一種基于單片機(jī)的胎心儀信號模擬裝置*

張旭斌，彭虎

（合肥工業(yè)大學(xué)，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(chǎn)檢的重要指標(biāo)，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(guān)[2-4]，通過持續(xù)的對胎兒的心率進(jìn)行觀測，可以較好地了解胎兒的身體情況，更進(jìn)一步的及時發(fā)現(xiàn)胎兒可能存在的隱患并采取措施有效解決，減少產(chǎn)前胎兒的死亡[5]。因此，準(zhǔn)確、實時地計算出胎兒的瞬時心率對于判斷胎兒在母體內(nèi)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(hù)儀的研發(fā)中有著廣泛的應(yīng)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(zhǔn)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(shè)備進(jìn)行驗證和改進(jìn)，直接關(guān)系到胎心儀的產(chǎn)品質(zhì)量和診斷結(jié)果，胎心模擬器的研究具有很高的應(yīng)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(yīng)用，但相關(guān)資料甚少。目前國內(nèi)外生產(chǎn)胎心模擬器的廠家并不多[9]，一個是挪威進(jìn)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(xué)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(jù)這兩種模擬器的特點，本研究提出一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的胎心信號模擬裝置。

2 設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

圖1 結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Structure diagram

系統(tǒng)主要以單片機(jī)為核心，PC機(jī)通過控制單片機(jī)輸出脈沖波驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的同時，不斷改變電機(jī)轉(zhuǎn)動的方向，使轉(zhuǎn)動變?yōu)橥鶑?fù)的震動，見圖2。

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(jī)軸上的法蘭圓盤上A點小角度的轉(zhuǎn)動傳導(dǎo)到B點可以被近似認(rèn)為是上下震動，再通過金屬桿的傳導(dǎo)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(jī)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(jìn)電機(jī)共有四個引腳，A+，A-， B+，B-，通過步進(jìn)電機(jī)控制器與單片機(jī)相連，見圖4。

圖4 步進(jìn)電機(jī)控制器電路Fig 4 The stepping motor controller circuit

TB6600步進(jìn)電機(jī)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(jī)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接口如下：P1.0，P1.1分別用來控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)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(jī)與PC機(jī)接口如下：P3.0與P3.1口通過USB轉(zhuǎn)TTL接口與PC機(jī)相連，用以接收PC機(jī)的脈沖控制信號。

2.3 軟件部分

單片機(jī)軟件部分設(shè)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(jī)相連，改變單片機(jī)定時器周期和設(shè)置脈沖數(shù)目，可以控制單片機(jī)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(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，步進(jìn)電機(jī)以8拍方式工作，每個脈沖使電機(jī)旋轉(zhuǎn)1.8°，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器設(shè)置為4細(xì)分狀態(tài)時，每個脈沖可使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)0.45°，設(shè)置單片機(jī)定時器的定時周期為T，在每個定時周期結(jié)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(jī)軟件界面設(shè)置脈沖數(shù)目N，見圖6。

每當(dāng)單片機(jī)完成N個定時器周期就改變單片機(jī)P1.1口的電平狀態(tài)，從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)動0.45°，P1.1口每改變一次電平狀態(tài)，電機(jī)改變一次轉(zhuǎn)動方向，電機(jī)在每個震動周期轉(zhuǎn)動的角度Y與每個周期內(nèi)所發(fā)送脈沖數(shù)目N的關(guān)系見式（1）：

圖6 脈沖數(shù)目設(shè)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(jī)震動周期T1與定時器定時周期T和發(fā)送脈沖數(shù)目N的關(guān)系見式（2）：

在軟件端設(shè)置脈沖數(shù)目N，可以控制電機(jī)震動角度，從而控制小鋼珠抖動幅度和周期。

3 結(jié)果與分析

使胎心信號模擬裝置通電工作后，在軟件端設(shè)置好脈沖數(shù)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(zhǔn)確性，采用FC-33光電傳感器測量步進(jìn)電機(jī)震動頻率，見圖8。

采用FC-33型光電測速傳感器模塊，每當(dāng)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(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，通過連接在電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)動頻率，并在PC機(jī)上實時顯示出來，改變電機(jī)的振動頻率，三次測量結(jié)果見圖9。

將所測量頻率與PC端預(yù)設(shè)頻率作對比，見表1。

對比結(jié)果表明，電機(jī)振動頻率基本上與所設(shè)置頻率一致。

3.2 TABLE UT系統(tǒng)測量結(jié)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(shè)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(jié)果Fig 9 Measurement of photoelectric sensors

表1 測量頻率與預(yù)設(shè)頻率對比Table 1 Contrast between measuring frequency and preset frequency

能夠驅(qū)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(dǎo)出原始數(shù)據(jù)進(jìn)行深度處理，設(shè)置TABLE UT系統(tǒng)，驅(qū)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(zhǔn)震動的小鋼珠進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每次采集10 s的數(shù)據(jù)，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(yù)設(shè)的心跳頻率做對比，見表2。

表2 波形頻率與預(yù)設(shè)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(xiàn)出周期性震動，震動頻率與PC端設(shè)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(dǎo)出TABLE UT系統(tǒng)對小鋼珠進(jìn)行A掃描的原始數(shù)據(jù)，見圖13。

圖12 TABLE UT測量結(jié)果Fig 12 Measurement of TABLE UT

此數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，可以用于胎心率算法的實驗，也可對其進(jìn)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(jié)

圖13 A掃描數(shù)據(jù)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(dǎo)出為數(shù)據(jù)文件，可以在其他程序中打開，進(jìn)行處理，并通過實驗進(jìn)行了驗證，表明了系統(tǒng)設(shè)計的正確性。為超聲胎心儀設(shè)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(jìn)具有重要幫助。