一種新型智能胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

胎兒監(jiān)護(hù)是保障圍產(chǎn)期產(chǎn)婦和胎兒安全，實(shí)現(xiàn)優(yōu)生優(yōu)育的重要手段。智能胎兒監(jiān)護(hù)是根據(jù)監(jiān)護(hù)指標(biāo)分析胎兒健康狀況，自動(dòng)采取相應(yīng)措施的監(jiān)護(hù)方式。

介紹了采用自帶24位A/D轉(zhuǎn)換器的MSC1210微處理器為核心器件，小波分析算法處理數(shù)據(jù)為技術(shù)關(guān)鍵，并通過比較分析監(jiān)護(hù)指標(biāo)，利用報(bào)警、界面提示和啟動(dòng)聲振器方式來提醒和自動(dòng)采取相應(yīng)措施的智能電腦胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。臨床實(shí)驗(yàn)表明：該系統(tǒng)具有較高的檢測(cè)精度、較好的實(shí)時(shí)性和精確、友好的智能控制。

1．引言

圍產(chǎn)期和分娩過程中對(duì)胎兒進(jìn)行監(jiān)護(hù)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)胎兒宮內(nèi)缺氧、窘迫等危重癥狀，降低胎兒死亡率，提高分娩質(zhì)量。傳統(tǒng)胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)較為復(fù)雜，功耗較高，人為干擾多，不便于家庭監(jiān)護(hù)和自我監(jiān)護(hù)。

智能胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)選用TI公司生產(chǎn)的帶24位A/D轉(zhuǎn)換器并具有較強(qiáng)的模擬性能和數(shù)字處理能力的MSC1210微處理器，該微處理器把輸入通道選擇、緩沖、放大、增益調(diào)整、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字處理集成到單片電路上，僅用一片集成電路即可實(shí)現(xiàn)胎心率、宮縮壓力和胎動(dòng)次數(shù)等監(jiān)護(hù)指標(biāo)的數(shù)據(jù)采集和對(duì)語(yǔ)音器、聲振器的控制。智能胎兒監(jiān)護(hù)的控制依據(jù)是胎心率，如何精確及時(shí)得到胎心率是智能胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的控制前提。針對(duì)胎心多普勒信號(hào)具有信噪比低、非平穩(wěn)的隨機(jī)性特點(diǎn)，計(jì)算胎心率時(shí)出現(xiàn)1/2、2/3和2倍心率，導(dǎo)致控制失誤，這里運(yùn)用小波分析結(jié)合雙重閾值算法，準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)得到胎心率，確保了智能控制的有效進(jìn)行。

2．智能電腦胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1智能電腦胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能電腦胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)框圖如圖1所示。主要由超聲多普勒胎心探頭、宮縮探頭、胎動(dòng)探頭，胎心信號(hào)調(diào)理電路（低通濾波、絕對(duì)值運(yùn)算和包絡(luò)提取等）、宮縮壓力信號(hào)調(diào)理電路、語(yǔ)音控制、聲振器、MSC1210微處理器和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)組成。以MSC1210和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)為核心。

MSC1210控制監(jiān)護(hù)指標(biāo)的采集和通信，接收電腦命令控制語(yǔ)音器和聲振器。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能控制、通信控制、數(shù)據(jù)處理算法、監(jiān)護(hù)顯示等功能模塊。

2.2信號(hào)調(diào)理電路

針對(duì)胎心率監(jiān)護(hù)指標(biāo)的重要性和胎心多普勒信號(hào)的復(fù)雜性，這里重點(diǎn)介紹胎心多普勒信號(hào)的條理電路。電路主要對(duì)多普勒胎心音信號(hào)進(jìn)行低通濾波、絕對(duì)值運(yùn)算和包絡(luò)提取等預(yù)處理。低通濾波器采用截止頻率為250Hz的二階低通濾波器以濾除高頻信號(hào)和干擾。絕對(duì)值運(yùn)算電路如圖2。信號(hào)的強(qiáng)度增強(qiáng)一倍，提高了檢測(cè)靈敏度。包絡(luò)提取電路如圖3所示，采用截止頻率為10HZ的П形濾波和T形濾波相結(jié)合的低通濾波器。并聯(lián)的二極管和電容對(duì)電路中的負(fù)信號(hào)進(jìn)行限制，并對(duì)一定頻帶的高頻信號(hào)進(jìn)行消振。

2.3 MSC1210微處理器

智能胎兒監(jiān)護(hù)采集系統(tǒng)采用美國(guó)德州儀器公司推出的功能很強(qiáng)的單片微機(jī)MSC1210作為處理器，MSC1210芯片集成了8051微控制器和FLASH存儲(chǔ)器的精密摸數(shù)轉(zhuǎn)換器，該芯片采用增強(qiáng)型8051單片機(jī)內(nèi)核，縮短了指令執(zhí)行周期，使用低功耗設(shè)計(jì)，內(nèi)部集成了一個(gè)24位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），其轉(zhuǎn)換速度可達(dá)1000HZ，8通道多路開關(guān)，模擬輸入通道測(cè)試電流源，輸入緩沖器，可編程增益放大器（PGA），內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源，8位微控制器，程序/ 數(shù)據(jù)Flash存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)SRAM等。數(shù)字濾波器對(duì)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。數(shù)字濾波器有快速、sin2和sin3三種。增強(qiáng)型8051內(nèi)核有兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，其指令系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)8051的指令系統(tǒng)完全兼容，其執(zhí)行速度卻比8051快3倍，因此可工作在低頻，以降低功耗和噪聲。為了減小干擾，其模擬電源和數(shù)字電源分別供電。由于該芯片的集成度使智能胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)硬件電路變得簡(jiǎn)單，電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔，芯片的外圍元件非常少，從而使系統(tǒng)的可靠性得到了很大提高，而且大大縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。MSC1210接口電路原理如圖4。多普勒胎心信號(hào)和宮縮壓力信號(hào)經(jīng)IN0和IN2輸入，經(jīng)多路轉(zhuǎn)換器后送入緩沖器，可變?cè)鲆娣糯笃鲗?duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大。胎動(dòng)信號(hào)由MSC1210中斷處理。MSC1210經(jīng)RS485總線接收電腦下達(dá)的控制命令，經(jīng)P2口控制語(yǔ)音芯片完成語(yǔ)音提醒功能，通過P1.7控制聲振器完成自動(dòng)胎兒?jiǎn)拘压δ?。采用MSC1210作為微處理器更能精確、實(shí)時(shí)得到胎兒監(jiān)護(hù)指標(biāo)，為智能控制提供保障。

3 智能胎兒監(jiān)護(hù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)利用Visual C++6.0為程序的開發(fā)環(huán)境，在Win2000環(huán)境中運(yùn)行。針對(duì)系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量大且實(shí)時(shí)性要求高的特點(diǎn)，系統(tǒng)編程時(shí)充分運(yùn)用了多線程的思想。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)置為5個(gè)線程，其中管理用戶界面，響應(yīng)用戶動(dòng)作的線程為主線程，生存周期為整個(gè)程序的主存期，其它4個(gè)線程實(shí)現(xiàn)智能控制、通信控制、數(shù)據(jù)處理算法、監(jiān)護(hù)顯示功能，生命周期就是線程函數(shù)本身。多線程思想的運(yùn)用，使系統(tǒng)各個(gè)功能模塊并行運(yùn)行，可以大大提高CPU的利用率，滿足了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。其中數(shù)據(jù)處理算法和智能控制是控制系統(tǒng)關(guān)鍵。

3.1基于coif5小波的胎心音數(shù)據(jù)處理算法

上式說明，小波變換是將離散信號(hào)在小波基函數(shù)上的投影，不同的m、n代表不同的分辨率（尺度）和不同的時(shí)頻（平移），小波函數(shù)正是通過不同的m、n來調(diào)節(jié)不同的局部時(shí)頻和不同的分辨率，即小波的多分辨分析特性能將信號(hào)在不同尺度下進(jìn)行多分辨的分解，并將交織在一起的各種不同頻率組成的混合信號(hào)分解成不同頻段的子信號(hào)，因而對(duì)信號(hào)具有按頻帶處理的能力。運(yùn)用小波分析進(jìn)行信號(hào)噪聲消除是小波分析的一個(gè)非常重要的應(yīng)用之一。

一個(gè)含噪聲的一維信號(hào)的模型可表示為：

其中：s(i)為真實(shí)信號(hào)；e(i)為噪聲；x(i)為含噪信號(hào)。在實(shí)際工程中，有用信號(hào)通常表現(xiàn)為低頻信號(hào)或較平穩(wěn)的信號(hào)，噪聲信號(hào)則表現(xiàn)為高頻信號(hào)，所以消噪過程可按以下方法進(jìn)行處理。首先對(duì)實(shí)際信號(hào)進(jìn)行小波分解，選擇小波并確定分解層數(shù)為N，則噪聲部分通常包含在高頻中。然后對(duì)小波分解的高頻系數(shù)進(jìn)行門限閾值量化處理。最后根據(jù)小波分解的第N層低頻系數(shù)和經(jīng)過量化后的1～N層高頻系數(shù)進(jìn)行小波重構(gòu)，達(dá)到消除噪聲的目的，即抑制信號(hào)的噪聲，在實(shí)際信號(hào)中恢復(fù)真實(shí)信號(hào)。

超聲多普勒胎心音信號(hào)經(jīng)過信號(hào)預(yù)處理電路，信號(hào)頻率范圍為0—500Hz，其中包含了低于4 Hz的胎兒心跳頻率，所以對(duì)信號(hào)進(jìn)行波形分析和胎心率計(jì)算時(shí)應(yīng)針對(duì)信號(hào)的低頻信息，而不是高頻信息；小波變換的多分辨分析特性是隨著尺度由細(xì)變粗，逐步得到信號(hào)的高頻到低頻，從細(xì)節(jié)到平滑一系列結(jié)果。所以可以利用小波的多分辨分析特性，通過選用合適的小波基，優(yōu)化分解層數(shù)，分離多普勒胎心信號(hào)的高頻部分和低頻部分，并將高頻部分全部剔除，得到包含全部胎兒心跳信息的低頻部分，通過低頻信號(hào)頻率，計(jì)算出胎兒心跳周期，得到胎心率。本系統(tǒng)通過大量實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)選用 小波函數(shù)。利用小波具有的正交性、近似對(duì)稱性、較好的光滑度和正則性的優(yōu)點(diǎn)，通過6層小波分解提取，得到8Hz以下的第6層低頻信號(hào)。這時(shí)的低頻信號(hào)基本上就是胎兒的心跳信號(hào)。

由于存在隨機(jī)噪聲干擾，必須對(duì)小波算法提取到的胎心音信號(hào)進(jìn)行處理，本文采用雙重閾值識(shí)別噪聲。首先計(jì)算幅度閾值為，計(jì)算公式為：

3.2 電腦胎兒監(jiān)護(hù)的智能控制

針對(duì)以往胎兒監(jiān)護(hù)只能醫(yī)生通過研究監(jiān)護(hù)曲線圖形來告知胎兒健康狀況，增加了醫(yī)生工作量，不利于家庭監(jiān)護(hù)。智能胎兒監(jiān)護(hù)則重點(diǎn)考慮胎兒監(jiān)護(hù)的智能化。智能監(jiān)護(hù)的理論依據(jù)主要是根據(jù)實(shí)測(cè)胎心率和臨床經(jīng)驗(yàn)值。主要有界面顏色圖形標(biāo)識(shí)、語(yǔ)音提示和胎兒?jiǎn)拘芽刂?。為了增加智能控制的安全性和穩(wěn)定性，這里的胎心率是監(jiān)護(hù)一段時(shí)間內(nèi)的平均值，段時(shí)間大小可通過界面自行設(shè)置。胎心率也受胎兒醒-睡狀態(tài)的影響，聲刺激能使胎兒從睡眠轉(zhuǎn)清醒狀態(tài)，引起胎動(dòng)、胎心率改變，對(duì)了解產(chǎn)前胎兒安危有重要意義。因此本系統(tǒng)可根據(jù)胎心率檢測(cè)情況自動(dòng)啟動(dòng)聲刺激喚醒胎兒，從而得到更有價(jià)值的胎兒監(jiān)護(hù)曲線圖。表1給出了智能胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)胎心率監(jiān)護(hù)值和智能控制對(duì)照表。


表1 胎兒監(jiān)護(hù)智能控制措施表

胎兒心率（bpm） 臨床分類 智能控制措施

>180 重度過速 紅色標(biāo)識(shí)、語(yǔ)音提示

160~180 輕度過速 黃色標(biāo)識(shí)

120~160 正常心率 綠色標(biāo)識(shí)

100~120 輕度緩慢 黃色標(biāo)識(shí)

100 重度緩慢 紅色標(biāo)識(shí)、語(yǔ)音提示、啟動(dòng)聲振

相鄰心率>25 臍帶受壓 藍(lán)色標(biāo)識(shí)、語(yǔ)音提示

以上胎兒心率是臨床經(jīng)驗(yàn)值，監(jiān)護(hù)醫(yī)生可根據(jù)孕婦實(shí)際情況現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定，也可人為設(shè)定或取消以上智能控制。

4 結(jié)論

智能電腦胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)采用MSC1210微處理器進(jìn)行高速采樣和通信，利用coif5小波結(jié)合雙重閾值算法提取胎心音信號(hào)，并適時(shí)加入智能控制。根據(jù)上述原理和框架設(shè)計(jì)的智能胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)具有高精度、高實(shí)時(shí)性、抗干擾能力強(qiáng)和適合家庭監(jiān)護(hù)的特點(diǎn)，減輕了醫(yī)生工作量，提高了圍產(chǎn)期胎兒監(jiān)護(hù)的臨床價(jià)值。