多通道體表子宮肌電(EHG)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

引言

本世紀(jì)初，Veit用Einthoven 氏電流計(jì)首次從體表記錄了人的妊娠子宮的電活動(dòng)。1950 年，Steer 和Hertsch 將這一信號(hào)定義為體表子宮電信號(hào)(eletrohyst rogram, EHG)[1]。自此之后，人們開始了對(duì)體表子宮電信號(hào)的深入研究。開始的研究興趣集中在體表子宮電信號(hào)是否具有意義，以及時(shí)域、頻域的特點(diǎn)上。直至1993 年，法國Compiegne 大學(xué)研究組發(fā)表綜述文章，認(rèn)為EHG信號(hào)能夠反映肌肉纖維興奮的原始過程，提供有關(guān)子宮肌肉活動(dòng)的輔助信息，是妊娠和分娩監(jiān)護(hù)的有效手段[2]。從此，轉(zhuǎn)入了對(duì)體表子宮電信號(hào)的應(yīng)用研究，研究人員從不同的角度嘗試將其應(yīng)用于臨床， 提出了早產(chǎn)檢測、宮縮次數(shù)檢測等多種設(shè)想。

在過去的幾十年中，許多研究人員在體表子宮電信號(hào)的研究方面所作的大量的工作，以及取得的很多極有價(jià)值的研究成果。然而總的來說，對(duì)EHG信號(hào)的過去50年的研究還主要集中在實(shí)驗(yàn)研究、定性研究階段，研究的目的在很大程度上是驗(yàn)證體表子宮電信號(hào)是否是子宮收縮的真實(shí)反映。此前我們?cè)兄屏艘惶锥鄬?dǎo)同步的體表子宮電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能以較高的采樣率，完成16 導(dǎo)聯(lián)體表子宮電數(shù)據(jù)的同步采集，同時(shí)可以用Windows下的應(yīng)用程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)或事后分析、處理和顯示，為此領(lǐng)域的研究作出了貢獻(xiàn)[3]。但近些年電子技術(shù)通信技術(shù)取得飛速發(fā)展，一大批高性能的新型器件應(yīng)運(yùn)而生，新興的USB等通信技術(shù)逐漸占據(jù)走上電子產(chǎn)品的舞臺(tái)。因此我們?cè)谏钊胙芯?、廣泛借鑒國內(nèi)外電子產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)原有系統(tǒng)作了重大改進(jìn)。主要體現(xiàn)為以下幾方面：(1)以性高價(jià)廉AduC847取代原有的8051單片機(jī)，充分改善智能系統(tǒng)整體的性能。(2)以新型的生物前置放大器代替原有的雙運(yùn)放放大器，使效果更佳。(3)精選AD7674、多路模擬開關(guān)ADG726、存儲(chǔ)器ARM628128等新型的優(yōu)良器件，使系統(tǒng)得到全面的升級(jí)。(4)將流行的USB通信技術(shù)融入系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，為系統(tǒng)擴(kuò)展提供了支持。(5)結(jié)合VC技術(shù)的新發(fā)展將用戶界面改進(jìn)得更加生動(dòng)直觀。

EHG信號(hào)的特點(diǎn)

子宮平滑肌的興奮和收縮是EHG信號(hào)的表現(xiàn)和結(jié)果。在子宮收縮時(shí)，EHG信號(hào)表現(xiàn)為峰電活動(dòng)較頻繁的爆發(fā)波。爆發(fā)波的幅值隨被試個(gè)體以及實(shí)驗(yàn)條件的不同差異較大，變化范圍由100μv 到1.8mv。子宮電信號(hào)的頻率較低，其主要頻率成分集中在0～5Hz，且物種差異不大。隨著產(chǎn)程的進(jìn)展，子宮電爆發(fā)波表現(xiàn)為幅值升高，頻率加快，每次爆發(fā)波的持續(xù)時(shí)間延長[6]。子宮電信號(hào)的主要頻率成分可以分為F1 和F2 兩部分(如圖1 所示)[2]。F1 代表了爆發(fā)波出現(xiàn)的頻率。在產(chǎn)婦分娩時(shí)，爆發(fā)波出現(xiàn)的最高頻率是每10min3 次( F1max = 0.005Hz)。F2 又可以清楚地分為兩個(gè)頻率段:其一是頻率為0.014～0.033Hz 的慢波，一般文獻(xiàn)認(rèn)為F1 和慢波所在頻率段已經(jīng)與機(jī)械偽跡混疊，不具有臨床意義。其二是頻率為0.1～3Hz 的快波，能夠真實(shí)地代表子宮肌肉活動(dòng)，無論在妊娠還是在分娩時(shí)都可以觀測到，是我們所希望不失真采集到的頻譜成分。

系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示，檢測原理是16導(dǎo)聯(lián)EHG信號(hào)經(jīng)電極耦合進(jìn)入16導(dǎo)聯(lián)前置放大器后，再經(jīng)放大器放大，濾波網(wǎng)絡(luò)濾波后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器。單片機(jī)AduC847以200Hz的采樣率在定時(shí)中斷內(nèi)讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出，送入RAM中暫存，在定時(shí)中斷外與筆記本電腦進(jìn)行通訊，將RAM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不斷經(jīng)串口送入筆記本電腦。筆記本電腦中的應(yīng)用程序由串口接收單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。

該系統(tǒng)能以200Hz的采樣率，完成16導(dǎo)聯(lián)體表子宮電數(shù)據(jù)的同步采集[9]。采集得到的數(shù)據(jù)以文件的形式存儲(chǔ)在筆記本電腦的硬盤中，可以用Windows下的應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)或事后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和顯示。在多導(dǎo)生理電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面，該系統(tǒng)采用了新型多通道生物電前置放大器。該放大器不但具備了傳統(tǒng)的“三運(yùn)放”的優(yōu)點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省器件。在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上，該系統(tǒng)采用了以單片機(jī)AduC847為核心的智能板卡，由單片機(jī)板上RAM的“蓄水池”的作用解決了Windows下應(yīng)用程序響應(yīng)消息不及時(shí)的問題。同時(shí)簡化了筆記本電腦上的應(yīng)用程序，使其有較充沛的資源完成后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作[4]。

系統(tǒng)配有通用串口與USB接口。使用串口在線下載調(diào)試程序，將已調(diào)試好的程序下載到ADuC847。當(dāng)采樣率較低時(shí)，采用串口通訊與筆記本電腦間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)需要較高采樣率時(shí)，可以使用USB接口與筆記本電腦通訊，提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過率，為系統(tǒng)擴(kuò)展提供支持。

模擬部分設(shè)計(jì)

前置放大器模塊

本文采用了一種新型的生理電信號(hào)前置放大器[7][8]。記錄方式為雙極輸入。電路結(jié)構(gòu)簡單，可以在抑制直流干擾的情況下，無需刻意匹配便可以提供極高的共模抑制比。該電路由四部分構(gòu)成：高通網(wǎng)絡(luò)，并聯(lián)型雙運(yùn)放放大器，帶有積分反饋電路的高通差分放大器和共模信號(hào)取樣驅(qū)動(dòng)電路，電路如圖3所示。這個(gè)放大電路有兩個(gè)不同于以往其它生物前置放大器的特點(diǎn)。其一是，高通網(wǎng)絡(luò)放在了放大電路的前端；其二是，放大電路的放大倍數(shù)都做在前級(jí)放大即并聯(lián)型雙運(yùn)放放大器上。

在以前的生物電前置放大器設(shè)計(jì)中，有人試圖在前置放大器的輸入端加上隔直電容來避免極化電壓使高增益的前置放大器進(jìn)入飽和狀態(tài)，但由于信號(hào)源的內(nèi)阻高，且兩輸入端不平衡，隔直電容使等共模干擾轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅８蓴_，結(jié)果適得其反，嚴(yán)重地?fù)p害了放大器的性能。但是在這個(gè)放大器設(shè)計(jì)中信號(hào)輸入的高通網(wǎng)絡(luò)是不接地的，如果輸入一個(gè)共模電壓，在網(wǎng)絡(luò)中沒有電流流過(沒有共模電流的通路)，高通網(wǎng)絡(luò)中各點(diǎn)電位相等，不會(huì)變共模信號(hào)為差模信號(hào)，可以達(dá)到很高的共模抑制比。此外，由于生物體信號(hào)源的內(nèi)阻一般較高，因此我們使用時(shí)盡可能選取大阻值的R1 、R2 ，可以比較好的滿足電路需要。

濾波網(wǎng)絡(luò)模塊

為了更好的濾除高頻干擾，我們?cè)O(shè)計(jì)出有源三階低通濾波器抑制噪聲。濾波網(wǎng)絡(luò)的截止頻率為25Hz。

多路模擬開關(guān)模塊

本系統(tǒng)通過軟件控制CMOS多路模擬開關(guān)ADG726來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的切換，ADG726由地址譯碼器和多路雙向模擬開關(guān)組成，通過外部地址輸入，經(jīng)內(nèi)部經(jīng)內(nèi)部地址譯碼器譯碼后，接通與地址碼相對(duì)應(yīng)的一個(gè)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)兩組從16線到1線或者一組差分16線到1線的傳送，

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)中，信號(hào)經(jīng)過放大濾波，進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器。因?yàn)閷m縮檢測系統(tǒng)是多導(dǎo)聯(lián)采集，因此需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有較高的采樣速度。我們選用了AD7674，它是一款速度極快，低功耗，單電源供電，分辨率可達(dá)18位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，采用逐次逼近型結(jié)構(gòu)。為了給用戶更好的選擇和平衡，AD7674有三種工作模式供選擇：WARP模式、通用模式和脈沖模式。在WARP模式，數(shù)據(jù)的輸出速率可高達(dá)800kSPS；在通用模式，具有很好的同步性能；而在低功耗模式，可獲得極低的功耗。18位AD7674分辨率可以達(dá)到，滿足了檢測EHG信號(hào)的要求。

數(shù)字部分設(shè)計(jì)

新型的數(shù)據(jù)采集芯片ADuC847

ADuC847是ADI公司新推出的高性能處理芯片，該芯片提供62K字節(jié)閃速/電擦除程序存儲(chǔ)器，4K字節(jié)片上閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和2304字節(jié)數(shù)據(jù) RAM。

ADuC847通過一個(gè)片內(nèi)鎖相環(huán)PLL 產(chǎn)生一個(gè)12.58 MHz高頻時(shí)鐘，使之運(yùn)行于32 KHz 外部晶振。此時(shí)鐘通過一個(gè)從MCU核心時(shí)鐘工作頻率分離的可編程時(shí)鐘發(fā)送。片內(nèi)微控制器是一個(gè)優(yōu)化的單指令周期8052 閃存MCU，在保持與8051指令系統(tǒng)兼容的同時(shí)，具有12.58MIPS的性能。本文設(shè)計(jì)的宮縮檢測儀功能的實(shí)現(xiàn)得益于高性能的AduC847。圖4中可見它與電路中其他主要部分的連接方式。

數(shù)字外圍電路的設(shè)計(jì)

* 片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器628128

ADuC847包含一個(gè)2k字節(jié)的片上外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。但由于需要采集量較大我們選用了CMOS芯片628128作為本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。628128是128K×8位的CMOS靜態(tài)RAM，其讀寫時(shí)間為85ns，可以與ADuC847相匹配。功耗很低，靜態(tài)時(shí)為10mW，工作時(shí)為70mW，工作電壓為單一+5V，三態(tài)輸出。

由于我們采用的是18位的A/D，每個(gè)數(shù)據(jù)占三個(gè)字節(jié)；16通道，200Hz采樣率。因此，RAM中能夠同時(shí)存放128000/3/16/200=13.3(秒)的數(shù)據(jù)，可以滿足數(shù)據(jù)緩存的要求。

* 串口在線下載調(diào)試

與以往的80C51單片機(jī)不同，ADuC847具有在線調(diào)試和下載功能，它由支持ADuC8xx的開發(fā)工具包QuickStart開發(fā)系統(tǒng)來提供。也就是說，在用戶系統(tǒng)保留ADuC847的情況下，通過開發(fā)系統(tǒng)與ADuC847的串行接口通信，直接對(duì)用戶系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，并在調(diào)試完成后將已調(diào)試好的程序下載到ADuC847中。

* 電源

本系統(tǒng)采用蓄電池供電，其供應(yīng)電壓為6V，需要經(jīng)過MAX603進(jìn)行穩(wěn)壓操作，把整個(gè)采集系統(tǒng)的供電電壓穩(wěn)定在5V。

* USB接口

CH375是一個(gè)USB總線的通用接口芯片，支持HOST主機(jī)方式和SLAVE設(shè)備方式。在本地端，CH375具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機(jī)/DSP/MCU等控制器的系統(tǒng)總線上。在USB主機(jī)方式下，CH375還提供了串行通訊方式，通過串行輸入、串行輸出和中斷輸出與單片機(jī)/DSP/MCU 等相連接。從圖4可以看出它與單片機(jī)的連接方式。

系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件可以分為兩部分——數(shù)據(jù)采集卡上單片機(jī)程序和筆記本電腦上應(yīng)用程序。單片機(jī)程序又可分為主程序和定時(shí)中斷服務(wù)程序兩部分。程序流程如圖5所示。單片機(jī)定時(shí)中斷服務(wù)程序主要用于完成數(shù)據(jù)的采集，即將模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出寫入外部RAM循環(huán)隊(duì)列的隊(duì)尾，如圖5(a)所示。單片機(jī)主程序則主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，即將RAM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)從隊(duì)頭取出，通過串口通訊傳輸給筆記本電腦，如圖5(b)所示。筆記本電腦上的應(yīng)用程序采用的軟件開發(fā)環(huán)境是Visual C++ 6.0，程序主要完成了筆記本電腦與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)間的通訊，并將傳輸過來的數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)在硬盤中，同時(shí)提供波形顯示工具將這些數(shù)據(jù)分為16個(gè)導(dǎo)聯(lián)顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，如圖5(c)所示。

結(jié)語

本文介紹了一種新型的體表子宮電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了其硬件及軟件部分的設(shè)計(jì)方法，對(duì)各個(gè)組成部分作了具體講述，并給出了硬件系統(tǒng)主要的接口電路圖及軟件流程圖。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，高效可靠，已應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)并取得可喜的效果。