CN105662464B - 一种超声波胎心监测仪及其回波信号的数字解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波胎心监测仪及其回波信号的数字解调方法，数字解调方法包括A、主控模块输出控制指令控制CPLD模块输出激励脉冲信号；B、信号放大模块将激励脉冲信号放大、并经阻抗变换电路处理后、传输至超声探头进行激励；超声回波经过超声探头接收并转换成回波信号；C、所述回波信号经模数转换模块进行模数转换后生成数字的回波信号，传输至CPLD模块进行数字解调生成I信号和Q信号并反馈给主控模块；D、主控模块接收到I信号和Q信号后再次输出控制指令给CPLD模块，并将I信号和Q信号传输至显示屏显示；能获取更真实的I/Q信号和频移信号包络，解决了心率翻倍的问题；还能对特定的深度进行组织运动的监测。

Description

一种超声波胎心监测仪及其回波信号的数字解调方法

技术领域

本发明涉及超声波胎心监测技术领域，尤其涉及的是一种超声波胎心监测仪及其回波信号的数字解调方法。

背景技术

超声波胎心监测仪，是一种利用超声波来检测胎儿心跳的监护类仪器。通过使用该仪器可听到与胎儿心跳频率相关的声波信号，并以此了解胎儿的心跳频率等参数。当前市场上所销售的超声波胎心监测仪均是采用模拟解调的方式进行胎心超声波频移信息的提取，即通过模拟乘法器，将胎儿心脏组织反射回来的超声回波，与同超声波基频相位一致、频率相当的正弦波信号进行相乘，从而获取到超声回波中的频移信号，该频移信号即是胎心组织的运动信号。

超声波胎心监测仪分为两种类型，即连续多普勒型与脉冲波多普勒型。所述连续多普勒型以双振元探头为基础，通过一个振元发射，一个振元接收，来连续不断地对胎心组织发生超声波并接收，再将超声回波信号进行模拟解调，将解调后的超声回波信号传输至功放芯片进行音频播放。该类型的超声波胎心监测仪的优点在于其超声波频谱能量集中，可以探测到人体深处的组织运动，并且解调后的信号音频效果好；但是其不足之处在于没有距离选通功能，不能针对特定的深度进行组织运动的监测。

所述脉冲多普勒型的超声波胎心监测仪的超声发射接收是通过共用同一振元实现，即其探头振元既发射超声波，又进行超声回波接收。与上述连续多普勒型相比，其最大的优势就是能够通过对超声回波信号的时间进行选通，实现深度距离上的选择，从而提取不同深度上的组织运动信息，这样就可以排除不同深度上的组织运动交混带来的影响。目前，该型产品主要依赖于模拟解调方式，将超声回波信号进行解调来获得频移信号。而模拟解调的最大不足之处在于，其只能获得一路解调信号，即I信号或者Q信号，并非其真实包络，一旦心脏的组织运动周期过长，则一次心跳很容易被解调成两次跳动，从而造成实际心率的翻倍现象。

因而现有技术还有待改进和提高。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种超声波胎心监测仪及其回波信号的数字解调方法，以解决现有胎心仪模拟解调导致心率翻倍的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种超声波胎心监测仪的回波信号的数字解调方法，其包括：

A、主控模块输出控制指令控制CPLD模块输出激励脉冲信号；

B、信号放大模块将激励脉冲信号放大、并经阻抗变换电路处理后、传输至超声探头进行激励；超声回波经过超声探头接收并转换成回波信号；

C、所述回波信号经模数转换模块进行模数转换后生成数字的回波信号，传输至CPLD模块进行数字解调生成I信号和Q信号并反馈给主控模块；

D、主控模块接收到I信号和Q信号后再次输出控制指令给CPLD模块，并将I信号和Q信号传输至显示屏显示。

所述的回波信号的数字解调方法中，在所述步骤C中，数字的回波信号传输至CPLD模块进行数字解调生成I信号和Q信号具体包括：

C10、对所述数字的回波信号进行深度提取生成预设回波信号；

C20、对所述预设回波信号进行数字解调生成I信号和Q信号。

所述的回波信号的数字解调方法中，所述步骤C10具体包括：

C11、对所述数字的回波信号进行距离选通获取第一回波信号；

C12、对所述第一回波信号经窗函数序列加窗生成预设回波信号。

所述的回波信号的数字解调方法中，在所述步骤C20中，所述数字解调分两路进行，一路将所述预设回波信号与余弦序列相乘后进行数据积分，生成I信号；另一路将所述预设回波信号与正弦序列相乘后进行数据积分，生成Q信号。

所述的回波信号的数字解调方法中，所述步骤C还包括：CPLD模块将I信号或Q信号传输至音频功放模块进行播放。

一种超声波胎心监测仪，包括信号放大模块、阻抗变换电路、超声探头和显示屏，其还包括CPLD模块、主控模块和模数转换模块；

所述主控模块输出控制指令控制CPLD模块输出激励脉冲信号；信号放大模块将激励脉冲信号放大、并经阻抗变换电路处理后、传输至超声探头进行激励；超声回波经过超声探头接收并转换成回波信号；所述回波信号经模数转换模块进行模数转换后生成数字的回波信号，传输至CPLD模块进行数字解调生成I信号和Q信号并反馈给主控模块；主控模块接收到I信号和Q信号后再次输出控制指令给CPLD模块，并将I信号和Q信号传输至显示屏显示。

所述的超声波胎心监测仪中，还包括音频功放模块；

CPLD模块将数字解调后的I信号或Q信号传输至音频功放模块进行播放。

相较于现有技术，本发明提供的超声波胎心监测仪及其回波信号的数字解调方法，由主控模块输出控制指令控制CPLD模块输出激励脉冲信号；信号放大模块将激励脉冲信号放大、并经阻抗变换电路处理后、传输至超声探头进行激励；超声回波经过超声探头接收并转换成回波信号；所述回波信号经模数转换模块进行模数转换后生成数字的回波信号，传输至CPLD模块进行数字解调生成I信号和Q信号并反馈给主控模块；主控模块接收到I信号和Q信号后再次输出控制指令给CPLD模块，并将I信号和Q信号传输至显示屏显示；采用了数字滤波方式，使解调序列之间的相位可以非常精准，从而获取更接近真实的I/Q信号，获取更贴近真实的频移信号包络，解决了心率翻倍的问题；还能进行深度选择，以对特定的深度进行组织运动的监测。

附图说明

图1是本发明提供的超声波胎心监测仪应用实施例的示意图。

图2是本发明提供的超声波胎心监测仪的回波信号的数字解调方法流程图。

具体实施方式

本发明提供一种超声波胎心监测仪及其回波信号的数字解调方法。区别于传统的模拟解调方式，本发明获得超声回波后并不是立即将其传输至乘法器进行解调，而是进行模数转换，将超声回波信号转换成数字信号，再通过CPLD芯片进行数字解调，最后MCU对接收的数字解调后的I信号与Q信号进行速度计算和心率计算，并将计算出的波形与心率信息显示在液晶屏上。由于采用数字滤波方式，解调序列之间的相位可以非常精准，从而获取更接近真实的I/Q信号，更贴近真实的频移信号包络，解决了心率翻倍的问题。为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本实施例提供的超声波胎心监测仪包括CPLD模块10、主控模块20、模数转换模块30、信号放大模块、音频功放模块、阻抗变换电路、超声探头和显示屏。其中，信号放大模块、音频功放模块、阻抗变换电路、超声探头和显示屏为现有技术，是现有超声波胎心监测仪中已有的模块。所述主控模块20采用MCU。本实施例在现有模块的基础上增加了CPLD模块10和模数转换模块30，并对主控模块20的功能进行改进。主控模块20是进行系统控制的核心，CPLD模块10是实现时序运行和信号解调的核心。

所述主控模块20通过与CPLD模块10之间连接的控制接口向CPLD模块10写入控制字（即用户输入的控制指令），从而定义超声脉冲个数、选通距离参数等。CPLD模块10则根据控制字来实现对应的时序操作，其是整个系统的时序核心，负责时序控制和信号解调，如控制激励脉冲信号的输出，回波信号的数字化采集，数字化IQ（I信号和Q信号）的解调，音频信号输出等。同时，主控模块20也通过与CPLD模块10之间连接的数据接口来接收回波信号的解调信号，并将该解调信号进行处理，从而获得组织运动信息，将该组织运动信息送至显示屏进行运动速度显示与心率的显示。

所述超声波胎心监测仪的具体工作原理为：

当主控模块20启动运行时输出控制指令给CPLD模块10，CPLD模块10根据所述控制指令输出激励脉冲信号（脉冲的个数为预设值，由控制指令设置其个数）给信号放大模块，信号放大模块将激励脉冲信号放大、并经阻抗变换电路处理后、传输至超声探头进行激励，从而转换成超声机械波。超声回波经过超声探头接收并转换成回波信号（一种电信号）。所述回波信号经模数转换模块30进行模数转换后生成数字的回波信号，并传输至CPLD模块10进行数字解调生成I信号和Q信号。CPLD模块10将数字解调后的I信号或Q信号传输至音频功放模块进行播放，还将I信号和Q信号反馈给主控模块20。主控模块20接收到I信号和Q信号后再次输出控制指令给CPLD模块10，以重复上述流程，直至用户输入停止信号给主控模块20以停止上述流程；同时还将I信号和Q信号传输至显示屏显示。

本实施例通过CPLD模块（时序芯片）配合模数转换模块来获取数字的回波信号，再进行数字解调处理。这样可同时获得I信号和Q信号这两路解调信号来进行多普勒频移信号的提取。现有的模拟解调在硬件上很难达到本实施的解调结果，并且先模数转换再数字解调能使解调序列之间的相位可以非常精准，从而获取更接近真实的I/Q信号，更贴近真实的频移信号包络，以解决心率翻倍的问题。另外，采用CPLD模块能降低采购成本。其他发明可能会采用FPGA芯片来替代本发明的CPLD芯片（即CPLD模块）及其功能，但采购成本会高很多。其他发明也可能会采用DSP这类数字信号处理芯片来进行数字解调，但可能存在运行速度跟不上回波处理速度，并且价格较贵的缺陷。

基于上述的超声波胎心监测仪，本发明还提供一种超声波胎心监测仪的回波信号的数字解调方法，如图2所示，所述回波信号的数字解调方法包括：

S100、主控模块输出控制指令控制CPLD模块输出激励脉冲信号；

S200、信号放大模块将激励脉冲信号放大、并经阻抗变换电路处理后、传输至超声探头进行激励；超声回波经过超声探头接收并转换成回波信号；

S300、所述回波信号经模数转换模块进行模数转换后生成数字的回波信号，传输至CPLD模块进行数字解调生成I信号和Q信号并反馈给主控模块；

S400、主控模块接收到I信号和Q信号后再次输出控制指令给CPLD模块，并将I信号和Q信号传输至显示屏显示。

本实施例的一个改进点在于获得回波信号后并不是采用现有技术的立即将其传输至乘法器进行解调的方案，而是在步骤S300中进行模数转换，将超声回波信号转换成数字的回波信号，为后续的数字解调提供解调基础。

在所述步骤S300中，数字的回波信号传输至CPLD模块进行数字解调生成I信号和Q信号具体包括：

步骤310、对所述数字的回波信号进行深度提取生成预设回波信号。

步骤320、对所述预设回波信号进行数字解调生成I信号和Q信号。

本实施例中，所述步骤310中的深度提取主要是进行距离选通和加窗，具体包括：

步骤311、对所述数字的回波信号进行距离选通获取第一回波信号。

距离选通即是根据时间来截选出用户需要的某段回波信号。探测人体不同深度的组织运动时，反馈的回波信号有对应的时间延迟，越浅则反馈的时间越短，越深则时间越长。通过对数字的回波信号A×COS（w×t+dw）进行时间选通，即可获得对应深度的组织运动信息。基于回波信号是持续反馈的，所述距离选通即忽略之前所采集到的回波信号，等待预设时间之后开始将回波信号传递给后面的功能。具体为：先关闭回波信号的输出，当达到第一预设时间则输出此时的回波信号，当达到第二预设时间则关闭回波信号的输出。第一预设时间与第二预设时间段内获取的回波信号则为需要用户需要的一段回波信号。

步骤312、对所述第一回波信号经窗函数序列加窗生成预设回波信号。

本实施例通过窗函数序列对采集到的第一回波信号进行加窗，进行不同的加权处理，将第一回波信号的两端压缩，中间波形保持不变。这样可减少时域上的截断造成的频域上的吉伯斯振荡现象，还能使能量集中。

本实施例中，所述步骤320中进行的数字解调分两路进行，一路是将所述预设回波信号先与余弦序列COS（w×t）相乘后进行数据积分，即可生成I信号。另一路是将所述预设回波信号先与正弦序列SIN（w×t）相乘后进行数据积分，即可生成Q信号。

上述步骤310~320为本实施例的另一改进点，该步骤能实现深度选择

之后，CPLD模块将I信号和Q信号反馈给主控模块。在所述步骤S300中，CPLD模块还将I信号或Q信号（任一个信号）传输至音频功放模块进行播放。主控模块接收到I信号和Q信号后再次输出控制指令给CPLD模块，以重复上述步骤S100~S300，直至用户输入停止信号给主控模块才退出上述方法流程。

综上所述，本发明的超声波胎心监测仪及其回波信号的数字解调方法，获取回波信号后先进行模数转换获得数字的回波信号，再通过CPLD模块进行数字解调同时获得两路信号（I信号和Q信号），相当于采用了数字滤波方式，使解调序列之间的相位可以非常精准，从而获取更接近真实的I/Q信号，获取更贴近真实的频移信号包络，解决了心率翻倍的问题。还能进行深度选择，以对特定的深度进行组织运动的监测。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种超声波胎心监测仪的回波信号的数字解调方法，其特征在于，包括步骤：

A、主控模块输出控制指令控制CPLD模块输出激励脉冲信号；

B、信号放大模块将激励脉冲信号放大、并经阻抗变换电路处理后、传输至超声探头进行激励；超声回波经过超声探头接收并转换成回波信号；

C、所述回波信号经模数转换模块进行模数转换后生成数字的回波信号，传输至CPLD模块进行数字解调生成I信号和Q信号并反馈给主控模块；

D、主控模块接收到I信号和Q信号后再次输出控制指令给CPLD模块，并将I信号和Q信号传输至显示屏显示；

在所述步骤C中，数字的回波信号传输至CPLD模块进行数字解调生成I信号和Q信号具体包括步骤：

C10、对所述数字的回波信号进行深度提取生成预设回波信号；

C20、对所述预设回波信号进行数字解调生成I信号和Q信号；

采用了数字滤波方式，使解调序列之间的相位非常精准，获取更接近真实的I/Q信号；

所述步骤C10具体包括步骤：

C11、对所述数字的回波信号进行距离选通获取第一回波信号；

C12、对所述第一回波信号经窗函数序列加窗生成预设回波信号；

所述距离选通是根据时间来截选出用户需要的某段回波信号；所述窗函数序列对采集到的第一回波信号的两端压缩，中间波形保持不变。

2.根据权利要求1所述的回波信号的数字解调方法，其特征在于，在所述步骤C20中，所述数字解调分两路进行，一路将所述预设回波信号与余弦序列相乘后进行数据积分，生成I信号；另一路将所述预设回波信号与正弦序列相乘后进行数据积分，生成Q信号。

3.根据权利要求1所述的回波信号的数字解调方法，其特征在于，所述步骤C还包括：CPLD模块将I信号或Q信号传输至音频功放模块进行播放。

4.一种超声波胎心监测仪，包括信号放大模块、阻抗变换电路、超声探头和显示屏，其特征在于，还包括CPLD模块、主控模块和模数转换模块；

所述主控模块输出控制指令控制CPLD模块输出激励脉冲信号；信号放大模块将激励脉冲信号放大、并经阻抗变换电路处理后、传输至超声探头进行激励；超声回波经过超声探头接收并转换成回波信号；所述回波信号经模数转换模块进行模数转换后生成数字的回波信号，传输至CPLD模块进行数字解调生成I信号和Q信号并反馈给主控模块；主控模块接收到I信号和Q信号后再次输出控制指令给CPLD模块，并将I信号和Q信号传输至显示屏显示；

数字的回波信号传输至CPLD模块进行数字解调生成I信号和Q信号具体包括：

对所述数字的回波信号进行深度提取生成预设回波信号；

对所述预设回波信号进行数字解调生成I信号和Q信号；

采用了数字滤波方式，使解调序列之间的相位非常精准，获取更接近真实的I/Q信号；

其中，对所述数字的回波信号进行深度提取生成预设回波信号具体包括：

对所述数字的回波信号进行距离选通获取第一回波信号，

对所述第一回波信号经窗函数序列加窗生成预设回波信号，

所述距离选通是根据时间来截选出用户需要的某段回波信号；所述窗函数序列对采集到的第一回波信号的两端压缩，中间波形保持不变。

5.根据权利要求4所述的超声波胎心监测仪，其特征在于，还包括音频功放模块；

CPLD模块将数字解调后的I信号或Q信号传输至音频功放模块进行播放。