多普勒胎心监测仪的设计(附件)
本文主要通过分析超声多普勒原理，设计开发完成一套便宜且便携的多普勒胎心监测系统。本系统设计以MSP430F149单片机为核心部件，以自相关算法处理数据为技术关键，重点包含超声发射和超声接收两部分，其中发射部分采用DDS作为超声激励发生源，并经过驱动放大、阻抗匹配后作用于超声探头。接收部分采用低通滤波器等对回波进行放大解调，提取出反映胎儿心率的低频信号，然后一路信号经过AD采集转换，送入单片机进行自相关处理，得到每分钟胎儿的心跳次数并显示，另一路信号经过音频功放，驱动扬声器发声，提供监听。关键词 超声多普勒 胎儿心率 单片机 自相关算法
目录
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 设计效果 2
2 超声胎心率检测基础理论 3
2.1 超声多普勒效应 3
2.2 超声多普勒检测胎心率的基本原理 3
2.3 自相关技术介绍 4
3 硬件设计 6
3.1 硬件总体设计方案 6
3.2 元器件选择及介绍 7
3.3 波形产生电路 10
3.4 放大电路 11
3.5 低通滤波电路 13
3.6 频率/电压转换电路 15
3.7 音频电路 16
3.8 电源电路 17
4 软件设计 18
4.1 DDS控制程序设计 18
4.2 A/D采样程序设计 20
结论 22
致谢 23
参考文献 24
1 绪论
1.1 研究背景
医学上有一种叫做胎儿窘迫的症状，说的是胎儿在母体生长发育的过程中，由于一些可控或不可控的因素，比如胎盘发育障碍、脐带发育异常或脐带绕颈、母体血液含氧量不足和妊娠高血压等原因，导致胎儿在宫内有缺氧征象，从而引起胎儿组织、器官代谢异常，妨碍正常的生长发育，甚至危及胎儿生命。胎儿缺氧是导致胎死母腹、新生儿染疾或夭折及儿童智力低下等神经系统后遗症产生的主要原因。尽管科技发展和医学进步如此迅速，仍然无法高效的降低各 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
个国家和地区的母婴发病与死亡，中国亦是无法避免。作为一个人口大国同时又面临二孩政策的开放，我国每年的新生儿人数以及出生缺陷发生率都居高不下，每年新增的出生缺陷儿100万例左右，而引起缺陷的主要原因就是胎儿窘迫。所以，在胎儿生长发育过程中及时的对其进行健康监测，以便降低母婴发病率与死亡率，对提高我国人口出生质量有重大意义。
近年来，随着人们对人口质量要求的提高，在胎儿诊断过程中对胎心率（Fetal Heart Rate，FHR）的监测也越来越引起人们的重视。胎心率是一项用来表征生命体存在与否的重要生命参数，可以反映母体中胎儿心脏生理活动，评判胎儿的健康状况。比如: 正常胎儿心跳速率约为120～160次/min。当胎儿心跳速率低于99次/min或大于180次/min就属于胎心率异常。医学研究表示，胎心率所反映的不仅仅是宫内胎儿心脏有无问题，还包括胎儿中枢神经系统的发育状况。很显然，胎儿的中枢神经非常脆弱，所以一旦出现胎儿宫内缺氧等问题，最先受到伤害的必定是胎儿的神经系统，然而现代医疗水平对于受损的胎儿神经系统无能为力。胎心异常随时可能发生，因此，必须在妊娠和分娩期间实时监测胎心率，通过观察胎心的变化，以此推测宫内胎儿有无缺氧、是否健康。
1.2 国内外研究现状
胎儿监护的发展主要经历了传统监护和电子监护两个阶段。传统监护是最早的胎心监护方法，利用胎心听诊来听取胎心音，从而推断胎儿是否健康。1650年，Marsar首次提出胎心音的存在，但并未得到重视。进入19世纪，人们才对胎心音有了更深的了解，并指出胎盘或脐带受压会导致胎心率异常。随着公众对母婴健康越来越重视，只依靠胎心听诊已无法满足人们更精确的要求，除了无法得到长时间连续不断的信号或细微变化外，还有医生主观感受造成的人为失误。
当传统监护无法满足现代社会优生优育的要求时，电子监护的迅速发展就成了必然。电子监护通常采用胎儿心电和超声多普勒两种方法，其中胎儿心电法是通过获取胎儿心电信号计算胎心率，而超声多普勒法是利用多普勒效应收集胎心运动的信号计算胎心率。最早的胎儿心电的记录可以追溯到1906年，但是并未用于产科临床。而利用电极片贴在孕妇腹部所采集到胎儿心电信号，含有非常多的来自母体的干扰信号，并不容易分辨出来。超声多普勒效应第一次用于胎心测量是在1964年，它配合自相关算法识别并计算胎心率，发展到至今，不管是多普勒胎心测量还是自相关算法，都有了重大突破，并且成为产科检查中必要的监测方法。
随着超声多普勒胎心监测手段的成熟，市面上的胎心监护产品也不断完善和增多，广泛应用于医院和家庭。监护产品主要分为两个类型，一类是应用于大型医院的胎心监护仪，它的优点是功能完善，可以实时且精准的测量胎儿的各项健康参数，同步显示出胎心率数值和趋势曲线，更高端一点的胎心监护仪甚至能同时监护母体的各项生理参数，随之而来的缺点就是因功能齐全导致结构复杂、机型偏大、价格昂贵等。另一类就是小巧便携的胎心多普勒仪，它价格便宜，操作简单，同理功能也简单，只能显示简单的胎心率数值，播放胎心音，对于做一些常规检查以便初步判断胎心率是否正常的小医院或者家庭来说，也是能满足要求的。
近十年内，由于各种技术（比如集成电路、无线技术、电脑技术等）的飞速发展，胎心监测的方法和仪器越来越完善，伴随着一整套的临床应用理论的形成，胎心监护仪已经是产科临床不可或缺的监测仪器。飞利浦、牛津、理邦、广东三瑞等国内外知名品牌公司的无线胎儿监护仪已经陆续推出，无线通讯取代了电缆连接，既继承了传统监护仪的可靠性，又给孕妇和医生提供了更方便的体验。虽然市场上胎心监护仪的高端产品大部分都是国外品牌，但是国内知名品牌也在不断努力，并且成果显著。
1.3 设计效果
本次设计主要通过分析超声多普勒原理，设计开发完成一套便宜且便携的多普勒胎心监测系统。本系统设计以MSP430F149单片机为核心器件，以自相关算法处理数据为技术关键，重点包含超声发射和超声接收两部分。避开传统利用石英晶体产生固定频率正弦波的方式，本设计的发射部分决定选用DDS芯片产生高频超声波，然后对产生的超声信号驱动放大、阻抗匹配后作用于超声探头。接收部分对回波进行滤波并放大，提取出属于胎心的低频信号，然后兵分两路，一路信号经过电压转换，进入单片机进行自相关处理，得到每分钟胎儿的心跳次数并显示，另一路信号经过音频电路，驱动扬声器发声，听取胎心音。
目录
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 设计效果 2
2 超声胎心率检测基础理论 3
2.1 超声多普勒效应 3
2.2 超声多普勒检测胎心率的基本原理 3
2.3 自相关技术介绍 4
3 硬件设计 6
3.1 硬件总体设计方案 6
3.2 元器件选择及介绍 7
3.3 波形产生电路 10
3.4 放大电路 11
3.5 低通滤波电路 13
3.6 频率/电压转换电路 15
3.7 音频电路 16
3.8 电源电路 17
4 软件设计 18
4.1 DDS控制程序设计 18
4.2 A/D采样程序设计 20
结论 22
致谢 23
参考文献 24
1 绪论
1.1 研究背景
医学上有一种叫做胎儿窘迫的症状，说的是胎儿在母体生长发育的过程中，由于一些可控或不可控的因素，比如胎盘发育障碍、脐带发育异常或脐带绕颈、母体血液含氧量不足和妊娠高血压等原因，导致胎儿在宫内有缺氧征象，从而引起胎儿组织、器官代谢异常，妨碍正常的生长发育，甚至危及胎儿生命。胎儿缺氧是导致胎死母腹、新生儿染疾或夭折及儿童智力低下等神经系统后遗症产生的主要原因。尽管科技发展和医学进步如此迅速，仍然无法高效的降低各 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
个国家和地区的母婴发病与死亡，中国亦是无法避免。作为一个人口大国同时又面临二孩政策的开放，我国每年的新生儿人数以及出生缺陷发生率都居高不下，每年新增的出生缺陷儿100万例左右，而引起缺陷的主要原因就是胎儿窘迫。所以，在胎儿生长发育过程中及时的对其进行健康监测，以便降低母婴发病率与死亡率，对提高我国人口出生质量有重大意义。
近年来，随着人们对人口质量要求的提高，在胎儿诊断过程中对胎心率（Fetal Heart Rate，FHR）的监测也越来越引起人们的重视。胎心率是一项用来表征生命体存在与否的重要生命参数，可以反映母体中胎儿心脏生理活动，评判胎儿的健康状况。比如: 正常胎儿心跳速率约为120～160次/min。当胎儿心跳速率低于99次/min或大于180次/min就属于胎心率异常。医学研究表示，胎心率所反映的不仅仅是宫内胎儿心脏有无问题，还包括胎儿中枢神经系统的发育状况。很显然，胎儿的中枢神经非常脆弱，所以一旦出现胎儿宫内缺氧等问题，最先受到伤害的必定是胎儿的神经系统，然而现代医疗水平对于受损的胎儿神经系统无能为力。胎心异常随时可能发生，因此，必须在妊娠和分娩期间实时监测胎心率，通过观察胎心的变化，以此推测宫内胎儿有无缺氧、是否健康。
1.2 国内外研究现状
胎儿监护的发展主要经历了传统监护和电子监护两个阶段。传统监护是最早的胎心监护方法，利用胎心听诊来听取胎心音，从而推断胎儿是否健康。1650年，Marsar首次提出胎心音的存在，但并未得到重视。进入19世纪，人们才对胎心音有了更深的了解，并指出胎盘或脐带受压会导致胎心率异常。随着公众对母婴健康越来越重视，只依靠胎心听诊已无法满足人们更精确的要求，除了无法得到长时间连续不断的信号或细微变化外，还有医生主观感受造成的人为失误。
当传统监护无法满足现代社会优生优育的要求时，电子监护的迅速发展就成了必然。电子监护通常采用胎儿心电和超声多普勒两种方法，其中胎儿心电法是通过获取胎儿心电信号计算胎心率，而超声多普勒法是利用多普勒效应收集胎心运动的信号计算胎心率。最早的胎儿心电的记录可以追溯到1906年，但是并未用于产科临床。而利用电极片贴在孕妇腹部所采集到胎儿心电信号，含有非常多的来自母体的干扰信号，并不容易分辨出来。超声多普勒效应第一次用于胎心测量是在1964年，它配合自相关算法识别并计算胎心率，发展到至今，不管是多普勒胎心测量还是自相关算法，都有了重大突破，并且成为产科检查中必要的监测方法。
随着超声多普勒胎心监测手段的成熟，市面上的胎心监护产品也不断完善和增多，广泛应用于医院和家庭。监护产品主要分为两个类型，一类是应用于大型医院的胎心监护仪，它的优点是功能完善，可以实时且精准的测量胎儿的各项健康参数，同步显示出胎心率数值和趋势曲线，更高端一点的胎心监护仪甚至能同时监护母体的各项生理参数，随之而来的缺点就是因功能齐全导致结构复杂、机型偏大、价格昂贵等。另一类就是小巧便携的胎心多普勒仪，它价格便宜，操作简单，同理功能也简单，只能显示简单的胎心率数值，播放胎心音，对于做一些常规检查以便初步判断胎心率是否正常的小医院或者家庭来说，也是能满足要求的。
近十年内，由于各种技术（比如集成电路、无线技术、电脑技术等）的飞速发展，胎心监测的方法和仪器越来越完善，伴随着一整套的临床应用理论的形成，胎心监护仪已经是产科临床不可或缺的监测仪器。飞利浦、牛津、理邦、广东三瑞等国内外知名品牌公司的无线胎儿监护仪已经陆续推出，无线通讯取代了电缆连接，既继承了传统监护仪的可靠性，又给孕妇和医生提供了更方便的体验。虽然市场上胎心监护仪的高端产品大部分都是国外品牌，但是国内知名品牌也在不断努力，并且成果显著。
1.3 设计效果
本次设计主要通过分析超声多普勒原理，设计开发完成一套便宜且便携的多普勒胎心监测系统。本系统设计以MSP430F149单片机为核心器件，以自相关算法处理数据为技术关键，重点包含超声发射和超声接收两部分。避开传统利用石英晶体产生固定频率正弦波的方式，本设计的发射部分决定选用DDS芯片产生高频超声波，然后对产生的超声信号驱动放大、阻抗匹配后作用于超声探头。接收部分对回波进行滤波并放大，提取出属于胎心的低频信号，然后兵分两路，一路信号经过电压转换，进入单片机进行自相关处理，得到每分钟胎儿的心跳次数并显示，另一路信号经过音频电路，驱动扬声器发声，听取胎心音。
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