基于MEMS傳感器的胎兒心率檢測儀

一、概述

目前國際上已把婦幼保健指標(biāo)作為衡量社會(huì)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的敏感指標(biāo)。我國規(guī)定的體現(xiàn)小康水平的健康指標(biāo)、人均期望壽命、嬰兒死亡率、孕產(chǎn)婦死亡率等指標(biāo)都大部分需要通過婦幼保健來實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在醫(yī)院常規(guī)的產(chǎn)前檢查包括測胎心、胎位、量血壓、稱體重、測腹圍和宮底高度等。其中檢測胎兒心率是一項(xiàng)技術(shù)性很強(qiáng)的工作，由于胎兒心率很快，在每分鐘l20～160次之間，用傳統(tǒng)的聽診器甚至只有放大作用的超聲多普勒儀，用人工計(jì)數(shù)很難測量準(zhǔn)確。而具有數(shù)字顯示功能的超聲多普勒胎心監(jiān)護(hù)儀，價(jià)格昂貴，僅為少數(shù)大醫(yī)院使用，在中、小型醫(yī)院及廣大的農(nóng)村地區(qū)無法普及。此外，超聲振動(dòng)波作用于胎兒，會(huì)對(duì)胎兒產(chǎn)生很大的不利作用盡管檢測劑量很低，也屬于有損探測范疇，不適于經(jīng)常性、重復(fù)性的檢查及家庭使用。

本項(xiàng)目基于VTI公司的SCA600C13H1G型MEMS加速度傳感器，提出一種無創(chuàng)胎心檢測方法，研制出一種簡單易學(xué)、直觀準(zhǔn)確的介于胎心聽診器和多普勒胎兒監(jiān)護(hù)儀之間的臨床診斷和孕婦自檢的醫(yī)療輔助儀器。

二、SCA600C13H1G

SCA600C13H1G硅電容式加速度傳感器是由單晶硅和玻璃制成。這種設(shè)計(jì)能夠保證，隨著時(shí)問和溫度的變化，產(chǎn)品具有很好的可靠性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。它的電容檢測原理簡單而且可靠，是基于兩個(gè)平行板間距的變化來測量的。一對(duì)平行板間的電容和電荷存儲(chǔ)量取決于平行板間的間距和板面積。產(chǎn)品的密封結(jié)構(gòu)降低了封裝要求。微?；蚧瘜W(xué)物質(zhì)不能進(jìn)入傳感器內(nèi)，從而保證了產(chǎn)品的可靠性。產(chǎn)品的雙電容器結(jié)構(gòu)和對(duì)稱性設(shè)計(jì)改善了產(chǎn)品的零點(diǎn)穩(wěn)定性、線性度和橫向靈敏度。通常，溫度系數(shù)小于0．05FS／~C，橫向靈敏度小于3％。這種新型傳感器有如下特點(diǎn)；緊湊的結(jié)構(gòu)，低功耗，可靠性好，性能優(yōu)異。

VTI的加速度傳感器是基于已經(jīng)得到證明的3D-MEMS技術(shù)制作的。三維微電子機(jī)械系統(tǒng)(3D-MEMS)，是各種技術(shù)的創(chuàng)新性組合，可以將硅加工成三維結(jié)構(gòu)，其封裝和觸點(diǎn)便于安裝和裝配，用這種技術(shù)制作的傳感器具有極好的精度、極小的尺寸和極低的功耗。一個(gè)高級(jí)的傳感器僅由一小片硅就能制作出來，并能測量三個(gè)互相垂直方向的加速度。

三、系統(tǒng)工作原理與組成

本傳感器系統(tǒng)的工作原理如圖1所示通過加速度傳感器將胎兒心率轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，經(jīng)前置放大用的儀器放大器實(shí)現(xiàn)差值放大。然后進(jìn)行濾波等一系列中間信號(hào)處理，用A／D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。通過光隔離器件輸入到8051單片機(jī)進(jìn)行分析處理，最后輸出處理結(jié)果


系統(tǒng)方框圖

1、前置放大電路

前置放大器主要考慮噪聲、輸入阻抗和共模抑制比這三項(xiàng)的影響。

2、信號(hào)處理電路

母體中胎兒心率信號(hào)是屬于強(qiáng)噪聲干擾下的低頻微弱信號(hào)，由于其非常微弱，只有微伏級(jí)，同時(shí)干擾又很大，因此有效信號(hào)往往會(huì)被淹沒。干擾信號(hào)一般包括高頻的電磁干擾、50Hz工頻干擾以及母體中的其它干擾源等。工頻干擾主要以共模信號(hào)的形式存在，通常幅值可達(dá)幾伏。母體中的干擾信號(hào)和胎兒心率信號(hào)的頻率也不相重疊。能夠根據(jù)胎兒心率信號(hào)主要集中在7OHz～l10Hz范圍之內(nèi)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款針對(duì)性強(qiáng)、性能優(yōu)越、穩(wěn)定可靠的胎兒心率信號(hào)處理電路，如圖2所示。


中間信號(hào)處理電路

中間信號(hào)處理電路分為帶通選頻電路、二級(jí)放大電路、50Hz陷波器和增益調(diào)節(jié)電路四部分。帶通選頻電路用狀態(tài)變量濾波器作為帶通濾波器，通帶的最大范圍設(shè)定為50Hz；--140Hz如圖3所示。這種濾波器有三個(gè)好處：適當(dāng)選擇元件數(shù)值。可使品質(zhì)因數(shù)Q和中心頻率無關(guān)；和Q對(duì)元件參數(shù)很不靈敏；Q只可以很高(可和高Q值有源帶通濾波器相媲美)。

狀態(tài)變量濾波器

二級(jí)放大電路在結(jié)構(gòu)上和增益調(diào)節(jié)電路類似。都是由運(yùn)放接成電壓負(fù)反饋的形式。前者進(jìn)行信號(hào)的放大，而后者控制整體電路的增益，最大可達(dá)120dB。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。運(yùn)用電壓串聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，具有如下不可替代的優(yōu)越的性能：



二級(jí)放大及增益調(diào)節(jié)電路

(1)輸入等效阻抗，j=(1，輸出等效阻抗小，Ro=Rod(I+AF)，其中，fd運(yùn)放的輸入阻抗，為輸出阻抗。不僅完成了信號(hào)的放大作用，而且還起到了緩沖器的作用。有效地隔離了前后級(jí)的模塊，不用額外增加阻抗變換器和匹配模塊；

(2)電容C53的使用使整個(gè)模塊具有了低通的功能，不僅可以去除信號(hào)中的高頻干擾，還由于其超前補(bǔ)償作用，對(duì)有效信號(hào)中的高頻部分進(jìn)行了相位補(bǔ)償。通過合理的設(shè)計(jì)，電路頻率段的相位將變化平緩。

圖5所示為50Hz工頻陷波器采用典型的有源雙T陷


陷波電路

3、A／D轉(zhuǎn)換和光電耦合電路

傳感器出來的信號(hào)是模擬電壓信號(hào)。需要經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)，才能送到805l單片進(jìn)行處理為了保證安全以及防止模擬和數(shù)字電路之間的干擾，光電隔離電路也是一個(gè)必不可少的模塊。如圖6所示。



4、MCU信號(hào)處理

MCU對(duì)信號(hào)的處理主要是對(duì)從A／D轉(zhuǎn)換器傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和計(jì)算胎兒心率值。設(shè)計(jì)一個(gè)基于小波變換的自適應(yīng)濾波器，能夠更好的對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，從中提取我們需要的信號(hào)。

MCU采用atmel公司的AT89C205l，與液晶顯示器的連接電路如圖7所示。


ＭＣＥ與液晶顯示器的連接電路圖

該單片機(jī)是采用高性能的靜態(tài)80C51設(shè)計(jì)。由先進(jìn)CMOS工藝制造并帶有非易失性Flash程序存儲(chǔ)器。全部支持l2時(shí)鐘和6時(shí)鐘操作。AT89e205包含128字節(jié)RAM、16條I／O口線、2個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器、5輸入2優(yōu)先級(jí)嵌套中斷結(jié)構(gòu)、1個(gè)串行I／O口可用于多機(jī)通信I／O擴(kuò)展或全雙工UART以及片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。

此外，由于器件采用了靜態(tài)設(shè)計(jì)，可提供很寬的操作頻率范圍(頻率可降至0)?？蓪?shí)現(xiàn)兩個(gè)由軟件選擇的節(jié)電模式——空閑模式和掉電模式?？臻e模式凍結(jié)CPU，但RAM、定時(shí)器、串口和中斷系統(tǒng)仍然工作。掉電模式保存RAM的內(nèi)容，但是凍結(jié)振蕩器，導(dǎo)致所有其它的片內(nèi)功能停止工作。由于設(shè)計(jì)是靜態(tài)的，時(shí)鐘可停止而不會(huì)丟失用戶數(shù)據(jù)。運(yùn)行可從時(shí)鐘停止處恢復(fù)。

5、顯示電路

設(shè)計(jì)使用的是YLF12232F液晶顯示器。YLF12232F是一種內(nèi)置8192個(gè)1616點(diǎn)漢字庫和128個(gè)16*8點(diǎn)ASCII字符集圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動(dòng)器／列驅(qū)動(dòng)器及128×32全點(diǎn)陣液晶顯示器組成。可完成圖形顯示，也可以顯示7．5×2個(gè)(16×16點(diǎn)陣)漢字與外部CPU接口采用串行方式控制的一款胎心監(jiān)護(hù)儀器。

圖8是采用新型MEMS加速度傳感器設(shè)計(jì)



五、結(jié)束語

基于MEMS加速度傳感器設(shè)計(jì)的胎兒心率檢測儀。對(duì)這類儀器而言，最重要的就是如何出去干擾和噪聲。從中提取我們需要的信號(hào)。隨著技術(shù)的發(fā)展，儀器也越來越小型化、便攜化。并且在適當(dāng)改進(jìn)后能夠以此為終端，做一個(gè)遠(yuǎn)程胎心監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。它是把目前的常規(guī)胎心監(jiān)護(hù)和計(jì)算機(jī)，電話通訊相結(jié)合，運(yùn)用上述胎心檢測儀，電話機(jī)和醫(yī)院的中央信號(hào)采集分析監(jiān)護(hù)主機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)。醫(yī)院端的中央信號(hào)采集分析監(jiān)護(hù)主機(jī)給出自動(dòng)分析結(jié)果，醫(yī)生對(duì)該結(jié)果進(jìn)行診斷，如果有問題及時(shí)通知孕婦到醫(yī)院來。該技術(shù)有利于孕婦隨時(shí)檢查胎兒的狀況，有利于胎兒和孕婦的健康。