內(nèi)鎖相環(huán)PLL 產(chǎn)生一個(gè)12.58 MHz高頻時(shí)鐘，使之運(yùn)行于32 KHz 外部晶振。此時(shí)鐘通過(guò)一個(gè)從MCU 核心時(shí)鐘工作頻率分離的可編程時(shí)鐘發(fā)送。片內(nèi)微控制器是一個(gè)優(yōu)化的單指令周期8052 閃存MCU，在保持與8051指令系統(tǒng)兼容的同時(shí)，具有12.58MIPS的性能。本文設(shè)計(jì)的宮縮檢測(cè)儀功能的實(shí)現(xiàn)得益于高性能的AduC847。圖4中可見(jiàn)它與電路中其他主要部分的連接方式。

　　·數(shù)字外圍電路的設(shè)計(jì)

　　* 片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器628128

　　ADuC847包含一個(gè)2k字節(jié)的片上外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。但由于需要采集量較大我們選用了CMOS芯片628128作為本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。628128是128K×8位的CMOS靜態(tài)RAM，其讀寫(xiě)時(shí)間為85ns，可以與ADuC847相匹配。功耗很低，靜態(tài)時(shí)為10mW，工作時(shí)為70mW，工作電壓為單一+5V，三態(tài)輸出。

　　由于我們采用的是18位的A/D，每個(gè)數(shù)據(jù)占三個(gè)字節(jié)；16通道，200Hz采樣率。因此，RAM中能夠同時(shí)存放128000/3/16/200=13.3(秒)的數(shù)據(jù)，可以滿足數(shù)據(jù)緩存的要求。

　　* 串口在線下載調(diào)試

　　與以往的80C51單片機(jī)不同，ADuC847具有在線調(diào)試和下載功能，它由支持ADuC8xx的開(kāi)發(fā)工具包QuickStart開(kāi)發(fā)系統(tǒng)來(lái)提供。也就是說(shuō)，在用戶系統(tǒng)保留ADuC847的情況下，通過(guò)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)與ADuC847的串行接口通信，直接對(duì)用戶系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，并在調(diào)試完成后將已調(diào)試好的程序下載到ADuC847中。

　　* 電源

　　本系統(tǒng)采用蓄電池供電，其供應(yīng)電壓為6V，需要經(jīng)過(guò)MAX603進(jìn)行穩(wěn)壓操作，把整個(gè)采集系統(tǒng)的供電電壓穩(wěn)定在5V。

　　* USB接口

　　CH375是一個(gè)USB總線的通用接口芯片，支持HOST主機(jī)方式和SLAVE設(shè)備方式。在本地端，CH375具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫(xiě)、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機(jī)/DSP/MCU等控制器的系統(tǒng)總線上。在USB主機(jī)方式下，CH375還提供了串行通訊方式，通過(guò)串行輸入、串行輸出和中斷輸出與單片機(jī)/DSP/MCU 等相連接。從圖4可以看出它與單片機(jī)的連接方式。

　　系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件可以分為兩部分——數(shù)據(jù)采集卡上單片機(jī)程序和筆記本電腦上應(yīng)用程序。單片機(jī)程序又可分為主程序和定時(shí)中斷服務(wù)程序兩部分。程序流程如圖5所示。單片機(jī)定時(shí)中斷服務(wù)程序主要用于完成數(shù)據(jù)的采集，即將模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出寫(xiě)入外部RAM循環(huán)隊(duì)列的隊(duì)尾，如圖5(a)所示。單片機(jī)主程序則主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，即將RAM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)從隊(duì)頭取出，通過(guò)串口通訊傳輸給筆記本電腦，如圖5(b)所示。筆記本電腦上的應(yīng)用程序采用的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境是Visual C++ 6.0，程序主要完成了筆記本電腦與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)間的通訊，并將傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)在硬盤(pán)中，同時(shí)提供波形顯示工具將這些數(shù)據(jù)分為16個(gè)導(dǎo)聯(lián)顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，如圖5(c)所示。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文介紹了一種新型的體表子宮電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了其硬件及軟件部分的設(shè)計(jì)方法，對(duì)各個(gè)組成部分作了具體講述，并給出了硬件系統(tǒng)主要的接口電路圖及軟件流程圖。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，高效可靠，已應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)并取得可喜的效果。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1.  Casteels R, Kuriyama H. Membrane potential and ionic content in pregnant and nonpregnant rat myometrium [J]. J Physiol Lond, 1965,177:263~287

　　2.  Dominique D , Catherine M , Souheil M , et al. Uterine electromyography : A critical review[J ] . Am J Obstet Gynecol ,1993 ,169 (6) :1636~1653

　　3.  李剛， 姜葦， 虞啟璉等．體表子宮電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制及其應(yīng)用[J]．中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2001，21(4)：331~336

　　4.  R.E.Garfield，PhD，H.Maul，MD，W.Ma ner，BS，C.Fittkow，MD，G.Olson，MD，L.Shi，MMS，and G.R.Saade，MD，Uterine Electromyography and Light-Induced Fluorescence in the Management of Term and Preterm Labor[J]，Soc Gynecol Investing 2002,9(5)

　　5.  William L.Maner，Robert E.Garfield，PhD，Holger Maul，MD，Gayle Olson，MD，and George Saade，MD，Predicting Term and Preterm Delivery With Transabdominal Uterine Electromyography[J]，The American College of Obstricans and Gynecologists，2003 June，101(6)

　　6.  Bengtsson B， Chow EMH， Marshall JM. Activity of circular muscle of rat uterus at different times in pregnancy [J]. Am J Physiol, 1984,246:216~223

　　7.  EnrigueM.Spinelli,Meguel Angel Mayosky AC coupled three op-amp biopotential amplifier with active DC suppression[J].IEEE Trans Biomed Eng,2000,47(12) :1616-1619

　　8.  A.C.Metting VanRijn, A.Peper, C.A.Grimbergen.Amplifiers for bioelectric events: a design with aninimal number of parts [J]. Med Biol Eng Comput 1994,32(3):305-310

　　9.  呂英俊，楊雪．微弱生理信號(hào)在多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的研究與實(shí)現(xiàn)[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2005，21(07S)：110~112