一種便攜式多普勒胎心檢測系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)*

戴明， 詹凱， 陳昕，林浩明，孟德明，陳思平△

(1. 深圳大學生物醫(yī)學工程學院，廣東 深圳 518060；2. 醫(yī)學超聲關鍵技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，深圳 518060；3.廣東省醫(yī)學信息檢測與超聲成像重點實驗室，深圳518060)

1 引 言

二百多年前，醫(yī)生就通過耳朵緊貼母體腹壁來聽取胎兒心跳，隨后不久逐漸被聽診器取代，十九世紀五六十年代后，超聲多普勒方法逐漸被應用于胎兒心率檢測上，之后幾十年，利用傳統(tǒng)模擬電路設計方法所設計的醫(yī)用胎兒心率檢測儀大量出現(xiàn)。但其電路復雜、穩(wěn)定性較差、精度不高，調(diào)試，量產(chǎn)及升級維護困難[1]，因而受到極大限制。隨著電子技術及傳感器等技術的快速發(fā)展，胎心多普勒檢測系統(tǒng)正朝著數(shù)字化，便攜式，小型化及家居使用的方向發(fā)展。目前市場上胎心檢測儀綜合靈敏度不高，功能有限，大都采用模擬乘法器解調(diào)，且限制對早孕周胎兒進行監(jiān)測。

近年來，隨著人們對人口質(zhì)量要求的提高，在胎兒診斷過程中對胎心率監(jiān)測也越來越引起人們的重視[2]。胎心率作為評判胎兒健康狀況的一項關鍵指標，是表征生命體存在與否的重要生命參數(shù)[3-4]，常被用來反映母體中胎兒心臟生理活動及健康狀況。比如：正常胎兒心跳速率約為120～160次/min。當胎兒心跳速率低于99次/min或大于180次/min就屬于胎心率異常[5]。而母體中胎兒出現(xiàn)心率異常往往是因為胎兒缺氧、缺血等因素造成，且一旦出現(xiàn)胎兒嚴重缺氧、缺血極易導致出生先天缺陷[6]，因而為提高分挽質(zhì)量、降低胎兒死亡率, 抑制先天缺陷及弱智胎兒的出生，本研究設計了一款適用于家庭使用的，便攜式，全數(shù)字，高精度，用于圍產(chǎn)期胎兒心率檢測的多普勒胎心檢測裝置，并能同步保存胎心相關數(shù)據(jù)，且可上傳遠程服務器的便攜超聲實時檢測系統(tǒng)，其在家庭輔助檢測，實現(xiàn)優(yōu)生優(yōu)育，提高新生兒質(zhì)量等方面具有重要意義。

2 超聲多普勒胎心檢測原理

多普勒頻移效應是指聲源與物體之間存在相對運動時，反射聲波頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。其往往被用來表征胎兒運動速率的變化，當超聲探頭發(fā)射激勵信號，耦合進入胎兒母體后遇到運動的胎兒心臟，通過超聲探頭接收反射回波信號，再通過計算發(fā)射和接收超聲頻率之差來計算多普勒頻移[7-8]，根據(jù)多普勒頻移效應，超聲探頭與胎兒心臟運動方向間夾角及胎兒心臟運動速度V之間的關系，有：

其中：f1，f2，fd，vo分別表示超聲激勵頻率，回波接收頻率，多普勒頻移，超聲在組織中傳播速度，通過上述公式即可計算出胎兒心臟運動速度，由于超聲波頻移和胎心的運動速度成正比[1], 即當速度v>0時,f2>f1;胎心擴張;當速度v=0時，f2=f1,胎心靜止時；當速度v<0時,f2

3 胎心檢測系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)由CPLD超聲激勵及采集電路、MCU及外圍電路和系統(tǒng)軟件三部分組成，其中CPLD超聲激勵及采集電路分為超聲激勵發(fā)射及回波接收電路兩部分，超聲激勵發(fā)射包含激勵產(chǎn)生，驅(qū)動放大，阻抗匹配等組成電路，回波接收則由硬件濾波，回波放大，ADC采集三部分組成。通過激勵產(chǎn)生，驅(qū)動放大，阻抗變換后產(chǎn)生超聲激勵信號作用于探頭，并通過探頭接收超聲回波信號，經(jīng)硬件濾波，回波放大，ADC采集，再送給CPLD進行數(shù)字濾波和解調(diào)。此外，MCU及外圍電路以STM32F103RCT6為控制核心，由MCU，液晶顯示模塊，開關按鍵模塊，藍牙4.0模塊，WiFi模塊，RS-232串口通信模塊，電源模塊，SD存儲模塊，音頻解碼及揚聲器等模塊組成，其系統(tǒng)整體結構框圖見圖1。

圖1 本便攜超聲多普勒胎心檢測系統(tǒng)整體結構組成框圖

本系統(tǒng)采用多普勒頻移原理來實現(xiàn)胎心率的檢測，具體過程如下：通過CPLD產(chǎn)生方波激勵信號，并通過驅(qū)動放大，阻抗匹配電路后產(chǎn)生中心頻率為2 MHz的脈沖超聲激勵信號，并作用于超聲探頭，當探頭貼近母體并對準胎兒心臟位置，經(jīng)超聲耦合劑和母體后向胎兒心臟發(fā)射超聲波。當超聲激勵信號遇到心臟壁等運動物體時會產(chǎn)生反射和散射，從而出現(xiàn)正向或反向的多普勒頻率偏移。通過對回波信號濾波及放大，并通過10位高速ADC 芯片對回波信號進行采集，隨后送給CPLD進行數(shù)字濾波，CPLD通過加窗，相乘，數(shù)據(jù)積分后獲得多普勒頻移信號，最終計算出胎心心率值，并通過SPI總線把胎兒瞬時心率，平均心率，探測深度，心率曲線等原始數(shù)據(jù)發(fā)送給MCU微控制處理單元進行解析、SD卡存儲及LCD顯示，并可通過開關按鍵模塊來選擇超聲探測深度及畫面凍結，縮放等顯示操作。另外，本系統(tǒng)通過MCU串口與藍牙、WiFi、USB模塊相連，進而實現(xiàn)與上位機PC端進行有線或無線數(shù)據(jù)傳輸，裝有相應軟件的PC端即可實時動態(tài)的顯示胎兒心率，心率趨勢曲線等波形。同時通過VS1003音頻解碼芯片對胎心心跳進行解碼，通過揚聲器或耳機插入接聽的方式輸出胎兒心跳聲。此外，本系統(tǒng)還可通過USB對鋰電池進行充電，并通過MCU控制電源模塊來實現(xiàn)電源模塊對電池的充放電管理。

3.1 超聲探頭

由于超聲多普勒胎心信號為非平穩(wěn)信號，母體呼吸、心跳及血液流動等因素極易對胎兒心率信號造成干擾，加之母腹中胎兒心臟較小，因而很難準確的從帶有多種噪聲干擾的母體中采集到微弱胎心信號[10]?；谏鲜隹紤]，本系統(tǒng)采用中心頻率2 MHz，收發(fā)一體單振元外置圓形探頭作為電-聲換能器, 其實物見圖2。為清晰分辨出胎兒心跳，本系統(tǒng)通過加大超聲波發(fā)射功率及提高信噪比來提高辨識率，為符合國家超聲劑量標準，本超聲激勵平均發(fā)射功率小于5 mW/cm2。

圖2 超聲傳感器探頭實物圖

3.2 超聲激勵電路

本超聲激勵產(chǎn)生及驅(qū)動放大電路由激勵源產(chǎn)生，超聲驅(qū)動放大及阻抗匹配電路組成，其驅(qū)動放大電路原理圖見圖3。由于本探頭內(nèi)部陣元為容性負載，為實現(xiàn)容性負載與激勵電路的匹配，確保超聲激勵信號不產(chǎn)生明顯失真及為使負載對診斷信號無影響，本研究采用具有隔離作用的變壓器來連接超聲激勵源和探頭振元。此外，本超聲激勵產(chǎn)生電路采用Altera公司的CPLD芯片EPM570T100C5N作為超聲激勵源控制核心，通過在該芯片中編程Verilog語言產(chǎn)生高頻脈沖激勵信號源，并通過EL7222對CPLD產(chǎn)生的超聲激勵信號進行放大并驅(qū)動變壓器初級線圈，并經(jīng)變壓器T1隔離放大后使副級線圈產(chǎn)生一個同頻率的激勵信號并作用于超聲探頭。

3.3 超聲回波檢測電路

由于超聲回波信號很弱，因而很難對頻移干擾信號進行區(qū)分[11]，又由于胎心多普勒頻移量一般在50～200 Hz之間[12]，因此，為提高回波信號的信噪比，本研究使用OPA2356組成的帶通濾波來減小干擾信號的影響，并對濾波后回波信號進行初級放大，再經(jīng)OPA2356進行后級放大，隨后進行ADC采集，其回波濾波放大電路原理圖見圖4。此外，本超聲回波檢測電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用低功耗CMOS工藝(僅98 mW)，高性能10位高速ADC10321芯片作為模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其采用單電源5 V供電，且ADC采樣率設置為4 MHz，其模-數(shù)轉(zhuǎn)換ADC電路原理圖見圖5。

圖3超聲激勵驅(qū)動放大電路

Fig3Circuitdiagramoftheultrasonicexcitationcircuit

圖4 超聲回波濾波放大電路

圖5 系統(tǒng)模-數(shù)ADC轉(zhuǎn)換電路原理圖

3.4 電源模塊

本系統(tǒng)采用12V單電源供電，通過LM2576S輸出5 V電壓，并經(jīng)RT9193將5 V變?yōu)?.3 V給MCU供電，同時通過MP1482輸出8 V給EL7222供電。本系統(tǒng)上電后工作在待機低功耗模式，按下開機鍵，MCU通過檢測按鍵外部中斷的方式進入正常工作模式，此時MCU控制Q1導通使繼電器K1常閉，經(jīng)MP2359后輸出3.3 V電壓供外圍電路使用。其供電原理圖見圖6。

圖6系統(tǒng)電源模塊供電電路原理圖

Fig6CircuitschematicdiagramofthepowermoduleofourFHRdetectionsystem

3.5 CPLD數(shù)字濾波的實現(xiàn)

本系統(tǒng)CPLD數(shù)字濾波實現(xiàn)在MAX+PLUSⅡ軟件編譯環(huán)境下進行，采用Verilog語言進行編程，其數(shù)字濾波原理如下：對任意輸入伴有噪聲的信號，先通過檢測該信號的跳變沿，隨后用一高頻時鐘信號對它將要保持的電平狀態(tài)進行計數(shù)。并設定一個噪聲最大電平寬度， 若判定寬度小于 0.8 us 則自動判為是噪聲信號，若4M 時鐘信號計了5次，且信號狀態(tài)不發(fā)生改變，則判定為有用信號，將其鎖存，否則為噪聲，將它去除。其整個數(shù)字濾波結構見圖 7。

圖7 CPLD數(shù)字濾波結構圖

4 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)在KEIL MDK 5.11平臺下開發(fā)，開機前，STM32處于低功耗待機模式，外圍電路及超聲激勵電路電源被切斷。當系統(tǒng)處于正常工作模式時，一旦50 s內(nèi)未檢測到胎心回波， MCU將會控制繼電器關閉外圍電源及超聲激勵電源的方式來節(jié)省電能，同時，MCU進入低功耗待機模式，直到下次開啟。當系統(tǒng)開機后，MCU初始化，隨后進入正常工作模式，控制繼電器打開外圍電源及超聲激勵電源，隨后CPLD初始化，CPLD在MCU 控制指令下產(chǎn)生固定中心頻率的超聲激勵脈沖信號，并經(jīng)驅(qū)動放大，阻抗變化后作用于緊貼母腹的超聲探頭，并通過超聲探頭對回波信號進行硬件濾波，回波放大及ADC模數(shù)采集后送給CPLD，CPLD接收到胎心回波數(shù)字信號，并經(jīng)距離選通后得到第一回波信號，再經(jīng)窗函數(shù)序列對第一回波信號加窗，生成兩路預設回波信號，其中一路和余弦序列相乘后進行數(shù)據(jù)積分得到I信號，另一路跟正弦序列相乘，并進行數(shù)據(jù)積分得到Q信號，CPLD再將上述信號發(fā)送給MCU進行顯示和心跳輸出，同時MCU在接收到I Q信號后再輸出控制指令給CPLD來反饋控制激勵輸出及回波接收模塊。

此外，STM32通過旋鈕來調(diào)節(jié)心率輸出的揚聲器音量，并通過檢測按鍵外部中斷的方式獲得按鍵操作指令，并將指令發(fā)送給CPLD進行探測深度及超聲功率等反饋調(diào)節(jié)。其軟件流程圖見圖8。

5 系統(tǒng)功能測試

為測試本便攜式超聲多普勒胎心檢測系統(tǒng)在不同心率頻段內(nèi)的準確性及可靠性，本實驗選取兩款商用高精度便攜式胎心檢測儀來進行對比，通過瑞典奧利科公司的PS-320胎兒監(jiān)護模擬器產(chǎn)生不同心跳次數(shù)的心跳模擬振動信號，并使用康泰-Sonoline B, 貝繽紛H3-T胎心檢測儀及本系統(tǒng)分別對模擬器產(chǎn)生的60、90、120、150、180次/min的五個不同測試胎心信號各進行為期10 min的測量，且每2 min測量一次，并分別求出記錄的5次胎心心率平均值，其總計75次實驗所測量的胎心均值數(shù)據(jù)及胎心準確度見表1。

由表1可知，本系統(tǒng)對模擬器產(chǎn)生的五種不同頻率胎心頻率信號分別進行測量后，其5次實驗的單次準確率高于96%，平均準確度達98.32%，與康泰-Sonoline B(98.88%)，貝繽紛H3-T(97.88%)所測量的胎兒心率準確度相當，由此表明本多普勒胎心監(jiān)測系統(tǒng)所測量的胎心心率與上述兩款胎心檢測儀所測得的數(shù)據(jù)相比均無顯著性差異，表明本便攜式超聲多普勒胎心檢測系統(tǒng)具有較高的準確性和可靠性。

表1便攜式超聲多普勒胎心監(jiān)測系統(tǒng)對比實驗數(shù)據(jù)

Table1AccuracyanalysisofourproposedFHRdetectionsystem

測試序列奧利科(瑞典)PS-320胎兒監(jiān)護模擬器模擬胎心頻率(per min) PS-320 模擬器輸出6090120150180康泰-Sonoline B(per min) 5990119152177Sonoline B準確度(%)98.310099.298.698.3貝繽紛H3-T (per min)6288123147181H3-T 準確度(%)96.797.897.598.099.4本系統(tǒng)(per min)5889121148177本系統(tǒng)準確度(%)96.798.899.198.798.3 本系統(tǒng)平均準確度(%)98.32

此外，為測試本系統(tǒng)的功能，通過本胎心檢測系統(tǒng)對懷孕18周的孕婦進行測量實驗，其中圖9(a)為本系統(tǒng)的開機顯示界面，圖9(b)為本胎心監(jiān)測系統(tǒng)測試實物顯示截圖。從圖9(b)中可以看出，本系統(tǒng)檢測到的多普勒頻移信號信噪比較高，其輸出胎心率在幅值，趨勢平穩(wěn)度等方面均達到了設計需求。且本系統(tǒng)所測得平均功率為1.1W，并可通過LCD實時動態(tài)顯示當前探測深度、多普勒頻移速度曲線、胎兒心率平均值及胎兒心率趨勢曲線。

圖9(a)開機顯示界面； 圖9(b)測試實物顯示截圖

6 結語

本研究設計并實現(xiàn)了一種便攜式超聲多普勒胎心檢測儀，并制成了原型系統(tǒng)。本系統(tǒng)并未采取市場上所銷售的，通過模擬乘法器方法來獲取胎心超聲頻移信息，而是采用與同超聲基頻、相位一致、頻率相當?shù)恼也ㄐ盘栠M行相乘的方法來獲得回波中的頻移信號，從而獲得胎兒心臟相關的運動信號。與當前市場上銷售的超聲胎心檢測儀相比，本系統(tǒng)不僅具有距離選通功能，而且還可對特定深度組織進行運動檢測。同時本系統(tǒng)不僅可通過按鍵模塊控制選擇聚焦深度，并可顯示胎心率值和當前探測深度，還可對胎心率速度曲線和趨勢曲線進行實時動態(tài)顯示，此外還可對胎心信號進行SD卡存儲及數(shù)據(jù)上傳PC端進行進一步處理。與標準胎心檢測系統(tǒng)進行對比，結果表明，本便攜式胎心監(jiān)測系統(tǒng)可連續(xù)實時的對胎兒心率進行測量、且系統(tǒng)功耗較低，所測得胎心率與兩款商用產(chǎn)品所測量的數(shù)據(jù)沒有明顯差異，且可對特定組織深度進行檢測，并同步保存胎心率信息。本系統(tǒng)采用模塊化設計思維，操作簡單，無創(chuàng)無輻射，且可應用在家居環(huán)境中時刻供孕婦自行使用、由于具有便攜、準確，檢測深度可調(diào)的特點，因而具有廣泛的應用前景。其對提高分挽質(zhì)量、降低胎兒死亡率, 抑制先天缺陷及弱智胎兒的出生具有重要意義。