胎兒心率采集信號噪聲濾波電路設計及仿真

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*通信作者：張成?。?979-），男，教授，博士，碩士生導師，研究方向：智能控制.

作者簡介：尹文姝（1997-），女，碩士研究生，研究方向：智能控制.

引文格式：尹文姝，王意，張成俊. 胎兒心率采集信號噪聲濾波電路設計及仿真[J]. 武漢紡織大學學報，2024，37（1）：81-88.

YIN Wenshu， WANG Yi，ZHANG Chengjun. Fetal Heart Rate Acquisition Signal Noise Filtering Circuit and Simulation[J]. Journal of Wuhan Textile University，2024，37（1）：81-88.

摘 要：胎心儀使用硅晶傳感器對孕婦孕期體內胎兒心率進行無創監測，胎兒心率是一種微弱信號，信噪比低且母體干擾信號強，包含大量與胎兒心率相似的低頻信號，都使胎心信號解析十分困難。本文提出了一種應用于單晶片收發模式胎心儀的多級MFB（Multiple Feedback，無限增益多路反饋電路）濾波電路，此電路對微弱的胎心音進行放大和濾波預處理，并使用軟件仿真的方法合理選擇濾波電路參數，經過濾波預處理的心率信號進入CPU進行自相關算法得到心率數值。最終實驗結果表明：經過此多級MFB濾波電路的胎心音信號信噪比高，濾除高頻干擾和大部分低頻信號的同時有效保留胎兒心臟搏動波形，從而使胎心計探頭在胎心30mm范圍內能準確的得到胎兒心率，且揚聲器播放音頻無雜音。

關鍵詞：低通濾波器；高通濾波器；胎兒心率（FHR）；Multisim仿真

中圖分類號：TS 183.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095－414X（2024）01－0081－08

0" 引言

2019年新冠疫情的刺激下，國內醫療器械行業呈現快速增長趨勢，各省出現一定程度的醫療資源擠兌現象[1]。2022年12月，國家將新型冠狀病毒降為乙類傳染疾病，并不再實行動態封控，數月后到達傳染高峰期，疫情的傳染高潮會讓孕婦在醫院或外出途中的感染率大大提高，所以在此期間可能因為醫院資源不充足或孕婦自身擔憂等多方面原因，造成難以維持正常產檢頻率而出現對胎兒潛在問題的漏檢。因此家用便攜式胎心儀的誕生十分有必要，小型、輕便、安全、性價比高的特點滿足了以家庭為單位進行孕期自檢，不但可彌補周期性孕檢的空擋，也可節省醫療資源與減輕孕婦的出行負擔，及時發現問題，保障胎兒健康成長[2-3]。

胎兒健康的重要指標之一便是胎兒心率，即胎兒心臟每分鐘的搏動次數，嬰兒正常心跳范圍為120～160bpm，超過或低于此頻率范圍可能預示胎兒目前遇到困難或危險[4-5]【?。?！ INVALID CITATION ?。。?【?。?！ INVALID CITATION ！?。?【```，" ```#117```;```，" ```#148```;```，" ```#135```;```，" ```#122】`，nbsp; `#0`;`，" `#122`;`，" `#122】，" #0;，" #122;，" #117;，" #107】?，F代醫學證明，由于胎盤臍帶因素，如臍帶繞頸（30%的孕婦有此現象）、胎盤供血不足和孕婦自身因素，如妊娠高血壓、身體過于勞累等，都可能造成胎兒宮內缺氧，統稱為胎兒窘迫，而這都可以使用胎心儀通過監測胎心率提前做出判斷[6]。市面上的胎心儀多應用超聲多普勒技術，戴明[7]等基于多普勒頻移原理，通過CPLD超聲激勵、放大驅動等電路，提高了胎心系統的準確度，但其平均準確度仍只有98%；李曉[8]等采用梅花形探頭，運用接收晶片與發射晶片得到的超聲頻率差值提取胎心信號，但雙晶片探頭收發同時進行的胎心儀存在雜音大的問題；季晨鵬[9]等采用單晶體硅晶片探頭進行頻率信號的發射與接收，具有良好的濾波效果。本設計同樣基于多普勒原理，采用收發分離式的單晶片探頭間歇式拾取心臟跳動信號，一體化的設計方案，內嵌OLED顯示芯片、處理芯片、音頻芯片、電壓芯片等，集成度高，體積小、重量輕，收發電路與探頭距離近，使監測電路的抗干擾性得到增強，大大提高信噪比[10]。

1" 信號處理電路設計

一個完整周期的胎心信號（FECG）由S1-S4四個波段的心音組成，普遍周期時限為0.02s～0.05s。胎心音S1占0.15s左右；S2占0.08S；微弱信號S3在S2后的0.1s～0.2s產生，具有頻率低、振幅小的特點；S4是心房收縮音，與S4具有相同特點。由于心音S1頻率集中在70Hz～110Hz；心音S2集中在100Hz～170Hz，心音S3和S4都集中在30Hz以下。心音波形如圖1（a）所示，但實際測得的心音輸入波形如圖1（b）所示。規律性的高波峰代表著胎兒心率跳動節奏，伴隨著大量干擾信號。由于胎心音的傳導經過胎膜、水、胎盤和母體脂肪等，其主要噪聲為來自母體，包括母體心音信號、臟器聲、血流聲等的內部噪聲和環境帶來的外部噪聲。因此濾波器截止頻率主要集中在這些頻率范圍來濾除探頭采集到的胎心信號中不要需要的成分[11]。

胎心采集使用多普勒技術，超聲發射波探測到運動物體（胎兒心臟跳動）反射后，其波長會發生變化，通過處理反射波的波長可得到包含胎心率的信息。設發射時刻，超聲波源相對被觀察物體P的相對位置如圖2所示，超聲波與物體P的相對速度為，速度矢量與位置矢量夾角為[12]。

超聲多普勒的頻移原理是超聲發射波會因運動物體產生頻移，其與發射頻率的關系可表示為：

（1）

為孕體腹內胎心心臟位置坐標，為緊貼孕婦腹壁的超聲探頭位置坐標（以此為原點），為胎心運動的相對運動矢量，則其角度關系表達式為：

（2）

探頭緊貼孕婦腹壁時，探頭通過發射頻率為3MHz的超聲波源到達腹中胎兒心臟，當胎兒心臟靜時，通過多普勒頻移公式可知，其頻率不變；當胎心心臟是具有相對運動時，反射波會出現頻移現象，超聲回波得到的多普勒頻移與胎兒心臟具有相同的周期性，其頻率符合頻移公式，可對頻移信號進行信號處理，又因為胎心相對運動速度約為60mm/s～100mm/s，超聲波在羊水傳播速率為1500m/s，所以由公式1和公式2可知，胎心頻率集中在240Hz～400Hz。

常見多普勒胎心儀探頭采用雙晶片結構，同時收發的特點使探頭接收的超聲回波耦合進超聲波發射波，胎心儀音頻播放效果噪音大[7， 8]。本設計采用收發分離式的單晶片探頭拾取心臟跳動信號，后期的心率數值和數據分析均以探頭采集到的回波信號作為處理源，經過多級二階濾波器后得到清晰波形，此波形包含所需胎心音信號，經過雙聲道音頻器件放大后，一路進入音頻播放模塊通過揚聲器發出清晰低噪的胎兒心率聲，另一路信號進入CPU使用自相關算法用于計算心率波形數值[13-15]。

此胎心儀整體系統的信號采集與處理流程如圖3所示。單晶片探頭發射固定頻率后轉換為接收模式接收回波信號[9， 10]，回波信號經過了采集電路、共射放大電路、選通開關電路、多級濾波電路得到的最終波形，但回波進行解調放大后，信號成分仍十分復雜，僅在0.2%～0.4%的載波信號為有效信號，還得經過濾波電路對其進行濾波。所以胎心儀的濾波放大電路是整個電路的核心單元部件，濾波電路的效果決定后續胎心率的精準度與胎心音的播放清晰度。綜合考慮后采樣頻率選為5KZ，探頭采用安全范圍頻率內的3MHz。

2" 多級濾波器的仿真分析與設計

超聲多普勒回波信號除了目標所需的胎心信號，還包含50Hz左右電源諧波、集中在10Hz～20Hz的母體其他噪音，根據上節介紹心音四個組成部分的心音頻率，與多普勒原理得出的頻移頻率。且偶數級多反饋濾波器輸入信號與輸出信號相同，所以本濾波電路總體選用偶數級運放，前兩個為低通與高通構成的帶阻濾波器，將小于700Hz，大于200Hz的頻率保留，后兩個為高通和低通構成的帶通濾波

器，保留大于200Hz，小于480Hz的通帶頻率。設置針對高頻和低頻噪音的截止頻率以此濾除母體血流，外界嘈雜干擾信號。多級濾波電路結構圖如圖4所示，經過3MHz探頭發出信號并返回的信息，與CPU的幾路脈沖信號與運算與晶體管放大電路后經過選通開關電路輸出含有胎心信號的信號RXSIG作為選通開關電路的輸出源——濾波電路的輸入源，每一級濾波器都由上一級輸出的信號作為輸入量，其輸出量經過反饋網絡給予輸入端反饋量[16]。

輸入胎心信號仍舊有效信號微弱，噪聲高，經過信號跟隨器，輸出電壓與輸入電壓相同但可提高其帶負載能力并提高輸入阻抗，起到前后兩級濾波器的緩沖隔離作用。雖然經過前級阻容耦合放大電路已將微弱胎心信號放大成濾波電路輸入信號源，使用示波器探測信號波形，其幅值并未達到所需要求的4V以上，且放大信號包含各種外接雜音與母體多余信號，需要對其繼續進行濾波與放大。本設計使用的MFB無限增益負反饋電路，是一種通過C和R的兩個反饋支路進行增益，且運算放大器作為無限增益部件使用的多路反饋電路，無源器件的增益穩定性比有源器件高，其特性穩定，輸出阻抗低，獲取胎心信號濾波器最適合使用巴特沃斯型濾波器，此濾波器類型在截至點附近幅頻特性單調減無峰值，通帶內波動比切比雪夫濾波器小，可提供最大的通帶平坦度，經常用于低頻率抗混疊濾波器，適用于濾除雜音獲取胎心信號[17-19]。濾波總體電路設計如圖5（見下頁）所示。

根據以上所知指標和要求，本濾波運放器選用了一款低功耗、低噪音、低電壓的集成運放SGM8634，其具有6MHz的高增益帶寬積、3.7V/us的轉速率和在5V時放大器470μA的靜止電流。SGM8634設計用于在低電壓和低噪聲系統中提供最佳性能，其輸入共模電壓范圍包括接地，最大輸入偏移電壓為3.5mV，工作范圍為2.5V～5.5V。可通過與電阻和電容的組合對模擬信號進行加減乘除微積分等運算，因其組成的晶體管材質只有一種導電載流子，其受溫度影響低，取代了大阻值電阻與電感，避免了無源器件產生的自激振蕩。

二階低通濾波器傳遞函數據運算放大器設計手冊可知，為[20]：

（3）

式中滿足：

（4）

（5）

（6）

（7）

胎心音處理中困難點之一就是信號放大后揚聲器容易產生嘯叫，嘯叫有可能為揚聲器與探頭形成一定頻率的回路產生自激嘯叫，也有可能是揚聲器將探頭接收的返回超聲波信號中高頻信號放大所造成的高頻嘯叫，因此需設計低通濾波器解決嘯叫與噪音問題。增益僅與反饋電阻和增益電阻有關，輸出信號是輸入信號經過放大和反向之后的信號。已知截止頻率為700Hz，首先設定通帶放大倍數=1.6，C1選定100nf，根據上述公式，C5=100nf，得知R3=47K，R2=3.9K，R4=39K。由于元器件受溫漂特性或寄生參數等影響因素，無法達到理想狀態，且通帶截止頻率對應的放大倍數，當通過Multisim仿真，交流信號源采用1.1V電壓，頻率為1KHz，波動范圍100mv的噪聲信號模擬輸入源，通過虛擬儀器波特測試儀可得到如圖6所示中濾波器的關鍵特性——幅頻響應與相位響應，來觀察本設計中濾波器的性能。截止頻率為30Hz，滿足設計所需。其幅頻特性與相頻特性為：

（a）幅頻特性

（b）相頻特性

高通濾波器的通帶截止頻率傳遞函數為[20]：

（8）

式中滿足、、

處理胎心音這種微弱信號時，最大的難點就是與其自身頻率相似的低頻信號混雜在其中，因此高通濾波器的設計與參數選擇是關鍵，選定為100nf，濾波電路中高通濾波器通帶截止頻率為200Hz，按照公式1.9，則C4=C3=100nf，C2=47nf，R5=39K，在第一級低通濾波器后是兩級二階高通濾波器，高階濾波器因為輸入RC環節降低了對響應速度的要求，增強系統對高頻噪音的抑制，不會因為放大倍數的增大而產生自激振蕩。二級低通濾波器與第三級高通濾波器中分析求解電路的頻率特性，如輸出電壓與輸入電壓之比、和過渡帶的斜率，低通濾波器與高通濾波器的幅頻特性與相頻特性曲線如圖7所示，從Multisim波特測試圖可以看出無論是第一級低通濾波器還是第二級高通濾波器，其過渡帶都較窄，并且具有巴特沃斯濾波器在截至頻率點處單調減的特征，可高效濾除胎兒心率的超聲回波信號中的低頻雜波和高頻噪音。

胎心信號在經過第一級低通濾波器和四階高通濾波器后，又設計了一級類似的無限增益負反饋低通濾波器，電路設計如圖8所示，第四階低通濾波器的截止頻率為480Hz，進一步濾除與胎心信號混雜在一起的噪聲，測試階段可以采用胎心模擬器模擬嬰兒胎心信號，將胎心模擬儀器幅值設定為3mv，胎心儀探頭處于測量最佳點（胎心音信號幅值最強點）時測得的胎心數據經圖形軟件處理后如圖9（a）所示，其信噪比高，節奏清晰，噪聲信號頻帶窄，但如果探頭偏離最佳測試點時（信號幅值最高處），其信噪比會減小80%，揚聲器會無法聽到胎心節奏，波形示意圖如圖9（b）所示，因此需要再設計一級低通濾波器，將與胎心音頻率類似的低頻噪聲濾掉，增大胎心儀有效測量直徑范圍。

一階反向低通濾波器傳遞函數[20]：

（9）

首先確定截止頻率=220Hz，若=15nf，則電路圖與元器件參數如下：

反相輸入二階低通濾波器是由一般積分運算電路延伸而來，一般積分運算電路具有低通特性，但是當頻率趨近于0時電壓放大倍數的數值無限大，由電阻組成的負反饋網絡決定著放大倍數，故在積分運算電路中電容并聯上一個電阻，并增加RC環節增強濾波電路的濾波特性，此時令頻率為0時，可得放大倍數。各級濾波器具體的仿真參數如表1所示。

3" 胎兒心率濾波最終效果

輸入信號波形數據和經過多級濾波處理后的輸出如圖10波形信號，可以看出：胎心信號經過跟隨器、第一級低通濾波器與第二級高通通濾波器到第三級高通濾波器后濾出輸出信號，波形經過濾波電路后如圖10（c），可以看出胎心信號的波形雜波頻帶十分窄，并且高頻噪音幾乎沒有，信號幅

值強接近運放電源電壓，信噪比高，后續進入CPU進行軟件濾波和自相關算法計算心率數值。

針對胎心儀對實際胎心率測量效果準確度的驗證，采用如圖11（b）所示深圳康偉達胎心模擬器，通常來說，胎心儀可以檢測到幅值強度3mv左右的信號，便可在實際應用中貼在孕婦腹壁進行胎心率數值監測，胎心率數值與計算時間會顯示在圖11（a）所示OLED屏幕上。

將胎心模擬器幅值設置成2mv，測試點為最佳測試點（即測量胎心信號幅值最強點），模擬器胎心率范圍為70bpm～110bpm、110bpm～160bpm和160bpm～220bpm三組范圍進行瞬時胎心率準確度實驗，分別對應胎心處于減速、正常和加速的狀態。具體做法為：以下限為起點，每三秒變化一次胎心率值，按照屏幕顯示記錄數據，胎心模擬器數值和瞬時胎心實際測量值的誤差分析，三組數據擬合圖如圖12所示。從擬合數據分析可以看出，在孕期期間，以胎兒基線正常、加速、減速狀態的三組范圍都可以準確測量，且胎心率測量準確度均達到99.5%以上。

現進行胎心模擬器在信號幅值2mv時，OLED屏幕顯示出瞬時胎心率和平均胎心率的計算時間，測試胎心儀的靈敏度，每組實驗為30次，取其平均值，顯示時間如表2所示。

4" 結語

本設計研究了一款應用于胎兒心率濾波處理的濾波電路，其電路設計簡單，對放大的原始信號進行去噪后，可以有效濾除母體干擾信號和外界雜音耦合噪聲，原始信號經過濾波電路后的波形可以發現，即濾除了噪聲和小幅度干擾，也沒有損失過多的有用信號，使用胎兒模擬器檢驗效果發現可以快速準確的計算出胎兒心率數值，其檢驗范圍達到30mm，數值精度高達99.5%且測量靈敏度高。

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Fetal Heart Rate Acquisition Signal Noise Filtering Circuit and Simulation

YIN Wenshu， WANG Yi，ZHANG Chengjun

（School of Mechanical Engineering and Automation， Wuhan Textile University， Wuhan Hubei 430200， China）

Abstract： Fetal heart rate is noninvasively monitored by a silicon sensor during pregnancy. Fetal heart rate is a weak signal with low signal-to-noise ratio and strong maternal interference signal， which makes it very difficult to parse fetal heart signal. In this paper， a filter circuit of multistage MFB （Multiple Feedback circuit with infinite gain） based on single chip transceiver fetal heart rate meter is proposed. This circuit amplifies and filters the weak fetal heart sound， and uses software simulation method to select the filter circuit parameters reasonably. The filtered and pre-processed heart rate signal is entered into the CPU for the autocorrelation algorithm to obtain the heart rate value. The final experimental results show that through this multistage MFB filter circuit， the signal to noise ratio of fetal heart sound signal is high， and the high-frequency interference and most of the low-frequency signals are filtered out， while the fetal heart beat waveform is effectively preserved， so that the fetal heart rate can be accurately obtained by the fetal heart meter probe within 30mm range， and the audio played by the loudspeaker with no noise.

Key words： low pass filter; high pass filter; fetal heart rate detection; multisim simulation

（責任編輯：李強）