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摘 要：对于准妈妈来说，腹中胎儿是否健康是她们最关心的问题。但是一出现问题就往医院跑实在麻烦，而市面上的一些胎心检测装置又相对较贵，并且辐射剂量对胎儿的安全性也得不到保障。本文所述的检测胎心的装置基于超声多普勒原理，超声辐射剂量小，对胎儿的影响较小，成本较低，携带方便，适合普通家庭使用。
关键词：超声多普勒；无创便携式设计；胎心检测
一、概述
胎儿在母体子宫内由于各种原因可能会造成胎儿的暂时性缺血、缺氧从而导致胎儿生长发育过程中的畸形甚至造成死胎。临床表明，胎儿的正常生长发育与胎儿的心率有着紧密的联系。因此，利用电子装置对胎儿的心率进行监护有着十分重要的临床意义。胎儿心率的检测属于强检项目，正常胎儿的心率比较快，每分钟120到160次之间，传统的电子听诊器只是具有放大胎心心电信号的放大功能而且还是人工计数，使得测出的值的误差相对较大。论文所述的胎心检测装置不仅能自动检测出心率还能将胎心波形实时显示出来，通过A/D，D/A转换还能转换为声频信号输出。并且本装置基于超声多普勒原理，超声波发射频率在标准范围以内（<=5Mhz），不会对胎儿的发育带来负面影响。
二、连续波超声多普勒探头
本装置采用的是超声非聚焦连续波多普勒原理，由与母体腹部声耦合的超声换能器及其电路部分组成，可检测和记录胎儿的心率。探头采用超声换能传感器，通过发射探头发射2MHZ频率的超声波信号（根据国家标准规定频率在5MHZ以内，有效辐射直径范围为0.5mm～50mm），接收探头接收回波信号。根据多普勒原理，一定频率的声波信号在遇到运动的障碍物时，回波信号的频率会发生改变，即多普勒频移现象。多普勒效应是一种物理现象，当波源相对于接受器运动时，接收的回波信号频率发生变化，接受信号频率与波源频率的差值大小与波源同接收体相对运动的速度成正比。（多普勒效应公式要不要写上？？）因为胎儿在母体中心率跳动比较微弱，因而胎心信号非常微弱。如果像采集常人心电一样用电极采集是很难采集到的，但是多普勒效应却可以根据采集得到的频偏信号从而间接测量到微小的心脏跳动。所采集到的频偏信号送到之后的信号处理电路，经过放大滤波以及信号转换电路最终可在显示器显示出波形并产生声频输出。
三、系统的工作原理与组成部分
系统通过超声多普勒探头发射接收信号，获得一个频偏信号。该信号转换成模拟电压信号，经过前置放大器放大，滤波电路滤波以及其他信号处理电路，然后通过A/D转换变成数字信号，送到80C51单片机处理分析，驱动液晶显示器显示波形以及声频电路输出声信号，自动计算心率并输出结果。
1、前置放大电路
在前置放大器的设计中，考虑到噪声的因素，我们要对前置放大器的倍数有一定的限制，增加后级放大电路已经增益调节电路。高输入阻抗能够提高共模抑制比，共模抑制比的大小又与器件的选择有关，因此，在采用放大器的时候我们采用仪用运放AD620，放大倍数可以通过选择不同的外接电阻来调节，共模抑制比高，失调电压小，非常符合电路要求。
2、信号滤波电路
该装置是在母体外来测量的一种间接的无创检测方式，因此，所采集到的信号包含母体的心电信号以及周围用电设备的工频干扰信号。临床实验总结显示，胎儿的心率信号主要集中在70HZ～110HZ之间，母体心电信号在0.5HZ～100HZ之间。本装置中间滤波部分采用硬件电路滤波，滤波电路包括低、高通滤波电路，带通选频电路，二级放大电路，工频干扰滤波电路。实验结果显示，采集到的胎儿心率信号中包含了母体心电信号，胎儿的心电信号是一种不确定性的近似周期性的信号，母体的心电信号则是周期性的可以检测到的心电信号，且胎儿的信号频率要高于母体信号。所以，在采集到混合信号后经过低、高通滤波电路，除去与母体和胎儿心电无关的频率。滤波电路均采用二阶有源滤波器，增益衰减快，滤波特性比较好。之后信号再经过有源带通滤波电路，带通滤波器的中心频率f0=90hz，通带增益BW=40hz，Q=2*pi*f0/BW，所得信号近似于胎儿心电信号的频率波段再送入后级放大电路处理。理论上来说此时的心电信号就是纯净的胎儿心电信号，但是实际上还是会有母体心电信号并没有完全滤除，因此，论文后面将介绍用自相关算法来提取比较纯净的胎儿心电信号。孕妇在使用装置的时候周围避免不了会有用电设备，这将使得测出的信号中含有工频干扰。由于胎儿心电信号属于微弱、低频生理信号，工频干扰的影响不能忽略，所以在此加入一个工频干扰陷波器。采用可变Q值的双T有源陷波器，由于陷波器的稳定性与Q有关，Q越大阻带宽度越小，陷波特性越好，但同时陷波器的稳定性也越差。所以设计时兼顾稳定性和Q、K值，尽量减小阻带宽度，避免不必要的信号被滤除同时保证陷波器的稳定性。经过滤波处理后的信号送入后级放大电路，我们可以采用CD4052芯片与放大器反馈电阻的组合实现放大倍数的切换，将采集的毫伏级微弱电信号放大至伏量级后经过A/D转换送到单片机芯片进行信号的分析处理，软件编程实现心率的计算，并将信号波形提取后送到液晶显示器显示。同时，单片机还可以通过LM4863（音频功放IC）输出声音信号，方便用户监听。
四、胎儿的心电提取算法研究
前面虽然采用了模拟滤波器对胎心信号进行了滤波并已得到近似胎心信号的波形，但是硬件电路滤波总是存在某些缺陷，从含有噪声的信号中提取信息的能力不够强，导致测量精度不是很理想。胎心心电的提取算法有很多种，比如自适应滤波算法、独立分量分析算法等。综合考虑到提取胎心信号的准确性以及我们采用的核心处理器8051单片机的处理速度相对来说不够快，所以我们采用自相关分析方法。该方法对处理器的速度要求不高且能够满足我们对信号提取的精度要求。
临床研究分析表明，胎心信号的周期没有确定性，但是相对于噪声、干扰来说可以近似看做周期性的确定性信号。一般来说，确定性信号在不同时刻的取值具有较强的相关性；但是噪声信号则不然，其随机性强，不同时刻取值的相关性差，因而可以利用自相关分析技术从噪声干扰中提取出比较纯净的胎儿心电。信号的自相关函数是指信号与其延时信号的相似性，是一个时间函数。信号的自相关函数不仅与信号的波形有关，还与信号的频率有关。信号x（t）的自相關函数的定义：
信号x（t）与其延时变换式相乘再求T秒内积分的平均值。单片机处理的是数字信号，所以对数字系统来说，自相关函数的积分求均值就是信号以t为周期采样N点，再将N点相乘求和取平均。有自相关函数的性质，当信号的延时值刚好取到信号的周期时，函数存在峰值。因而可根据信号的带宽取不同的延时值计算函数值，根据函数值的峰值位置即可确定信号的周期和频率。本系统即可据此对胎心信号采样、存储和计算自相关函数值，再找出函数的最大值及其对应的延时值即可确定胎心的周期和频率，简单方便，精确度高。
五、结论
本文介绍了一种基于超声多普勒的无创胎心检测装置的设计思路和方法以及胎心提取的自相关分析算法。此装置安全性能高，成本低，测量精确度高，无创便携使用方便，非常适合用于家庭监护。本装置核心处理器用51单片机结合自相关分析算法，处理速度快，采用硬件和软件滤波结合，使得提取的胎心信号更纯净，更能达到要求的测量精度。
参考文献
[1]杨玉星，生物医学传感器与检测技术，化学工业出版社，2005.8
[2]高晋占，微弱信号检测，清华大学出版社，2004.11
[3]刘宝华，电子胎心率监护，中国医药科技出版社，2002
关键词：超声多普勒；无创便携式设计；胎心检测
一、概述
胎儿在母体子宫内由于各种原因可能会造成胎儿的暂时性缺血、缺氧从而导致胎儿生长发育过程中的畸形甚至造成死胎。临床表明，胎儿的正常生长发育与胎儿的心率有着紧密的联系。因此，利用电子装置对胎儿的心率进行监护有着十分重要的临床意义。胎儿心率的检测属于强检项目，正常胎儿的心率比较快，每分钟120到160次之间，传统的电子听诊器只是具有放大胎心心电信号的放大功能而且还是人工计数，使得测出的值的误差相对较大。论文所述的胎心检测装置不仅能自动检测出心率还能将胎心波形实时显示出来，通过A/D，D/A转换还能转换为声频信号输出。并且本装置基于超声多普勒原理，超声波发射频率在标准范围以内（<=5Mhz），不会对胎儿的发育带来负面影响。
二、连续波超声多普勒探头
本装置采用的是超声非聚焦连续波多普勒原理，由与母体腹部声耦合的超声换能器及其电路部分组成，可检测和记录胎儿的心率。探头采用超声换能传感器，通过发射探头发射2MHZ频率的超声波信号（根据国家标准规定频率在5MHZ以内，有效辐射直径范围为0.5mm～50mm），接收探头接收回波信号。根据多普勒原理，一定频率的声波信号在遇到运动的障碍物时，回波信号的频率会发生改变，即多普勒频移现象。多普勒效应是一种物理现象，当波源相对于接受器运动时，接收的回波信号频率发生变化，接受信号频率与波源频率的差值大小与波源同接收体相对运动的速度成正比。（多普勒效应公式要不要写上？？）因为胎儿在母体中心率跳动比较微弱，因而胎心信号非常微弱。如果像采集常人心电一样用电极采集是很难采集到的，但是多普勒效应却可以根据采集得到的频偏信号从而间接测量到微小的心脏跳动。所采集到的频偏信号送到之后的信号处理电路，经过放大滤波以及信号转换电路最终可在显示器显示出波形并产生声频输出。
三、系统的工作原理与组成部分
系统通过超声多普勒探头发射接收信号，获得一个频偏信号。该信号转换成模拟电压信号，经过前置放大器放大，滤波电路滤波以及其他信号处理电路，然后通过A/D转换变成数字信号，送到80C51单片机处理分析，驱动液晶显示器显示波形以及声频电路输出声信号，自动计算心率并输出结果。
1、前置放大电路
在前置放大器的设计中，考虑到噪声的因素，我们要对前置放大器的倍数有一定的限制，增加后级放大电路已经增益调节电路。高输入阻抗能够提高共模抑制比，共模抑制比的大小又与器件的选择有关，因此，在采用放大器的时候我们采用仪用运放AD620，放大倍数可以通过选择不同的外接电阻来调节，共模抑制比高，失调电压小，非常符合电路要求。
2、信号滤波电路
该装置是在母体外来测量的一种间接的无创检测方式，因此，所采集到的信号包含母体的心电信号以及周围用电设备的工频干扰信号。临床实验总结显示，胎儿的心率信号主要集中在70HZ～110HZ之间，母体心电信号在0.5HZ～100HZ之间。本装置中间滤波部分采用硬件电路滤波，滤波电路包括低、高通滤波电路，带通选频电路，二级放大电路，工频干扰滤波电路。实验结果显示，采集到的胎儿心率信号中包含了母体心电信号，胎儿的心电信号是一种不确定性的近似周期性的信号，母体的心电信号则是周期性的可以检测到的心电信号，且胎儿的信号频率要高于母体信号。所以，在采集到混合信号后经过低、高通滤波电路，除去与母体和胎儿心电无关的频率。滤波电路均采用二阶有源滤波器，增益衰减快，滤波特性比较好。之后信号再经过有源带通滤波电路，带通滤波器的中心频率f0=90hz，通带增益BW=40hz，Q=2*pi*f0/BW，所得信号近似于胎儿心电信号的频率波段再送入后级放大电路处理。理论上来说此时的心电信号就是纯净的胎儿心电信号，但是实际上还是会有母体心电信号并没有完全滤除，因此，论文后面将介绍用自相关算法来提取比较纯净的胎儿心电信号。孕妇在使用装置的时候周围避免不了会有用电设备，这将使得测出的信号中含有工频干扰。由于胎儿心电信号属于微弱、低频生理信号，工频干扰的影响不能忽略，所以在此加入一个工频干扰陷波器。采用可变Q值的双T有源陷波器，由于陷波器的稳定性与Q有关，Q越大阻带宽度越小，陷波特性越好，但同时陷波器的稳定性也越差。所以设计时兼顾稳定性和Q、K值，尽量减小阻带宽度，避免不必要的信号被滤除同时保证陷波器的稳定性。经过滤波处理后的信号送入后级放大电路，我们可以采用CD4052芯片与放大器反馈电阻的组合实现放大倍数的切换，将采集的毫伏级微弱电信号放大至伏量级后经过A/D转换送到单片机芯片进行信号的分析处理，软件编程实现心率的计算，并将信号波形提取后送到液晶显示器显示。同时，单片机还可以通过LM4863（音频功放IC）输出声音信号，方便用户监听。
四、胎儿的心电提取算法研究
前面虽然采用了模拟滤波器对胎心信号进行了滤波并已得到近似胎心信号的波形，但是硬件电路滤波总是存在某些缺陷，从含有噪声的信号中提取信息的能力不够强，导致测量精度不是很理想。胎心心电的提取算法有很多种，比如自适应滤波算法、独立分量分析算法等。综合考虑到提取胎心信号的准确性以及我们采用的核心处理器8051单片机的处理速度相对来说不够快，所以我们采用自相关分析方法。该方法对处理器的速度要求不高且能够满足我们对信号提取的精度要求。
临床研究分析表明，胎心信号的周期没有确定性，但是相对于噪声、干扰来说可以近似看做周期性的确定性信号。一般来说，确定性信号在不同时刻的取值具有较强的相关性；但是噪声信号则不然，其随机性强，不同时刻取值的相关性差，因而可以利用自相关分析技术从噪声干扰中提取出比较纯净的胎儿心电。信号的自相关函数是指信号与其延时信号的相似性，是一个时间函数。信号的自相关函数不仅与信号的波形有关，还与信号的频率有关。信号x（t）的自相關函数的定义：
信号x（t）与其延时变换式相乘再求T秒内积分的平均值。单片机处理的是数字信号，所以对数字系统来说，自相关函数的积分求均值就是信号以t为周期采样N点，再将N点相乘求和取平均。有自相关函数的性质，当信号的延时值刚好取到信号的周期时，函数存在峰值。因而可根据信号的带宽取不同的延时值计算函数值，根据函数值的峰值位置即可确定信号的周期和频率。本系统即可据此对胎心信号采样、存储和计算自相关函数值，再找出函数的最大值及其对应的延时值即可确定胎心的周期和频率，简单方便，精确度高。
五、结论
本文介绍了一种基于超声多普勒的无创胎心检测装置的设计思路和方法以及胎心提取的自相关分析算法。此装置安全性能高，成本低，测量精确度高，无创便携使用方便，非常适合用于家庭监护。本装置核心处理器用51单片机结合自相关分析算法，处理速度快，采用硬件和软件滤波结合，使得提取的胎心信号更纯净，更能达到要求的测量精度。
参考文献
[1]杨玉星，生物医学传感器与检测技术，化学工业出版社，2005.8
[2]高晋占，微弱信号检测，清华大学出版社，2004.11
[3]刘宝华，电子胎心率监护，中国医药科技出版社，2002