新型多通道體表子宮肌電(EHG)數據采集系統(tǒng)

　　引言

　　本世紀初，Veit用Einthoven 氏電流計首次從體表記錄了人的妊娠子宮的電活動。1950 年，Steer 和Hertsch 將這一信號定義為體表子宮電信號(eletrohyst rogram, EHG)[1]。自此之后，人們開始了對體表子宮電信號的深入研究。開始的研究興趣集中在體表子宮電信號是否具有意義，以及時域、頻域的特點上。直至1993 年，法國Compiegne 大學研究組發(fā)表綜述文章，認為EHG信號能夠反映肌肉纖維興奮的原始過程，提供有關子宮肌肉活動的輔助信息，是妊娠和分娩監(jiān)護的有效手段[2]。從此，轉入了對體表子宮電信號的應用研究，研究人員從不同的角度嘗試將其應用于臨床， 提出了早產檢測、宮縮次數檢測等多種設想。

　　在過去的幾十年中，許多研究人員在體表子宮電信號的研究方面所作的大量的工作，以及取得的很多極有價值的研究成果。然而總的來說，對EHG信號的過去50年的研究還主要集中在實驗研究、定性研究階段，研究的目的在很大程度上是驗證體表子宮電信號是否是子宮收縮的真實反映。此前我們曾研制了一套多導同步的體表子宮電數據采集系統(tǒng)，能以較高的采樣率， 完成16 導聯體表子宮電數據的同步采集，同時可以用Windows下的應用程序對采集到的數據進行實時或事后分析、處理和顯示，為此領域的研究作出了貢獻[3]。但近些年電子技術通信技術取得飛速發(fā)展，一大批高性能的新型器件應運而生，新興的USB等通信技術逐漸占據走上電子產品的舞臺。因此我們在深入研究、廣泛借鑒國內外電子產品開發(fā)經驗的基礎上對原有系統(tǒng)作了重大改進。主要體現為以下幾方面：(1)以性高價廉AduC847取代原有的8051單片機，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放放大器，使效果更佳。(3)精選AD7674、多路模擬開關ADG726、存儲器ARM628128等新型的優(yōu)良器件，使系統(tǒng)得到全面的升級。(4)將流行的USB通信技術融入系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的數據傳輸速率，為系統(tǒng)擴展提供了支持。(5)結合VC技術的新發(fā)展將用戶界面改進得更加生動直觀。

　　EHG信號的特點

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

　　系統(tǒng)硬件部分設計

　　系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示，檢測原理是16導聯EHG信號經電極耦合進入16導聯前置放大器后，再經放大器放大，濾波網絡濾波后進入模數轉換器。單片機AduC847以200Hz的采樣率在定時中斷內讀取模數轉換器的輸出，送入RAM中暫存，在定時中斷外與筆記本電腦進行通訊，將RAM中存儲的數據不斷經串口送入筆記本電腦。筆記本電腦中的應用程序由串口接收單片機發(fā)送的數據，并對其進行數據處理和顯示。

　　該系統(tǒng)能以200Hz的采樣率，完成16導聯體表子宮電數據的同步采集[9]。采集得到的數據以文件的形式存儲在筆記本電腦的硬盤中，可以用Windows下的應用程序實時或事后對數據進行分析、處理和顯示。在多導生理電信號數據采集系統(tǒng)的設計方面，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“三運放”的優(yōu)點，而且結構簡單，節(jié)省器件。在系統(tǒng)的結構上，該系統(tǒng)采用了以單片機AduC847為核心的智能板卡，由單片機板上RAM的“蓄水池”的作用解決了Windows下應用程序響應消息不及時的問題。同時簡化了筆記本電腦上的應用程序，使其有較充沛的資源完成后續(xù)數據處理工作[4]。

　　系統(tǒng)配有通用串口與USB接口。使用串口在線下載調試程序，將已調試好的程序下載到ADuC847。當采樣率較低時，采用串口通訊與筆記本電腦間進行數據傳輸；當需要較高采樣率時，可以使用USB接口與筆記本電腦通訊，提高系統(tǒng)的數據通過率，為系統(tǒng)擴展提供支持。

　　模擬部分設計

　　·前置放大器模塊

　　本文采用了一種新型的生理電信號前置放大器[7][8]。記錄方式為雙極輸入。電路結構簡單，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。該電路由四部分構成：高通網絡，并聯型雙運放放大器，帶有積分反饋電路的高通差分放大器和共模信號取樣驅動電路，電路如圖3所示。這個放大電路有兩個不同于以往其它生物前置放大器的特點。其一是，高通網絡放在了放大電路的前端；其二是，放大電路的放大倍數都做在前級放大即并聯型雙運放放大器上。

　　在以前的生物電前置放大器設計中，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入飽和狀態(tài)，但由于信號源的內阻高，且兩輸入端不平衡，隔直電容使等共模干擾轉變?yōu)椴钅８蓴_，結果適得其反，嚴重地損害了放大器的性能。但是在這個放大器設計中信號輸入的高通網絡是不接地的，如果輸入一個共模電壓，在網絡中沒有電流流過(沒有共模電流的通路)，高通網絡中各點電位相等，不會變共模信號為差模信號，可以達到很高的共模抑制比。此外，由于生物體信號源的內阻一般較高，因此我們使用時盡可能選取大阻值的R1 、R2 ，可以比較好的滿足電路需要。

　　·濾波網絡模塊

　　為了更好的濾除高頻干擾，我們設計出有源三階低通濾波器抑制噪聲。濾波網絡的截止頻率為25Hz。

　　·多路模擬開關模塊

　　本系統(tǒng)通過軟件控制CMOS多路模擬開關ADG726來實現信號的切換，ADG726由地址譯碼器和多路雙向模擬開關組成，通過外部地址輸入，經內部經內部地址譯碼器譯碼后，接通與地址碼相對應的一個開關，實現兩組從16線到1線或者一組差分16線到1線的傳送，

　　·模數轉換模塊設計

　　在系統(tǒng)中，信號經過放大濾波，進入模數轉換器。因為宮縮檢測系統(tǒng)是多導聯采集，因此需要模數轉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18位模數轉換器(ADC)，采用逐次逼近型結構。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，數據的輸出速率可高達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分辨率可以達到，滿足了檢測EHG信號的要求。

　　數字部分設計

　　·新型的數據采集芯片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/電擦除程序存儲器，4K字節(jié)片上閃速/電擦除數據存儲器和2304字節(jié)數據 RAM。

　　ADuC847通過一個片內鎖相環(huán)PLL 產生一個12.58 MHz高頻時鐘，使之運行于32 KHz 外部晶振。此時鐘通過一個從MCU 核心時鐘工作頻率分離的可編程時鐘發(fā)送。片內微控制器是一個優(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，具有12.58MIPS的性能。本文設計的宮縮檢測儀功能的實現得益于高性能的AduC847。圖4中可見它與電路中其他主要部分的連接方式。

　　·數字外圍電路的設計

　　* 片外數據存儲器628128

　　ADuC847包含一個2k字節(jié)的片上外擴數據存儲器。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)的數據存儲器。628128是128K×8位的CMOS靜態(tài)RAM，其讀寫時間為85ns，可以與ADuC847相匹配。功耗很低，靜態(tài)時為10mW，工作時為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，每個數據占三個字節(jié)；16通道，200Hz采樣率。因此，RAM中能夠同時存放128000/3/16/200=13.3(秒)的數據，可以滿足數據緩存的要求。

　　* 串口在線下載調試

　　與以往的80C51單片機不同，ADuC847具有在線調試和下載功能，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，直接對用戶系統(tǒng)進行調試，并在調試完成后將已調試好的程序下載到ADuC847中。

　　* 電源

　　本系統(tǒng)采用蓄電池供電，其供應電壓為6V，需要經過MAX603進行穩(wěn)壓操作，把整個采集系統(tǒng)的供電電壓穩(wěn)定在5V。

　　* USB接口

　　CH375是一個USB總線的通用接口芯片，支持HOST主機方式和SLAVE設備方式。在本地端，CH375具有8位數據總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機/DSP/MCU等控制器的系統(tǒng)總線上。在USB主機方式下，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/DSP/MCU 等相連接。從圖4可以看出它與單片機的連接方式。

　　系統(tǒng)軟件部分設計

　　系統(tǒng)軟件可以分為兩部分——數據采集卡上單片機程序和筆記本電腦上應用程序。單片機程序又可分為主程序和定時中斷服務程序兩部分。程序流程如圖5所示。單片機定時中斷服務程序主要用于完成數據的采集，即將模/數轉換器的輸出寫入外部RAM循環(huán)隊列的隊尾，如圖5(a)所示。單片機主程序則主要進行數據的傳輸，即將RAM中存儲的數據從隊頭取出，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據采集系統(tǒng)間的通訊，并將傳輸過來的數據以二進制形式存儲在硬盤中，同時提供波形顯示工具將這些數據分為16個導聯顯示在計算機屏幕上，如圖5(c)所示。

　　結語

　　本文介紹了一種新型的體表子宮電數據采集系統(tǒng)，詳細介紹了其硬件及軟件部分的設計方法，對各個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。整個系統(tǒng)結構簡單，高效可靠，已應用于實驗并取得可喜的效果。

　　參考文獻：

　　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.  李剛， 姜葦， 虞啟璉等．體表子宮電數據采集系統(tǒng)的研制及其應用[J]．中國生物醫(yī)學工程學報，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.  呂英俊，楊雪．微弱生理信號在多通道數據采集系統(tǒng)中的研究與實現[J]．微計算機信息，2005，21(07S)：110~112