一种基于单片机的胎心仪信号模拟装置*

张旭斌，彭虎

（合肥工业大学，合肥230000）

1 引 言

正常胎心率范围为120～160次/min[1]，胎心率作为孕妇临床产检的重要指标，反映了胎儿胎心率微小的周期性波动和胎儿心跳间隔的变化，与胎儿健康状态密切相关[2-4]，通过持续的对胎儿的心率进行观测，可以较好地了解胎儿的身体情况，更进一步的及时发现胎儿可能存在的隐患并采取措施有效解决，减少产前胎儿的死亡[5]。因此，准确、实时地计算出胎儿的瞬时心率对于判断胎儿在母体内的健康状况具有极其重要的意义[6-7]。

胎心信号模拟器在胎儿监护仪的研发中有着广泛的应用，由于超声多普勒胎心信号为非平稳信号，母体呼吸、心跳及血液流动等因素极易对胎儿心率信号造成干扰，加之母腹中胎儿心脏较小，因而，很难准确的从带有多种噪声干扰的母体中采集到微弱胎心信号[8]，但胎心模拟器可以直接提供特定频率的胎心信号，用以对胎心仪设备进行验证和改进，直接关系到胎心仪的产品质量和诊断结果，胎心模拟器的研究具有很高的应用价值和临床意义，不仅可以方便测试人员使用、节省开发时间，还可以降低开发验证成本。

胎心模拟器目前在各医院和研制厂商中有着广泛的应用，但相关资料甚少。目前国内外生产胎心模拟器的厂家并不多[9]，一个是挪威进口的PS-320胎心模拟器，性能较好，但价格昂贵；另一个是中国计量科学研究院研制的FS-3型超声多普勒胎儿测量仪检测装置，价格较前者便宜，但体积大，不易携带。根据这两种模拟器的特点，本研究提出一种结构简单、成本低廉的胎心信号模拟装置。

2 设计方案

2.1 系统结构

整个胎心信号模拟装置包括STC90C516RD+单片机，TB6600电机驱动器，电源模块，两相四线步进电机，PC机上的软件界面（通过串口与单片机相连），系统框图见图1。

图1 结构框图Fig 1 Structure diagram

系统主要以单片机为核心，PC机通过控制单片机输出脉冲波驱动步进电机转动的同时，不断改变电机转动的方向，使转动变为往复的震动，见图2。

图2 胎心模拟器示意图Fig 2 Schemadic diagram of fetal heart simulator

在图2中，固定在电机轴上的法兰圆盘上A点小角度的转动传导到B点可以被近似认为是上下震动，再通过金属杆的传导从而带动水箱中的小钢珠震动，用水箱模拟人体环境，因为超声波在水中和人体中的传播特性大体相同，用钢珠模拟胎儿心脏，用以反射超声波。

2.2 电路部分

鉴于低成本、低功耗及串口需求，选用了STC90C516RD+单片机作为控制芯片，芯片连接电路见图3。

图3 芯片电路Fig 3 Chip circuit

两相四线42步进电机共有四个引脚，A+，A-， B+，B-，通过步进电机控制器与单片机相连，见图4。

图4 步进电机控制器电路Fig 4 The stepping motor controller circuit

TB6600步进电机控制器的PUL口为脉冲输入口，DIR口为方向控制口，EN为使能口，控制器采用共阳极接法，DIR+与PUL+接+5 V高电平，EN口悬空。

单片机与步进电机驱动器接口如下：P1.0，P1.1分别用来控制步进电机驱动器的DIR，PUL口，P1.2用来提供+5 V高电平与DIR+，PUL+相连，连接方式见图4。

单片机与PC机接口如下：P3.0与P3.1口通过USB转TTL接口与PC机相连，用以接收PC机的脉冲控制信号。

2.3 软件部分

单片机软件部分设计见图5。

图5 软件流程图Fig 5 Software flow chart

软件部分以脉冲波输出控制部分为核心，PC端通过串口与单片机相连，改变单片机定时器周期和设置脉冲数目，可以控制单片机输出CLK脉冲和DIR控制电平的频率，从而输出特定的频率和方向的脉冲波驱动步进电机转动，步进电机以8拍方式工作，每个脉冲使电机旋转1.8°，当步进电机驱动器设置为4细分状态时，每个脉冲可使步进电机旋转0.45°，设置单片机定时器的定时周期为T，在每个定时周期结束时改变P1.0口的电平状态，从而控制每个脉冲的发送间隔，通过PC机软件界面设置脉冲数目N，见图6。

每当单片机完成N个定时器周期就改变单片机P1.1口的电平状态，从而改变电机转动方向，P1.0，P1.1口输出状态见图7。

P1.0口每发送一个脉冲，电机转动0.45°，P1.1口每改变一次电平状态，电机改变一次转动方向，电机在每个震动周期转动的角度Y与每个周期内所发送脉冲数目N的关系见式（1）：

图6 脉冲数目设置Fig 6 Pulse number setting

图7 P1.0，P1.1口输出状态Fig 7 P1.0，P1.1 Port output status

电机震动周期T1与定时器定时周期T和发送脉冲数目N的关系见式（2）：

在软件端设置脉冲数目N，可以控制电机震动角度，从而控制小钢珠抖动幅度和周期。

3 结果与分析

使胎心信号模拟装置通电工作后，在软件端设置好脉冲数目N，小钢珠开始以恒定频率在水中震动。

3.1 光电传感器测量

为了验证系统准确性，采用FC-33光电传感器测量步进电机震动频率，见图8。

采用FC-33型光电测速传感器模块，每当传感器接收槽中的遮挡状况发生变化时，传感器的输出状态也会变化，当电机转动时，通过连接在电机轴上的法兰圆盘上的小孔不断透过和阻断红外线，即图8（b）中的小孔C，从而测得电机的转动频率，并在PC机上实时显示出来，改变电机的振动频率，三次测量结果见图9。

将所测量频率与PC端预设频率作对比，见表1。

对比结果表明，电机振动频率基本上与所设置频率一致。

3.2 TABLE UT系统测量结果

TABLE UT是一款自带windows系统的便携式超声信号采集显示设备，见图10。

图8 光电传感器示意图Fig 8 Schematic diagram of photoelectric sensor

图9 光电传感器测量结果Fig 9 Measurement of photoelectric sensors

表1 测量频率与预设频率对比Table 1 Contrast between measuring frequency and preset frequency

能够驱动外接超声探头发射超声波，并且将接收到的超声信号以A扫描或者B扫描的模式显示在系统界面，支持导出原始数据进行深度处理，设置TABLE UT系统，驱动2.5 M收发一体水浸超声探头以20次/s的频率发射脉冲波，对准震动的小钢珠进行数据采集，每次采集10 s的数据，见图11。

图10 TABLE UTFig 10 TABLE UT

图11 测量示意图Fig 11 Schematic diagram of measurement

三次实验采集到的B扫描波形见图12。

将每次实验所测得的波形频率与预设的心跳频率做对比，见表2。

表2 波形频率与预设频率对比Table 2 Contrast between waveform frequency and preset frequency

从图12中可以明显看出所接收回波信号呈现出周期性震动，震动频率与PC端设置的震动频率一致。所以，模拟装置的回波信号能够有效反映出心脏的跳动规律，同时导出TABLE UT系统对小钢珠进行A扫描的原始数据，见图13。

图12 TABLE UT测量结果Fig 12 Measurement of TABLE UT

此数据为第一次测量时的A扫描的一部分波形，即胎心仪的研发过程中所需要的超声回波原始数据，可以用于胎心率算法的实验，也可对其进行更深一步的时频分析，能得到更多的胎儿心跳信息。

4 总结

图13 A扫描数据Fig 13 A-scan data

本研究采用了一种更简便的方法模拟胎心的跳动，可以方便更改胎心跳动的频率和幅度，提供有效的超声回波信号，并且能将超声回波信号导出为数据文件，可以在其他程序中打开，进行处理，并通过实验进行了验证，表明了系统设计的正确性。为超声胎心仪设计提供了一个简单有效的测试平台，这对于超声多普勒胎心仪算法的改进具有重要帮助。