一种胎儿心电信号采集系统的设计与实现

尧永贤，谢 侃，蔡 坤

一种胎儿心电信号采集系统的设计与实现

尧永贤，谢 侃，蔡 坤

目的：针对传统的胎儿心电采集系统难以满足实时性和低幅度高噪声的问题，设计并实现一种基于片上系统（system on chip，SoC）的胎儿心电信号实时采集和显示系统。方法：PC机通过USB转串口线向ARM处理器（advanced RISCmachines，ARM）发送命令，ARM对命令进行识别后控制ADS1294芯片工作。母亲腹壁上的生理信号通过标准的导联线传入ADS1294芯片，ADS1294将模拟信号转换成数字信号，并通过外围串行接口（serial peripheral interface，SPI）将转换后的信号送入ARM。ARM把数据封装成固定的格式，数据通过串口传输到PC机中，PC机再将滤波后的信号显示出来。结果：该系统能够从母亲腹壁上采集到胎儿心电信号，同时将胎儿心电信号转换成24位数字信号并将数据存储在PC机中。结论：该胎儿心电采集系统结构简单、性能优异，并且可应用于胎儿心电监护设备上，具有一定的实用价值。

胎儿心电；ARM微控制器；ADS1294

0 引言

胎儿心电图（fetalelectrocardiogram，FECG）是反映胎儿心脏电生理活动的一项客观指标，同时也是反映胎儿在子宫内安危的一种客观检查指标，并反映了胎儿在孕期中的生长和健康状况[1]。在现代医学中，胎儿心电检测有着举足轻重的地位。因此，在胎儿心电信号检测的实际应用中，应该准确、有效地从母亲腹部表面采集到含有胎儿心电信号的原始信号。自20世纪末以来，医疗电子技术得到了飞速发展，许多芯片厂商将采集胎儿心电信号的各个模拟电路模块集成在一个片上系统（system on chip，SoC）上，这使得系统拥有更小规模、更低功耗、更高的精确度。因此，胎儿心电采集系统在信号采集方面有很大的改进。文献[2]中以8位单片机为基础的胎儿心电采集电路在CPU对信号的处理速度方面难以满足实时性的要求。而文献[3-4]采用低精度的ADC（analog-to-digital converter）芯片实现对胎儿心电信号的转换，这会丢失蕴涵在胎儿心电信号中的一些重要信息。这2种胎儿心电采集电路都很难同时达到高速度、高精度的要求，为此，本文设计了一种低功耗、高精度、处理速度又快的胎儿心电采集系统。

1 系统结构

本文所涉及的系统包括心电信号采集模块、系统控制模块和信号处理与显示模块。信号采集模块是以ADS1294芯片为核心，用来采集母亲腹部的混叠心电信号，并通过外围串行接口（serial peripheral interface，SPI）将数据送至系统控制模块。系统控制模块主要包括LPC2368微控制器和一些外围电路。该模块主要通过串口接收命令、利用SPI接口控制AD芯片工作，并将采集到的数据通过串口传输至PC机。信号处理与显示模块采用串口与系统控制模块进行通信以及将接收到的数据以图形的形式显示出来。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

图2 ADS1294内部原理框图

2 系统硬件设计

2.1 信号采集模块

对于胎儿心电采集模块的电路而言有多种实现方式，大致可分为利用模拟电子电路搭建与采用专门的心电采集集成芯片来实现。在同样的实验条件下，模拟电子电路的实现难度与制作成本较高，且制作出来的心电采集系统体积较大、功耗高。随着集成技术的发展，各种专门应用的集成芯片不断推出市面，不仅成本与体积得到了很大的压缩，而且系统的整体性能、工作稳定性等也得到了提高，这些都是模拟分立式电子电路所欠缺的。基于以上考虑，本文选用了TI公司的ADS1294芯片，这是一款专用于微弱生物电信号采集的集成芯片。

ADS1294[5]芯片是TI芯片公司推出的独立4通道低功耗生物电采集芯片，内部集成了AFE前置模块、数字滤波模块、右腿驱动模块、数模转换模块，是一款自带SPI接口的程控芯片，其通过配置内部寄存器可以选择内部电路开关、设置增益、采样率等。24位AD的精度可达μV级，而胎儿心电信号的幅度一般为10～50μV，这完全能够满足系统采集清晰的胎儿心电的要求。其内部框架图如图2所示。相比普通的AD转换芯片，ADS1294芯片具有通道众多、功耗低、体积小、精度高等优势。其主要特性为：

（1）4个低噪音可编程增益放大器（programmable gain amplifier，PGA）和4个高分辨率数模转换器（ADC）；

（2）采样速率范围为250 sps～32 ksps；

（3）可选择可编程增益为1、2、3、4、6、8或者12；

（4）低功耗：0.75mW/通道；

（5）SPI接口-兼容串口；

（6）内含右腿驱动放大电路。

2.2 LPC2368微控制器

胎儿心电信号经过提取、滤波、放大和量化转换成数字信号，由于AD转换器的高精度和高转换速度，对系统控制模块要求有很快的处理速度和较强的资源分配与调度能力。选用LPC2368[6]作为采集系统的主控MCU。LPC2368内部集成一个SPI接口控制器、多种向量中断控制器和4个带小数波特率发生功能的UART。SPI是一个全双工的串行接口，在数据的传输过程中，接口上只有一个主机和一个从机能够通信。在本设计中采用的主从模式：主机为LPC2368 SPI，从机为ADS1294 SPI。由主控LPC2368对SPI接口进行读写操作，配置ADS1294芯片，并从ADS1294 SPI中读取转换数据。ADS1294芯片完成一次转换后，引脚/DRDY将产生一个下降沿，主控MCU将外部中断设置成边沿触发模式，每一次AD转换完成后可触发外部中断，并在设置好的中断服务程序中读取数据。通过配置通用异步收发传感器（universal asynchronous receiver/transmitter，UART）串口有关的寄存器使之与PC机实现串口通信，本文正是利用UART实现在系统控制模块与PC机之间传输数据与命令。

2.3 数字电路隔离与隔离电源

由于PC机与系统控制模块是通过串口连接的，而PC机由市电供电，为防止市电通过串口以及其他数字电路串入导联对人体产生伤害，系统在信号采集模块与系统控制模块之间必须加隔离电路，以保证孕妇及胎儿的安全。本设计采用基于模拟设备i－Coupler技术的四通道数字隔离器ADUM2400与ADUM2402，这2款芯片适合用在医疗设备上并能够隔离高达5.0 kV的电压。此外，本设计还使用了隔离电源模块R05P2.33S为ADS提供独立电源。

3 程序设计

3.1 MCU控制程序设计

系统控制模块的控制程序采用前后台的开发模式，前台程序为主循环程序，后台程序主要有2个中断服务程序，分别为串口接收中断服务程序和外部中断服务程序。整个程序的流程如图3所示。当PC机软件中有命令需要下发至LPC2368时，触发进入串口接收中断服务程序，在该中断服务程序中对来自上位机的命令进行判断并执行相应的动作。当判断为START命令时，LPC2368将驱动ADS1294开始采样工作。完成一次信号转换后，ADS1294芯片的/DRDY产生一个下降沿，这将使LPC2368触发一个外部中断，此时程序调用外部中断函数读取数据并将数据保存在一个大数组中，同时设置一个全局变量为YES。前台循环主程序检测到全局变量为YES时，全部数据通过串口上传至PC机中，同时该全局变量设置为NO。为了保证PC软件中的命令能够得到及时响应，这里设置串口接收中断优先级为0，外部中断优先级为1。参考文献[7-8]编写系统中的各个子程序。

图3 MCU控制程序设计流程

3.2 数据处理与显示

由于受到呼吸干扰和电极与孕妇接触的变化等因素的影响，在采集胎儿心电信号过程中往往伴随基线漂移的现象[9]。并且市电产生的50Hz及其谐波的工频干扰对胎儿心电信号的干扰非常严重，严重影响胎儿心电信号采集的质量。为此，本文设计的数据处理与显示模块主要完成对信号系统控制模块的控制功能以及对采样数据进行工频滤波、基线漂移处理后以图形的形式显示在PC机上。文献[10]能够最大程度地保留心电信号中的有用信息，本文使用其中涉及到的快速中值滤波算法抑制心电基线漂移的算法，取得很好的效果。该模块利用Microsoft VisualC++的MFCAppWizard开发用于上位机显示采集到的心电波形的对话框软件。软件的功能主要包括心电波形的显示、通信串口设定、用户输入与数据保存等，如图4～6所示。由于Windows操作系统在PC上的广泛应用以及MicrosoftVisualC++提供了功能强大的MFCAppWizard，开发人员仅需要调用一些API（application programming interface）函数就可以实现串口通信。本系统的信号处理与显示模块通过串口开启系统控制模块对信号采集模块的控制与心电数据的读取，并将采集到的心电信号进行滤波和消除基线漂移后永久保存在PC机中。

4 分析结果

为了验证上述系统的可行性，我们使用本文设计的心电采集板在广东省某武警医院进行了大量的实际测试，获取母亲腹壁上的混合胎儿信号。图7显示的是一名体态偏瘦、孕期32周的孕妇腹壁上的心电信号。从图中可以清晰地看到胎儿心电信号和母亲心电信号，这是1例典型的母亲腹壁上的心电数据。分析这些实验数据我们发现：采集到的心电信号的质量及清晰程度与很多因素有关，如孕妇的胖瘦、孕期的长短、孕妇周围环境、胎位等。

图4 数据显示

图5 通信串口设定

图6 用户输入与数据保存

5 结论

本设计通过LPC2368来控制ADS1294对母亲腹壁上胎儿心电的微弱生理信号进行采集并传输到

（▶▶▶▶）（◀◀◀◀）PC机中，能够为医务人员提供精确的胎儿心电信号，并且可以为人们尽早发现胎儿宫内缺氧等妊娠期或分娩期等病理提供依据。实验的样机仪器具有体积小、功耗低、精度高等特点。实验证明，本文中设计的胎儿心电信号采集系统能够获取临床上有价值的胎儿心电信号，为研究人员从混叠的心电信号中提取出精确的胎儿心电信号等后续信号处理工作提供了可靠的保证。

Design and implementation of FECG signal acquisition system

YAO Yong-xian1,XIE Kan1,CAIKun2
(1.School of Automation,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China; 2.College of Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)

Objective To design and implement a real-time FECG signal acquisition and displaying system based on system on chip(SoC)to eliminate the shortcomings of the traditional one in timeliness,low amplitude and high noise. Methods The command was sent to advanced RISC machine(ARM)processor from PC through USB serial port,and then recognized by ARM for the control of ADS1294 chip.The physiological signals at the maternal abdominal wall were introduced into ADS1294 chip by the standard cable.The chip transformed the analog signals into digital ones,and then the digital signals were sent to ARM by the serial peripheral interface(SPI).The data were encapsulated by ARM with fixed formation and transmitted to PC,and then the filtered signals could be displayed on PC.Results The system could acquire FECG signals from the maternal abdominal wall,and transform them into 24-bit digital signals and then stored them in PC.Conclusion The FECG monitoring system has a simple structure and high performances,and can be used in FECGmonitoring devices practically.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（8）：1-3，11]

Fetal ECG;ARM microcontroller;ADS1294

R318；R540.41

A

1003-8868（2014）08-0001-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.08.001

广东省中国科学院全面战略合作项目（2012B091100279）

尧永贤（1988—），男，研究方向为嵌入式系统的开发，E-mail：yyxian0126@126.com。

510006广州，广东工业大学自动化学院（尧永贤，谢 侃）；510642广州，华南农业大学工程学院（蔡 坤）

蔡 坤，E-mail：caikun@scau.edu.cn