多通道體表子宮肌電(EHG)數據采集系統

引言

本世紀初，Veit用Einthoven 氏電流計首次從體表記錄了人的妊娠子宮的電活動(dòng)。1950 年，Steer 和Hertsch 將這一信號定義為體表子宮電信號(eletrohyst rogram, EHG)[1]。自此之后，人們開(kāi)始了對體表子宮電信號的深入研究。開(kāi)始的研究興趣集中在體表子宮電信號是否具有意義，以及時(shí)域、頻域的特點(diǎn)上。直至1993 年，法國Compiegne 大學(xué)研究組發(fā)表綜述文章，認為EHG信號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，是妊娠和分娩監護的有效手段[2]。從此，轉入了對體表子宮電信號的應用研究，研究人員從不同的角度嘗試將其應用于臨床， 提出了早產(chǎn)檢測、宮縮次數檢測等多種設想。

在過(guò)去的幾十年中，許多研究人員在體表子宮電信號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EHG信號的過(guò)去50年的研究還主要集中在實(shí)驗研究、定性研究階段，研究的目的在很大程度上是驗證體表子宮電信號是否是子宮收縮的真實(shí)反映。此前我們曾研制了一套多導同步的體表子宮電數據采集系統，能以較高的采樣率，完成16 導聯(lián)體表子宮電數據的同步采集，同時(shí)可以用Windows下的應用程序對采集到的數據進(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[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運而生，新興的USB等通信技術(shù)逐漸占據走上電子產(chǎn)品的舞臺。因此我們在深入研究、廣泛借鑒國內外電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)經(jīng)驗的基礎上對原有系統作了重大改進(jìn)。主要體現為以下幾方面：(1)以性高價(jià)廉AduC847取代原有的8051單片機，充分改善智能系統整體的性能。(2)以新型的生物前置放大器代替原有的雙運放放大器，使效果更佳。(3)精選AD7674、多路模擬開(kāi)關(guān)ADG726、存儲器ARM628128等新型的優(yōu)良器件，使系統得到全面的升級。(4)將流行的USB通信技術(shù)融入系統，提高了系統的數據傳輸速率，為系統擴展提供了支持。(5)結合VC技術(shù)的新發(fā)展將用戶(hù)界面改進(jìn)得更加生動(dòng)直觀(guān)。

EHG信號的特點(diǎn)

子宮平滑肌的興奮和收縮是EHG信號的表現和結果。在子宮收縮時(shí)，EHG信號表現為峰電活動(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)驗條件的不同差異較大，變化范圍由100μv 到1.8mv。子宮電信號的頻率較低，其主要頻率成分集中在0～5Hz，且物種差異不大。隨著(zhù)產(chǎn)程的進(jìn)展，子宮電爆發(fā)波表現為幅值升高，頻率加快，每次爆發(fā)波的持續時(shí)間延長(cháng)[6]。子宮電信號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)波出現的頻率。在產(chǎn)婦分娩時(shí)，爆發(fā)波出現的最高頻率是每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，一般文獻認為F1 和慢波所在頻率段已經(jīng)與機械偽跡混疊，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(guān)測到，是我們所希望不失真采集到的頻譜成分。

系統硬件部分設計

系統硬件框圖如圖2所示，檢測原理是16導聯(lián)EHG信號經(jīng)電極耦合進(jìn)入16導聯(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)入模數轉換器。單片機AduC847以200Hz的采樣率在定時(shí)中斷內讀取模數轉換器的輸出，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中存儲的數據不斷經(jīng)串口送入筆記本電腦。筆記本電腦中的應用程序由串口接收單片機發(fā)送的數據，并對其進(jìn)行數據處理和顯示。

該系統能以200Hz的采樣率，完成16導聯(lián)體表子宮電數據的同步采集[9]。采集得到的數據以文件的形式存儲在筆記本電腦的硬盤(pán)中，可以用Windows下的應用程序實(shí)時(shí)或事后對數據進(jìn)行分析、處理和顯示。在多導生理電信號數據采集系統的設計方面，該系統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的“三運放”的優(yōu)點(diǎn)，而且結構簡(jiǎn)單，節省器件。在系統的結構上，該系統采用了以單片機AduC847為核心的智能板卡，由單片機板上RAM的“蓄水池”的作用解決了Windows下應用程序響應消息不及時(shí)的問(wèn)題。同時(shí)簡(jiǎn)化了筆記本電腦上的應用程序，使其有較充沛的資源完成后續數據處理工作[4]。

系統配有通用串口與USB接口。使用串口在線(xiàn)下載調試程序，將已調試好的程序下載到ADuC847。當采樣率較低時(shí)，采用串口通訊與筆記本電腦間進(jìn)行數據傳輸；當需要較高采樣率時(shí)，可以使用USB接口與筆記本電腦通訊，提高系統的數據通過(guò)率，為系統擴展提供支持。

模擬部分設計

前置放大器模塊

本文采用了一種新型的生理電信號前置放大器[7][8]。記錄方式為雙極輸入。電路結構簡(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。該電路由四部分構成：高通網(wǎng)絡(luò )，并聯(lián)型雙運放放大器，帶有積分反饋電路的高通差分放大器和共模信號取樣驅動(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都做在前級放大即并聯(lián)型雙運放放大器上。

在以前的生物電前置放大器設計中，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)，但由于信號源的內阻高，且兩輸入端不平衡，隔直電容使等共模干擾轉變?yōu)椴钅８蓴_，結果適得其反，嚴重地損害了放大器的性能。但是在這個(gè)放大器設計中信號輸入的高通網(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 )變共模信號為差模信號，可以達到很高的共模抑制比。此外，由于生物體信號源的內阻一般較高，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(mǎn)足電路需要。

濾波網(wǎng)絡(luò )模塊

為了更好的濾除高頻干擾，我們設計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

本系統通過(guò)軟件控制CMOS多路模擬開(kāi)關(guān)ADG726來(lái)實(shí)現信號的切換，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)內部經(jīng)內部地址譯碼器譯碼后，接通與地址碼相對應的一個(gè)開(kāi)關(guān)，實(shí)現兩組從16線(xiàn)到1線(xiàn)或者一組差分16線(xiàn)到1線(xiàn)的傳送，

模數轉換模塊設計

在系統中，信號經(jīng)過(guò)放大濾波，進(jìn)入模數轉換器。因為宮縮檢測系統是多導聯(lián)采集，因此需要模數轉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18位模數轉換器(ADC)，采用逐次逼近型結構。為了給用戶(hù)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，數據的輸出速率可高達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分辨率可以達到，滿(mǎn)足了檢測EHG信號的要求。

數字部分設計

新型的數據采集芯片ADuC847

ADuC847是ADI公司新推出的高性能處理芯片，該芯片提供62K字節閃速/電擦除程序存儲器，4K字節片上閃速/電擦除數據存儲器和2304字節數據 RAM。

ADuC847通過(guò)一個(gè)片內鎖相環(huán)PLL 產(chǎn)生一個(gè)12.58 MHz高頻時(shí)鐘，使之運行于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指令系統兼容的同時(shí)，具有12.58MIPS的性能。本文設計的宮縮檢測儀功能的實(shí)現得益于高性能的AduC847。圖4中可見(jiàn)它與電路中其他主要部分的連接方式。

數字外圍電路的設計

* 片外數據存儲器628128

ADuC847包含一個(gè)2k字節的片上外擴數據存儲器。但由于需要采集量較大我們選用了CMOS芯片628128作為本系統的數據存儲器。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)數據占三個(gè)字節；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)的數據，可以滿(mǎn)足數據緩存的要求。

* 串口在線(xiàn)下載調試

與以往的80C51單片機不同，ADuC847具有在線(xiàn)調試和下載功能，它由支持ADuC8xx的開(kāi)發(fā)工具包QuickStart開(kāi)發(fā)系統來(lái)提供。也就是說(shuō)，在用戶(hù)系統保留ADuC847的情況下，通過(guò)開(kāi)發(fā)系統與ADuC847的串行接口通信，直接對用戶(hù)系統進(jìn)行調試，并在調試完成后將已調試好的程序下載到ADuC847中。

* 電源

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

* USB接口

CH375是一個(gè)USB總線(xiàn)的通用接口芯片，支持HOST主機方式和SLAVE設備方式。在本地端，CH375具有8位數據總線(xiàn)和讀、寫(xiě)、片選控制線(xiàn)以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機/DSP/MCU等控制器的系統總線(xiàn)上。在USB主機方式下，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/DSP/MCU 等相連接。從圖4可以看出它與單片機的連接方式。

系統軟件部分設計

系統軟件可以分為兩部分——數據采集卡上單片機程序和筆記本電腦上應用程序。單片機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。單片機定時(shí)中斷服務(wù)程序主要用于完成數據的采集，即將模/數轉換器的輸出寫(xiě)入外部RAM循環(huán)隊列的隊尾，如圖5(a)所示。單片機主程序則主要進(jìn)行數據的傳輸，即將RAM中存儲的數據從隊頭取出，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據采集系統間的通訊，并將傳輸過(guò)來(lái)的數據以二進(jìn)制形式存儲在硬盤(pán)中，同時(shí)提供波形顯示工具將這些數據分為16個(gè)導聯(lián)顯示在計算機屏幕上，如圖5(c)所示。

結語(yǔ)

本文介紹了一種新型的體表子宮電數據采集系統，詳細介紹了其硬件及軟件部分的設計方法，對各個(gè)組成部分作了具體講述，并給出了硬件系統主要的接口電路圖及軟件流程圖。整個(gè)系統結構簡(jiǎn)單，高效可靠，已應用于實(shí)驗并取得可喜的效果。