無(wú)創(chuàng )胎心檢測傳感器系統工作原理

一、概述

檢測胎兒心率是一項技術(shù)性很強的工作，由于胎兒心率很快，在每分鐘l20～160次之間，用傳統的聽(tīng)診器甚至只有放大作用的超聲多普勒儀，用人工計數很難測量準確。而具有數字顯示功能的超聲多普勒胎心監護儀，價(jià)格昂貴，僅為少數大醫院使用，在中、小型醫院及廣大的農村地區無(wú)法普及。此外，超聲振動(dòng)波作用于胎兒，會(huì )對胎兒產(chǎn)生很大的不利作用 盡管檢測劑量很低，也屬于有損探測范疇，不適于經(jīng)常性、重復性的檢查及家庭使用。

本項目基于VTI公司的SCA600C13H1G型MEMS加速度傳感器，提出一種無(wú)創(chuàng )胎心檢測方法，研制出一種簡(jiǎn)單易學(xué)、直觀(guān)準確的介于胎心聽(tīng)診器和多普勒胎兒監護儀之間的臨床診斷和孕婦自檢的醫療輔助儀器。

二、 SCA600C13H1G

SCA600C13H1G硅電容式加速度傳感器是由單晶硅和玻璃制成。這種設計能夠保證，隨著(zhù)時(shí)問(wèn)和溫度的變化，產(chǎn)品具有很好的可靠性、準確性和穩定性。它的電容檢測原理簡(jiǎn)單而且可靠，是基于兩個(gè)平行板間距的變化來(lái)測量的。一對平行板間的電容和電荷存儲量取決于平行板間的間距和板面積。 產(chǎn)品的密封結構降低了封裝要求。微?；蚧瘜W(xué)物質(zhì)不能進(jìn)入傳感器內，從而保證了產(chǎn)品的可靠性。 產(chǎn)品的雙電容器結構和對稱(chēng)性設計改善了產(chǎn)品的零點(diǎn)穩定性、線(xiàn)性度和橫向靈敏度。通常，溫度系數小于0.05FS/~C，橫向靈敏度小于3%。這種新型傳感器有如下特點(diǎn);緊湊的結構，低功耗，可靠性好，性能優(yōu)異。

VTI的加速度傳感器是基于已經(jīng)得到證明的3D-MEMS技術(shù)制作的。三維微電子機械系統(3D-MEMS )，是各種技術(shù)的創(chuàng )新性組合，可以將硅加工成三維結構，其封裝和觸點(diǎn)便于安裝和裝配，用這種技術(shù)制作的傳感器具有極好的精度、極小的尺寸和極低的功耗。一個(gè)高級的傳感器僅由一小片硅就能制作出來(lái)，并能測量三個(gè)互相垂直方向的加速度。

三、系統工作原理與組成

本傳感器系統的工作原理如圖1所示通過(guò)加速度傳感器將胎兒心率轉換成模擬電壓信號，經(jīng)前置放大用的儀器放大器實(shí)現差值放大。然后進(jìn)行濾波等一系列中間信號處理，用A/D轉換器將模擬電壓信號轉換成數字信號。通過(guò)光隔離器件輸入到8051單片機進(jìn)行分析處理，最后輸出處理結果

1、前置放大電路

前置放大器主要考慮噪聲、輸入阻抗和共模抑制比這三項的影響。

2、信號處理電路

母體中胎兒心率信號是屬于強噪聲干擾下的低頻微弱信號，由于其非常微弱，只有微伏級，同時(shí)干擾又很大，因此有效信號往往會(huì )被淹沒(méi)。干擾信號一般包括高頻的電磁干擾、50Hz工頻干擾以及母體中的其它干擾源等。工頻干擾主要以共模信號的形式存在，通常幅值可達幾伏。母體中的干擾信號和胎兒心率信號的頻率也不相重疊。能夠根據胎兒心率信號主要集中在7OHz～l10Hz范圍之內的特點(diǎn)，設計了一款針對性強、性能優(yōu)越、穩定可靠的胎兒心率信號處理電路，如圖2所示。

中間信號處理電路分為帶通選頻電路、二級放大電路、50Hz陷波器和增益調節電路四部分。帶通選頻電路用狀態(tài)變量濾波器作為帶通濾波器，通帶的最大范圍設定為50Hz;--140Hz如圖3所示。這種濾波器有三個(gè)好處：適當選擇元件數值?？墒蛊焚|(zhì)因數Q和中心頻率無(wú)關(guān); 和Q對元件參數很不靈敏;Q只可以很高(可和高Q值有源帶通濾波器相媲美)。

二級放大電路在結構上和增益調節電路類(lèi)似。都是由運放接成電壓負反饋的形式。前者進(jìn)行信號的放大，而后者控制整體電路的增益，最大可達120dB。其結構示意圖如圖4所示。運用電壓串聯(lián)負反饋結構。其優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單，具有如下不可替代的優(yōu)越的性能：

二級放大及增益調節電路

(1)輸入等效阻抗， j=(1 ，輸出等效阻抗小，Ro=Rod(I+AF)，其中， fd運放的輸入阻抗， 為輸出阻抗。不僅完成了信號的放大作用，而且還起到了緩沖器的作用。有效地隔離了前后級的模塊，不用額外增加阻抗變換器和匹配模塊;

(2)電容C53的使用使整個(gè)模塊具有了低通的功能，不僅可以去除信號中的高頻干擾，還由于其超前補償作用，對有效信號中的高頻部分進(jìn)行了相位補償。通過(guò)合理的設計，電路頻率段的相位將變化平緩。

圖5所示為50Hz工頻陷波器采用典型的有源雙T陷

3、A/D轉換和光電耦合電路

傳感器出來(lái)的信號是模擬電壓信號。需要經(jīng)過(guò)A/D 轉換變成數字信號，才能送到805l單片進(jìn)行處理 為了保證安全以及防止模擬和數字電路之間的干擾，光電隔離電路也是一個(gè)必不可少的模塊。如圖6所示。

4、MCU信號處理

MCU對信號的處理主要是對從A/D 轉換器傳來(lái)的數據進(jìn)行數據分析和計算胎兒心率值。設計一個(gè)基于小波變換的自適應濾波器，能夠更好的對信號進(jìn)行處理，從中提取我們需要的信號。

MCU采用atmel公司的AT89C205l，與液晶顯示器的連接電路如圖7所示。

該單片機是采用高性能的靜態(tài)80C51設計。由先進(jìn)CMOS工藝制造并帶有非易失性Flash程序存儲器。全部支持l2時(shí)鐘和6時(shí)鐘操作。AT89e205包含128字節RAM、16條I/O口線(xiàn)、2個(gè)16位定時(shí)/計數器、5輸入2優(yōu)先級嵌套中斷結構、1個(gè)串行I/O 口可用于多機通信I/O擴展或全雙工UART以及片內振蕩器和時(shí)鐘電路。此外，由于器件采用了靜態(tài)設計，可提供很寬的操作頻率范圍(頻率可降至0)?？蓪?shí)現兩個(gè)由軟件選擇的節電模式—— 空閑模式和掉電模式?？臻e模式凍結CPU，但RAM、定時(shí)器、串口和中斷系統仍然工作。掉電模式保存RAM 的內容，但是凍結振蕩器，導致所有其它的片內功能停止工作。由于設計是靜態(tài)的，時(shí)鐘可停止而不會(huì )丟失用戶(hù)數據。運行可從時(shí)鐘停止處恢復。

5、顯示電路

設計使用的是YLF12232F液晶顯示器。YLF12232F是一種內置8192個(gè)1616點(diǎn)漢字庫和128個(gè)16*8點(diǎn)ASCII字符集圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，它主要由行驅動(dòng)器/列驅動(dòng)器及128×32全點(diǎn)陣液晶顯示器組成?？赏瓿蓤D形顯示，也可以顯示7.5×2個(gè)(16×16點(diǎn)陣)漢字與外部CPU接口采用串行方式控制的一款胎心監護儀器。

四、結束語(yǔ)

基于MEMS加速度傳感器設計的胎兒心率檢測儀在適當改進(jìn)后能夠以此為終端，做一個(gè)遠程胎心監護系統。醫院端的中央信號采集分析監護主機給出自動(dòng)分析結果，醫生對該結果進(jìn)行診斷，如果有問(wèn)題及時(shí)通知孕婦到醫院來(lái)。該技術(shù)有利于孕婦隨時(shí)檢查胎兒的狀況，有利于胎兒和孕婦的健康。