使用LabVIEW和NI硬件精確安全地測(cè)量胎兒心率

挑戰(zhàn):
    設(shè)計(jì)一個(gè)低功率光學(xué)胎心率監(jiān)聽儀，以避免使用超聲波對(duì)胎兒造成的傷害。
解決方案:
    使用NI LabVIEW軟件和NI硬件設(shè)計(jì)，利用高級(jí)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)胎心率監(jiān)護(hù)儀。
    “采用LabVIEW，我們成功實(shí)現(xiàn)了數(shù)字同步檢測(cè)和自適應(yīng)濾波技術(shù)”
    胎心率(FHR)檢測(cè)是一種用于胎兒出生前判斷胎兒健康狀況，并幫助識(shí)別胎兒缺氧或受壓迫等潛在危險(xiǎn)的主要方法。早期檢測(cè)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(cè)最常用的方式是多普勒超聲波，標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)前胎兒健康測(cè)試為胎兒無(wú)負(fù)荷試驗(yàn)(NST)。這些測(cè)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(cè)儀有了很大的改進(jìn)，價(jià)格不斷降低，體積也更加小巧，我們?nèi)匀恍枰_的傳感器校準(zhǔn)和一定的專業(yè)知識(shí)，從而正確地操作檢測(cè)儀。此外，此類儀器對(duì)移動(dòng)相當(dāng)敏感，而且胎兒長(zhǎng)期暴露在超聲波下可能導(dǎo)致的安全性問(wèn)題目前還未有定論。因此，現(xiàn)在對(duì)檢測(cè)儀的使用還僅限于進(jìn)行短時(shí)間測(cè)試。
    另外一種測(cè)量胎心率的方法是胎兒心電圖(FECG)，但其步驟更加復(fù)雜，實(shí)用性也更差。并且，目前市面上還沒有出現(xiàn)商用的無(wú)創(chuàng)傷性FECG設(shè)備。
    最近，有人提出了一種仍然處于研究階段的光學(xué)方法，該方法采用鹵素?zé)艋蜴u絲燈作為光源，通過(guò)光電倍增來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。然而這些技術(shù)成本高，需要高光強(qiáng)，并且由于儀器尺寸和功耗限制而難以實(shí)現(xiàn)。
光學(xué)胎心率檢測(cè)系統(tǒng)
    我們的研究團(tuán)隊(duì)提出了基于光電血管容積圖(PPG) 信號(hào)的低功率光學(xué)技術(shù)，以無(wú)創(chuàng)傷性地檢測(cè)胎心率。PPG信號(hào)是由光線經(jīng)過(guò)血液脈動(dòng)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(jìn)行調(diào)制?？纱┩傅淖畲蠊獠úㄩL(zhǎng)是890 nm。該混合信號(hào)可通過(guò)使用數(shù)字信號(hào)處理得到的自適應(yīng)濾波進(jìn)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(shè)計(jì)軟件和NI硬件開發(fā)光學(xué)胎心率 (OFHR)檢測(cè)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(lì)信號(hào)為調(diào)制后的光束。系統(tǒng)可實(shí)施同步檢測(cè)，LabVIEW中的軟件子程序使用NI 9474數(shù)字輸出模塊在計(jì)數(shù)器端生成調(diào)制頻率。
    在接收機(jī)端，低噪聲放大和同步檢測(cè)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(hào)經(jīng)自適應(yīng)噪聲消除器(ANC)技術(shù)處理后從混合信號(hào)中提取胎兒PPG。
    用腰帶將胎兒探針(主信號(hào))和孕婦腹部連接，使IR-LED與光電探測(cè)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(shè)定OFHR系統(tǒng)的工作光學(xué)功率小于國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)(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(hào)，經(jīng)由NI 9474計(jì)數(shù)器端連至LED驅(qū)動(dòng)(圖1)。在圖1中，孕婦腹部的擴(kuò)散反射光由低噪聲光電探測(cè)器測(cè)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(duì)信號(hào)的影響。
    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(gè)內(nèi)置前置放大器的固態(tài)光電二極管組成。來(lái)自該探針的信號(hào)表示為I (M2)；M2代表母親對(duì)信號(hào)的影響。該通道無(wú)需同步檢測(cè)，因?yàn)槭持傅墓怆娧苋莘e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(lái)自兩個(gè)探針的信號(hào)。在數(shù)字域執(zhí)行解調(diào)、信號(hào)濾波和信號(hào)估計(jì)。軟件實(shí)現(xiàn)了包括調(diào)制信號(hào)生成、同步檢測(cè)算法、降采樣、高通濾波、和自適應(yīng)噪聲消除(ANC)算法。
    設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采用LabVIEW來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)算法以及部分儀器。在完成ANC算法的預(yù)處理和應(yīng)用以后，LabVIEW將顯示胎兒信號(hào)和胎心率的結(jié)果。
    圖2a顯示了OFHR系統(tǒng)的 實(shí)驗(yàn)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(jì)PPG(下)。
    圖2b顯示了三個(gè)可選的顯示，包括數(shù)字同步或鎖相放大器(LIA)、自適應(yīng)噪聲消除器(ANC)、及心律軌跡。前兩個(gè)顯示可用于輔助開發(fā)，第三個(gè)顯示用于表明胎心率相對(duì)時(shí)間的值。用戶可在線觀察數(shù)據(jù)或?qū)⑵浔４嬗糜谶M(jìn)一步分析。
    完成開發(fā)之后，我們根據(jù)來(lái)自6個(gè)懷孕35到39周不等的臨床對(duì)象總共24組數(shù)據(jù)測(cè)試了系統(tǒng)的功能性，數(shù)據(jù)由馬來(lái)西亞國(guó)民大學(xué)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(shí)無(wú)并發(fā)癥。
    在研究中，我們?cè)诠鈱W(xué)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(hào)質(zhì)量及檢測(cè)精度。
結(jié)論
    研究團(tuán)隊(duì)采用低成本、低功率的IR燈及商業(yè)可用的硅探測(cè)器開發(fā)出了新型的OFHR探測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)使用LabVIEW，我們能夠快速方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)字同步檢測(cè)和自適應(yīng)濾波技術(shù)。與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法（多普勒超聲波）相比，我們測(cè)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(qǐng)其商業(yè)領(lǐng)域使用的專利。
參考
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圖1：OFHR系統(tǒng)框圖中的硬件模塊由LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)
 
圖2a：OFHR樣機(jī)
 
圖2b：OFHR系統(tǒng)的圖形化用戶界面。