基于MEMS的无创胎心检测方法
一、概述
检测胎儿心率是一项技术性很强的工作，由于胎儿心率很快，在每分钟l20～160次之间，用传统的听诊器甚至只有放大作用的超声多普勒仪，用人工计数很难测量准确。而具有数字显示功能的超声多普勒胎心监护仪，价格昂贵，仅为少数大医院使用，在中、小型医院及广大的农村地区无法普及。此外，超声振动波作用于胎儿，会对胎儿产生很大的不利作用 尽管检测剂量很低，也属于有损探测范畴，不适于经常性、重复性的检查及家庭使用。
本项目基于vti公司的sca600c13h1g型mems加速度传感器，提出一种无创胎心检测方法，研制出一种简单易学、直观准确的介于胎心听诊器和多普勒胎儿监护仪之间的临床诊断和孕妇自检的医疗辅助仪器。
二、 sca600c13h1g
sca600c13h1g硅电容式加速度传感器是由单晶硅和玻璃制成。这种设计能够保证，随着时问和温度的变化，产品具有很好的可靠性、准确性和稳定性。它的电容检测原理简单而且可靠，是基于两个平行板间距的变化来测量的。一对平行板间的电容和电荷存储量取决于平行板间的间距和板面积。 产品的密封结构降低了封装要求。微粒或化学物质不能进入传感器内，从而保证了产品的可靠性。 产品的双电容器结构和对称性设计改善了产品的零点稳定性、线性度和横向灵敏度。通常，温度系数小于0.05fs/~c，横向灵敏度小于3%。这种新型传感器有如下特点;紧凑的结构，低功耗，可靠性好，性能优异。
vti的加速度传感器是基于已经得到证明的3d-mems技术制作的。三维微电子机械系统(3d-mems )，是各种技术的创新性组合，可以将硅加工成三维结构，其封装和触点便于安装和装配，用这种技术制作的传感器具有极好的精度、极小的尺寸和极低的功耗。一个高级的传感器仅由一小片硅就能制作出来，并能测量三个互相垂直方向的加速度。
三、系统工作原理与组成
本传感器系统的工作原理如图1所示 通过加速度传感器将胎儿心率转换成模拟电压信号，经前置放大用的仪器放大器实现差值放大。然后进行滤波等一系列中间信号处理，用a/d转换器将模拟电压信号转换成数字信号。通过光隔离器件输入到8051单片机进行分析处理，最后输出处理结果
1、前置放大电路
前置放大器主要考虑噪声、输入阻抗和共模抑制比这三项的影响。
2、信号处理电路
母体中胎儿心率信号是属于强噪声干扰下的低频微弱信号，由于其非常微弱，只有微伏级，同时干扰又很大，因此有效信号往往会被淹没。干扰信号一般包括高频的电磁干扰、50hz工频干扰以及母体中的其它干扰源等。工频干扰主要以共模信号的形式存在，通常幅值可达几伏。母体中的干扰信号和胎儿心率信号的频率也不相重叠。能够根据胎儿心率信号主要集中在7ohz～l10hz范围之内的特点，设计了一款针对性强、性能优越、稳定可靠的胎儿心率信号处理电路，如图2所示。
中间信号处理电路分为带通选频电路、二级放大电路、50hz陷波器和增益调节电路四部分。带通选频电路用状态变量滤波器作为带通滤波器，通带的最大范围设定为50hz;--140hz如图3所示。这种滤波器有三个好处：适当选择元件数值。可使品质因数q和中心频率无关; 和q对元件参数很不灵敏;q只可以很高(可和高q值有源带通滤波器相媲美)。
二级放大电路在结构上和增益调节电路类似。都是由运放接成电压负反馈的形式。前者进行信号的放大，而后者控制整体电路的增益，最大可达120db。其结构示意图如图4所示。运用电压串联负反馈结构。其优点是结构简单，具有如下不可替代的优越的性能：
二级放大及增益调节电路
(1)输入等效阻抗， j=(1 ，输出等效阻抗小，ro=rod(i+af)，其中， fd运放的输入阻抗， 为输出阻抗。不仅完成了信号的放大作用，而且还起到了缓冲器的作用。有效地隔离了前后级的模块，不用额外增加阻抗变换器和匹配模块;
(2)电容c53的使用使整个模块具有了低通的功能，不仅可以去除信号中的高频干扰，还由于其超前补偿作用，对有效信号中的高频部分进行了相位补偿。通过合理的设计，电路频率段的相位将变化平缓。
图5所示为50hz工频陷波器采用典型的有源双t陷
3、a/d转换和光电耦合电路
传感器出来的信号是模拟电压信号。需要经过a/d 转换变成数字信号，才能送到805l单片进行处理 为了保证安全以及防止模拟和数字电路之间的干扰，光电隔离电路也是一个必不可少的模块。如图6所示。
4、mcu信号处理
mcu对信号的处理主要是对从a/d 转换器传来的数据进行数据分析和计算胎儿心率值。设计一个基于小波变换的自适应滤波器，能够更好的对信号进行处理，从中提取我们需要的信号。
mcu采用atmel公司的at89c205l，与液晶显示器的连接电路如图7所示。
该单片机是采用高性能的静态80c51设计。由先进cmos工艺制造并带有非易失性flash程序存储器。全部支持l2时钟和6时钟操作。at89e205包含128字节ram、16条i/o口线、2个16位定时/计数器、5输入2优先级嵌套中断结构、1个串行i/o 口可用于多机通信i/o扩展或全双工uart以及片内振荡器和时钟电路。
此外，由于器件采用了静态设计，可提供很宽的操作频率范围(频率可降至0)。可实现两个由软件选择的节电模式—— 空闲模式和掉电模式。空闲模式冻结cpu，但ram、定时器、串口和中断系统仍然工作。掉电模式保存ram 的内容，但是冻结振荡器，导致所有其它的片内功能停止工作。由于设计是静态的，时钟可停止而不会丢失用户数据。运行可从时钟停止处恢复。
5、显示电路
设计使用的是ylf12232f液晶显示器。ylf12232f是一种内置8192个1616点汉字库和128个16*8点ascii字符集图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器/列驱动器及128×32全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示7.5×2个(16×16点阵)汉字与外部cpu接口采用串行方式控制的一款胎心监护仪器。
四、结束语
基于mems加速度传感器设计的胎儿心率检测仪在适当改进后能够以此为终端，做一个远程胎心监护系统。医院端的中央信号采集分析监护主机给出自动分析结果，医生对该结果进行诊断，如果有问题及时通知孕妇到医院来。该技术有利于孕妇随时检查胎儿的状况，有利于胎儿和孕妇的健康。
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检测胎儿心率是一项技术性很强的工作，由于胎儿心率很快，在每分钟l20～160次之间，用传统的听诊器甚至只有放大作用的超声多普勒仪，用人工计数很难测量准确。而具有数字显示功能的超声多普勒胎心监护仪，价格昂贵，仅为少数大医院使用，在中、小型医院及广大的农村地区无法普及。此外，超声振动波作用于胎儿，会对胎儿产生很大的不利作用 尽管检测剂量很低，也属于有损探测范畴，不适于经常性、重复性的检查及家庭使用。
本项目基于vti公司的sca600c13h1g型mems加速度传感器，提出一种无创胎心检测方法，研制出一种简单易学、直观准确的介于胎心听诊器和多普勒胎儿监护仪之间的临床诊断和孕妇自检的医疗辅助仪器。
二、 sca600c13h1g
sca600c13h1g硅电容式加速度传感器是由单晶硅和玻璃制成。这种设计能够保证，随着时问和温度的变化，产品具有很好的可靠性、准确性和稳定性。它的电容检测原理简单而且可靠，是基于两个平行板间距的变化来测量的。一对平行板间的电容和电荷存储量取决于平行板间的间距和板面积。 产品的密封结构降低了封装要求。微粒或化学物质不能进入传感器内，从而保证了产品的可靠性。 产品的双电容器结构和对称性设计改善了产品的零点稳定性、线性度和横向灵敏度。通常，温度系数小于0.05fs/~c，横向灵敏度小于3%。这种新型传感器有如下特点;紧凑的结构，低功耗，可靠性好，性能优异。
vti的加速度传感器是基于已经得到证明的3d-mems技术制作的。三维微电子机械系统(3d-mems )，是各种技术的创新性组合，可以将硅加工成三维结构，其封装和触点便于安装和装配，用这种技术制作的传感器具有极好的精度、极小的尺寸和极低的功耗。一个高级的传感器仅由一小片硅就能制作出来，并能测量三个互相垂直方向的加速度。
三、系统工作原理与组成
本传感器系统的工作原理如图1所示 通过加速度传感器将胎儿心率转换成模拟电压信号，经前置放大用的仪器放大器实现差值放大。然后进行滤波等一系列中间信号处理，用a/d转换器将模拟电压信号转换成数字信号。通过光隔离器件输入到8051单片机进行分析处理，最后输出处理结果
1、前置放大电路
前置放大器主要考虑噪声、输入阻抗和共模抑制比这三项的影响。
2、信号处理电路
母体中胎儿心率信号是属于强噪声干扰下的低频微弱信号，由于其非常微弱，只有微伏级，同时干扰又很大，因此有效信号往往会被淹没。干扰信号一般包括高频的电磁干扰、50hz工频干扰以及母体中的其它干扰源等。工频干扰主要以共模信号的形式存在，通常幅值可达几伏。母体中的干扰信号和胎儿心率信号的频率也不相重叠。能够根据胎儿心率信号主要集中在7ohz～l10hz范围之内的特点，设计了一款针对性强、性能优越、稳定可靠的胎儿心率信号处理电路，如图2所示。
中间信号处理电路分为带通选频电路、二级放大电路、50hz陷波器和增益调节电路四部分。带通选频电路用状态变量滤波器作为带通滤波器，通带的最大范围设定为50hz;--140hz如图3所示。这种滤波器有三个好处：适当选择元件数值。可使品质因数q和中心频率无关; 和q对元件参数很不灵敏;q只可以很高(可和高q值有源带通滤波器相媲美)。
二级放大电路在结构上和增益调节电路类似。都是由运放接成电压负反馈的形式。前者进行信号的放大，而后者控制整体电路的增益，最大可达120db。其结构示意图如图4所示。运用电压串联负反馈结构。其优点是结构简单，具有如下不可替代的优越的性能：
二级放大及增益调节电路
(1)输入等效阻抗， j=(1 ，输出等效阻抗小，ro=rod(i+af)，其中， fd运放的输入阻抗， 为输出阻抗。不仅完成了信号的放大作用，而且还起到了缓冲器的作用。有效地隔离了前后级的模块，不用额外增加阻抗变换器和匹配模块;
(2)电容c53的使用使整个模块具有了低通的功能，不仅可以去除信号中的高频干扰，还由于其超前补偿作用，对有效信号中的高频部分进行了相位补偿。通过合理的设计，电路频率段的相位将变化平缓。
图5所示为50hz工频陷波器采用典型的有源双t陷
3、a/d转换和光电耦合电路
传感器出来的信号是模拟电压信号。需要经过a/d 转换变成数字信号，才能送到805l单片进行处理 为了保证安全以及防止模拟和数字电路之间的干扰，光电隔离电路也是一个必不可少的模块。如图6所示。
4、mcu信号处理
mcu对信号的处理主要是对从a/d 转换器传来的数据进行数据分析和计算胎儿心率值。设计一个基于小波变换的自适应滤波器，能够更好的对信号进行处理，从中提取我们需要的信号。
mcu采用atmel公司的at89c205l，与液晶显示器的连接电路如图7所示。
该单片机是采用高性能的静态80c51设计。由先进cmos工艺制造并带有非易失性flash程序存储器。全部支持l2时钟和6时钟操作。at89e205包含128字节ram、16条i/o口线、2个16位定时/计数器、5输入2优先级嵌套中断结构、1个串行i/o 口可用于多机通信i/o扩展或全双工uart以及片内振荡器和时钟电路。
此外，由于器件采用了静态设计，可提供很宽的操作频率范围(频率可降至0)。可实现两个由软件选择的节电模式—— 空闲模式和掉电模式。空闲模式冻结cpu，但ram、定时器、串口和中断系统仍然工作。掉电模式保存ram 的内容，但是冻结振荡器，导致所有其它的片内功能停止工作。由于设计是静态的，时钟可停止而不会丢失用户数据。运行可从时钟停止处恢复。
5、显示电路
设计使用的是ylf12232f液晶显示器。ylf12232f是一种内置8192个1616点汉字库和128个16*8点ascii字符集图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器/列驱动器及128×32全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示7.5×2个(16×16点阵)汉字与外部cpu接口采用串行方式控制的一款胎心监护仪器。
四、结束语
基于mems加速度传感器设计的胎儿心率检测仪在适当改进后能够以此为终端，做一个远程胎心监护系统。医院端的中央信号采集分析监护主机给出自动分析结果，医生对该结果进行诊断，如果有问题及时通知孕妇到医院来。该技术有利于孕妇随时检查胎儿的状况，有利于胎儿和孕妇的健康。
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