课程设计报告小组成员于立秋于惠吕苗洁方瑶班级研 1404 题目胎儿心电图仪的设计指导老师刘国忠目录1设计背景与目的 (3)2心电基础理论 (3)2.1引言 (3)2.2 胎儿心电信号相关知识 (4)2.2.1 胎儿心电信号的产生机理及特征 (4)2.2.2 胎儿心电导联配置 (5)2.3系统干扰噪声 (6)3系统方案设计 (7)3.1总体概述 (7)3.2系统整体框图 (7)4硬件系统设计 (8)4.1模拟电路模块设计 (8)4.1.1设计要求 (9)4.1.2高频滤波电路 (10)4.1.3前置放大和右腿驱动电路 (11)4.1.4隔离电路 (13)4.1.5高通滤波电路 (14)4.1.6主放大电路 (14)4.1.7低通滤波电路 (16)4.1.8陷波滤波电路 (16)4.2数字控制模块设计 (18)4.2.1模数转换电路 (18)4.2.2数据存储电路 (19)4.2.3 DSP芯片选型及分析 (19)5系统软件设计 (19)5.1软件设计流程图 (19)5.2 DSP程序设计 (21)5.2.1 TMS320VC5509A的编程资源 (21)5.2.2模数转换的控制与实现 (21)5.2.3数字陷波器设计 (22)5.3胎儿心电信号分离算法 (22)5.3.1自适应滤波算法原理 (22)5.3.2小波分析原理 (23)胎儿心电图仪设计报告1设计背景与目的为了消除母体心电活动和其他噪声的干扰，获得较为理想的FECG，处理孕妇腹部信号的主要困难在于以下几个方面：（1）心电信号本身就是一种低频、微弱的复杂生理信号。

ECG信号频谱为0.05—1OOHz，幅值一般只有0.01—5mV。

（2）测得的ECG中包含母体心电图MECG信号通常是FECG信号的几倍到几十倍，FECG信号经常被MEC信号和噪声所淹没。

在时域中，FECG信号约有10%—30%与MECG信号重合；在频域中，FECG信号频谱与MECG信号频谱大部分重叠。

（3）母亲的呼吸噪声、肌电噪声、工频干扰和各种电子噪声等干扰的影响。

（4）ECG信号是非平稳的随机信号，这些因素都严重影响着对孕妇腹部ECG 信号的检测和FECG信号的提取。

本课题研究的主要内容是设计一个实用的胎儿心电分离系统，能够实时采集记录孕妇腹部ECG信号，并能够在PC机上利用非线性PCA算法实现FECG 信号与MECG信号的分离。

2心电基础理论2.1引言基于DSP的胎儿心电图仪系统所要完成的工作是胎儿心电信号的采集和存储，为此必须对胎儿心电信号有一个完整的认识，主要包括胎儿心电信号及其主要干扰的特点，这样才能有针对性的设计合理的采集方案，既能够实现胎儿心电信号的完整准确清晰采集。

通过在孕妇体表放置若干电极测得ECG数据，然后对这些数据进行处理，从而实现对FECG和MECG的分离。

2.2 胎儿心电信号相关知识胎儿心电信号是孕妇子宫内胎儿心脏活动产生的电生理现象，了解其产生的机理，能够全面的分析得到胎儿心电信号的特点，也能得到在胎儿心电信号传导的过程中掺杂进来的干扰信号，这对于如何设计系统方案具有重要作用。

2.2.1 胎儿心电信号的产生机理及特征胎儿心脏在机械功能上与成人心脏有区别，但是它们的心脏电活动却是极其相似的。

心脏不断地进行着有节奏的收缩和舒张活动，心脏在机械性的收缩之前，首先产生电激动，产生生物电流，并经各种肌层组织传导至体表，在体表不同部位产生不同的电位变化，从而形成体表电位差，即动态的心电信号。

每一次心搏都历经一次完整的心房去极化/复极化和心室去极化/复极化过程，这也代表了正常 ECG 的一个周期。

图 2.1 所示是典型的 ECG 波形图，由 P 波、P-R 间期、QRS 综合波群、ST 段和 T 波组成，这种字母表示法是由Einthoven 在 1895 年创造的。

图2.1典型心电图P 波：P 波是左右心房除极过程产生的波形，前半部分波形由右心房除极产生，后半部分波形则由左心房除极产生。

胎龄达到 17 周后心房开始发育，P 波出现，随后逐渐增宽。

临床后 P 波振幅减小，时限也稍有缩短。

P-R 间期：P-R 间期是指自心房除极开始至心室除极开始的时间。

随着胎龄的增长，P-R 间期将延长。

但在第二产程中，P-R 间期会逐渐缩短，可能是因为胎儿处于应急状态导致的。

QRS 综合波群：QRS 综合波群代表心室肌除极过程中的综合电位变化，随着胎龄的增长，QRS 波群将展宽，并且与胎儿心脏的重量是相平行的。

正常胎儿心电图的 QRS 波群时限为 0.02~0.05s，若超过 0.06s 则视为异常。

ST 段：ST 段是 QRS 综合波群终点到 T 波起点间的电位线，代表心室除极结束到复极开始的电位变化，正常 ST 段的电位线是等电位的。

若 ST 段抬高或降低5uV 则视为异常。

T 波：T 波是心室的复极波形。

具有振幅低而时限长的特点，有时会缺失。

其方向通常与 QRS 综合波群的主波方向相同，极少见到方向相反的现象。

若严重缺氧时，则可能导致 T 波倒置，T 波高尖或双向波等现象。

2.2.2 胎儿心电导联配置医学上是根据孕妇和胎儿的心电场向量位置来决定测量电极的安放位置的，同时考虑到胎儿心电分离算法的研究，需要采集八路孕妇体表ECG信号。

如图2.2所示，显示了孕妇的心电场向量及八路导联的位置。

八路测量电极中的三路放置在孕妇的胸部，由于胎儿本身心电信号很微弱，而且电极位置远离胎儿心脏，所以在孕妇的胸部测量的心电信号几乎不含MECG。

其它五路电极放置在孕妇的腹部，测得混合的ECG，它是母体心电号、胎儿心电信号及各种干扰的混合信号。

图2.2心电场向量及八导联位置图2.3系统干扰噪声从孕妇体表测得的ECG信号中所包含的FECG信号非常微弱，受到肌电噪声、MECG、工频干扰和电子设各噪声等干扰十分严重，因此要想获得清晰且不失真的FECG并不容易。

这些干扰因素归纳起来主要有以下几种：（1）基线漂移：由孕妇呼吸引起的腹部起伏以及电极与孕妇腹壁接触的变化会引起心电信号基线的漂移；（2）电极极化噪声：孕妇腹壁皮肤与电极接触会产生半电池效应而产生极化电压，极化噪声是可以达到±300mV 的直流电压；（3）工频干扰：由市电产生的50Hz及其谐波的工频干扰对胎儿心电信号的干扰非常严重，严重影响胎儿心电信号采集的质量；（4）电磁噪声：来自于其它电子通信设备的电磁干扰经长导联线（可以认为是天线）耦合进入采集电路；（5）电子元件噪声：电子元件的热噪声也会对胎儿心电信号的采集产生影响，这就要求在选取电子元件时要尽量选择低噪声的元件。

3系统方案设计3.1总体概述本课题设计开发以TMS320VC5509A低功耗DSP芯片为系统核心芯片,实现了对胎儿心电分离系统的软硬件设计。

通过前面的分析我们可以得出FECG信号具有生物电信号的普遍特性，是一种典型的人体生理信号，比如这类信号具有频率低、幅值小、易受外界干扰等特点，给信号采集工作带来了不少难度。

综合分析各方面因素，系统方案设计需要满足以下几个方面的要求：(l)设计合理的放大和滤波等必要的信号调理电路。

包括设计合理实用的有源滤波器，用来实现对通过体表电极采集到的ECG信号的0.05—100Hz的带通滤波和50Hz陷波处理，实现1000倍的信号放大，以及右腿驱动设计。

(2)符合需要的模数转换。

目前国际上的心电数据库一般为10位以上，采样频率至少要达到200Hz以上。

(3)选用合理的系统核心芯片。

(4)设计良好的上位机处理系统。

实现对ECG信号的实时传输、显示、分离、存储等。

综上所述，整个电路系统需要考虑和解决的问题主要包括：采集和放大微弱的胎儿和母体混合信号、滤除噪声干扰、存储数据、与上位机通讯和实现胎儿和母体心电信一号的分离等儿个方而内容。

因此，整个电路设计由高频电磁滤波器、输入缓冲电路、前置放大电路、高通滤波器、主放大电路、低通滤波器、陷波滤波器、AD转换电路、多媒体卡控制电路、通讯接口电路、上位机处理等部分组成。

3.2系统整体框图系统处理的基本流程为：首先通过八路导联在孕妇体表采集到混合的ECG 信号,然后进行模拟放大和滤波处理,将模拟数据送入模数转换器转换为数字信号，通过DSP 将数据进行实时存储，并将数据传送给上位机，在上位机上实现FECG 信号与MECG 信号的分离和显示。

整体框图如下图所示： 信号调理电路孕妇腹壁混合心电信号AD 转换TMS320VC5509A SD 卡存储串行口上位机分离算法作图隔离电源图3.2系统整体框图4硬件系统设计4.1模拟电路模块设计由于系统的设计使用对象为孕妇，因此这种用于生物医学检测的生物电放大电路，必须在前置级设计相应保护电路，这包括保护人体安全的电路和对放大电路进行一定输入保护的电路。

同时，在设计中还应该考虑到作用于人体的其它医学检测设备和其它可能存在的某些干扰都有可能会对放大电路产生破坏，并且考虑到人体生理信号的特点，本系统设计采用比较典型的生理信号调理电路。

孕妇腹壁混合心电信号高频滤波器心电电极与导联线前置放大高通滤波器主放大电路低通滤波器陷波滤波器右腿驱动及屏蔽电路图4.1系统模拟电路框图如图4.1所示为系统模拟电路框图。

八路目标信号从输入电极输入，然后经过高通滤波器，滤除高频电磁干扰后再将信号送入前置放大电路进行放大。

经过前置放大后的ECG信号具有低频率、低噪声、低漂移、低共模等特性。

然后将经前置放大后的ECG信号送到高通滤波器，得到0.05—100Hz的有用信号，送入主放大电路中进行二次放大，最后再送到50Hz陷波器，以消除50Hz工频干扰的影响。

将得到的信号送至模数转换器的输入端将其转换为数字ECG信号。

4.1.1设计要求由于孕妇ECG信号具有微弱、低频、不稳定、随机等特性，且易受外界环境干扰，因此对系统模拟电路部分的设计就有着非常苛刻的要求。

(1)增益。

孕妇ECG信号一般只有0.01—5mV，典型值为1mV，也就是说孕妇ECG信号具有微弱性。

为了满足系统模数转换器的输入要求，所以要求放大倍数很高。

但是为了进一步提高共模抑制比、抑制零点漂移、这就要求放大电路的设计必须分两级实现，并且前置放大器的增益不能设计的太高。

本系统中，设计前置放大器增益为10，二级放大器增益为100。

(2)频率响应。

由于孕妇ECG信号的频谱范围为0.05一100Hz，所以要求心电放大器必须能够在0.05一100Hz频谱范围内不失真地放大所检测到的ECG信号。

同时，为了尽可能地减少工频干扰和其他不必要的噪声干扰影响，需要设计低通、高通滤波器和50Hz陷波器电路，这样得到的ECG信号才具有价值。

(3)高共模抑制比。

在本系统设计中，测量电极与孕妇皮肤接触会引起极化电压，这种极化电压可能会作为直流共模干扰输入到心电放大器中，其幅值可能会达到数百毫伏大小，为了防止ECG信号被淹没在极化电压、工频干扰或其它共模干扰之中，一般情况下要求系统设计的CMMR应达到80dB以上。