（信号与信息处理专业论文）基于dsp的胎儿心电分离系统设计.pdf

摘要 摘要 围产医学是2 0 世纪7 0 年代迅速发展起来的一门新兴学科。围产医学的建 立对降低胎儿、婴儿死亡率，保障母婴健康，提高下一代素质具有非常重要的 意义。胎儿监护是围产医学的一个重要内容，在科学技术不断发展的今天，传 统的胎儿心率监护已不能满足不断发展的要求。胎儿心电图( f e t a l e l e c t r o c a r d i o g r a m ，f e c g ) 与传统的胎儿心率监护相比，可以提供更多的关于胎 儿宫内状况的信息，对胎儿宫内健康状况的诊断具有重要的临床价值。因此， 如何设计一种胎儿心电分离系统，获取清晰的f e c g 成为了当前该领域研究的 热点。 目前市场上的大多数胎儿心电监护仪主要面向医院和其他医疗机构，不仅 价格昂贵，而且体积庞大，不易于便携。同时，随着人民生活水平的不断提高， 医疗设备也逐步趋于小型化，家庭保健成为2 l 世纪的一大趋势和热点。因此， 设计出一种性能优良、易于便携、价格适当的胎儿心电分离系统具有重要意义。 本论文主要完成以下几个方面的工作： 首先介绍了获取f e c g 的重要意义，分析了心电信号的产生原理、特点、 整个系统的干扰和噪声，设计了性能优良的心电信号采集模块，包括心电信号 的放大和滤波电路。 其次介绍了d s p 芯片的选型，并选取了t i 公司高性能、低功耗的 例s 3 2 0 v c 5 5 0 9 aj 卷片作为中央处理单元，设计了系统的外围电路，包括采样、 存储和与上位机接口电路。 然后介绍了系统的软件设计，编写了相应的程序，实现对系统的控制和对 心电信号的采样、滤波、存储和与上位机通讯。 最后介绍了上位机的软件设计及分离算法，并给出了相应的实验结果。 关键词：胎儿心电图信号采集d s p a b s t r a e t a b s t r ac t p e r i n a t a l m e d i c i n ei sab e c o m i n gr a p i dd e v e l o p m e n ts c i e n c et h el9 7 0 s i ti s e x t r e m e l yc m c i a ls i g n i f i c a n c et oe s t a b l i s hp e r i n a t a l m e d i c i n ef o rr e d u c i n gf e t u so r i n f a n tr a t e ，e n s u r i n gm a t e r n a lo ri n f a n th e a l t ha n di m p r o v i n gt h en e x tg e n e r a t i o n q u a l i t y f e t a lm o n i t o r i n gi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta m o n gt h ec o n t e n t so f p e r i n a t a l m e d i c i n e b yt h ed e v e l o p m e n to f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h et r a d i t i o n a lf e t a l h e a r tr a t e sg u a r d i a n s h i pc a nn o ts a t i s 矽t h ed e m a n d so ft h ec o n t i n u o u s l yd e v e l o p m e n t o ff e t a lm o n i t o r i n g f e c gs i g n a lw i t hh i 曲q u a l i t yi n d i c a t e st h ep o t e n t i a lv a l u e so f p a r a m o u n td i a g n o s i sa n dc l i n i c i tc a np r o v i d em o r ec u s t o d yo nf e t a li n f o r m a t i o ni n u t e r oc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lf e t a lh e a r tr a t e sg u a r d i a n s h i p t h e r e f o r e ，i t b e c a m et h eh o tc u r r e n tr e s e a r c h e st od e s i g naf e t a le c g s e p a r a t i o ns y s t e ma n dg e t c l e a rf e c gi nt h i sf i e l d c u r r e n t l y ，o nt h em a r k e t s ，t h em o s tf e t a le c gm o n i t o r i n gi n s t r u m e n t sa r e m a i n l yd e s i g n e df o rh o s p i t a l sa n do t h e rm e d i c a li n s t i t u t i o n s i ti sn o to n l ye x p e n s i v e ， b u ta l s on e e d sh u g ev o l u m ea n dn o t 。e a s i l yf o rp o r t a b l e a tt h es a m et i m e ，a l o n gw i t h t h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d s ，t h em e d i c a le q u i p m e n t sg r a d u a l l y b e c o m es m a l l e ra n ds m a l l e r , a n dm o r es u i t a b l ef o rf a m i l yc a r e s ot h ep r a c t i c a l i t y a n dp o r t a b i l i t yo fm e d i c a le q u i p m e n th a sf a c e dt oh i g h e rr e q u i r e m e n t s n u s i th a s i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e st od e s i g na ne x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，e a s i l yp o r t a b l ea n dp r i c e a p p r o p r i a t ef e t a le c gs e p a r a t i o ns y s t e m t h em a i nw o r k si nt h i sp a p e ra r el i s t e da sf o l l o w s ： f i r s t ，i ti n t r o d u c e dt h ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c eo fa c q u i r ef e c gs i g n a l ，e x p l a i n e d t h eg e n e r a t i o np r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee c gs i g n a l m o r e o v e r , i ta l s o a n a l y z e di n t e r f e r e n c ea n dn o i s eo f t h ew h o l es y s t e m ，d e s i g n e de c gs i g n a la c q u i s i t i o n m o d u l eo fe x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，w h i c ha r ei n c l u d i n ge c gs i g n a la m p l i f i e ra n df i l t e r c i r c u i t s s e c o n d l y , i td e s c r i b e dt h es e l e c t i o no fd s pc h i p s t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 ad s pw a s a d o p t e da st h em a i nc o n t r o lc h i po f t h ef e c gs e p a r a t i o ns y s t e m t m $ 3 2 0 v c 5 5 0 9 a c h i pi sal o w - p o w e r , l o w c o s t ，a n dh i g hp e r f o r m a n c ep r o d u c to f t ic o m p a n y w t h t h et m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a ，i td e s i g n e dt h es y s t e mc i r c u i t s ，i n c l u d i n gs a m p l i n g ，s t o r a g e a n dp ci n t e r f a c ec i r c u i t s t h e n i til l u s t r a t e ds o f t w a r ed e s i g no fs y s t e m c o r r e s p o n d i n gp r o g r a m sw e r e w r i t t e nt or e a li z et h es y s t e mc o n t r o l ，e c gs i g n a ls a m p li n g ，f i l t e r i n g ，s t o r a g ea n d c o m m u n i c a t i o nt h i sp c f i n a l l y , t h ep a p e re x p l a i n e dt h ep cs o f t w a r ed e s i g na n df e c ge x t r a c t i o n b e s i d e s ，i ta l s os h o w e dt h ec o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a lr e s u l t k e y w o r d s ：f e c g ；s i g n a la c q u i s i t i o n ；d s p 1 1 1 i 绪论 1 绪论 优生优育是提高国家人1 2 1 素质的一项重要举措。随着社会的发展和时代的 进步，人们对优生优育的认识也在不断加强，围产期的孕妇和胎儿监护也受到 越来越广泛的关注。本章首先介绍了课题研究的背景和意义，然后分析了胎儿 监护的研究现状，最后给出了全文的章节安排。 1 1 课题研究背景及意义 为了提高新生儿的存活率和人类的健康素质，保证优生优育，良好的围产 期监护是非常重要的。围产医学是2 0 世纪7 0 年代发展起来的- f l 新兴学科，近 年来发展迅速并取得了重大进展。围产医学是一门多学科共同协作研究的新学 科，其主要研究的是分娩前后一定时期内孕产妇及胎婴儿生理、病理变化和疾 病防治的科学。围产医学的建立对降低胎儿、婴儿死亡率，保证母婴健康，提 高下一代素质有着非常重要的意义。围产期的监护直接关系到孕产妇及胎婴儿 的安全，影响到新生几的成长发育和智力发育。 胎儿监护是围产医学的个重要内容，其目的是为了保证胎儿在整个妊娠 期的正常发育，及时发现并消除影响胎儿发育的各种因素。在同产医学得到不 断发展的今天，对胎儿监护的内容和质量也提出了更高的要求。临床上常用的 一种胎儿监护方法是胎儿心率监护。胎儿心率监护是利用听心音、心动的传统 方法来诊断胎儿在子宫内生理及健康状况变化的，目前这种传统方法已不能满 足不断发展的要求。胎儿心电图信号带来了更多关于胎儿宫内状况的信息，例 如f e c g 可以用于记录和诊断胎j l , c , 率的瞬问变化、心肌情况、心率紊乱等等。 通过孕妇体表记录的心电信号并绘制成心电图形，采用一定的方法从中获取胎 儿心电图形。对获取的胎儿心电图形进行研究诊断并与临床实践相结合，分析 诊断出胎儿疾病产生的原因及变化情况，为医生进行进一步治疗做准备。经过 医生及时的处理，胎儿在宫内出现的各种不正常情况大部分是可以改变并恢复 到正常情况的。有时胎儿是否患有先天性心脏病也可以通过异常的f e c g 来判 断，如果诊断为先天性心脏病，那么可以采取及早中止妊娠，或进行宫内心脏 修补手术等措施1 1 1 。 1 绪论 f e c g 对胎儿宫内健康状况诊断具有非常重要的临床价值，对提高人类的 健康素质，达到优生优育的目标有着重要的意义，因此，如何准确不失真地获 取f e c g 成为该领域专家学者研究的热点。 1 2 胎儿心电分离的研究现状 f e c g 是反映胎儿宫内生理活动的客观指标之一。目前，获取f e c g 的方法 分为直接法和间接法两种。 ( 1 ) 直接法：在孕妇分娩时将电极直接放置于胎儿体表测得f e c g 。直接 法是早期最敏感的检测胎儿心电信号的手段，能够及时发现分娩过程中胎儿是 否缺氧等特殊状况。直接法所记录的胎儿心电不受母体心电活动干扰，信号波 形较为清晰稳定。但是该方法属于有创伤的检测，会对胎儿造成一定的伤害， 而且这种方法只能用于产时监护，无法应用于整个围产期的监护。 ( 2 ) 间接法：在孕妇腹部和胸部放置若干电极片来获得心电图 ( e l e c t r o c a r d i o g r a m ；e c g ) 数据，然后从所获得的e c g 数据中分离出f e c g 。 间接法是一种菲侵入性无创伤操作，对孕妇和胎儿均无损害，可以在妊娠期随 时进行检测。而且这种方法操作简单，能应用于围产期监护，深受医务工作者 和孕妇的欢迎。但是这种方法受母体心电活动和其他干扰较大，得到的f e c g 有 时不够清晰。 由以上两种获取f e c g 方法的优缺点可知，间接法具有十分明显的优点。但 是孕妇腹部e c g 信号是一个典型的复杂信号，非常难于处理。因此，f e c g 的提 取不仅在临床诊断上具有重要价值和意义，而且在数字信号处理领域也是一个 典型的问题1 2 1 。 近几十年来，许多学者为消除母体心电活动和其他噪声的干扰i 3 1 1 4 1 ，获得较 为理想的f e c g 做出了大量研究。研究发现，处理孕妇腹部信号的主要困难在于 以下几个方面： ( 1 ) 心电信号本身就是一种低频、微弱的复杂生理信号。e c g 信号频谱为 0 0 5 l0 0 h z ，幅值般只有0 o l 5 m v 。 ( 2 ) 测得的e c g 中包含母体心电图( m a t e r n a le l e c t r o c a r d i o g r a m ，m e c g ) 。 m e c g 信号通常是f e c g 信号的几倍到几十倍，f e c g 信号经常被m e c g 信号和噪 声所淹没。在时域中，f e c g 信号约有1 0 - - - 3 0 与m e c g 信号重合；在频域中， i 绪论 f e c g 信号频谱与m e c g 信号频谱大部分重叠。 ( 3 ) 母亲的呼吸噪声、肌电噪声、工频干扰和各种电子噪声等于扰的影响。 ( 4 ) e c g 信号是非平稳的随机信号。 这些因素都严重影响着对孕妇腹部e c g 信号的检测和f e c g 信号的提取。目 前，在算法领域已经先后提出了多种方法来解决这个问题【s 】【6 朋，归纳起来主要 有匹配滤波法、匹配追踪法、奇异值分解提取、自适应噪声提取技术、相干平 均法、盲信号分离法等算法。 在医疗监护设备上，目前市场上的胎儿心电监护设备主要面向医院和其他 医疗机构，不仅价格昂贵，而且体积庞大，不易于便携i 引。随着人民生活水平的 不断提高，医疗设备正逐步趋于小型化，家庭保健成为2 1 世纪的一大趋势和热 点。因此，一种实用、便携的胎儿心电分离系统的研制便具有实际意义。 1 3 本文的章节安排 本课题研究的主要内容是设计个实用的胎儿心电分离系统，能够实时采 集记录孕妇腹部e c g 信号，并能够在p c 机上利用非线性p c a 算法实现f e c g 信号 与m e c g 信号的分离。论文的章节安排如下： 第一章绪论简要介绍了课题研究背景及意义、胎儿心电分离的研究现状， 并给出了论文的章节安排。 第二章介绍了心电基础理论。包括人体心电信号的产生机理和典型胎儿心 电图，并讨沦了测量电极位置安放，重点分析了系统的干扰和噪声。 第三章对胎儿心电分离系统进行了硬件设计，包括模拟和数字电路设计。 模拟部分电路设计主要完成对孕妇e c g 信号的放大和滤波，数字部分电路设计 完成了对e c g 信号的模数转换、数字滤波、数据存储和与上位机通讯。 第网章对系统的软件进行了设计。软件设计包括d s p 控制程序和上位机程序 设计两部分。主要完成了对模数转换的控制、数字滤波、s d 卡存储、串口通讯、 v b 程序设计、非线性p c a 算法分离等功能的设计。 第五章首先对本论文所做的工作和取得的成果进行了总结，并提出了进一 步研究的方向。 2 i i , 电基础理论 2 心电基础理论 通过在孕妇体表放置若干屯极测得e c g 数据，然后对这些数据进行处理， 从而实现对f e c g 和m e c g 的分离。然而，采用这种无创式非侵入方法记录到的 孕妇体表e c g 数据不能够轻易地获得清晰的f e c g ，它包含了m e c g 、f e c g 及 其它噪声干扰。本章介绍了心电基础理论，并分析了各种干扰的影响。 2 1 人体心电信号的产生机理 心电信号是心脏的无数心肌细胞电活动的综合反映【9 j 。心肌细胞在静息状态 下，其心肌细胞膜外带有正电荷，而细胞膜内带有同样数量的负电荷。这种分 布状态称为极化状态，这种处于静息状态下的心肌细胞膜内外的电位差称之为 静息电位，一般情况下其电位值保持相对恒定。心电信号的产生是与心肌细胞 的除极和复极密不可分的。当心肌细胞一端的细胞膜受到一定的刺激( 或阈刺 激) 时，就会引起心肌细胞膜内外的正负离子进行流动，这时心肌细胞膜对钾、 钠、氯、钙等离子的通透性就会随之发生变化，从而使心肌细胞进行除极化和 复极化。此时，在这个过程中心肌细胞膜和还处于静止状态的相邻细胞膜构成 一对电偶，这种生物电变化可以通过心脏周围的导电组织和体液传导到人体身 体表面上来，使身体的各个部分在每一次心动周期的过程中都发生有规律的电 变化。- i i 脏在进行机械性地收缩之前，首先产生电兴奋，进而产生生物电流， 并经过组织和体液传导至体表，在身体的不同部位产生不同的电位变化，从而 形成体表电位差，即变化着的心电信号。这就是人体心电信号的产生机理1 1 0 j t 】。 2 2 典型心电图 心电图是指心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，并 伴随着心电图生物电的变化，通过心电描记器从体表描出多种形式的电位变化 的图形。在人体体表相隔一定距离的任意两个点之间总是存在电位差，这就会 造成人体体表的电位分布随着心肌的电活动而4 i 断地发生变化。因此，任意两 点之间的电位差也是不断地发生变化的，这个电位差是周期性曲线。我们可以 把测量电极放在人体体表的相应位置，从而记录出人体一i i , 脏电变化的曲线图， 4 2 心屯基础理论 这也就是所谓的临床常规心电图。心电图是心脏兴奋的发生、传播及恢复过程 的客观指标。 2 2 1 典型胎儿心电图分析 心电图对人体心脏的基本功能和病理研究方面有着十分重要的参考价值。 典型心电图一般包括p 波、q r s 复合波和t 波，有时我们还可以看到后继的u 波。等电位线是连接两个波群之间的心电图基线，它反映了此时体表电极上不 存在电位差，各部分心肌的电位相等【1 2 】【1 3 】。典型的心电图如图2 1 所示。 q f s 间期 、 - f d ：矧甘口 l q 殳i 目j 晁 p 波 j卢r t e 、 间蛳卜 厂 p 毒 s o f f( j ) 7 舻 i0 0r ； i 一； r j 一 讥s - s t l 静 t o f f p a np o f f p r 阅痢 t 1 - i r 淘甘日 图2 1 典型心电图 胎儿心电图能够准确区分出胎儿心脏活动的微小电位变化，其形态变化比 b 型超声监护仪、多普勒超声监护仪和胎心监护仪等更为敏感，也更有价值。 ( 1 ) p 波：表示左右心房兴奋除极时产生的电变化，是反映心房除极的综合 向量。p 波形小而圆钝，随各导联而稍有不同。高度( 电压) 不超过0 2 5 m v ， 宽度一般不超过0 1 1 s 。胎儿p 波在妊娠1 7 周以后逐渐增宽，临床后p 波幅值 降低，时限稍有所缩短。 ( 2 ) p r 间期：从p 波开始到q r s 波群开始的时间为p r 间期，也就是心 房除极开始到心室除极开始之间的时间。随年龄和心率的不同，p r 间期的正 常值会有所差别，心率较慢者，p r 间期会较长。胎儿p r 间期随妊娠进展逐 渐延长，临产后逐渐缩短，宫缩时表现更明显。 2 心电基础理论 ( 3 ) q r s 复合波：代表两个心室兴奋传播过程的电位变化，是反映整个心 室的除极综合向量。典型的q r s 复合波包括三个相连的波动。通常在q r s 波 群开始出现的负向波是q 波，q r s 波群的主要部分向上的波是r 波，在r 波 之后出现的向下的负向波是s 波。由于这三个波紧密相连并且总时间不超过 0 1 0 s ，故合称为q r s 复合波。胎儿q r s 波群时限随妊娠进展逐渐增长，即胎 心率有逐渐减慢趋势，振幅在妊娠3 7 周 4 l 周较高。正常胎儿q r s 时限为 0 0 2 s - - o 0 5 s 。 ( 4 ) s t 段：由q r s 波群结束到t 波开始的线段，反映左、右心室肌仍处 于兴奋或去极化状态时的一段时间。正常s t 段为等电位，分娩初期偶有s t 段异常者，在宫缩时和之后短时间内s t 段降低，分娩后期s t 明显升高。 ( 5 ) t 波：是继q r s 波群后的一个幅值较低而波宽较长的电波，反映心室 兴奋后再极化的过程。 ( 6 ) q - t 间期：由心室除极波开始到心室复极完毕的这段时间。无论q r s 波群的开始为q 波或r 波，这个间期都叫做q t 间期。 胎j l , o 电图能够反映胎儿心脏的瞬间绌微变化，是围产期胎儿监护的有效 手段之一，在临床上可以用于诊断胎位、诊断胎心心动过速或过缓、估计胎儿 大小、诊断胎儿窘迫、诊断胎儿心律失常等。胎儿心电图检查是对胎儿宫内健 康状况检测的有效手段，具有较高的诊断应用价值。 2 2 2 导联电极的选择与安放 我们一般会采用体表电极来对e c g 信号进行检测。目前，人体的体表连接 器主要是金属电极，这种金属电极与皮肤的接触面是由盐溶液和胶组成的电极 层构成的。虽然人体机体组织和体液都能导电，不过人体身体内部电流是由离 子的运动产生的，而不同的是导线中的电流却是由电子的运动产生的。但是我 们利用电极系统就可以将离子电流转换为电子电流。双级导联就是将心电描记 器的记录电极放置在人体体表的任意两个不相等的电位部位，这样就可以记录 出心电变化的图像，用这种方法测得的电位变化就是体表被测的两点之间电位 变化的代数和。 体表测量电极与皮肤接触之后，会使电极和皮肤接触面的离子浓度发生改 变，进而形成电偶层，这样就会在接触面产生电势差，也就是电极电位。电极 电位是由能斯特方程决定的，是一种平衡的电极电位。在人体运动的时候会致 6 2 心电基础理论 使电极电位发生变化，如果用两个测量电极来对人体两点的电位进行引导时， 就会在两个电极本身的电位不同时产生极化电压。当这个极化电压通过放大电 路被放大后，会导致信号的基线偏移，从而影响e c g 检测。在e c g 系统设计中 应该使用极化电压比较微弱的电极或者是非极化电极，这样就可以尽量避免极 化电压对系统设计的干扰。 医学上是根据孕妇和胎儿的心电场向量位置来决定测量电极的安放位置 的。同时考虑到胎儿心电分离算法的研究，需要采集八路孕妇体表e c g 信号。 如图2 2 所示，显示了孕妇的心电场向量及八路导联的位置。八路测量电极中的 三路放置在孕妇的胸部，由于胎儿本身心电信号很微弱，而且电极位置远离胎 儿心脏，所以在孕妇的胸部测量的心电信号几乎不含m e c g 。其它五路电极放置 在孕妇的腹部，测得混合的e c g ，它是母体心电信号、胎儿心电信号及各种干 扰的混合信号。 图2 2 心电场向量及八导联位置图 2 3 系统干扰噪声 从孕妇体表测得的e c g 信号中所包含的f e c g 信号非常微弱，受到m e c g 、 肌电噪声、工频干扰和电子设备噪声等干扰十分严重，因此要想获得清晰且不 7 2 心电基础理论 失真的f e c g 并不容易。这些干扰因素归纳起来有主要有以下几种【1 4 j ： ( 1 ) 5 0 h z 上频干扰 工频一般是指市电的频率，它会以电磁波的形式产生辐射，对人们的日常 生活造成二f 扰，我们把这种干扰叫做工频干扰。我们国家采用的供电方式是5 0 h z 的交流电( 有些国家或地区为6 0 h z ) ，因此无论是室内还是室外其它环境，只要 有交流电存在，就会有5 0 h z 的电磁波，会对电气设备和电子设备造成干扰，导 致设备运行异常。工频干扰会使目标信号变粗并出现锯齿状的波纹，如图2 3 所 示，为受到工频干扰的测试信号。 图2 3 受到工频干扰的测试信号 通常，为了降低工频j f ：扰的影响，在硬件设计中可以设计模拟滤波器、采 用适当的接地和屏敝、采用较短的导联线、采用性能优良的器件和浮地跟踪电 路等措施。同时，随着数字技术的不断发展，已有多种比较成熟的消除工频干 扰的数字滤波方法可以参考。 ( 2 ) 电极接触噪声 由于测量电极和皮肤之间接触不稳定，测量电极脱落或抖动等会产生的一 种不稳定性干扰，这种干扰称为电极接触噪声。为了消除这一类型噪声干扰的 影响，我们通常可以对皮肤进行一定的预处理以及对电极和导联进行适当的固 定。 ( 3 ) 基线漂移 在人体呼吸和运动时，胸腔内一些器官和组织会发生一定程度上的变化， 2 心电基础理论 引起测得e c g 的基线漂移。这就会造成f e c g 信号出现较大幅度的漂移，其表现 为类正弦波叠加在f e c g 信号上。这种噪声的频率范围一般在0 0 5 2 0 0 h z 之间， 呈缓慢变化的状态。 ( 4 ) 电磁设备干扰 仪器本身的噪声和其他电子设备的噪声干扰都称之为电磁设备干扰，这种 干扰的频率范围较宽，幅度随着环境的变化而变化。采取关闭与仪器无关的其 它设备、尽量远离干扰源、设计合理的前置放大电路、采取适当的屏蔽措施等 方法都可以有效降低此类噪声。同时，在系统设计上应该尽量使用低噪声、低 温漂、低漏电流的电子器件。 2 3 本章小结 本章首先介绍了人体心电信号的产生机理，然后对典型胎儿心电图进行了 介绍和分析，并且对本系统设计中导联电极的选择和位置安放进行了说明，最 后归纳分析了系统干扰噪声及其影响。 一 9 3 胎儿心电分离系统硬件设计 3 , q 台jl , b 电分离系统硬件设计 近年来，随着人民生活水平的不断提高，家庭保健成为当前一大趋势和研 究热点。因此，设计出一种能够在家庭中应用、操作简单、易于便携、价格便 宜的低功耗家用胎儿心电分离系统是非常必要的。本课题设计开发以 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 低功耗d s p 芯片为系统核心芯片，实现了对胎儿心电分离系统 的软硬件设计。本章将对系统硬件电路的实现进行详细的介绍和分析。 3 1 系统整体方案设计 通过前面章节的分析我们可以得出f e c g 信号具有生物电信号的普遍特性， 是一种典型的人体生理信号。比如这类信号具有频率低、幅值小、易受外界干 扰等特点，给信号采集工作带来了不少难度。综合分析各方面因素，系统方案 设计需要满足以下几个方面的要求： ( 1 ) 设计合理的放大和滤波等必要的信号调理电路。包括设计合理实用的 有源滤波器，用来实现对通过体表电极采集到的e c g 信号的0 0 5 1 0 0 h z 的带通滤 波和5 0 h z 陷波处理；实现1 0 0 0 倍的信号放大；右腿驱动与隔离电源设计。 ( 2 ) 符合需要的模数转换。目前国际上的心电数据库一般为1 0 位以上，采 样频率至少要达至u 2 0 0 h z 以上。 ( 3 ) 选用合理的系统核心芯片。 ( 4 ) 设计良好的上位机处理系统。实现对e c g 信号的实时传输、显示、分 离、存储等。 综上所述，整个电路系统需要考虑和解决的问题主要包括：采集和放大微 弱的胎儿和母体混合信号、滤除噪声干扰、存储数据、与上位机通讯和实现胎 儿和母体心电信号的分离等儿个方面内容。因此，整个电路设计由前置放大电 路、右腿驱动电路、滤波电路、二级放大电路、隔离电源电路、a d 转换电路、 多媒体卡控制电路、通讯接口电路、上位机处理等部分组成。 系统整体框图如图3 1 所示。 1 0 3 胎儿心电分离系统硬件设计 图3 1 系统整体框图 系统处理的基本流程为：首先通过八路导联在孕妇体表采集到混合的e c g 信号，然后进行模拟放大和滤波处理，将模拟数据送入模数转换器转换为数字 信号，通过d s p 将数据进行实时存储，并将数据传送给上位机，在上位机上实现 f e c g 信号与m e c g 信号的分离和显示。 3 2 模拟电路模块设计 由于系统的设计使用对象为孕妇，因此这种用于生物医学检测的生物电放 大电路，必须在前置级设计相应保护电路，这包括保护人体安全的电路和对放 大电路进行一定输入保护的电路。同时，在设计巾还应该考虑到作用于人体的 其它医学检测设备和其它可能存在的某些干扰都有可能会对放大电路产生破 坏，并且考虑到人体生理信号的特点，本系统设计采用比较典型的生理信号调 理电路。 网 i 电源i l：j i 八路 l 带陷将八 篮 耐 h u 置通级波路数 _ m * # 绷鼎聊撕糖0 目# _ 黝 放滤放e 乜据送 大波大路 a d 颤动r 图3 2 系统模拟电路框图 1 l 3 胎儿心屯分离系统硬件设计 如图3 2 所示为系统模拟电路框图。八路目标信号从输入电极输入，然后经 过保护限流和缓冲放大电路，得到幅值约为l m v 的e c g 信号，再送入前置放大 电路进行放大。经过前置放大后的e c g 信号具有低频率、低噪声、低漂移、低 共模等特性。然后将经前置放大后的e c g 信号送到截止频率为0 0 5 1 0 0 h z 的带通 滤波器，得n o 0 5 1 0 0 h z 的有用信号，之后再送至u 5 0 h z 陷波器，以消除5 0 h z 工 频干扰的影响。然后将滤波后的e c g 信号经过二级电路放大，送至模数转换器 的输入端将其转换为数字e c g 信号。 3 2 1 设计要求 由于孕妇e c g 信号具有微弱、低频、不稳定、随机等特性，且易受外界环 境二f 扰，因此对系统模拟电路部分的设计就有着非常苛刻的要求。 ( 1 ) 增益。孕妇e c g 信号一般只有0 0 1 5 m v ，典型值为l m v ，也就是说孕 妇e c g 信号具有微弱性。为了满足系统模数转换器的输入要求，所以要求放大 倍数很高。但是为了进一步提高共模抑制比、抑制零点漂移，这就要求放犬电 路的设计必须分两级实现，并且前置放大器的增益不能设计的太高。本系统中， 设计前置放大器增益为10 ，二级放大器增益为10 0 。 ( 2 ) 频率响应。由于孕妇e c g 信号的频谱范围为0 0 5 1 0 0 h z ，所以要求心 电放大器必须能够在0 0 5 1 0 0 h z 频谱范围内不失真地放大所检测到的e c g 信号。 同时，为了尽可能地减少工频干扰和其他不必要的噪声干扰影响，需要设计低 通、高通滤波器和5 0 h z 陷波器电路，这样得到的e c g 信号才具有价值。 ( 3 ) 高共模抑制比。共模干扰是指两个信号线之间或者一个信号线和地线 之间的干扰。在本系统设计中，测量电极与孕妇皮肤接触会引起极化电压，这 种极化电压可能会作为直流共模干扰输a n 心电放大器中，其幅值可能会达到 数百毫伏大小，这远比孕妇e c g 信号大得多。同时e c g 信号的检测还会受到其 他电气电子设备的干扰，经常会将微弱的e c g 信号淹没，这些干扰主要是市电 的共模干扰，而且还包括其他的- 一些共模干扰。共模抑制比( c o m m o nm o d e r e j e c t i o nr a t i o ，c m m r ) 是衡量共模干扰能力的一个指标。系统设计中，为了 防止e c g 信号被淹没在极化电压、工频干扰或其它共模干扰之中，一般情况下 要求系统设计的c m m r 应达n s 0 d b 以上。 ( 4 ) 高输入阻抗。人体的阻抗特性、所使用的测量电极类型以及测量电极 和人体的接触面决定t e c g 放大器的输入阻抗设计。由于e c g 信号是微弱信号， 3 胎儿心电分离系统硬件设计 并且其源阻抗有高阻抗的特性，因此如果e c g 放大器的输入阻抗较低，那么经 过分压后，输入e c g 放大器的信号就非常微弱。信号源阻抗不仅因人而异，而 且还与电极类型和电极安放位置有关。本系统中采用表面镀有a g - a g c i 的可拆卸 软电极。e c g 放大器只有设计较高的输入阻抗，才能确保增益的稳定性，同时 降低差模信号的影响，有效抑制工频、射频等干扰。由于系统的信号源阻抗一 般在数k f l 至数十足q 之间，因此在设计e c g 放大器时，其输入阻抗应该比信号 源阻抗高两个数量级，一般情况下输入阻抗可取值为5 1 膨q 或1 0 膨q ，这样才 能够保证从孕妇体表不失真地引出e c g 信号。 ( 5 ) 低噪声、低漂移。由于e c g 放大器的设计增益较高，噪声和漂移是设 计中两个比较重要的参数。e c g 放大器工作时的噪声都属于白噪声，呈正态分 布，其噪声主要表现为电子线路和设备的固有热噪声和散粒噪声。因此为了获 取一定信噪比的输出信号，在设计e c g 放大器时应该尽量选用低噪声元件，这 就对放大器器件的低噪声性能提出了严格的要求。此外，温度的变化还会引起 零点漂移现象，放大器输入端引入直流电压、测量电极和皮肤接触电阻以及电 机本身电阻电位的改变都会增大基线漂移。这种漂移现象会对放大器的输入范 围产生限制，所以e c g 放大器应选用低噪声、低漂移的集成运放电路。 根据以上分析，设计中对e c g 放大器提出了以下要求： 增益为8 0 0 - 1 0 0 0 ； 频率响应为0 0 5 10 0 h z ： 共模抑制比不小于8 0 d b ； 输入阻抗为5 1 1 0m q ； 低噪声、低漂移。 另外，由于本课题致力于一种实用、便携的家庭型胎儿心电分离系统的研 制，所以在器件选型上还要考虑到其功耗和体积等相关特性。 3 2 2 前置放大电路 前置放大电路设计的好坏直接影响到整个模拟采集部分工作性能的优劣， 是整个系统设计的关键部分。前面已经对提取孕妇e c g 信号的干扰因素和系统 的设计要求有了全面的介绍，因此在设计时应按照设计要求，同时将这些干扰 因素的影响降到最低。前置放大器的设计直接关系到整个模拟采集部分的设计 性能，是整个前置放大电路的“心脏”部分，因此它的选型就显得尤为重要。 3 胎儿心电分离系统硬件设计 根据设计要求，需要在0 0 5 1 0 0 h z 信号频率范围内不失真地放大所采集到的微弱 e c g 信号，所以设计选用的放大器必须要具有低噪声、低漂移、低失调参数、 高输入阻抗、高共模抑制比、非线性度小等一系列特点i l 引。 在比较了几种常用于- i i , 电前置放大的仪表放大器之后，本课题设计采用a d i 公司的a d 6 2 0 仪表放大器作为本设计前置放大器的核心器件。 a d 6 2 0 是在传统三运放方式上改进的一种单片仪表放大器，增益范围1 - 1 0 0 0 可调。增益为1 0 时，c m r r 不低于9 3 d b ，增益为1 0 0 时，c m r r 不低于1 1 0 d b 。 输入阻抗达1 0 g f 2 ，采用了激光校准使电路器件的匹配性和跟踪特性都非常好。 a d 6 2 0 可确保高增益精密放大所需的低失调电压、低失调电压漂移和低噪声等性 能指标，可满足系统设计的要求。如图3 3 所示，为a d 6 2 0 芯片引脚图。 r g l n + i n 一络 一 l 图3 3a d 6 2 0 芯片引脚图 r g + v s o u t p u t r e f 由于人体处于很强的电磁干扰环境中，因此本系统的前置级采用典型的差 分放大电路，这样设计可以有效地提高系统的共模抑制比。 同时，为了减少共模电压的干扰，有效提高电路的抗工频干扰能力，系统 设计了右腿驱动电路。实际上可以将右腿驱动电路看作等同于以人体为相加点 的共模电压并联负反馈电路，这样来看的话任何流入人体的位移电流基本与反 馈电阻上的驱动电流相等。采用右腿驱动电路，可以将5 0 h z 的工频干扰电压降 低到1 以下，提高c m r r ，并且并不会以损失e c g 信号的频率成分为代价。 如图3 4 所示，为前置放人和右腿驱动电路。 1 4 3 胎儿心电分离系统硬件设计 札 图3 4 前置放大和右腿驱动电路 3 2 3 带通滤波电路 从传感器输入到模拟电路的e c g 信号刁i 但含有频干扰，而且还夹杂着很 大的直流、低频和高频分量，这不仅会引起信号的基线漂移，而且也会对后续 的信号处理产生影响。所以要采取必要的手段，滤除这些分量。因此本系统设 计了二阶高通巴特沃斯滤波器和二阶低通巴特沃斯滤波器来实现带通滤波，消 除这些干扰的影响1 1 6 。由于从孕妇体表采集的e c g 信号频带主要集中在 0 0 5 1 0 0 h z 之间，为了不损失有用的信号，高通滤波器的截止频率设计为0 0 5 h z ， 低通滤波器的截止频率设计为l0 0 h z 。 如图3 5 所示，为带通滤波电路。 c 3 旦_ j c 图3 5 带通滤波电路 1 5 3 胎儿心电分凄系统硬件设计 3 2 45 0 h z 陷波电路 虽然前置放大电路中的右腿驱动电路对5 0 h z 的工频干扰有很强的抑制作 用，但是对于微弱的胎j l , 6 , 电而言，工频干扰依然比较严重。因此还要设计专 门的5 0 h z 带阻滤波器，即陷波器，来滤除5 0 h z _ t _ 频干扰。陷波器的作用，是阻 止某一范围很窄的频率分量通过，而其他频率则可以无损失地通过。陷波器设 计的带宽越窄，品质因数q 越高，则陷波器的选择抑制性性就越好。一般情况下， 我们在设计时总是希望陷波带宽尽量小，陷波深度尽量大，然而二者恰好是一 对矛盾。因此在设计选取陷波器带宽参数时，要在满足陷波深度的同时尽可能 使陷波带宽比较窄，或者在一定的陷波带宽情况下使陷波深度尽可能地大。 本系统设计采用双t 型有源巴特沃斯滤波器来实现5 0 h z 陷波器的设计【1 7 1 ，如 图3 6 所示为5 0 h z 陷波电路。 c 1 图3 65 0 h z 陷波电路 一箸乒s 筝军i 1 j ，+ c 2 r 2 + 蕊+ 礓3 3 1 6 3 胎儿心电分离系统硬件设计 图3 6 中各元件参数应满足以下条件： r i = 咫= 2 是= 6 6 5 k c l = g _ ，lc 2 = o 0 4 7 t f 由此可得此陷波器中心频率为： 五。丽1 = 5 。4 飓 通过设置兄和r 的值，可以改变q 值的大小。q 值的计算公式为： q 2 硒1 4 ( 1 一i 坐i ) 电路设计中选取尼= 5 1 k q ，兄= 5 6 k f 2 。根据q 值计算公式，可得q 3 ， 可以有效滤除工频干扰，满足设计要求。 3 2 5 隔离和保护电路 为了确保孕妇及胎儿的安全，必须设计隔离电路i 1 8 】，使从孕妇体表测得e c g 信号的输入部分和前置放大部分的地线同整机的地线相隔离，这种隔离称为“浮 地”，被隔离的电路部分称为“浮地部分”。“浮地部分”和接地部分在电路上没 有直接联系，通过地线构成的漏电流就可以完全被抑制。因此，这样不但保障 了孕妇和胎儿的安全，而且实现了隔离，一定程度卜减少了干扰。在设计中采 用t i 公司的隔离放大器i s o l 2 2 ，隔离放大器内部原理图如图3 7 所示。 图3 7i s 0 1 2 2 隔离放大器内部原理图 1 7 3 胎儿心电分离系统硬件设计 同样，电源输入采用s u n y u a n 公司的隔离电源模块d w l 0 1 2 d 0 5 ，支持9 1 8 v 宽电压输入，+ 5 v 和5 v 电压输出，如图3 8 所示。该产品适用于输入变化范围宽、 输出电压精度商的场合，可以为电子电路提供高隔离稳压电源。 璺垡曼，璺! ! 焦避璺2 旦! f 塾蔓螳墨塑2 d w 5 0 8 x 2 5 4 x 10 1 4 卜- 封装 v i ng n d + v o0 v- v o 123 5 12345 d w - 8 图3 8 隔离电源模块 为了避免测