基于ARM的胎儿心电信号数据采集系统

1 引 言

胎儿心电(FetalElectrocardiogram，FECG)是反映胎儿心脏电生理活动的一项客观指标，反映了胎儿在孕期中的生长和健康状况。对围产期的胎儿心电提取及分析可以确定胎儿心率、胎儿心脏功能参数，及时发现胎儿宫内缺氧等妊娠期或分娩期的病理情况，以便尽早采取措施，保证胎儿健康.但是，由于测量得到的原始信号成分非常复杂，干扰严重，胎儿心电信号被淹没在强背景噪声中(尤其是母体心电干扰)，从而使其对胎儿心电的提取造成很大困难。因此，研究如何准确、有效地从孕妇腹壁电极中提取胎儿心电信号的方法具有重要的理论价值和临床应用价值。

胎儿受孕期生理现象及生物电信号的特殊影响,母体腹部记录的胎儿心电信号相当微弱,几乎被淹没在强烈的噪声中,胎儿心电与母亲心电（MECG)在时域和频域上重叠,且具有较强的随机性和非平稳性,用何种方法来消除干扰,提取胎心电波形，获得无损的胎儿心电信号是问题的关键。本系统采用基于ARM核的32位低功耗微处理器S3C44B0X作为核心，配合电极，高放大倍数放大器和高共模抑制比的放大电路，获取实时母婴心电信号；在嵌入式操作系统uC/OS-Ⅱ下，对从母体上得到的混杂信号进行处理，实现胎儿心电信号的数据采集分离与显示，从而获得单一的、噪声干扰小的胎儿心电信号。
2 系统设计及工作原理

基于S3C44B0X为核心的系统结构如图1所示，其工作原理如下：首先通过医用Ag-AgCl电极分别获取母体胸部和腹部混合心电信号，信号调理电路对生物电信号进行放大和滤波，然后A/D转换，进而通过32位微处理器对采集过来的数据进行算法分离，实时显示胎儿PQRS波形并存储数据；嵌入式实时操作系统(RTOS) µ;C/OS-Ⅱ协调各功能模块工作，使系统具有很高的实时性和可靠性。结构如图1所示。

3 硬件电路设计

3.1 信号调理

信号调理主要包括导联部分，前置放大电路，基线漂移稳定电路，带通滤波、陷波电路及后级放大电路，隔离电路，框图如图2所示。

由于胎儿心电信号十分微弱,一般几十微伏到几百微伏之间，而且在检测生物电信号的同时存在着强大的干扰,这对调理电路的设计提出了很高的要求
。本方案设计采用共有7个的电极：两个母体胸部导联电极，作为分离出胎儿心电的参考电极；两个腹部母胎混合导联电极，用来采集母亲和胎儿混合心电信号；一个公共端电极，作为胸部和腹部导联电极的公共端；其余两个接地电极，作为接地端。干扰源主要有以50Hz的工频干扰以及导联线与皮肤接触形成的极化电压。工频干扰主要以共模形式存在,幅值可达几伏甚至几十伏,抑制这种干扰的目的主要是提高整个电路的共模抑制比；极化电压是由于测量电极与生物体之间构成化学半电池而产生的直流电压,最大可达300mV。本系统采用AD公司仪表放大器AD620作为系统的前置放大器，输人阻抗高、失调温漂小、共模抑制比高、输入噪声小。AD620放大倍数G由单一电阻Rg决定，增益公式G=1+（49.4 kΩ/Rg)，根据工程经验，前置放大倍数一般在6~10倍，防止前置放大电路出现饱和现象。利用集成运算放大器OP90输出反馈到AD620引脚5，防止基线漂移。由于胎儿心电信号主要集中在0.05~100Hz频段，在前置放大电路之前设计一个限幅电路和无源低通滤波器，前者防止肌电脉冲对前置放大电路破坏，后者有效去除各种高频干扰。然而50 Hz工频干扰和35Hz肌电干扰仍存在于频带之内，通常采用专用陷波电路进行处理，但由于模拟器件本身的特性不可能实现理想的状态，加上胎儿心电信号微弱，可能滤掉部分有用信号，为此本系统采用软件滤波的方法。后级放大电路主要用集成运算放大器OP90，可以设置增益量程。隔离电路主要为防止人体安全，实现与电气设备的隔离，与此同时，为了避免通道间由于共同接地而形成闭合环流，在各通道进入A/D之前需要进行隔离，考虑到噪声的关系，将隔离电路放在放大器后，对放大后的大信号进行隔离，可以大大减少隔离放大器引入的噪声。该部分电路核心为1片开关电容耦合式隔离放大器ISO124，其隔离电阻高达 Ω以上，隔离电容仅有几个pF，非线性度小于0.01%，这也是其他方法，如光电隔离所无可比拟的。采用DC-DC模块使其前后级间电源独立供电，并特别采用π型滤波以减弱DC-DC的纹波干扰。因为开关电容工作机理的关系，开关电容式隔离放大器都会在输出端叠加有内部开关时钟频率的纹波干扰。为了减少这一干扰，在隔离放大器之后加入一级二阶低通有源滤波器，用以滤除开关频率500 kHz的干扰。具体电路结构如图3所示。