基于ADS1299的胎心監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

裴宗喬 袁 林 賀 壯 鞠文博

（成都信息工程大學(xué)，四川 成都 610225）

圍產(chǎn)期胎兒的致死率隨著孕周的增加而升高[1]，每年估計(jì)有400萬圍產(chǎn)兒和新生兒死亡，其中中低收入國家圍產(chǎn)兒死亡率占全部圍產(chǎn)兒死亡率的98%，由于中低收入國家醫(yī)療設(shè)施的缺乏，這個(gè)數(shù)字可能更高[2]?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)證明，妊娠高血壓、胎盤臍帶因數(shù)、身體過于勞累等，都有可能造成胎兒窘迫。胎兒缺氧不僅會(huì)影響胎兒正常生長發(fā)育，甚至對(duì)胎兒的生命安全產(chǎn)生威脅，是產(chǎn)生新生兒后遺癥的最主要誘因[3]。有文獻(xiàn)指出，圍產(chǎn)兒死亡高危因素為：窒息(6.3 %)、臍帶扭轉(zhuǎn)(5.8 %)、臍帶纏繞(5.8 %)。所以，在婦女孕期實(shí)施胎心監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)孕婦產(chǎn)前篩查、防止并發(fā)癥發(fā)生，不僅可有效提高產(chǎn)婦及圍產(chǎn)兒的生存幾率，而且是減小圍產(chǎn)兒死亡率的重要措施[4]。

1 總體設(shè)計(jì)

為達(dá)到減小系統(tǒng)體積和功耗的目的，將采集前端中各種元器件包括放大器、濾波器、控制器等都集成到一個(gè)片上系統(tǒng)(SoC)上，全電路主要由前端模擬芯片ADS1299、單片機(jī)（MCU）、低功耗藍(lán)牙BLE5.0 等組成。因?yàn)樘バ碾娦盘?hào)都屬于微弱信號(hào)，在采集過程中容易被母體信號(hào)所淹沒，并且干擾噪聲多、信噪比低，所以硬件采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。良好的電路設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)功能提供關(guān)鍵的保障，也為后面算法能正常運(yùn)行而打下基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)硬件電路過程中，需對(duì)芯片選型、PCB布局等細(xì)節(jié)進(jìn)行把控和優(yōu)化。本系統(tǒng)通過主控芯片將采集到的信號(hào)通過藍(lán)牙傳輸?shù)綐漭?，將?shù)據(jù)存儲(chǔ)到樹莓派中。此硬件系統(tǒng)包含胎心電采集電路設(shè)計(jì)、供電電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)控制電路、藍(lán)牙傳輸電路等。硬件設(shè)計(jì)總體框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 胎心電采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

胎心電具有易受干擾、非線性、非平穩(wěn)、微弱等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的方式很難采集到胎心電，在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)時(shí)需要嚴(yán)格的要求，設(shè)計(jì)電路中包含的要求有：

2.1.1 采樣率范圍，成人ECG頻率范圍主要分布在0.05 Hz～100Hz，胎兒ECG頻率范圍可達(dá)200Hz，所以采樣率至少為400Hz。

2.1.2 高輸入阻容抗，F(xiàn)ECG信號(hào)傳導(dǎo)從心臟外壁到組織液，再到真皮、表皮，這就等效于幾個(gè)串聯(lián)的電容及電阻，且阻容抗還和一些外界因數(shù)有關(guān)，如電極的類型、貼合位置、皮膚的濕潤程度及清潔度等有關(guān)。采集的阻容抗將直接影響采集結(jié)果，阻容抗小會(huì)導(dǎo)致采集到心電信號(hào)損失嚴(yán)重。

2.1.3 增益，采集的心電信號(hào)只有在被放大的情況下，才容易被發(fā)現(xiàn)觀察，其放大的倍數(shù)與ADC采樣的分辨率直接相關(guān)。

2.1.4 低噪聲，在電子元器件中固有熱噪聲和散粒噪聲，且這都屬于白噪聲，通過選用低噪聲的元器件來降低噪聲。

2.2 采集電路設(shè)計(jì)

TI公司的ADS1299是8路低噪音同時(shí)取樣的24位的delta-sigmaADC，內(nèi)置并可編程了增益放大器（PGA），基準(zhǔn)電壓狀語從句：振蕩器，集成了腦電圖（EEG）所需的通用特性。器件具有非常低的輸入?yún)⒖荚肼暎?.0 μVPP（70-HzBW），沒路的功率5mW，輸入電壓電流300pA，數(shù)據(jù)速率250SPS到16kSPS，C1.0 μVPP（70-HzBW），CMMR為-110dB，衰 減 增 益 為1，2，4，6，8，12或24，單極或雙極電源工作，主要用于醫(yī)療儀器如EEG和ECG，聽覺誘發(fā)電位（EAP），腦電雙頻譜指數(shù)（BIS），睡眠研究監(jiān)測(cè)等，高級(jí)多路信號(hào)采集[5]。其功能布局如圖2所示。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的胎心電采集電路如圖3所示。

圖2 ADS1299功能布局

圖3 胎心電采集電路

2.3 MCU控制功能

由胎心電采集模塊的選定，使得MCU的選型有了一些限制，如此主控芯片需支持SPI協(xié)議，具備12位ADC，支持DMA傳輸協(xié)議等。目前，主控芯片，包括MCU（STM32、MSP430、C51）、ARM、DSP和FPGA，根據(jù)自身對(duì)芯片的熟悉程度，及芯片本身所具備的特點(diǎn)和功能的考慮，最終選擇了STM32F405RG作為主控芯片。STM32F103RG是一款帶有32位Cortex-M4內(nèi)核CPU的ARM，并具備自適應(yīng)實(shí)時(shí)加速器，允許0等待從閃存中執(zhí)行程序，其系統(tǒng)時(shí)鐘高達(dá)168MHz。

2.4 電源管理

本文采用TP4054作為鋰電池充電管理芯片，其封裝格式是SOT，滿足穿戴式設(shè)備小巧的特點(diǎn)，且內(nèi)部采用了PMOSFET架構(gòu)，可以在不連接外部檢測(cè)電阻的情況下，防止反向充電。TP4054可通過充電電流的大小對(duì)芯片的溫度進(jìn)行控制，可在溫度條件惡劣的環(huán)境下使用[6]。

2.5 穩(wěn)壓電路

整個(gè)系統(tǒng)電路需要的供電電壓是3.3 V，而鋰電池滿狀態(tài)時(shí)的輸出電壓是3.7 V，無法滿足相關(guān)電路供電要求，所以在這里需要使用穩(wěn)壓電路來進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用了FP6291穩(wěn)壓芯片，F(xiàn)P6291是一塊在恒流模式穩(wěn)壓的芯片，適合于3～4.2 V的鋰電池，且內(nèi)部還有高節(jié)能的MOSFET電路，使得此穩(wěn)壓芯片功耗很小。由于FP6291采用了SOT23-6的封裝結(jié)構(gòu)，且只需外接一個(gè)小型貼片即可使用，這使得其成品體積比較小，符合便攜式設(shè)備的要求。除此之外，F(xiàn)P6291還可配置過流、欠壓等保護(hù)，并可對(duì)其最大電流值進(jìn)行調(diào)節(jié)，其電流值范圍是0.5 ～2.5 A，且還可通過軟啟動(dòng)來減少浪涌電流[6]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容主要是通過主控模塊對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，其中包塊SPI，定時(shí)器中斷、串口、GPIO初始化等。ADS1299采集芯片的初始化和數(shù)據(jù)的傳輸都是通過SPI進(jìn)行的。通過SPI將胎心電信號(hào)采集到MCU中，然后在MCU中進(jìn)行數(shù)據(jù)的基本格式轉(zhuǎn)換及幀數(shù)據(jù)封裝，然后通過藍(lán)牙模塊將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到樹莓派中；而在樹莓派中完成簡單的格式轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)操作。樹莓派和下位機(jī)MCU之間通過藍(lán)牙4.2 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，需兩者都滿足藍(lán)牙傳輸協(xié)議。單片機(jī)程序利用ST公司提供的庫文件，在keil5MDK軟件進(jìn)行開發(fā)，而樹莓派程序則是基于Python3.6，在PythonIDE上進(jìn)行開發(fā)，軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果：

目前設(shè)備已經(jīng)完成樣機(jī)調(diào)試，調(diào)試發(fā)現(xiàn)該設(shè)備可以準(zhǔn)確采集到胎心電，可以將微弱的生理信號(hào)實(shí)現(xiàn)放大和上位機(jī)顯示；醫(yī)生可以通過上位機(jī)波形查看電極貼是否貼合正確和母體胎兒心電是否正常；圖5為胎心電信號(hào)。

圖5 胎心電信號(hào)

4 結(jié)論

本系統(tǒng)利用一款高增益、低噪聲、多通道的的ADS1299設(shè)計(jì)了一款便攜式的胎心電檢測(cè)裝置。該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)胎心電的采集、濾波放大、儲(chǔ)存。能夠有效的減少孕婦長期使用多普勒胎心監(jiān)護(hù)儀的風(fēng)險(xiǎn)，讓孕婦在家或者工作地也能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)胎心率，掌握胎兒的身體狀況。且采集并存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可用于后期的大數(shù)據(jù)分析，讓我們更好的了解一些胎兒高危并發(fā)癥的病因及病種，這對(duì)臨床提早預(yù)防和治療疾病大有裨益。