一種基于單片機的胎心儀信號模擬裝置*

張旭斌，彭虎

（合肥工業(yè)大學，合肥230000）

1 引 言

正常胎心率范圍為120～160次/min[1]，胎心率作為孕婦臨床產檢的重要指標，反映了胎兒胎心率微小的周期性波動和胎兒心跳間隔的變化，與胎兒健康狀態(tài)密切相關[2-4]，通過持續(xù)的對胎兒的心率進行觀測，可以較好地了解胎兒的身體情況，更進一步的及時發(fā)現胎兒可能存在的隱患并采取措施有效解決，減少產前胎兒的死亡[5]。因此，準確、實時地計算出胎兒的瞬時心率對于判斷胎兒在母體內的健康狀況具有極其重要的意義[6-7]。

胎心信號模擬器在胎兒監(jiān)護儀的研發(fā)中有著廣泛的應用，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[8]，但胎心模擬器可以直接提供特定頻率的胎心信號，用以對胎心儀設備進行驗證和改進，直接關系到胎心儀的產品質量和診斷結果，胎心模擬器的研究具有很高的應用價值和臨床意義，不僅可以方便測試人員使用、節(jié)省開發(fā)時間，還可以降低開發(fā)驗證成本。

胎心模擬器目前在各醫(yī)院和研制廠商中有著廣泛的應用，但相關資料甚少。目前國內外生產胎心模擬器的廠家并不多[9]，一個是挪威進口的PS-320胎心模擬器，性能較好，但價格昂貴；另一個是中國計量科學研究院研制的FS-3型超聲多普勒胎兒測量儀檢測裝置，價格較前者便宜，但體積大，不易攜帶。根據這兩種模擬器的特點，本研究提出一種結構簡單、成本低廉的胎心信號模擬裝置。

2 設計方案

2.1 系統(tǒng)結構

整個胎心信號模擬裝置包括STC90C516RD+單片機，TB6600電機驅動器，電源模塊，兩相四線步進電機，PC機上的軟件界面（通過串口與單片機相連），系統(tǒng)框圖見圖1。

圖1 結構框圖Fig 1 Structure diagram

系統(tǒng)主要以單片機為核心，PC機通過控制單片機輸出脈沖波驅動步進電機轉動的同時，不斷改變電機轉動的方向，使轉動變?yōu)橥鶑偷恼饎樱妶D2。

圖2 胎心模擬器示意圖Fig 2 Schemadic diagram of fetal heart simulator

在圖2中，固定在電機軸上的法蘭圓盤上A點小角度的轉動傳導到B點可以被近似認為是上下震動，再通過金屬桿的傳導從而帶動水箱中的小鋼珠震動，用水箱模擬人體環(huán)境，因為超聲波在水中和人體中的傳播特性大體相同，用鋼珠模擬胎兒心臟，用以反射超聲波。

2.2 電路部分

鑒于低成本、低功耗及串口需求，選用了STC90C516RD+單片機作為控制芯片，芯片連接電路見圖3。

圖3 芯片電路Fig 3 Chip circuit

兩相四線42步進電機共有四個引腳，A+，A-， B+，B-，通過步進電機控制器與單片機相連，見圖4。

圖4 步進電機控制器電路Fig 4 The stepping motor controller circuit

TB6600步進電機控制器的PUL口為脈沖輸入口，DIR口為方向控制口，EN為使能口，控制器采用共陽極接法，DIR+與PUL+接+5 V高電平，EN口懸空。

單片機與步進電機驅動器接口如下：P1.0，P1.1分別用來控制步進電機驅動器的DIR，PUL口，P1.2用來提供+5 V高電平與DIR+，PUL+相連，連接方式見圖4。

單片機與PC機接口如下：P3.0與P3.1口通過USB轉TTL接口與PC機相連，用以接收PC機的脈沖控制信號。

2.3 軟件部分

單片機軟件部分設計見圖5。

圖5 軟件流程圖Fig 5 Software flow chart

軟件部分以脈沖波輸出控制部分為核心，PC端通過串口與單片機相連，改變單片機定時器周期和設置脈沖數目，可以控制單片機輸出CLK脈沖和DIR控制電平的頻率，從而輸出特定的頻率和方向的脈沖波驅動步進電機轉動，步進電機以8拍方式工作，每個脈沖使電機旋轉1.8°，當步進電機驅動器設置為4細分狀態(tài)時，每個脈沖可使步進電機旋轉0.45°，設置單片機定時器的定時周期為T，在每個定時周期結束時改變P1.0口的電平狀態(tài)，從而控制每個脈沖的發(fā)送間隔，通過PC機軟件界面設置脈沖數目N，見圖6。

每當單片機完成N個定時器周期就改變單片機P1.1口的電平狀態(tài)，從而改變電機轉動方向，P1.0，P1.1口輸出狀態(tài)見圖7。

P1.0口每發(fā)送一個脈沖，電機轉動0.45°，P1.1口每改變一次電平狀態(tài)，電機改變一次轉動方向，電機在每個震動周期轉動的角度Y與每個周期內所發(fā)送脈沖數目N的關系見式（1）：

圖6 脈沖數目設置Fig 6 Pulse number setting

圖7 P1.0，P1.1口輸出狀態(tài)Fig 7 P1.0，P1.1 Port output status

電機震動周期T1與定時器定時周期T和發(fā)送脈沖數目N的關系見式（2）：

在軟件端設置脈沖數目N，可以控制電機震動角度，從而控制小鋼珠抖動幅度和周期。

3 結果與分析

使胎心信號模擬裝置通電工作后，在軟件端設置好脈沖數目N，小鋼珠開始以恒定頻率在水中震動。

3.1 光電傳感器測量

為了驗證系統(tǒng)準確性，采用FC-33光電傳感器測量步進電機震動頻率，見圖8。

采用FC-33型光電測速傳感器模塊，每當傳感器接收槽中的遮擋狀況發(fā)生變化時，傳感器的輸出狀態(tài)也會變化，當電機轉動時，通過連接在電機軸上的法蘭圓盤上的小孔不斷透過和阻斷紅外線，即圖8（b）中的小孔C，從而測得電機的轉動頻率，并在PC機上實時顯示出來，改變電機的振動頻率，三次測量結果見圖9。

將所測量頻率與PC端預設頻率作對比，見表1。

對比結果表明，電機振動頻率基本上與所設置頻率一致。

3.2 TABLE UT系統(tǒng)測量結果

TABLE UT是一款自帶windows系統(tǒng)的便攜式超聲信號采集顯示設備，見圖10。

圖8 光電傳感器示意圖Fig 8 Schematic diagram of photoelectric sensor

圖9 光電傳感器測量結果Fig 9 Measurement of photoelectric sensors

表1 測量頻率與預設頻率對比Table 1 Contrast between measuring frequency and preset frequency

能夠驅動外接超聲探頭發(fā)射超聲波，并且將接收到的超聲信號以A掃描或者B掃描的模式顯示在系統(tǒng)界面，支持導出原始數據進行深度處理，設置TABLE UT系統(tǒng)，驅動2.5 M收發(fā)一體水浸超聲探頭以20次/s的頻率發(fā)射脈沖波，對準震動的小鋼珠進行數據采集，每次采集10 s的數據，見圖11。

圖10 TABLE UTFig 10 TABLE UT

圖11 測量示意圖Fig 11 Schematic diagram of measurement

三次實驗采集到的B掃描波形見圖12。

將每次實驗所測得的波形頻率與預設的心跳頻率做對比，見表2。

表2 波形頻率與預設頻率對比Table 2 Contrast between waveform frequency and preset frequency

從圖12中可以明顯看出所接收回波信號呈現出周期性震動，震動頻率與PC端設置的震動頻率一致。所以，模擬裝置的回波信號能夠有效反映出心臟的跳動規(guī)律，同時導出TABLE UT系統(tǒng)對小鋼珠進行A掃描的原始數據，見圖13。

圖12 TABLE UT測量結果Fig 12 Measurement of TABLE UT

此數據為第一次測量時的A掃描的一部分波形，即胎心儀的研發(fā)過程中所需要的超聲回波原始數據，可以用于胎心率算法的實驗，也可對其進行更深一步的時頻分析，能得到更多的胎兒心跳信息。

4 總結

圖13 A掃描數據Fig 13 A-scan data

本研究采用了一種更簡便的方法模擬胎心的跳動，可以方便更改胎心跳動的頻率和幅度，提供有效的超聲回波信號，并且能將超聲回波信號導出為數據文件，可以在其他程序中打開，進行處理，并通過實驗進行了驗證，表明了系統(tǒng)設計的正確性。為超聲胎心儀設計提供了一個簡單有效的測試平臺，這對于超聲多普勒胎心儀算法的改進具有重要幫助。