一種新型智能胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

1．引言
圍產(chǎn)期和分娩過程中對胎兒進(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、宮縮壓力和胎動次數(shù)等監(jiān)護(hù)指標(biāo)的數(shù)據(jù)采集和對語音器、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。針對胎心多普勒信號具有信噪比低、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、胎動探頭，胎心信號調(diào)理電路（低通濾波、絕對值運(yùn)算和包絡(luò)提取等）、宮縮壓力信號調(diào)理電路、語音控制、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。
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2.2信號調(diào)理電路
針對胎心率監(jiān)護(hù)指標(biāo)的重要性和胎心多普勒信號的復(fù)雜性，這里重點(diǎn)介紹胎心多普勒信號的條理電路。電路主要對多普勒胎心音信號進(jìn)行低通濾波、絕對值運(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和干擾。絕對值運(yùn)算電路如圖2。信號的強(qiáng)度增強(qiáng)一倍，提高了檢測靈敏度。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)的二極管和電容對電路中的負(fù)信號進(jìn)行限制，并對一定頻帶的高頻信號進(jìn)行消振。
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2.3 MSC1210微處理器
智能胎兒監(jiān)護(hù)采集系統(tǒng)采用美國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存儲器和數(shù)據(jù)SRAM等。數(shù)字濾波器對輸出的數(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)硬件電路變得簡單，電路設(shè)計(jì)更加簡潔，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。多普勒胎心信號和宮縮壓力信號經(jīng)IN0和IN2輸入，經(jīng)多路轉(zhuǎn)換器后送入緩沖器，可變增益放大器對輸入信號進(jìn)行放大。胎動信號由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口控制語音芯片完成語音提醒功能，通過P1.7控制聲振器完成自動胎兒喚醒功能。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。
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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
小波分析提供了一種自適應(yīng)時(shí)域和頻域同時(shí)局部化的分析方法，無論分析低頻或高頻局部信號，都能自動調(diào)節(jié)時(shí)-頻窗，以適應(yīng)實(shí)際分析的需要。小波分析的實(shí)質(zhì)是將信號x(t)投影到小波函數(shù)500)this.style.width=500;" border="0" />上，即x(t)與500)this.style.width=500;" border="0" />的內(nèi)積，得到便于處理的小波系數(shù)，按照分析的需要對小波系數(shù)進(jìn)行處理，然后對處理后的小波系數(shù)進(jìn)行反變換得到處理后的信號。在實(shí)際應(yīng)用中多采用離散二進(jìn)小波變換。對于k個(gè)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)500)this.style.width=500;" border="0" />， 離散二進(jìn)小波變換為：

500)this.style.width=500;" border="0" />（1）

上式說明，小波變換是將離散信號在小波基函數(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分解成不同頻段的子信號，因而對信號具有按頻帶處理的能力。運(yùn)用小波分析進(jìn)行信號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)含噪聲的一維信號的模型可表示為：
500)this.style.width=500;" border="0" />（2）

其中：s(i)為真實(shí)信號；e(i)為噪聲；x(i)為含噪信號。在實(shí)際工程中，有用信號通常表現(xiàn)為低頻信號或較平穩(wěn)的信號，噪聲信號則表現(xiàn)為高頻信號，所以消噪過程可按以下方法進(jìn)行處理。首先對實(shí)際信號進(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，即抑制信號的噪聲，在實(shí)際信號中恢復(fù)真實(shí)信號。
超聲多普勒胎心音信號經(jīng)過信號預(yù)處理電路，信號頻率范圍為0—500Hz，其中包含了低于4 Hz的胎兒心跳頻率，所以對信號進(jìn)行波形分析和胎心率計(jì)算時(shí)應(yīng)針對信號的低頻信息，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500)this.style.width=500;" border="0" />構(gòu)造的500)this.style.width=500;" border="0" />小波函數(shù)。利用500)this.style.width=500;" border="0" />小波具有的正交性、近似對稱性、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。這時(shí)的低頻信號基本上就是胎兒的心跳信號。
由于存在隨機(jī)噪聲干擾，必須對小波算法提取到的胎心音信號進(jìn)行處理，本文采用雙重閾值識別噪聲。首先計(jì)算幅度閾值為500)this.style.width=500;" border="0" />，計(jì)算公式為：                              

500)this.style.width=500;" border="0" />(3)

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由（6）式計(jì)算得到500)this.style.width=500;" border="0" />。雙重閾值確定后可對低頻信號進(jìn)行插值補(bǔ)峰或剔除干擾峰，直接計(jì)算胎心率。胎兒率監(jiān)護(hù)精度可達(dá) bpm。
3.2電腦胎兒監(jiān)護(hù)的智能控制
針對以往胎兒監(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)測胎心率和臨床經(jīng)驗(yàn)值。主要有界面顏色圖形標(biāo)識、語音提示和胎兒喚醒控制。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、胎心率改變，對了解產(chǎn)前胎兒安危有重要意義。因此本系統(tǒng)可根據(jù)胎心率檢測情況自動啟動聲刺激喚醒胎兒，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)值和智能控制對照表。
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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，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。