基于ADS1299的胎心监测装置的设计和实现

裴宗乔 袁 林 贺 壮 鞠文博

（成都信息工程大学，四川 成都 610225）

围产期胎儿的致死率随着孕周的增加而升高[1]，每年估计有400万围产儿和新生儿死亡，其中中低收入国家围产儿死亡率占全部围产儿死亡率的98%，由于中低收入国家医疗设施的缺乏，这个数字可能更高[2]。现代医学证明，妊娠高血压、胎盘脐带因数、身体过于劳累等，都有可能造成胎儿窘迫。胎儿缺氧不仅会影响胎儿正常生长发育，甚至对胎儿的生命安全产生威胁，是产生新生儿后遗症的最主要诱因[3]。有文献指出，围产儿死亡高危因素为：窒息(6.3 %)、脐带扭转(5.8 %)、脐带缠绕(5.8 %)。所以，在妇女孕期实施胎心监测，加强孕妇产前筛查、防止并发症发生，不仅可有效提高产妇及围产儿的生存几率，而且是减小围产儿死亡率的重要措施[4]。

1 总体设计

为达到减小系统体积和功耗的目的，将采集前端中各种元器件包括放大器、滤波器、控制器等都集成到一个片上系统(SoC)上，全电路主要由前端模拟芯片ADS1299、单片机（MCU）、低功耗蓝牙BLE5.0 等组成。因为胎心电信号都属于微弱信号，在采集过程中容易被母体信号所淹没，并且干扰噪声多、信噪比低，所以硬件采集系统的设计显得尤为重要。良好的电路设计为实现整个系统功能提供关键的保障，也为后面算法能正常运行而打下基础，在设计硬件电路过程中，需对芯片选型、PCB布局等细节进行把控和优化。本系统通过主控芯片将采集到的信号通过蓝牙传输到树莓派，将数据存储到树莓派中。此硬件系统包含胎心电采集电路设计、供电电路设计、单片机控制电路、蓝牙传输电路等。硬件设计总体框架图如图1所示。

图1 系统整体框图

2 硬件设计

2.1 胎心电采集系统设计要求

胎心电具有易受干扰、非线性、非平稳、微弱等特点，传统的方式很难采集到胎心电，在设计本系统时需要严格的要求，设计电路中包含的要求有：

2.1.1 采样率范围，成人ECG频率范围主要分布在0.05 Hz～100Hz，胎儿ECG频率范围可达200Hz，所以采样率至少为400Hz。

2.1.2 高输入阻容抗，FECG信号传导从心脏外壁到组织液，再到真皮、表皮，这就等效于几个串联的电容及电阻，且阻容抗还和一些外界因数有关，如电极的类型、贴合位置、皮肤的湿润程度及清洁度等有关。采集的阻容抗将直接影响采集结果，阻容抗小会导致采集到心电信号损失严重。

2.1.3 增益，采集的心电信号只有在被放大的情况下，才容易被发现观察，其放大的倍数与ADC采样的分辨率直接相关。

2.1.4 低噪声，在电子元器件中固有热噪声和散粒噪声，且这都属于白噪声，通过选用低噪声的元器件来降低噪声。

2.2 采集电路设计

TI公司的ADS1299是8路低噪音同时取样的24位的delta-sigmaADC，内置并可编程了增益放大器（PGA），基准电压状语从句：振荡器，集成了脑电图（EEG）所需的通用特性。器件具有非常低的输入参考噪声：1.0 μVPP（70-HzBW），没路的功率5mW，输入电压电流300pA，数据速率250SPS到16kSPS，C1.0 μVPP（70-HzBW），CMMR为-110dB，衰 减 增 益 为1，2，4，6，8，12或24，单极或双极电源工作，主要用于医疗仪器如EEG和ECG，听觉诱发电位（EAP），脑电双频谱指数（BIS），睡眠研究监测等，高级多路信号采集[5]。其功能布局如图2所示。本系统设计的胎心电采集电路如图3所示。

图2 ADS1299功能布局

图3 胎心电采集电路

2.3 MCU控制功能

由胎心电采集模块的选定，使得MCU的选型有了一些限制，如此主控芯片需支持SPI协议，具备12位ADC，支持DMA传输协议等。目前，主控芯片，包括MCU（STM32、MSP430、C51）、ARM、DSP和FPGA，根据自身对芯片的熟悉程度，及芯片本身所具备的特点和功能的考虑，最终选择了STM32F405RG作为主控芯片。STM32F103RG是一款带有32位Cortex-M4内核CPU的ARM，并具备自适应实时加速器，允许0等待从闪存中执行程序，其系统时钟高达168MHz。

2.4 电源管理

本文采用TP4054作为锂电池充电管理芯片，其封装格式是SOT，满足穿戴式设备小巧的特点，且内部采用了PMOSFET架构，可以在不连接外部检测电阻的情况下，防止反向充电。TP4054可通过充电电流的大小对芯片的温度进行控制，可在温度条件恶劣的环境下使用[6]。

2.5 稳压电路

整个系统电路需要的供电电压是3.3 V，而锂电池满状态时的输出电压是3.7 V，无法满足相关电路供电要求，所以在这里需要使用稳压电路来进行电压转换。本系统采用了FP6291稳压芯片，FP6291是一块在恒流模式稳压的芯片，适合于3～4.2 V的锂电池，且内部还有高节能的MOSFET电路，使得此稳压芯片功耗很小。由于FP6291采用了SOT23-6的封装结构，且只需外接一个小型贴片即可使用，这使得其成品体积比较小，符合便携式设备的要求。除此之外，FP6291还可配置过流、欠压等保护，并可对其最大电流值进行调节，其电流值范围是0.5 ～2.5 A，且还可通过软启动来减少浪涌电流[6]。

3 系统软件设计

系统软件设计的主要内容主要是通过主控模块对各个模块进行初始化，其中包块SPI，定时器中断、串口、GPIO初始化等。ADS1299采集芯片的初始化和数据的传输都是通过SPI进行的。通过SPI将胎心电信号采集到MCU中，然后在MCU中进行数据的基本格式转换及帧数据封装，然后通过蓝牙模块将处理后的数据发送到树莓派中；而在树莓派中完成简单的格式转换和存储操作。树莓派和下位机MCU之间通过蓝牙4.2 进行数据传输，需两者都满足蓝牙传输协议。单片机程序利用ST公司提供的库文件，在keil5MDK软件进行开发，而树莓派程序则是基于Python3.6，在PythonIDE上进行开发，软件系统总体设计框图如图4所示。

图4 软件流程图

系统测试结果：

目前设备已经完成样机调试，调试发现该设备可以准确采集到胎心电，可以将微弱的生理信号实现放大和上位机显示；医生可以通过上位机波形查看电极贴是否贴合正确和母体胎儿心电是否正常；图5为胎心电信号。

图5 胎心电信号

4 结论

本系统利用一款高增益、低噪声、多通道的的ADS1299设计了一款便携式的胎心电检测装置。该设备可以实现胎心电的采集、滤波放大、储存。能够有效的减少孕妇长期使用多普勒胎心监护仪的风险，让孕妇在家或者工作地也能实时监测胎心率，掌握胎儿的身体状况。且采集并存储的数据可用于后期的大数据分析，让我们更好的了解一些胎儿高危并发症的病因及病种，这对临床提早预防和治疗疾病大有裨益。