新型多通道体表子宫肌电数据采集系统

2008-07-10 16:29:05来源: 电子产品世界
  引言

  本世纪初,Veit用Einthoven 氏电流计首次从体表记录了人的妊娠子宫的电活动。1950 年,Steer 和Hertsch 将这一信号定义为体表子宫电信号(eletrohyst rogram, EHG)[1]。自此之后,人们开始了对体表子宫电信号的深入研究。开始的研究兴趣集中在体表子宫电信号是否具有意义,以及时域、频域的特点上。直至1993 年,法国Compiegne 大学研究组发表综述文章,认为EHG信号能够反映肌肉纤维兴奋的原始过程,提供有关子宫肌肉活动的辅助信息,是妊娠和分娩监护的有效手段[2]。从此,转入了对体表子宫电信号的应用研究,研究人员从不同的角度尝试将其应用于临床, 提出了早产检测、宫缩次数检测等多种设想。

  在过去的几十年中,许多研究人员在体表子宫电信号的研究方面所作的大量的工作,以及取得的很多极有价值的研究成果。然而总的来说,对EHG信号的过去50年的研究还主要集中在实验研究、定性研究阶段,研究的目的在很大程度上是验证体表子宫电信号是否是子宫收缩的真实反映。此前我们曾研制了一套多导同步的体表子宫电数据采集系统,能以较高的采样率, 完成16 导联体表子宫电数据的同步采集,同时可以用Windows下的应用程序对采集到的数据进行实时或事后分析、处理和显示,为此领域的研究作出了贡献[3]。但近些年电子技术通信技术取得飞速发展,一大批高性能的新型器件应运而生,新兴的USB等通信技术逐渐占据走上电子产品的舞台。因此我们在深入研究、广泛借鉴国内外电子产品开发经验的基础上对原有系统作了重大改进。主要体现为以下几方面:(1)以性高价廉AduC847取代原有的8051单片机,充分改善智能系统整体的性能。(2)以新型的生物前置放大器代替原有的双运放放大器,使效果更佳。(3)精选AD7674、多路模拟开关ADG726、存储器ARM628128等新型的优良器件,使系统得到全面的升级。(4)将流行的USB通信技术融入系统,提高了系统的数据传输速率,为系统扩展提供了支持。(5)结合VC技术的新发展将用户界面改进得更加生动直观。

  EHG信号的特点

  子宫平滑肌的兴奋和收缩是EHG信号的表现和结果。在子宫收缩时,EHG信号表现为峰电活动较频繁的爆发波。爆发波的幅值随被试个体以及实验条件的不同差异较大,变化范围由100μv 到1.8mv。子宫电信号的频率较低,其主要频率成分集中在0~5Hz,且物种差异不大。随着产程的进展,子宫电爆发波表现为幅值升高,频率加快,每次爆发波的持续时间延长[6]。子宫电信号的主要频率成分可以分为F1 和F2 两部分(如图1 所示)[2]。F1 代表了爆发波出现的频率。在产妇分娩时,爆发波出现的最高频率是每10min3 次( F1max = 0.005Hz)。F2 又可以清楚地分为两个频率段:其一是频率为0.014~0.033Hz 的慢波,一般文献认为F1 和慢波所在频率段已经与机械伪迹混叠,不具有临床意义。其二是频率为0.1~3Hz 的快波,能够真实地代表子宫肌肉活动,无论在妊娠还是在分娩时都可以观测到,是我们所希望不失真采集到的频谱成分。

子宫电信号频谱示意图

  系统硬件部分设计

  系统硬件框图如图2所示,检测原理是16导联EHG信号经电极耦合进入16导联前置放大器后,再经放大器放大,滤波网络滤波后进入模数转换器。单片机AduC847以200Hz的采样率在定时中断内读取模数转换器的输出,送入RAM中暂存,在定时中断外与笔记本电脑进行通讯,将RAM中存储的数据不断经串口送入笔记本电脑。笔记本电脑中的应用程序由串口接收单片机发送的数据,并对其进行数据处理和显示。

系统硬件框图

  该系统能以200Hz的采样率,完成16导联体表子宫电数据的同步采集[9]。采集得到的数据以文件的形式存储在笔记本电脑的硬盘中,可以用Windows下的应用程序实时或事后对数据进行分析、处理和显示。在多导生理电信号数据采集系统的设计方面,该系统采用了新型多通道生物电前置放大器。该放大器不但具备了传统的“三运放”的优点,而且结构简单,节省器件。在系统的结构上,该系统采用了以单片机AduC847为核心的智能板卡,由单片机板上RAM的“蓄水池”的作用解决了Windows下应用程序响应消息不及时的问题。同时简化了笔记本电脑上的应用程序,使其有较充沛的资源完成后续数据处理工作[4]。

  系统配有通用串口与USB接口。使用串口在线下载调试程序,将已调试好的程序下载到ADuC847。当采样率较低时,采用串口通讯与笔记本电脑间进行数据传输;当需要较高采样率时,可以使用USB接口与笔记本电脑通讯,提高系统的数据通过率,为系统扩展提供支持。

  模拟部分设计

  ·前置放大器模块

  本文采用了一种新型的生理电信号前置放大器[7][8]。记录方式为双极输入。电路结构简单,可以在抑制直流干扰的情况下,无需刻意匹配便可以提供极高的共模抑制比。该电路由四部分构成:高通网络,并联型双运放放大器,带有积分反馈电路的高通差分放大器和共模信号取样驱动电路,电路如图3所示。这个放大电路有两个不同于以往其它生物前置放大器的特点。其一是,高通网络放在了放大电路的前端;其二是,放大电路的放大倍数都做在前级放大即并联型双运放放大器上。

  在以前的生物电前置放大器设计中,有人试图在前置放大器的输入端加上隔直电容来避免极化电压使高增益的前置放大器进入饱和状态,但由于信号源的内阻高,且两输入端不平衡,隔直电容使等共模干扰转变为差模干扰,结果适得其反,严重地损害了放大器的性能。但是在这个放大器设计中信号输入的高通网络是不接地的,如果输入一个共模电压,在网络中没有电流流过(没有共模电流的通路),高通网络中各点电位相等,不会变共模信号为差模信号,可以达到很高的共模抑制比。此外,由于生物体信号源的内阻一般较高,因此我们使用时尽可能选取大阻值的R1 、R2 ,可以比较好的满足电路需要。

  ·滤波网络模块

  为了更好的滤除高频干扰,我们设计出有源三阶低通滤波器抑制噪声。滤波网络的截止频率为25Hz。

  ·多路模拟开关模块

  本系统通过软件控制CMOS多路模拟开关ADG726来实现信号的切换,ADG726由地址译码器和多路双向模拟开关组成,通过外部地址输入,经内部经内部地址译码器译码后,接通与地址码相对应的一个开关,实现两组从16线到1线或者一组差分16线到1线的传送,

  ·模数转换模块设计

  在系统中,信号经过放大滤波,进入模数转换器。因为宫缩检测系统是多导联采集,因此需要模数转换器具有较高的采样速度。我们选用了AD7674,它是一款速度极快,低功耗,单电源供电,分辨率可达18位模数转换器(ADC),采用逐次逼近型结构。为了给用户更好的选择和平衡,AD7674有三种工作模式供选择:WARP模式、通用模式和脉冲模式。在WARP模式,数据的输出速率可高达800kSPS;在通用模式,具有很好的同步性能;而在低功耗模式,可获得极低的功耗。18位AD7674分辨率可以达到,满足了检测EHG信号的要求。

  数字部分设计

  ·新型的数据采集芯片ADuC847

  ADuC847是ADI公司新推出的高性能处理芯片,该芯片提供62K字节闪速/电擦除程序存储器,4K字节片上闪速/电擦除数据存储器和2304字节数据 RAM。

  ADuC847通过一个片内锁相环PLL 产生一个12.58 MHz高频时钟,使之运行于32 KHz 外部晶振。此时钟通过一个从MCU 核心时钟工作频率分离的可编程时钟发送。片内微控制器是一个优化的单指令周期8052 闪存MCU,在保持与8051指令系统兼容的同时,具有12.58MIPS的性能。本文设计的宫缩检测仪功能的实现得益于高性能的AduC847。图4中可见它与电路中其他主要部分的连接方式。

系统主要硬件电路图系统主要硬件电路图

系统主要硬件电路图系统主要硬件电路图

  ·数字外围电路的设计

  * 片外数据存储器628128

  ADuC847包含一个2k字节的片上外扩数据存储器。但由于需要采集量较大我们选用了CMOS芯片628128作为本系统的数据存储器。628128是128K×8位的CMOS静态RAM,其读写时间为85ns,可以与ADuC847相匹配。功耗很低,静态时为10mW,工作时为70mW,工作电压为单一+5V,三态输出。

  由于我们采用的是18位的A/D,每个数据占三个字节;16通道,200Hz采样率。因此,RAM中能够同时存放128000/3/16/200=13.3(秒)的数据,可以满足数据缓存的要求。

  * 串口在线下载调试

  与以往的80C51单片机不同,ADuC847具有在线调试和下载功能,它由支持ADuC8xx的开发工具包QuickStart开发系统来提供。也就是说,在用户系统保留ADuC847的情况下,通过开发系统与ADuC847的串行接口通信,直接对用户系统进行调试,并在调试完成后将已调试好的程序下载到ADuC847中。

  * 电源

  本系统采用蓄电池供电,其供应电压为6V,需要经过MAX603进行稳压操作,把整个采集系统的供电电压稳定在5V。

  * USB接口

  CH375是一个USB总线的通用接口芯片,支持HOST主机方式和SLAVE设备方式。在本地端,CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出,可以方便地挂接到单片机/DSP/MCU等控制器的系统总线上。在USB主机方式下,CH375还提供了串行通讯方式,通过串行输入、串行输出和中断输出与单片机/DSP/MCU 等相连接。从图4可以看出它与单片机的连接方式。

  系统软件部分设计

  系统软件可以分为两部分——数据采集卡上单片机程序和笔记本电脑上应用程序。单片机程序又可分为主程序和定时中断服务程序两部分。程序流程如图5所示。单片机定时中断服务程序主要用于完成数据的采集,即将模/数转换器的输出写入外部RAM循环队列的队尾,如图5(a)所示。单片机主程序则主要进行数据的传输,即将RAM中存储的数据从队头取出,通过串口通讯传输给笔记本电脑,如图5(b)所示。笔记本电脑上的应用程序采用的软件开发环境是Visual C++ 6.0,程序主要完成了笔记本电脑与数据采集系统间的通讯,并将传输过来的数据以二进制形式存储在硬盘中,同时提供波形显示工具将这些数据分为16个导联显示在计算机屏幕上,如图5(c)所示。

程序流程图

  结语

  本文介绍了一种新型的体表子宫电数据采集系统,详细介绍了其硬件及软件部分的设计方法,对各个组成部分作了具体讲述,并给出了硬件系统主要的接口电路图及软件流程图。整个系统结构简单,高效可靠,已应用于实验并取得可喜的效果。

  参考文献:

  1.  Casteels R, Kuriyama H. Membrane potential and ionic content in pregnant and nonpregnant rat myometrium [J]. J Physiol Lond, 1965,177:263~287

  2.  Dominique D , Catherine M , Souheil M , et al. Uterine electromyography : A critical review[J ] . Am J Obstet Gynecol ,1993 ,169 (6) :1636~1653

  3.  李刚, 姜苇, 虞启琏等.体表子宫电数据采集系统的研制及其应用[J].中国生物医学工程学报,2001,21(4):331~336

  4.  R.E.GaRField,PhD,H.Maul,MD,W.Ma ner,BS,C.Fittkow,MD,G.Olson,MD,L.Shi,MMS,and G.R.Saade,MD,Uterine Electromyography and Light-Induced Fluorescence in the Management of Term and Preterm Labor[J],Soc Gynecol Investing 2002,9(5)

  5.  William L.Maner,Robert E.Garfield,PhD,Holger Maul,MD,Gayle Olson,MD,and George Saade,MD,Predicting Term and Preterm Delivery With Transabdominal Uterine Electromyography[J],The American College of Obstricans and Gynecologists,2003 June,101(6)

  6.  Bengtsson B, Chow EMH, Marshall JM. Activity of circular muscle of rat uterus at different times in pregnancy [J]. Am J Physiol, 1984,246:216~223

  7.  EnrigueM.Spinelli,Meguel Angel Mayosky AC coupled three op-amp biopotential amplifier with active DC suppression[J].IEEE Trans Biomed Eng,2000,47(12) :1616-1619

  8.  A.C.Metting VanRijn, A.Peper, C.A.Grimbergen.Amplifiers for bioelectric events: a design with aninimal number of parts [J]. Med Biol Eng Comput 1994,32(3):305-310

  9.  吕英俊,杨雪.微弱生理信号在多通道数据采集系统中的研究与实现[J].微计算机信息,2005,21(07S):110~112

关键字:数据采集  采样  通信  智能  单片机

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2008/0710/article_104.html
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