基于MEMS傳感器的胎兒心率檢測儀

一、概述

目前國際上已把婦幼保健指標(biāo)作為衡量社會生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的敏感指標(biāo)。我國規(guī)定的體現(xiàn)小康水平的健康指標(biāo)、人均期望壽命、嬰兒死亡率、孕產(chǎn)婦死亡率等指標(biāo)都大部分需要通過婦幼保健來實現(xiàn)?，F(xiàn)在醫(yī)院常規(guī)的產(chǎn)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(shù)性很強(qiáng)的工作，由于胎兒心率很快，在每分鐘l20～160次之間，用傳統(tǒng)的聽診器甚至只有放大作用的超聲多普勒儀，用人工計數(shù)很難測量準(zhǔn)確。而具有數(shù)字顯示功能的超聲多普勒胎心監(jiān)護(hù)儀，價格昂貴，僅為少數(shù)大醫(yī)院使用，在中、小型醫(yī)院及廣大的農(nóng)村地區(qū)無法普及。此外，超聲振動波作用于胎兒，會對胎兒產(chǎn)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(jīng)常性、重復(fù)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(chuàng)胎心檢測方法，研制出一種簡單易學(xué)、直觀準(zhǔn)確的介于胎心聽診器和多普勒胎兒監(jiān)護(hù)儀之間的臨床診斷和孕婦自檢的醫(yī)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(shè)計能夠保證，隨著時問和溫度的變化，產(chǎn)品具有很好的可靠性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)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(chǎn)品的密封結(jié)構(gòu)降低了封裝要求。微粒或化學(xué)物質(zhì)不能進(jìn)入傳感器內(nèi)，從而保證了產(chǎn)品的可靠性。 產(chǎn)品的雙電容器結(jié)構(gòu)和對稱性設(shè)計改善了產(chǎn)品的零點穩(wěn)定性、線性度和橫向靈敏度。通常，溫度系數(shù)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(jié)構(gòu)，低功耗，可靠性好，性能優(yōu)異。

VTI的加速度傳感器是基于已經(jīng)得到證明的3D-MEMS技術(shù)制作的。三維微電子機(jī)械系統(tǒng)(3D-MEMS )，是各種技術(shù)的創(chuàng)新性組合，可以將硅加工成三維結(jié)構(gòu)，其封裝和觸點便于安裝和裝配，用這種技術(shù)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(tǒng)工作原理與組成

本傳感器系統(tǒng)的工作原理如圖1所示 通過加速度傳感器將胎兒心率轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，經(jīng)前置放大用的儀器放大器實現(xiàn)差值放大。然后進(jìn)行濾波等一系列中間信號處理，用A／D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。通過光隔離器件輸入到8051單片機(jī)進(jìn)行分析處理，最后輸出處理結(jié)果


系統(tǒng)方框圖

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(qiáng)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(dá)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(jù)胎兒心率信號主要集中在7OHz～l10Hz范圍之內(nèi)的特點，設(shè)計了一款針對性強(qiáng)、性能優(yōu)越、穩(wěn)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

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(diào)節(jié)電路四部分。帶通選頻電路用狀態(tài)變量濾波器作為帶通濾波器，通帶的最大范圍設(shè)定為50Hz；--"140Hz如圖3所示。這種濾波器有三個好處：適當(dāng)選擇元件數(shù)值?？墒蛊焚|(zhì)因數(shù)Q和中心頻率無關(guān)； 和Q對元件參數(shù)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)。