一種新型智能胎兒監護系統的設計

胎兒監護是保障圍產(chǎn)期產(chǎn)婦和胎兒安全，實(shí)現優(yōu)生優(yōu)育的重要手段。智能胎兒監護是根據監護指標分析胎兒健康狀況，自動(dòng)采取相應措施的監護方式。

介紹了采用自帶24位A/D轉換器的MSC1210微處理器為核心器件，小波分析算法處理數據為技術(shù)關(guān)鍵，并通過(guò)比較分析監護指標，利用報警、界面提示和啟動(dòng)聲振器方式來(lái)提醒和自動(dòng)采取相應措施的智能電腦胎兒監護系統。臨床實(shí)驗表明：該系統具有較高的檢測精度、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(guò)程中對胎兒進(jìn)行監護，可以及時(shí)發(fā)現胎兒宮內缺氧、窘迫等危重癥狀，降低胎兒死亡率，提高分娩質(zhì)量。傳統胎兒監護系統較為復雜，功耗較高，人為干擾多，不便于家庭監護和自我監護。

智能胎兒監護系統選用TI公司生產(chǎn)的帶24位A/D轉換器并具有較強的模擬性能和數字處理能力的MSC1210微處理器，該微處理器把輸入通道選擇、緩沖、放大、增益調整、A/D轉換和數字處理集成到單片電路上，僅用一片集成電路即可實(shí)現胎心率、宮縮壓力和胎動(dòng)次數等監護指標的數據采集和對語(yǔ)音器、聲振器的控制。智能胎兒監護的控制依據是胎心率，如何精確及時(shí)得到胎心率是智能胎兒監護系統的控制前提。針對胎心多普勒信號具有信噪比低、非平穩的隨機性特點(diǎn)，計算胎心率時(shí)出現1/2、2/3和2倍心率，導致控制失誤，這里運用小波分析結合雙重閾值算法，準確、實(shí)時(shí)得到胎心率，確保了智能控制的有效進(jìn)行。

2．智能電腦胎兒監護系統硬件設計

2.1智能電腦胎兒監護系統結構

智能電腦胎兒監護系統框圖如圖1所示。主要由超聲多普勒胎心探頭、宮縮探頭、胎動(dòng)探頭，胎心信號調理電路（低通濾波、絕對值運算和包絡(luò )提取等）、宮縮壓力信號調理電路、語(yǔ)音控制、聲振器、MSC1210微處理器和計算機處理系統組成。以MSC1210和計算機處理系統為核心。

MSC1210控制監護指標的采集和通信，接收電腦命令控制語(yǔ)音器和聲振器。計算機系統實(shí)現智能控制、通信控制、數據處理算法、監護顯示等功能模塊。

2.2信號調理電路

針對胎心率監護指標的重要性和胎心多普勒信號的復雜性，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、絕對值運算和包絡(luò )提取等預處理。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。絕對值運算電路如圖2。信號的強度增強一倍，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形濾波相結合的低通濾波器。并聯(lián)的二極管和電容對電路中的負信號進(jìn)行限制，并對一定頻帶的高頻信號進(jìn)行消振。

2.3 MSC1210微處理器

智能胎兒監護采集系統采用美國德州儀器公司推出的功能很強的單片微機MSC1210作為處理器，MSC1210芯片集成了8051微控制器和FLASH存儲器的精密摸數轉換器，該芯片采用增強型8051單片機內核，縮短了指令執行周期，使用低功耗設計，內部集成了一個(gè)24位分辨率的模數轉換器（ADC），其轉換速度可達1000HZ，8通道多路開(kāi)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），內部基準電壓源，8位微控制器，程序/ 數據Flash存儲器和數據SRAM等。數字濾波器對輸出的數據進(jìn)行濾波。數字濾波器有快速、sin2和sin3三種。增強型8051內核有兩個(gè)數據指針，其指令系統與標準8051的指令系統完全兼容，其執行速度卻比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，其模擬電源和數字電源分別供電。由于該芯片的集成度使智能胎兒監護系統硬件電路變得簡(jiǎn)單，電路設計更加簡(jiǎn)潔，芯片的外圍元件非常少，從而使系統的可靠性得到了很大提高，而且大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，降低了開(kāi)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(dòng)信號由MSC1210中斷處理。MSC1210經(jīng)RS485總線(xiàn)接收電腦下達的控制命令，經(jīng)P2口控制語(yǔ)音芯片完成語(yǔ)音提醒功能，通過(guò)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)得到胎兒監護指標，為智能控制提供保障。

3 智能胎兒監護計算機控制系統

計算機控制系統利用Visual C++6.0為程序的開(kāi)發(fā)環(huán)境，在Win2000環(huán)境中運行。針對系統處理的數據量大且實(shí)時(shí)性要求高的特點(diǎn)，系統編程時(shí)充分運用了多線(xiàn)程的思想。整個(gè)系統設置為5個(gè)線(xiàn)程，其中管理用戶(hù)界面，響應用戶(hù)動(dòng)作的線(xiàn)程為主線(xiàn)程，生存周期為整個(gè)程序的主存期，其它4個(gè)線(xiàn)程實(shí)現智能控制、通信控制、數據處理算法、監護顯示功能，生命周期就是線(xiàn)程函數本身。多線(xiàn)程思想的運用，使系統各個(gè)功能模塊并行運行，可以大大提高CPU的利用率，滿(mǎn)足了系統實(shí)時(shí)性的要求。其中數據處理算法和智能控制是控制系統關(guān)鍵。

3.1基于coif5小波的胎心音數據處理算法

上式說(shuō)明，小波變換是將離散信號在小波基函數上的投影，不同的m、n代表不同的分辨率（尺度）和不同的時(shí)頻（平移），小波函數正是通過(guò)不同的m、n來(lái)調節不同的局部時(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)非常重要的應用之一。

一個(gè)含噪聲的一維信號的模型可表示為：

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，有用信號通常表現為低頻信號或較平穩的信號，噪聲信號則表現為高頻信號，所以消噪過(guò)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進(jìn)行門(mén)限閾值量化處理。最后根據小波分解的第N層低頻系數和經(jīng)過(guò)量化后的1～N層高頻系數進(jìn)行小波重構，達到消除噪聲的目的，即抑制信號的噪聲，在實(shí)際信號中恢復真實(shí)信號。

超聲多普勒胎心音信號經(jīng)過(guò)信號預處理電路，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算時(shí)應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(zhù)尺度由細變粗，逐步得到信號的高頻到低頻，從細節到平滑一系列結果。所以可以利用小波的多分辨分析特性，通過(guò)選用合適的小波基，優(yōu)化分解層數，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(guò)低頻信號頻率，計算出胎兒心跳周期，得到胎心率。本系統通過(guò)大量實(shí)驗和理論推導選用 小波函數。利用小波具有的正交性、近似對稱(chēng)性、較好的光滑度和正則性的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)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。首先計算幅度閾值為，計算公式為：

3.2 電腦胎兒監護的智能控制

針對以往胎兒監護只能醫生通過(guò)研究監護曲線(xiàn)圖形來(lái)告知胎兒健康狀況，增加了醫生工作量，不利于家庭監護。智能胎兒監護則重點(diǎn)考慮胎兒監護的智能化。智能監護的理論依據主要是根據實(shí)測胎心率和臨床經(jīng)驗值。主要有界面顏色圖形標識、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定性，這里的胎心率是監護一段時(shí)間內的平均值，段時(shí)間大小可通過(guò)界面自行設置。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清醒狀態(tài)，引起胎動(dòng)、胎心率改變，對了解產(chǎn)前胎兒安危有重要意義。因此本系統可根據胎心率檢測情況自動(dòng)啟動(dòng)聲刺激喚醒胎兒，從而得到更有價(jià)值的胎兒監護曲線(xiàn)圖。表1給出了智能胎兒監護系統胎心率監護值和智能控制對照表。


表1 胎兒監護智能控制措施表

胎兒心率（bpm） 臨床分類(lèi) 智能控制措施

>180 重度過(guò)速 紅色標識、語(yǔ)音提示

160~180 輕度過(guò)速 黃色標識

120~160 正常心率 綠色標識

100~120 輕度緩慢 黃色標識

100 重度緩慢 紅色標識、語(yǔ)音提示、啟動(dòng)聲振

相鄰心率>25 臍帶受壓 藍色標識、語(yǔ)音提示

以上胎兒心率是臨床經(jīng)驗值，監護醫生可根據孕婦實(shí)際情況現場(chǎng)設定，也可人為設定或取消以上智能控制。

4 結論

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