基于DSP2407A的超声多普勒胎心率监护仪设计

基于DSP2407A的超声多普勒胎心率监护仪设计 收稿日期:05.8.25基于DSP2407A的超声多普勒胎心率监护仪设计 熊显名 杨 虎 （桂林电子工业学院 桂林 541004） 摘 要 对围产期胎儿的心率进行监测是孕胎重要护理内容之一，超声多普勒检测法具有良好测量性能。本文介绍一种采用DSP组成的多普勒胎儿监护仪的基本结构和工作原理。此系统实现了超声多普勒胎心率的计算和心率值实时输出。心率值准确，符合国家标准。 关键字 胎心率，超声多普勒，DSP ，自相关算法，数字滤波 DSP-based Design Of Ultrasound Doppler Fetal Heart Rate Monitor Xianming Xiong Yang Hu （Guilin University of Electronic Technology Guilin 541004） Abstract It is very important to monitor the fetal heart rate (FHR) in the clinical management of pregnancies antenatally. The measurement using ultrasound Doppler has good performance. The basic structure and operation principle of the designed FHR monitor based on TMS320DSP2407A is presented in this paper. Based on this system, FHR estimation and real-time output achieved. The output data are correct and measure up. Keys FHR, Ultrasound Doppler, DSP, autocorrelation algorithm, digital filters 1 前言 胎心率是目前对胎儿监护的重要生理指标之一。获取胎心率的有：（1）听筒拾取法：利用胎儿心脏跳动时振动产生的声波，经喇叭柱状的听筒共鸣后监听胎儿心脏跳动声音；（2）麦克风拾取法：麦克风将胎儿心脏的跳动转换成电信号，该电信号经音频和功率放大器放大驱动扬声器发声；（3）胎儿心电检测：通过对胎儿心电图的分析和相关算法处理得到胎心率；（4）超声多普勒检测技术：采用超声探头获取胎儿心跳的频移信号，运用相关算法分析处理获取胎心率。前两种方法需要监护人员对声音人工计数，浪费人力，且容易由于杂音和计数错误导致结果错误，实时性也差。第三种方法由于受到母体心电信号的干扰，胎儿心电信号难以识别，需要有经验的医生或较复杂的算法才能得到较准确的心率值。超声检测是目前广泛使用的无创伤检测方法。通过超声直接得到胎儿心跳的频移信号，经过滤波和自相关处理等分析后直接显示实时性较好的胎心率。 2 工作原理简介 在医用超声多普勒技术中，超声波发射和接收晶片均固定，人体内沿超声束方向有位移变换分量的运动目标（如胎儿心脏）将使得接收到的回波信号的频率增高和减低，即出现多普勒效应。该信号即为多普勒频移信号，包含有运动目标的运动幅度、方向和速度等有用信息。多普勒回波成分较复杂，主要有：胎儿心脏壁室的肌肉运动、胎儿心脏瓣膜信号、胎儿动脉血流信号、胎儿静脉血流信号、胎儿呼吸信号、母体血流信号和载波漂移等。采用带通滤波和自相关算法能够有效虑除大多数噪音信号，利用胎儿心跳信号两拍间的“相似性”，确定出一个延时，即心跳周期。 3 硬件设计 胎心率监护仪原理框图如图1所示。 振荡器产生2.2M的正弦波发射信号，已激励超声波探头发射晶片发射超声波。当发射的超声波遇到沿声束方向有位移变换分量的运动界面时，就会产生含多普勒频移信号的接收回声信号。超声波探头接收晶片接收回声信号，经选频放大器信号放大，解调器将接收信号同与发射信号频率相同的参考信号进行比较，再经过带通滤波提取多普勒频移信号，一路信号进入音频放大器放大，用于声音监听；第二路信号经LED驱动电路后用于心跳指示显示；第三路信号送DSP进行处理，求取心率值。超声多普勒胎心率算法实现硬件系统采用了TI公司的DSP2407A，其运算速度可达40MIPS。为了充分发挥DSP的高速处理能力，选用存取速度与DSP相仿的外部存储器。采用CYPRESS公司64K字的CY7C1021两片分别作为外扩程序存储器和外扩数据存储器。外扩数据存储器可存储数秒采样数据（2000Hz采样率）以供胎心率的运算操作。DSP2407A内嵌有16路AD采样通道，其采样率可通过对DSP的定时器进行编程控制。采样模块对超声频移信号和宫缩压信号进行实时排序采样。采用DSP的三个可编程控制的通用IO管脚作为模数转换器DAC0832的数字高位输入控制，并将超声频移信号作为DAC的参考电压，用以实现对扬声器的8个音量级的控制，通过程序初始化可实现开机无噪声的功能。DSP的外部中断管脚可以方便有效的响应胎动信号。另设有串口跳线选择，方便算法调试。 4 软件设计 软件框图如图2所示。 超声多普勒胎心率算法中对输入超声频移信号采用DSP2407A内嵌AD模块采用定时中断采样，并将采样数据采用循环存储的方式存储在外扩RAM中。每次运算用指针从最新数据开始往前提取一定时间的数据进行了数字带通滤波和数字全波整流。通过对几种低通滤波算法进行比较，采用了单窗口平滑滤波法进行数字包络检波。对包络信号采用自相关算法即可得到心跳周期，计算出瞬时心率值。自相关算法可以有效的去除信号中的白噪声。最后对瞬时心率值进行判断和平均中位值滤波处理，通过DSP内嵌的串口SCI模块输出给显示端。 胎动标记信号在中断服务程序中进行处理。音量控制采用SCI接收中断的方式处理。宫缩压是将最近的五次值（采样率为2000Hz）平均后输出。 算法实现了胎心率的计算与心率值实时输出。降噪和包络检波算法的提高，可有效降低心率计算的误算和错算几率。 5 结束语 上述介绍的采用以DSP核心来实现的胎儿心率监护仪实现了胎心率和宫缩压的实时显示。通过超声多普勒胎儿监护仪的国标检测。 DSP的扩展IO空间在CPLD的辅助下将可以扩展系统功能。自相关算法的快速实现也可进一步减短算法实现的时间，可有效减小由于运算点少而造成的误差，并能够使多通道心率计算的实现成为可能。胎心信号的模式识别可更加有效提高检测成功率和准确率。模式识别还能提供如早搏等更多的心跳信息。 参考文献 [1]国家药品监督管理局，中国医药行业标准 YY 0449---2003，超声多普勒胎儿监护仪，2003，9，1 [2]胡广华，数字信号处理理论、算法与实现，清华大学出版社，2003，8，第二版 [3]清源科技，TMS320LF240X DSP应用程序设计教程，机械工业出版社，2003，7，1，第一版 [4]刘和平，王维俊等，TMS320LF240X DSP C语言开发应用，北京航空航天大学出版社， 2003，1，第一版 [5]梅一珉，刘国越等，基于单片机的胎心率信号检测处理方法，浙江工业大学学报，Vol.31，No.3，2003，7，p260～263 [6]曹 毅，张榆锋等，一种多普勒胎音信号提取方法的研究，北京生物医学工程，Vol.24，No.2，2003，6，p89～91 [7]张翠英，张尚军等，一种用于测量胎心率的改进自相关算法，生物医学工程学杂志，2001，18（3），p434～437 [8]葛 毅，曹 宇等，基于聚类分析和模糊数学的胎儿心电检测，清华大学学报自然科学版，Vol.39，No.5，1999 [9]杨 强，杜惠洁等，胎儿超声多普勒脐带血流频谱分析仪的研制，中国医疗器械杂志，Vol.22，No.3，1998，p142～144 [10]汪源源，刘 斌等，超声多普勒信号的频谱分析，声学技术，Vol.17，No.2，1998，p57~62 [11] Sun I.Kim，Kang H.Kim，The development of pc-based fetal monitoring and analysis system,18th annual international conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, Amsterdam 1996 [12] Muhammad I.Ibrahimy, M.A.Mohd Ali,and Edmond Zahedi. An algorithm for the ambulatory monitoring of fetal heart rate, Proceedings of the 22nd Annual EMBS international conference, July 23-28, 2000, Chicago IL. [13] Firoz Ahmed, M Alauddin Mohd Ali, and Edmond Zahedi. A real time algorithm for the portable recording of fetal and maternal heart rates, IEEE Trans, 2000 [14] Jung H.Lee, Sun I.Kim, and Doo S.Lee. Fast cross-correlation method for real time detection of fetal heart rate, Proceedings of the 20th annual international conference of the IEEE engineering in medicine and biology society, Vol.20, No.1, 1998