1  引  言

胎兒心電(FetalElectrocardiogram，F(xiàn)ECG)是反映胎兒心臟電生理活動的一項客觀指標(biāo)，反映了胎兒在孕期中的生長和健康狀況。對圍產(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，由于測量得到的原始信號成分非常復(fù)雜，干擾嚴(yán)重，胎兒心電信號被淹沒在強(qiáng)背景噪聲中(尤其是母體心電干擾)，從而使其對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的方法具有重要的理論價值和臨床應(yīng)用價值。

胎兒受孕期生理現(xiàn)象及生物電信號的特殊影響,母體腹部記錄的胎兒心電信號相當(dāng)微弱,幾乎被淹沒在強(qiáng)烈的噪聲中,胎兒心電與母親心電（MECG)在時域和頻域上重疊,且具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和非平穩(wěn)性,用何種方法來消除干擾,提取胎心電波形，獲得無損的胎兒心電信號是問題的關(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，獲取實時母嬰心電信號；在嵌入式操作系統(tǒng)uC/OS-Ⅱ下，對從母體上得到的混雜信號進(jìn)行處理，實現(xiàn)胎兒心電信號的數(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。
2  系統(tǒng)設(shè)計及工作原理

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：首先通過醫(yī)用Ag-AgCl電極分別獲取母體胸部和腹部混合心電信號，信號調(diào)理電路對生物電信號進(jìn)行放大和濾波，然后A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)而通過32位微處理器對采集過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法分離，實時顯示胎兒PQRS波形并存儲數(shù)據(jù)；嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS) µC/OS-Ⅱ協(xié)調(diào)各功能模塊工作，使系統(tǒng)具有很高的實時性和可靠性。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3  硬件電路設(shè)計

3.1 信號調(diào)理

信號調(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、陷波電路及后級放大電路，隔離電路，框圖如圖2所示。

由于胎兒心電信號十分微弱,一般幾十微伏到幾百微伏之間，而且在檢測生物電信號的同時存在著強(qiáng)大的干擾,這對調(diào)理電路的設(shè)計提出了很高的要求 
。本方案設(shè)計采用共有7個的電極：兩個母體胸部導(dǎo)聯(lián)電極，作為分離出胎兒心電的參考電極；兩個腹部母胎混合導(dǎo)聯(lián)電極，用來采集母親和胎兒混合心電信號；一個公共端電極，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電路的共模抑制比；極化電壓是由于測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，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。由于胎兒心電信號主要集中在0.05~100Hz頻段，在前置放大電路之前設(shè)計一個限幅電路和無源低通濾波器，前者防止肌電脈沖對前置放大電路破壞，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現(xiàn)理想的狀態(tài)，加上胎兒心電信號微弱，可能濾掉部分有用信號，為此本系統(tǒng)采用軟件濾波的方法。后級放大電路主要用集成運算放大器OP90，可以設(shè)置增益量程。隔離電路主要為防止人體安全，實現(xiàn)與電氣設(shè)備的隔離，與此同時，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，對放大后的大信號進(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pF，非線性度小于0.01%，這也是其他方法，如光電隔離所無可比擬的。采用DC-DC模塊使其前后級間電源獨立供電，并特別采用π型濾波以減弱DC-DC的紋波干擾。因為開關(guān)電容工作機(jī)理的關(guān)系，開關(guān)電容式隔離放大器都會在輸出端疊加有內(nèi)部開關(guān)時鐘頻率的紋波干擾。為了減少這一干擾，在隔離放大器之后加入一級二階低通有源濾波器，用以濾除開關(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數(shù)據(jù)采集量很大，實時性要求高，同時為了保證數(shù)據(jù)流動的連續(xù)性，系統(tǒng)專門設(shè)置C8051F020片上系統(tǒng)為核心的數(shù)據(jù)采集模塊，通過一雙端口RAM，將采集來的數(shù)據(jù)傳送到嵌入式主控處理器，該主控處理器對整個系統(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，數(shù)據(jù)保存等。采用C8051F020特點如下：運算速度快；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存儲器,4KB內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM以及外部64 KB數(shù)據(jù)存儲器接口等。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

整個目標(biāo)平臺以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，用來下載啟動系統(tǒng)及對系統(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)上電時處理器從Flash ROM的0x0000000地址處取指令開始運行[1] ；64MByte SDRAM芯片HY57V641620HG，系統(tǒng)啟動后BIOS把應(yīng)用程序搬移到SDRAM中運行，SDRAM還開辟出一部分充當(dāng)LCD顯示緩沖區(qū)(顯存)，其余部分用來存儲臨時數(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；4×4鍵盤，對整個終端進(jìn)行操作和控制。

4  系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括：µC/OS-Ⅱ在S3C44B0X上的移植，胎兒心電數(shù)數(shù)據(jù)采集和存儲，LCD顯示以及鍵盤程序。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是源代碼公開的嵌入式操作系統(tǒng)，是基于優(yōu)先級的搶占式實時多任務(wù)內(nèi)核，代碼采用ANSIC編寫，具有很強(qiáng)的可移植性和較好的可裁剪性。µC/OS-Ⅱ提供了實時系統(tǒng)所需的基本功能包括任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時間管理、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)先級最高的任務(wù)，最多可以管理64個任務(wù)，它把連續(xù)的大塊內(nèi)存按分區(qū)來進(jìn)行動態(tài)管理，可以有效地解決內(nèi)存碎片的問題。在移植過程中只需對與處理器相關(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4個簡單的匯編語言函數(shù)：OSStartHighRdy()，OSCtxSw()，OSIntCtxSw()和OSTickISR()，分別用于啟動當(dāng)前就緒的優(yōu)先級最高的任務(wù)、任務(wù)間的切換，從ISR中執(zhí)行切換功能以及時鐘節(jié)拍ISR功能；

(3)在OS_ CPU_C. C中編寫任務(wù)堆棧初始化函數(shù)OSTaskStInit()和5個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

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4),按鍵掃描任務(wù)(優(yōu)先級5)，LCD顯示刷新任務(wù)(優(yōu)先級6)、存儲任務(wù)(優(yōu)先級7)，優(yōu)先級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)先級和就緒狀態(tài)對任務(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)間通信的信號量、消息隊列和優(yōu)先級。在運行OSStart()函數(shù)后，最先運行優(yōu)先級最高的系統(tǒng)監(jiān)控任務(wù)，查詢其他任務(wù)是否向其發(fā)送消息.如果沒有則將監(jiān)控任務(wù)掛起。此時，鍵盤掃描任務(wù)從就緒態(tài)切換到運行態(tài)。該任務(wù)執(zhí)行完畢，如果檢測到有按鍵操作，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)入運行態(tài)，重新查詢其他被監(jiān)視任務(wù)的運行信息，沒有則進(jìn)入掛起態(tài)。此時其他處于就緒態(tài)中優(yōu)先級相對較高的任務(wù)開始執(zhí)行。當(dāng)鍵盤延時時間到，系統(tǒng)內(nèi)核自動將該任務(wù)轉(zhuǎn)入就緒態(tài)。如果在運行過程中出現(xiàn)異常，監(jiān)控任務(wù)將按照設(shè)定處理表對其進(jìn)行相應(yīng)處理.使系統(tǒng)順利運行。

5結(jié)束語

本文設(shè)計的胎兒心電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在Embest S3CEV4O開發(fā)板的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和實驗，充分利用其本身提供的硬件資源，在實時操作系統(tǒng)µC/OS-Ⅱ基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)，顯示與存儲胎兒心電數(shù)據(jù)。

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