1  引  言

胎兒心電(FetalElectrocardiogram，F(xiàn)ECG)是反映胎兒心臟電生理活動(dòng)的一項(xiàng)客觀指標(biāo)，反映了胎兒在孕期中的生長(zhǎng)和健康狀況。對(duì)圍產(chǎn)期的胎兒心電提取及分析可以確定胎兒心率、胎兒心臟功能參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)胎兒宮內(nèi)缺氧等妊娠期或分娩期的病理情況，以便盡早采取措施，保證胎兒健康.但是，由于測(cè)量得到的原始信號(hào)成分非常復(fù)雜，干擾嚴(yán)重，胎兒心電信號(hào)被淹沒(méi)在強(qiáng)背景噪聲中(尤其是母體心電干擾)，從而使其對(duì)胎兒心電的提取造成很大困難。因此，研究如何準(zhǔn)確、有效地從孕婦腹壁電極中提取胎兒心電信號(hào)的方法具有重要的理論價(jià)值和臨床應(yīng)用價(jià)值。

胎兒受孕期生理現(xiàn)象及生物電信號(hào)的特殊影響,母體腹部記錄的胎兒心電信號(hào)相當(dāng)微弱,幾乎被淹沒(méi)在強(qiáng)烈的噪聲中,胎兒心電與母親心電（MECG)在時(shí)域和頻域上重疊,且具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和非平穩(wěn)性,用何種方法來(lái)消除干擾,提取胎心電波形，獲得無(wú)損的胎兒心電信號(hào)是問(wèn)題的關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用基于ARM核的32位低功耗微處理器S3C44B0X作為核心，配合電極，高放大倍數(shù)放大器和高共模抑制比的放大電路，獲取實(shí)時(shí)母嬰心電信號(hào)；在嵌入式操作系統(tǒng)uC/OS-Ⅱ下，對(duì)從母體上得到的混雜信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)胎兒心電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集分離與顯示，從而獲得單一的、噪聲干擾小的胎兒心電信號(hào)。
2  系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理

基于S3C44B0X為核心的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理如下：首先通過(guò)醫(yī)用Ag-AgCl電極分別獲取母體胸部和腹部混合心電信號(hào)，信號(hào)調(diào)理電路對(duì)生物電信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，然后A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)而通過(guò)32位微處理器對(duì)采集過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法分離，實(shí)時(shí)顯示胎兒PQRS波形并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS) µC/OS-Ⅱ協(xié)調(diào)各功能模塊工作，使系統(tǒng)具有很高的實(shí)時(shí)性和可靠性。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3  硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)調(diào)理

信號(hào)調(diào)理主要包括導(dǎo)聯(lián)部分，前置放大電路，基線漂移穩(wěn)定電路，帶通濾波、陷波電路及后級(jí)放大電路，隔離電路，框圖如圖2所示。

由于胎兒心電信號(hào)十分微弱,一般幾十微伏到幾百微伏之間，而且在檢測(cè)生物電信號(hào)的同時(shí)存在著強(qiáng)大的干擾,這對(duì)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)提出了很高的要求 
。本方案設(shè)計(jì)采用共有7個(gè)的電極：兩個(gè)母體胸部導(dǎo)聯(lián)電極，作為分離出胎兒心電的參考電極；兩個(gè)腹部母胎混合導(dǎo)聯(lián)電極，用來(lái)采集母親和胎兒混合心電信號(hào)；一個(gè)公共端電極，作為胸部和腹部導(dǎo)聯(lián)電極的公共端；其余兩個(gè)接地電極，作為接地端。干擾源主要有以50Hz的工頻干擾以及導(dǎo)聯(lián)線與皮膚接觸形成的極化電壓。工頻干擾主要以共模形式存在,幅值可達(dá)幾伏甚至幾十伏,抑制這種干擾的目的主要是提高整個(gè)電路的共模抑制比；極化電壓是由于測(cè)量電極與生物體之間構(gòu)成化學(xué)半電池而產(chǎn)生的直流電壓,最大可達(dá)300mV。本系統(tǒng)采用AD公司儀表放大器AD620作為系統(tǒng)的前置放大器，輸人阻抗高、失調(diào)溫漂小、共模抑制比高、輸入噪聲小。AD620放大倍數(shù)G由單一電阻Rg決定，增益公式G=1+（49.4 kΩ/Rg)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，前置放大倍數(shù)一般在6~10倍，防止前置放大電路出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。利用集成運(yùn)算放大器OP90輸出反饋到AD620引腳5，防止基線漂移。由于胎兒心電信號(hào)主要集中在0.05~100Hz頻段，在前置放大電路之前設(shè)計(jì)一個(gè)限幅電路和無(wú)源低通濾波器，前者防止肌電脈沖對(duì)前置放大電路破壞，后者有效去除各種高頻干擾。然而50 Hz工頻干擾和35Hz肌電干擾仍存在于頻帶之內(nèi)，通常采用專用陷波電路進(jìn)行處理，但由于模擬器件本身的特性不可能實(shí)現(xiàn)理想的狀態(tài)，加上胎兒心電信號(hào)微弱，可能濾掉部分有用信號(hào)，為此本系統(tǒng)采用軟件濾波的方法。后級(jí)放大電路主要用集成運(yùn)算放大器OP90，可以設(shè)置增益量程。隔離電路主要為防止人體安全，實(shí)現(xiàn)與電氣設(shè)備的隔離，與此同時(shí)，為了避免通道間由于共同接地而形成閉合環(huán)流，在各通道進(jìn)入A/D之前需要進(jìn)行隔離，考慮到噪聲的關(guān)系，將隔離電路放在放大器后，對(duì)放大后的大信號(hào)進(jìn)行隔離，可以大大減少隔離放大器引入的噪聲。該部分電路核心為1片開(kāi)關(guān)電容耦合式隔離放大器ISO124，其隔離電阻高達(dá) Ω以上，隔離電容僅有幾個(gè)pF，非線性度小于0.01%，這也是其他方法，如光電隔離所無(wú)可比擬的。采用DC-DC模塊使其前后級(jí)間電源獨(dú)立供電，并特別采用π型濾波以減弱DC-DC的紋波干擾。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電容工作機(jī)理的關(guān)系，開(kāi)關(guān)電容式隔離放大器都會(huì)在輸出端疊加有內(nèi)部開(kāi)關(guān)時(shí)鐘頻率的紋波干擾。為了減少這一干擾，在隔離放大器之后加入一級(jí)二階低通有源濾波器，用以濾除開(kāi)關(guān)頻率500 kHz的干擾。具體電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。[!--empirenews.page--]

3.2  A/D采集與控制

考慮到胎兒心電信號(hào)數(shù)據(jù)采集量很大，實(shí)時(shí)性要求高，同時(shí)為了保證數(shù)據(jù)流動(dòng)的連續(xù)性，系統(tǒng)專門(mén)設(shè)置C8051F020片上系統(tǒng)為核心的數(shù)據(jù)采集模塊，通過(guò)一雙端口RAM，將采集來(lái)的數(shù)據(jù)傳送到嵌入式主控處理器，該主控處理器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)管理和控制，主要完成系統(tǒng)的設(shè)置、指揮指令的下達(dá)、系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)保存等。采用C8051F020特點(diǎn)如下：運(yùn)算速度快；片內(nèi)集成了多通道12位和8位A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率100 ksps；具有64 K B的Flash存儲(chǔ)器,4KB內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM以及外部64 KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口等。雙端口RAM采用的是IDT公司的先進(jìn)先出（FIFO）存貯器芯片IDT7134芯片，緩存容量為8KB，接口方便，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.3 嵌入式微控制器ARM單元

整個(gè)目標(biāo)平臺(tái)以S3C44B0X處理器為核心，由于數(shù)據(jù)量大，本系統(tǒng)擴(kuò)展了容量為2MByte Flash器件SST39VF160，用來(lái)下載啟動(dòng)系統(tǒng)及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化的程序BIOS，嵌入式操作系統(tǒng)µC/OS-Ⅱ，圖形界面系統(tǒng)µC/GUI及應(yīng)用程序，F(xiàn)lash ROM映射在S3C44B0X的Bank 0上；系統(tǒng)上電時(shí)處理器從Flash ROM的0x0000000地址處取指令開(kāi)始運(yùn)行[1] ；64MByte SDRAM芯片HY57V641620HG，系統(tǒng)啟動(dòng)后BIOS把應(yīng)用程序搬移到SDRAM中運(yùn)行，SDRAM還開(kāi)辟出一部分充當(dāng)LCD顯示緩沖區(qū)(顯存)，其余部分用來(lái)存儲(chǔ)臨時(shí)數(shù)據(jù)、堆棧等，SDRAM映射在S3C44B0X的Bank 6上，也就是OxC000000地址處；320×240彩色LCD顯示屏，提供良好的人機(jī)交互界面，由S3C44B0X自帶的LCD控制器驅(qū)動(dòng)；4×4鍵盤(pán)，對(duì)整個(gè)終端進(jìn)行操作和控制。

4  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括：µC/OS-Ⅱ在S3C44B0X上的移植，胎兒心電數(shù)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，LCD顯示以及鍵盤(pán)程序。本系統(tǒng)采用可重入代碼編譯器EmbestIDE Pro for ARM。

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4.1  µC/OS-Ⅱ在S3C44BOX上的移植

µC/OS-Ⅱ是源代碼公開(kāi)的嵌入式操作系統(tǒng)，是基于優(yōu)先級(jí)的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，代碼采用ANSIC編寫(xiě)，具有很強(qiáng)的可移植性和較好的可裁剪性。µC/OS-Ⅱ提供了實(shí)時(shí)系統(tǒng)所需的基本功能包括任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間的通信與同步及內(nèi)存管理等，總是執(zhí)行處于就緒條件下優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，最多可以管理64個(gè)任務(wù)，它把連續(xù)的大塊內(nèi)存按分區(qū)來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，可以有效地解決內(nèi)存碎片的問(wèn)題。在移植過(guò)程中只需對(duì)與處理器相關(guān)的一些代碼進(jìn)行修改，包括：

(1)處理器頭文件OS_ CPU.H ，其中包括了用#define定義的與處理器相關(guān)的變量、宏和定義類型；

(2)在OS_CPU_A.ASM中編寫(xiě)4個(gè)簡(jiǎn)單的匯編語(yǔ)言函數(shù)：OSStartHighRdy()，OSCtxSw()，OSIntCtxSw()和OSTickISR()，分別用于啟動(dòng)當(dāng)前就緒的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)、任務(wù)間的切換，從ISR中執(zhí)行切換功能以及時(shí)鐘節(jié)拍ISR功能；

(3)在OS_ CPU_C. C中編寫(xiě)任務(wù)堆棧初始化函數(shù)OSTaskStInit()和5個(gè)必須聲明但不需包含代碼的HOOK（）函數(shù)。

4.2  應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

根據(jù)胎兒心電采集系統(tǒng)的特性.將系統(tǒng)主要任務(wù)劃分如下:系統(tǒng)監(jiān)控任務(wù)(優(yōu)先級(jí)4),按鍵掃描任務(wù)(優(yōu)先級(jí)5)，LCD顯示刷新任務(wù)(優(yōu)先級(jí)6)、存儲(chǔ)任務(wù)(優(yōu)先級(jí)7)，優(yōu)先級(jí)0,1,2,3保留以供系統(tǒng)使用。系統(tǒng)初始化以后，µC/OS-Ⅱ根據(jù)優(yōu)先級(jí)和就緒狀態(tài)對(duì)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度和執(zhí)行。初始化工作包括初始化所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、分配堆?？臻g、建立任務(wù)及任務(wù)間通信的信號(hào)量、消息隊(duì)列和優(yōu)先級(jí)。在運(yùn)行OSStart()函數(shù)后，最先運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最高的系統(tǒng)監(jiān)控任務(wù)，查詢其他任務(wù)是否向其發(fā)送消息.如果沒(méi)有則將監(jiān)控任務(wù)掛起。此時(shí)，鍵盤(pán)掃描任務(wù)從就緒態(tài)切換到運(yùn)行態(tài)。該任務(wù)執(zhí)行完畢，如果檢測(cè)到有按鍵操作，則向響應(yīng)任務(wù)發(fā)送消息，使它們進(jìn)入就緒態(tài)，同時(shí)向監(jiān)控任務(wù)發(fā)送消息以示此任務(wù)工作正常，并且調(diào)用延時(shí)函數(shù)OSTimedly()使該任務(wù)進(jìn)入掛起態(tài)。由于監(jiān)控任務(wù)收到消息，將再次進(jìn)入運(yùn)行態(tài)，重新查詢其他被監(jiān)視任務(wù)的運(yùn)行信息，沒(méi)有則進(jìn)入掛起態(tài)。此時(shí)其他處于就緒態(tài)中優(yōu)先級(jí)相對(duì)較高的任務(wù)開(kāi)始執(zhí)行。當(dāng)鍵盤(pán)延時(shí)時(shí)間到，系統(tǒng)內(nèi)核自動(dòng)將該任務(wù)轉(zhuǎn)入就緒態(tài)。如果在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)異常，監(jiān)控任務(wù)將按照設(shè)定處理表對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)處理.使系統(tǒng)順利運(yùn)行。

5結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的胎兒心電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在Embest S3CEV4O開(kāi)發(fā)板的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和實(shí)驗(yàn)，充分利用其本身提供的硬件資源，在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)µC/OS-Ⅱ基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，顯示與存儲(chǔ)胎兒心電數(shù)據(jù)。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：合理有效設(shè)計(jì)胎兒心電信號(hào)提取電路，結(jié)合ARM微處理器自身的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行算法分離，具有良好的工程意義。