基于A(yíng)RM的胎兒心電信號數據采集系統

1 引 言

胎兒心電(FetalElectrocardiogram，FECG)是反映胎兒心臟電生理活動(dòng)的一項客觀(guān)指標，反映了胎兒在孕期中的生長(cháng)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，及時(shí)發(fā)現胎兒宮內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雜，干擾嚴重，胎兒心電信號被淹沒(méi)在強背景噪聲中(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)值和臨床應用價(jià)值。

胎兒受孕期生理現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微弱,幾乎被淹沒(méi)在強烈的噪聲中,胎兒心電與母親心電（MECG)在時(shí)域和頻域上重疊,且具有較強的隨機性和非平穩性,用何種方法來(lái)消除干擾,提取胎心電波形，獲得無(wú)損的胎兒心電信號是問(wèn)題的關(guān)鍵。本系統采用基于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uC/OS-Ⅱ下，對從母體上得到的混雜信號進(jìn)行處理，實(shí)現胎兒心電信號的數據采集分離與顯示，從而獲得單一的、噪聲干擾小的胎兒心電信號。
2 系統設計及工作原理

基于S3C44B0X為核心的系統結構如圖1所示，其工作原理如下：首先通過(guò)醫用Ag-AgCl電極分別獲取母體胸部和腹部混合心電信號，信號調理電路對生物電信號進(jìn)行放大和濾波，然后A/D轉換，進(jìn)而通過(guò)32位微處理器對采集過(guò)來(lái)的數據進(jìn)行算法分離，實(shí)時(shí)顯示胎兒PQRS波形并存儲數據；嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(RTOS) µ;C/OS-Ⅱ協(xié)調各功能模塊工作，使系統具有很高的實(shí)時(shí)性和可靠性。結構如圖1所示。

3 硬件電路設計

3.1 信號調理

信號調理主要包括導聯(lián)部分，前置放大電路，基線(xiàn)漂移穩定電路，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(zhù)強大的干擾,這對調理電路的設計提出了很高的要求
。本方案設計采用共有7個(gè)的電極：兩個(gè)母體胸部導聯(lián)電極，作為分離出胎兒心電的參考電極；兩個(gè)腹部母胎混合導聯(lián)電極，用來(lái)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的工頻干擾以及導聯(lián)線(xiàn)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成化學(xué)半電池而產(chǎn)生的直流電壓,最大可達300mV。本系統采用AD公司儀表放大器AD620作為系統的前置放大器，輸人阻抗高、失調溫漂小、共模抑制比高、輸入噪聲小。AD620放大倍數G由單一電阻Rg決定，增益公式G=1+（49.4 kΩ/Rg)，根據工程經(jīng)驗，前置放大倍數一般在6~10倍，防止前置放大電路出現飽和現象。利用集成運算放大器OP90輸出反饋到AD620引腳5，防止基線(xiàn)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計一個(gè)限幅電路和無(wú)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，通常采用專(zhuān)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，為此本系統采用軟件濾波的方法。后級放大電路主要用集成運算放大器OP90，可以設置增益量程。隔離電路主要為防止人體安全，實(shí)現與電氣設備的隔離，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(kāi)關(guān)電容耦合式隔離放大器ISO124，其隔離電阻高達 Ω以上，隔離電容僅有幾個(gè)pF，非線(xiàn)性度小于0.01%，這也是其他方法，如光電隔離所無(wú)可比擬的。采用DC-DC模塊使其前后級間電源獨立供電，并特別采用π型濾波以減弱DC-DC的紋波干擾。因為開(kāi)關(guān)電容工作機理的關(guān)系，開(kāi)關(guān)電容式隔離放大器都會(huì )在輸出端疊加有內部開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率500 kHz的干擾。具體電路結構如圖3所示。