基于ADS1299的胎心監測裝置的設計和實現

裴宗喬 袁 林 賀 壯 鞠文博

（成都信息工程大學，四川 成都 610225）

圍產期胎兒的致死率隨著孕周的增加而升高[1]，每年估計有400萬圍產兒和新生兒死亡，其中中低收入國家圍產兒死亡率占全部圍產兒死亡率的98%，由于中低收入國家醫療設施的缺乏，這個數字可能更高[2]。現代醫學證明，妊娠高血壓、胎盤臍帶因數、身體過于勞累等，都有可能造成胎兒窘迫。胎兒缺氧不僅會影響胎兒正常生長發育，甚至對胎兒的生命安全產生威脅，是產生新生兒后遺癥的最主要誘因[3]。有文獻指出，圍產兒死亡高危因素為：窒息(6.3 %)、臍帶扭轉(5.8 %)、臍帶纏繞(5.8 %)。所以，在婦女孕期實施胎心監測，加強孕婦產前篩查、防止并發癥發生，不僅可有效提高產婦及圍產兒的生存幾率，而且是減小圍產兒死亡率的重要措施[4]。

1 總體設計

為達到減小系統體積和功耗的目的，將采集前端中各種元器件包括放大器、濾波器、控制器等都集成到一個片上系統(SoC)上，全電路主要由前端模擬芯片ADS1299、單片機（MCU）、低功耗藍牙BLE5.0 等組成。因為胎心電信號都屬于微弱信號，在采集過程中容易被母體信號所淹沒，并且干擾噪聲多、信噪比低，所以硬件采集系統的設計顯得尤為重要。良好的電路設計為實現整個系統功能提供關鍵的保障，也為后面算法能正常運行而打下基礎，在設計硬件電路過程中，需對芯片選型、PCB布局等細節進行把控和優化。本系統通過主控芯片將采集到的信號通過藍牙傳輸到樹莓派，將數據存儲到樹莓派中。此硬件系統包含胎心電采集電路設計、供電電路設計、單片機控制電路、藍牙傳輸電路等。硬件設計總體框架圖如圖1所示。

圖1 系統整體框圖

2 硬件設計

2.1 胎心電采集系統設計要求

胎心電具有易受干擾、非線性、非平穩、微弱等特點，傳統的方式很難采集到胎心電，在設計本系統時需要嚴格的要求，設計電路中包含的要求有：

2.1.1 采樣率范圍，成人ECG頻率范圍主要分布在0.05 Hz～100Hz，胎兒ECG頻率范圍可達200Hz，所以采樣率至少為400Hz。

2.1.2 高輸入阻容抗，FECG信號傳導從心臟外壁到組織液，再到真皮、表皮，這就等效于幾個串聯的電容及電阻，且阻容抗還和一些外界因數有關，如電極的類型、貼合位置、皮膚的濕潤程度及清潔度等有關。采集的阻容抗將直接影響采集結果，阻容抗小會導致采集到心電信號損失嚴重。

2.1.3 增益，采集的心電信號只有在被放大的情況下，才容易被發現觀察，其放大的倍數與ADC采樣的分辨率直接相關。

2.1.4 低噪聲，在電子元器件中固有熱噪聲和散粒噪聲，且這都屬于白噪聲，通過選用低噪聲的元器件來降低噪聲。

2.2 采集電路設計

TI公司的ADS1299是8路低噪音同時取樣的24位的delta-sigmaADC，內置并可編程了增益放大器（PGA），基準電壓狀語從句：振蕩器，集成了腦電圖（EEG）所需的通用特性。器件具有非常低的輸入參考噪聲：1.0 μVPP（70-HzBW），沒路的功率5mW，輸入電壓電流300pA，數據速率250SPS到16kSPS，C1.0 μVPP（70-HzBW），CMMR為-110dB，衰 減 增 益 為1，2，4，6，8，12或24，單極或雙極電源工作，主要用于醫療儀器如EEG和ECG，聽覺誘發電位（EAP），腦電雙頻譜指數（BIS），睡眠研究監測等，高級多路信號采集[5]。其功能布局如圖2所示。本系統設計的胎心電采集電路如圖3所示。

圖2 ADS1299功能布局

圖3 胎心電采集電路

2.3 MCU控制功能

由胎心電采集模塊的選定，使得MCU的選型有了一些限制，如此主控芯片需支持SPI協議，具備12位ADC，支持DMA傳輸協議等。目前，主控芯片，包括MCU（STM32、MSP430、C51）、ARM、DSP和FPGA，根據自身對芯片的熟悉程度，及芯片本身所具備的特點和功能的考慮，最終選擇了STM32F405RG作為主控芯片。STM32F103RG是一款帶有32位Cortex-M4內核CPU的ARM，并具備自適應實時加速器，允許0等待從閃存中執行程序，其系統時鐘高達168MHz。

2.4 電源管理

本文采用TP4054作為鋰電池充電管理芯片，其封裝格式是SOT，滿足穿戴式設備小巧的特點，且內部采用了PMOSFET架構，可以在不連接外部檢測電阻的情況下，防止反向充電。TP4054可通過充電電流的大小對芯片的溫度進行控制，可在溫度條件惡劣的環境下使用[6]。

2.5 穩壓電路

整個系統電路需要的供電電壓是3.3 V，而鋰電池滿狀態時的輸出電壓是3.7 V，無法滿足相關電路供電要求，所以在這里需要使用穩壓電路來進行電壓轉換。本系統采用了FP6291穩壓芯片，FP6291是一塊在恒流模式穩壓的芯片，適合于3～4.2 V的鋰電池，且內部還有高節能的MOSFET電路，使得此穩壓芯片功耗很小。由于FP6291采用了SOT23-6的封裝結構，且只需外接一個小型貼片即可使用，這使得其成品體積比較小，符合便攜式設備的要求。除此之外，FP6291還可配置過流、欠壓等保護，并可對其最大電流值進行調節，其電流值范圍是0.5 ～2.5 A，且還可通過軟啟動來減少浪涌電流[6]。

3 系統軟件設計

系統軟件設計的主要內容主要是通過主控模塊對各個模塊進行初始化，其中包塊SPI，定時器中斷、串口、GPIO初始化等。ADS1299采集芯片的初始化和數據的傳輸都是通過SPI進行的。通過SPI將胎心電信號采集到MCU中，然后在MCU中進行數據的基本格式轉換及幀數據封裝，然后通過藍牙模塊將處理后的數據發送到樹莓派中；而在樹莓派中完成簡單的格式轉換和存儲操作。樹莓派和下位機MCU之間通過藍牙4.2 進行數據傳輸，需兩者都滿足藍牙傳輸協議。單片機程序利用ST公司提供的庫文件，在keil5MDK軟件進行開發，而樹莓派程序則是基于Python3.6，在PythonIDE上進行開發，軟件系統總體設計框圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

系統測試結果：

目前設備已經完成樣機調試，調試發現該設備可以準確采集到胎心電，可以將微弱的生理信號實現放大和上位機顯示；醫生可以通過上位機波形查看電極貼是否貼合正確和母體胎兒心電是否正常；圖5為胎心電信號。

圖5 胎心電信號

4 結論

本系統利用一款高增益、低噪聲、多通道的的ADS1299設計了一款便攜式的胎心電檢測裝置。該設備可以實現胎心電的采集、濾波放大、儲存。能夠有效的減少孕婦長期使用多普勒胎心監護儀的風險，讓孕婦在家或者工作地也能實時監測胎心率，掌握胎兒的身體狀況。且采集并存儲的數據可用于后期的大數據分析，讓我們更好的了解一些胎兒高危并發癥的病因及病種，這對臨床提早預防和治療疾病大有裨益。