MEMS加速度傳感器在胎兒心率檢測儀中的應用

　　一、概述

　　目前國際上已把婦幼保健指標作為衡量社會生產、經濟發展的敏感指標。我 國規定的體現小康水平的健康指標、人均期望壽命、嬰兒死亡率、孕產婦死亡率等指標都大部分需要通過婦幼保健來實現。現在醫院常規的產前檢查包括測胎心、胎 位、量血壓、稱體重、測腹圍和宮底高度等。其中檢測胎兒心率是一項技術性很強的工作，由于胎兒心率很快，在每分鐘l20～160次之間，用傳統的聽診器甚 至只有放大作用的超聲多普勒儀，用人工計數很難測量準確。而具有數字顯示功能的超聲多普勒胎心監護儀，價格昂貴，僅為少數大醫院使用，在中、小型醫院及廣 大的農村地區無法普及。此外，超聲振動波作用于胎兒，會對胎兒產生很大的不利作用 盡管檢測劑量很低，也屬于有損探測范疇，不適于經常性、重復性的檢查及家庭使用。

　　本項目基于VTI公司的SCA600C13H1G型MEMS加速度傳感器，提出一種無創胎心檢測方法，研制出一種簡單易學、直觀準確的介于胎心聽診器和多普勒胎兒監護儀之間的臨床診斷和孕婦自檢的醫療輔助儀器。

　　二、 SCA600C13H1G

　 　SCA600C13H1G硅電容式加速度傳感器是由單晶硅和玻璃制成。這種設計能夠保證，隨著時問和溫度的變化，產品具有很好的可靠性、準確性和穩定 性。它的電容檢測原理簡單而且可靠，是基于兩個平行板間距的變化來測量的。一對平行板間的電容和電荷存儲量取決于平行板間的間距和板面積。 產品的密封結構降低了封裝要求。微粒或化學物質不能進入傳感器內，從而保證了產品的可靠性。 產品的雙電容器結構和對稱性設計改善了產品的零點穩定性、線性度和橫向靈敏度。通常，溫度系數小于0．05FS／~C，橫向靈敏度小于3％。這種新型傳感 器有如下特點；緊湊的結構，低功耗，可靠性好，性能優異。

　　VTI的加速度傳感器是基于已經得到證明的3D MEMS技術制作的。三維微電子機械系統（3D-MEMS ），是各種技術的創新性組合，可以將硅加工成三維結構，其封裝和觸點便于安裝和裝配，用這種技術制作的傳感器具有極好的精度、極小的尺寸和極低的功耗。一 個高級的傳感器僅由一小片硅就能制作出來，并能測量三個互相垂直方向的加速度。

　　三、系統工作原理與組成

　 　本傳感器系統的工作原理如圖1所示 通過加速度傳感器將胎兒心率轉換成模擬電壓信號，經前置放大用的儀器放大器實現差值放大。然后進行濾波等一系列中間信號處理，用A／D轉換器將模擬電壓信 號轉換成數字信號。通過光隔離器件輸入到8051單片機進行分析處理，最后輸出處理結果。

　　1、前置放大電路

　　前置放大器主要考慮噪聲、輸入阻抗和共模抑制比這三項的影響。

　　2、信號處理電路

　 　母體中胎兒心率信號是屬于強噪聲干擾下的低頻微弱信號，由于其非常微弱，只有微伏級，同時干擾又很大，因此有效信號往往會被淹沒。干擾信號一般包括高頻 的電磁干擾、50Hz工頻干擾以及母體中的其它干擾源等。工頻干擾主要以共模信號的形式存在，通常幅值可達幾伏。母體中的干擾信號和胎兒心率信號的頻率也 不相重疊。能夠根據胎兒心率信號主要集中在7OHz～l10Hz范圍之內的特點，設計了一款針對性強、性能優越、穩定可靠的胎兒心率信號處理電路，如圖2 所示。

　 　中間信號處理電路分為帶通選頻電路、二級放大電路、50Hz陷波器和增益調節電路四部分。帶通選頻電路用狀態變量濾波器作為帶通濾波器，通帶的最大范圍 設定為50Hz；--“140Hz如圖3所示。這種濾波器有三個好處：適當選擇元件數值。可使品質因數Q和中心頻率無關； 和Q對元件參數很不靈敏；Q只可以很高（可和高Q值有源帶通濾波器相媲美）。

　　二級放大電路在結構上和增益調節電路類似。都是由運放接成電壓負反饋的形式。前者進行信號的放大，而后者控制整體電路的增益，最大可達120dB。其結構示意圖如圖4所示。運用電壓串聯負反饋結構。其優點是結構簡單，具有如下不可替代的優越的性能：

　　（1）輸入等效阻抗， j=（1 ，輸出等效阻抗小，Ro=Rod（I+AF），其中， fd運放的輸入阻抗， 為輸出阻抗。不僅完成了信號的放大作用，而且還起到了緩沖器的作用。有效地隔離了前后級的模塊，不用額外增加阻抗變換器和匹配模塊；

　　（2）電容C53的使用使整個模塊具有了低通的功能，不僅可以去除信號中的高頻干擾，還由于其超前補償作用，對有效信號中的高頻部分進行了相位補償。通過合理的設計，電路頻率段的相位將變化平緩。

　　圖5所示為50Hz工頻陷波器采用典型的有源雙T陷。

　　3、A／D轉換和光電耦合電路

　　傳感器出來的信號是模擬電壓信號。需要經過A／D 轉換變成數字信號，才能送到805l單片進行處理 為了保證安全以及防止模擬和數字電路之間的干擾，光電隔離電路也是一個必不可少的模塊。如圖6所示。

　　4、MCU信號處理

　　MCU對信號的處理主要是對從A／D 轉換器傳來的數據進行數據分析和計算胎兒心率值。設計一個基于小波變換的自適應濾波器，能夠更好的對信號進行處理，從中提取我們需要的信號。

　　MCU采用atmel公司的AT89C205l，與液晶顯示器的連接電路如圖7所示。

　 　該單片機是采用高性能的靜態80C51設計。由先進CMOS工藝制造并帶有非易失性Flash程序存儲器。全部支持l2時鐘和6時鐘操作。 AT89e205包含128字節RAM、16條I／O口線、2個16位定時／計數器、5輸入2優先級嵌套中斷結構、1個串行I／O 口可用于多機通信I／O擴展或全雙工UART以及片內振蕩器和時鐘電路。

　　此外，由于器件采用了靜態設計，可提供很寬的操作頻率范圍（頻 率可降至0）。可實現兩個由軟件選擇的節電模式—— 空閑模式和掉電模式。空閑模式凍結CPU，但RAM、定時器、串口和中斷系統仍然工作。掉電模式保存RAM 的內容，但是凍結振蕩器，導致所有其它的片內功能停止工作。由于設計是靜態的，時鐘可停止而不會丟失用戶數據。運行可從時鐘停止處恢復。

　　5、顯示電路

　 　設計使用的是YLF12232F液晶顯示器。YLF12232F是一種內置8192個16”16點漢字庫和128個16*8點ASCII字符集圖形點陣 液晶顯示器，它主要由行驅動器／列驅動器及128×32全點陣液晶顯示器組成。可完成圖形顯示，也可以顯示7．5×2個（16×16點陣）漢字與外部 CPU接口采用串行方式控制的一款胎心監護儀器。

　　圖8是采用新型MEMS加速度傳感器設計。

　　五、結束語

　 　基于MEMS加速度傳感器設計的胎兒心率檢測儀。對這類儀器而言，最重要的就是如何出去干擾和噪聲。從中提取我們需要的信號。隨著技術的發展，儀器也越 來越小型化、便攜化。并且在適當改進后能夠以此為終端，做一個遠程胎心監護系統。它是把目前的常規胎心監護和計算機， 電話通訊相結合，運用上述胎心檢測儀，電話機和醫院的中央信號采集分析監護主機構成系統。醫院端的中央信號采集分析監護主機給出自動分析結果，醫生對該結 果進行診斷，如果有問題及時通知孕婦到醫院來。該技術有利于孕婦隨時檢查胎兒的狀況，有利于胎兒和孕婦的健康。