经母体腹部提取胎儿心率信号的系统设计

    胎儿监护经过几十年的发展^[3]，已经产生了胎儿听诊法、多普勒超声胎儿心率法以及经孕妇腹壁胎儿心电图法等诸多提取胎心率的方法，目前使用比较普遍的是多普勒超声法。但多普勒超声法存在比较明显的缺点：多普勒超声仪比较笨重，孕妇佩戴不方便，不适合长期动态监护；临床上由于监测时间和胎儿活动时间不一致，使得监测结果不理想，必然会对孕妇造成比较大的心理负担；另外 2MHz 超声信号长时间作用于孕妇腹部，对胎儿的健康发育会有一定的影响^[4]。相比于多普勒超声，采用几个轻便的电极和信号的采集处理装置提取胎儿心率的方式具有操作简单、佩戴方便等特点，且作为一种非侵入式的检测方法，适合日常生活环境下对胎儿心率的长程动态监测。

    由于胎儿所处环境的特殊性，微弱的胎儿心电信号常常淹没在母亲心电信号中，且极易受到 50Hz工频噪声干扰，同时母亲的呼吸、肌电以及体表子宫电信号都是胎儿心电检测的重要干扰源。这些都给获取胎儿心电带来了极大的挑战。通过多年探索，目前已提出了诸如自适应滤波^[5]、自动互相关技术^[6]、神经网络^[7]、多项式网络及时域分析^[8]、奇异值分解^[9]等方法来分离胎儿心电信号。但这些方法都存在一定的缺陷，如佩戴不方便、提取效果受电极位置、胎儿姿态的影响等。本论文基于独立分量分析方法提取胎儿心电信号，可以很好解决这一问题^[10]。系统采用独立分量分析中的特殊矩阵联合近似对角化 (Joint Approximate Decomposition of Eigen-matrices，JADE) 算法来实现对心电信号的分离，实践证明该方法能有效地提取出胎儿心电信号，得到胎心率。

    1　系统设计

    1.1　系统结构

    系统主要由混合心电采集模块、DSP 处理模块、数据存储模块、LCD 显示模块、以太网传输模块和USB 通信模块组成，系统的整体结构图如图 1 所示。通过少数几个电极提取母亲腹部混合心电信号，以DSP 为控制和处理核心，使用 JADE 算法从三路混合心电信号中分离胎儿心电信号，得到胎心率，并由LCD 屏实时显示，同时将检测结果以文件数据形式保存在 SD 卡中，通过 USB 接口与计算机进行通信，或通过以太网口进行远程访问，方便医生实施远程在线监测。

    1.2　主要硬件电路

    1.2.1　混合心电采集模块

    混合心电采集模块选用 TI 公司推出的首款全面集成的模拟前端系列产品芯片 ADS1298^[11]作为采集芯片。此模块主要完成对腹部心电信号的采集。胎儿心电波波幅低、心率快，幅度约为 10μV ～ 60μV ；母亲心电波波幅高、心率慢，幅度约为 100μV ～ 500μV，混合心电信号带宽0.05Hz ～ 100Hz。混合心电信号经过一个低通滤波电路（截止频率 100Hz），初步滤掉高频干扰，然后由一个 AD 保护电路差分输入到 ADS1298 进行转换。其中 ADS1298 的外围电路主要包括电源管理、外部参考、外部时钟、SPI 接口。ADS1298 模拟电压可以选用单双极性电源，即 +3V、AGND 或者 +2.5V、-2.5V，数字电压可以选择 +1.8V 或者 +3.3V。参考电压除可以内部设置为 +2.4V 或者 +4V 外，也可以由外部提供。系统时钟可以选择内部时钟或者外部时钟，频率均为 2.048MHz。混合心电采集模块示意图如图 2 所示。