新型OFHR探測系統(tǒng)準確檢測胎心率

胎心率(FHR)檢測是一種用于胎兒出生前判斷胎兒健康狀況，并幫助識別胎兒缺氧或受壓迫等潛在危險的主要方法。早期檢測的目的是為了降低胎兒發(fā)病率和死亡率。

目前，胎心率探測最常用的方式是多普勒超聲波，標準的產(chǎn)前胎兒健康測試為胎兒無負荷試驗(NST)。這些測試通常在有連續(xù)波儀器的醫(yī)院內(nèi)完成。

盡管目前的超聲波胎心率檢測儀有了很大的改進，價格不斷降低，體積也更加小巧，我們?nèi)匀恍枰_的傳感器校準和一定的專業(yè)知識，從而正確地操作檢測儀。此外，此類儀器對移動相當敏感，而且胎兒長期暴露在超聲波下可能導致的安全性問題目前還未有定論。因此，現(xiàn)在對檢測儀的使用還僅限于進行短時間測試。

另外一種測量胎心率的方法是胎兒心電圖(FECG)，但其步驟更加復雜，實用性也更差。并且，目前市面上還沒有出現(xiàn)商用的無創(chuàng)傷性FECG設備。

最近，有人提出了一種仍然處于研究階段的光學方法，該方法采用鹵素燈或鎢絲燈作為光源，通過光電倍增來實現(xiàn)檢測。然而這些技術(shù)成本高，需要高光強，并且由于儀器尺寸和功耗限制而難以實現(xiàn)。

光學胎心率檢測系統(tǒng)

我們的研究團隊提出了基于光電血管容積圖(PPG) 信號的低功率光學技術(shù)，以無創(chuàng)傷性地檢測胎心率。PPG信號是由光線經(jīng)過血液脈動調(diào)制后產(chǎn)生的。醫(yī)生或技術(shù)員用LED燈(低于68 mW)照射孕婦腹部，光束經(jīng)由母親和胎兒的血液循環(huán)進行調(diào)制?？纱┩傅淖畲蠊獠úㄩL是890 nm。該混合信號可通過使用數(shù)字信號處理得到的自適應濾波進行分析，并采用孕婦的食指PPG作為參考輸入。

使用LabVIEW 圖形化系統(tǒng)設計軟件和NI硬件開發(fā)光學胎心率 (OFHR)檢測系統(tǒng)。在OFHR系統(tǒng)中，SNR由于入射功率的降低而隨之降低；激勵信號為調(diào)制后的光束。系統(tǒng)可實施同步檢測，LabVIEW中的軟件子程序使用NI 9474數(shù)字輸出模塊在計數(shù)器端生成調(diào)制頻率。

在接收機端，低噪聲放大和同步檢測確保以最小噪聲功率保存到有用信息。24位的NI USB-9239 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 降低了量化噪聲的影響。一旦完成數(shù)字化，信號經(jīng)自適應噪聲消除器(ANC)技術(shù)處理后從混合信號中提取胎兒PPG。

用腰帶將胎兒探針(主信號)和孕婦腹部連接，使IR-LED與光電探測器保持 4 cm的距離。將參考探針和母親的食指連接。由于所選的 IR-LED只能發(fā)射68 mW的最大功率，因此設定OFHR系統(tǒng)的工作光學功率小于國際非電離輻射防護委員會(ICNIRP)規(guī)定的87 mW。為了調(diào)制IR-LED，使用軟件子程序產(chǎn)生725 Hz的調(diào)制信號，經(jīng)由NI 9474計數(shù)器端連至LED驅(qū)動(圖1)。在圖1中，孕婦腹部的擴散反射光由低噪聲光電探測器測量，并將其表示為I (M1, F)的形式，其中M1和F分別表示母親腹部和胎兒對信號的影響。

圖1：OFHR系統(tǒng)框圖中的硬件模塊由LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)

低噪(6 nV/Hz1/2)跨阻放大器將電流轉(zhuǎn)換成電壓。參考探針(連接于母親的食指)由IR-LED和一個內(nèi)置前置放大器的固態(tài)光電二極管組成。來自該探針的信號表示為I (M2)；M2代表母親對信號的影響。該通道無需同步檢測，因為食指的光電血管容積圖具有高信噪比(SNR)。

NI USB-9239 24位分辨率數(shù)據(jù)采集模塊以5.5 kHz的速率同步采集來自兩個探針的信號。在數(shù)字域執(zhí)行解調(diào)、信號濾波和信號估計。軟件實現(xiàn)了包括調(diào)制信號生成、同步檢測算法、降采樣、高通濾波、和自適應噪聲消除(ANC)算法。

設計團隊采用LabVIEW來實現(xiàn)整個算法以及部分儀器。在完成ANC算法的預處理和應用以后，LabVIEW將顯示胎兒信號和胎心率的結(jié)果。

圖2a顯示了OFHR系統(tǒng)的 實驗室原型和圖形化用戶界面，并給出了孕婦食指PPG(上)、腹部PPG(中)、以及胎兒的估計PPG(下)。

圖2a：OFHR樣機

圖2b顯示了三個可選的顯示，包括數(shù)字同步或鎖相放大器(LIA)、自適應噪聲消除器(ANC)、及心律軌跡。前兩個顯示可用于輔助開發(fā)，第三個顯示用于表明胎心率相對時間的值。用戶可在線觀察數(shù)據(jù)或?qū)⑵浔４嬗糜谶M一步分析。.

圖2b：OFHR系統(tǒng)的圖形化用戶界面

完成開發(fā)之后，我們根據(jù)來自6個懷孕35到39周不等的臨床對象總共24組數(shù)據(jù)測試了系統(tǒng)的功能性，數(shù)據(jù)由馬來西亞國民大學醫(yī)療中心提供。所有參與本研究的胎兒都由產(chǎn)科醫(yī)生檢查處于健康狀態(tài)，且出生時無并發(fā)癥。

在研究中，我們在光學及超聲波胎心率之間獲得了0.97的相關(guān)系數(shù)(p值小于0.001)，最大誤差為4%。臨床結(jié)果顯示探針越靠近胎兒組織(不限于腦部或臀部)，越能夠提高信號質(zhì)量及檢測精度。

結(jié)論

研究團隊采用低成本、低功率的IR燈及商業(yè)可用的硅探測器開發(fā)出了新型的OFHR探測系統(tǒng)。通過使用LabVIEW，我們能夠快速方便地實現(xiàn)數(shù)字同步檢測和自適應濾波技術(shù)。與標準測量方法（多普勒超聲波）相比，我們測量的胎心率結(jié)果精度是較高的?；诜桨傅男路f性，目前我們正在申請其商業(yè)領(lǐng)域使用的專利。

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