0 引言

    母胎監(jiān)護(hù)是保障圍產(chǎn)期孕婦和胎兒安全、實(shí)現(xiàn)優(yōu)生優(yōu)育的重要手段，醫(yī)生通過(guò)對(duì)胎心率、宮縮壓、胎動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行評(píng)估來(lái)診斷胎兒在宮內(nèi)的健康情況，從而確定最佳的分娩時(shí)機(jī)，降低胎兒的死亡率^[1]。傳統(tǒng)的胎兒監(jiān)護(hù)儀一般存在以下一些問(wèn)題：(1)孕產(chǎn)婦身上捆綁多個(gè)傳感器，有太多電纜纏繞；(2)基層醫(yī)院因?yàn)榧夹g(shù)門(mén)檻高而無(wú)法展開(kāi)電子監(jiān)護(hù)；(3)監(jiān)護(hù)儀局限于醫(yī)院使用，不能應(yīng)用于家庭使用。

    針對(duì)以上問(wèn)題，本文利用無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙技術(shù)與智能手機(jī)的結(jié)合，提出了一種家用胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，孕婦只需佩戴內(nèi)置藍(lán)牙模塊的無(wú)線(xiàn)傳感器，就可以隨時(shí)隨地獲取胎兒監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù),智能手機(jī)接收無(wú)線(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)胎兒的移動(dòng)監(jiān)護(hù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    本文所設(shè)計(jì)的家用胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要包括信號(hào)采集模塊、藍(lán)牙通信模塊以及智能設(shè)備監(jiān)護(hù)模塊等。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中系統(tǒng)的從節(jié)點(diǎn)包括胎心率傳感器、宮縮壓力傳感器和胎動(dòng)傳感器；主節(jié)點(diǎn)為智能設(shè)備，本系統(tǒng)采用手機(jī)作為藍(lán)牙智能監(jiān)護(hù)設(shè)備，因?yàn)槭謾C(jī)應(yīng)用比較廣泛，價(jià)格便宜，并且只要編寫(xiě)相應(yīng)的應(yīng)用程序（APP）即可輕易地與藍(lán)牙從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及通過(guò)Internet將監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)發(fā)送至醫(yī)院。

1.1 無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙模塊

    為滿(mǎn)足系統(tǒng)的低功耗、便攜式以及應(yīng)用性廣泛等要求，本無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙模塊采用美國(guó)德州儀器開(kāi)發(fā)的藍(lán)牙低功耗(BLE4.0)單模式芯片CC2540。CC2540在6 mm×6 mm的封裝中集成了控制器、主機(jī)與應(yīng)用，可縮小PCB板的物理尺寸，降低開(kāi)發(fā)成本。該模塊采用Bluetooth Specification V4.0BLE協(xié)議，并且集成了2.4 GHz的射頻收發(fā)器。該芯片工作頻率可達(dá)32 MHz，具有8通道分辨率可編程的ADC(模/數(shù)轉(zhuǎn)換)，并且一個(gè)CC2540主節(jié)點(diǎn)最多可以與8個(gè)CC2540從節(jié)點(diǎn)連接，滿(mǎn)足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求^[2]。

    BLE4.0是一種標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了短距離、低數(shù)據(jù)傳輸速率無(wú)線(xiàn)通信所需要的一系列通信協(xié)議，是傳統(tǒng)藍(lán)牙、低功耗藍(lán)牙和高速藍(lán)牙三種技術(shù)的合而為一，最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)250 kb/s，傳輸距離可達(dá)30 m，并且具有極低的運(yùn)行和待機(jī)功耗。表1為CC2540的低功耗參數(shù)。

1.2 胎心率信號(hào)采集模塊

    本系統(tǒng)采用超聲多普勒方式采集胎心率信號(hào)。超聲多普勒的測(cè)量方式根據(jù)聲源在時(shí)域的狀態(tài)可分為連續(xù)波多普勒和脈沖波多普勒。脈沖多普勒采用單晶片、深度范圍可控的換能器，在同等發(fā)射功率下，脈沖多普勒方式超聲功率密度更小，可小于1.5 mW/cm³，低于國(guó)際的規(guī)定的安全密度(10 mW/cm3)，對(duì)胎兒更為安全[3]。胎心率信號(hào)采集模塊經(jīng)脈沖時(shí)序產(chǎn)生電路驅(qū)動(dòng)換能器，換能器將回波信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大和DSP處理得到胎心率，胎心率的傳輸頻率為1～3 Hz。CC2540通過(guò)UART(串口)方式傳輸數(shù)字胎心率信號(hào)，其波特率為9 600 b/s、8 bit數(shù)據(jù)位、無(wú)校檢、無(wú)停止位,工作模式為從機(jī)模式,數(shù)據(jù)包通過(guò)異或校檢方式，數(shù)據(jù)的傳輸格式為:包頭+包長(zhǎng)度+胎心率數(shù)據(jù)+校檢位+包尾。

1.3 宮縮信號(hào)采集模塊

    宮縮是指孕婦子宮有規(guī)律的收縮，宮縮壓是孕婦產(chǎn)檢的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它能對(duì)孕婦的早產(chǎn)和流產(chǎn)起到預(yù)警作用^[4]。宮縮壓力的量程為0～200 g，且是微壓力，因此測(cè)量的非線(xiàn)性度應(yīng)小于2%，本設(shè)計(jì)選擇體積小、適用于要求高精度觸力測(cè)量場(chǎng)合的霍尼韋爾FSL05N2C觸力傳感器。FSL05N2C觸力傳感器的量程為0～500 g，靈敏度為0.12 mV/g，支持電壓為5 V，輸出量程為0 mV～60 mV。如圖2所示為宮縮壓力信號(hào)采集的硬件部分，主要包括觸力傳感器電橋、信號(hào)放大、低通濾波等。當(dāng)電橋受外力失去平衡，電橋的IN+和IN-產(chǎn)生電位差，電位差輸入到高輸入阻抗和共模抑制比的差模儀表放大器中放大。宮縮壓力信號(hào)的頻率為0.5～8 Hz。通過(guò)定義CC2540的Timer3定時(shí)器中斷處理函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)宮縮壓力的采集，采集的頻率為20 Hz。

1.4 胎動(dòng)信號(hào)采集模塊

    胎動(dòng)(Fetal Movement,FM)是指胎兒在子宮內(nèi)的活動(dòng)，是胎兒安危的重要指標(biāo)[1]。本設(shè)計(jì)所采用的胎動(dòng)壓力傳感器是GH-2型子宮收縮傳感器，該傳感器能夠檢測(cè)出子宮收縮次數(shù)，量程為0 g～150 g，輸出電壓大于50 mV。輸出電壓經(jīng)濾波放大等調(diào)理電路后，再經(jīng)DSP對(duì)胎動(dòng)信號(hào)進(jìn)行AD采樣和胎動(dòng)信號(hào)識(shí)別，CC2540通過(guò)UART(串口)方式接收識(shí)別的胎動(dòng)信號(hào)。其傳輸格式與傳輸胎心率的格式相同。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)工作主流程

    低功耗無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的主程序流程圖如圖3所示。系統(tǒng)的主要工作流程圖包括以下幾個(gè)部分：

    (1)系統(tǒng)的各個(gè)藍(lán)牙模塊的初始化配置，包括ADC、UART、廣播、連接間隔等。

    (2)胎心率、宮縮壓、胎動(dòng)信號(hào)的采集、分析、計(jì)算等。

    (3)手機(jī)應(yīng)用軟件的初始化配置，包括掃描時(shí)間、連接個(gè)數(shù)、圖形顯示等。

    (4)藍(lán)牙模塊與手機(jī)設(shè)備連接通信，藍(lán)牙模塊接收來(lái)自藍(lán)牙設(shè)備的控制命令，手機(jī)接收和解析來(lái)自各藍(lán)牙模塊的有效數(shù)據(jù)并顯示和存儲(chǔ)。

2.2 手機(jī)監(jiān)護(hù)端

    手機(jī)監(jiān)護(hù)端必須支持藍(lán)牙4.0和網(wǎng)絡(luò)功能，如PDA、手機(jī)等。本系統(tǒng)選擇魅族公司生產(chǎn)的魅族4（MX4）手機(jī)作為監(jiān)護(hù)端應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)設(shè)備，其硬件配置為：8核CPU、2G內(nèi)存、5.3英寸的顯示屏、藍(lán)牙4.0、移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)等，安卓軟件開(kāi)發(fā)工具為Android4.4版本。手機(jī)監(jiān)護(hù)端與胎心率、宮縮壓、胎動(dòng)3個(gè)無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙傳感器連接，并實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)的傳輸格式為:包ID+包長(zhǎng)度+數(shù)據(jù)+校檢位，通過(guò)包ID識(shí)別胎心、宮縮、胎動(dòng)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)的手機(jī)監(jiān)護(hù)端結(jié)構(gòu)如圖4所示。其功能包括：實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)、病歷報(bào)告、監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及界面交互等。手機(jī)監(jiān)護(hù)端以數(shù)字和曲線(xiàn)的形式顯示胎心率、宮縮壓、胎動(dòng)，并對(duì)監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，其存儲(chǔ)的文件為二進(jìn)制文件，存儲(chǔ)格式為胎心率+宮縮壓+胎動(dòng)（0或1）+空位（0）。

3 胎兒生理信號(hào)的處理與分析

3.1 胎心率分析

    自相關(guān)算法是超聲多普勒測(cè)量胎兒心率中最常用的方法^[5]。利用自相關(guān)函數(shù)的周期與信號(hào)周期一致的特點(diǎn)找出自相關(guān)函數(shù)的周期，即可得到胎兒心率的值^[6]。其算法的過(guò)程為：讀取多普勒胎心率原始回波信號(hào)x_(n)，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理并進(jìn)行自相關(guān)算法。假設(shè)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度為N，α為控制因子，則自相關(guān)算法的表達(dá)式：R(m)=通過(guò)自適應(yīng)控制實(shí)時(shí)調(diào)整控制因子使自相關(guān)函數(shù)隨時(shí)延的衰減程度在不同的胎心率值下不同，始終保證自相關(guān)函數(shù)最大周期峰值在第一周期處,得到自相關(guān)函數(shù)R_(m)的曲線(xiàn)，求出第一周期處峰值處的序列號(hào)R_f。若采樣率為f_(s)，則胎心率S_(r)的值與自相關(guān)函數(shù)的序列號(hào)R_f和采樣率f_(s)的關(guān)系為：S_(r)=(f_(s)×60)×R_f。如圖5所示是采集的正常胎心率信號(hào)。

3.2 宮縮壓分析

    根據(jù)FSL05N2C觸力傳感器的原理，其IN₊和IN_-產(chǎn)生的電壓差V_o與宮縮壓力的關(guān)系表達(dá)式為：V_o=0.12_(mv/g)×UC_(g)^[7]。V_o經(jīng)過(guò)放大濾波電路最終輸出的電壓表達(dá)式為：其電壓輸出范圍為0～3 V。

    本系統(tǒng)通過(guò)CC2540以20 Hz的頻率、14位分辨率、3.3 V參考電壓對(duì)V_out進(jìn)行AD采樣，模擬輸入電壓V_out與數(shù)字AD值N_(ADC)的關(guān)系為：N_(ADC)=V_out×16 389/3.3_(V)。藍(lán)牙模塊根據(jù)輸出電壓與宮縮壓力表達(dá)式將采樣值換算成壓力值，并發(fā)送到手機(jī)監(jiān)護(hù)端進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。圖6所示是正常采集的宮縮壓力曲線(xiàn)圖。

3.3 胎動(dòng)信號(hào)分析

    胎動(dòng)信號(hào)是非平穩(wěn)信號(hào)，從母腹部提取的胎動(dòng)信號(hào)成分比較復(fù)雜，如宮縮壓信號(hào)、呼吸咳嗽等混合的信號(hào)，信噪比很低。因此需對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波等處理。FIR數(shù)字濾波器對(duì)濾波有很好的性能，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的濾波系數(shù)進(jìn)行量化移植到DSP芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)胎動(dòng)信號(hào)的濾波處理。胎動(dòng)信號(hào)是以二值信號(hào)在藍(lán)牙中傳輸，即0代表無(wú)胎動(dòng)，1代表有胎動(dòng)，在監(jiān)護(hù)的過(guò)程中，手機(jī)監(jiān)護(hù)設(shè)備對(duì)胎動(dòng)值判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)胎動(dòng)的計(jì)數(shù)以及存儲(chǔ)。

4 結(jié)果與討論

    本文介紹了一種基于低功耗無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的家用胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，經(jīng)測(cè)試，在不漏包的情況下，無(wú)線(xiàn)連接的距離范圍為0～15 m，滿(mǎn)足家用監(jiān)護(hù)的距離。為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的可行性和優(yōu)越性，利用設(shè)計(jì)的胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)與某醫(yī)療器械公司生產(chǎn)的基于RF(無(wú)線(xiàn)射頻)的無(wú)線(xiàn)胎兒監(jiān)護(hù)儀(B5)進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)。在連接距離為12 m的空曠房間內(nèi)，測(cè)試時(shí)間為24 h，將正常的胎心率、宮縮壓和胎動(dòng)數(shù)據(jù)分別傳輸?shù)絻蓚€(gè)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中。將本系統(tǒng)存儲(chǔ)的胎兒監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)和B5監(jiān)護(hù)儀的監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，在傳輸距離為12 m的條件下，本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)功能全面，界面友好，成本比較低，連接時(shí)間更快；(2)通過(guò)手機(jī)進(jìn)行監(jiān)護(hù)，應(yīng)用性更加廣泛；(3)功耗低，在相同電量的電池下，本系統(tǒng)的續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)。對(duì)比結(jié)果如表2所示，在距離12 m的空曠條件下傳輸，各個(gè)監(jiān)護(hù)參數(shù)的傳輸正確率達(dá)到100%，未出現(xiàn)漏包的情況。

    遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)胎兒電子監(jiān)護(hù)已成為圍產(chǎn)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中家庭監(jiān)護(hù)及社區(qū)監(jiān)護(hù)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，有著非常廣泛的應(yīng)用意義和發(fā)展前景^[8-9]。將互聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用到本系統(tǒng)中，將胎兒數(shù)據(jù)上傳到醫(yī)院服務(wù)器，醫(yī)生對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、備份、管理等，可以提前預(yù)測(cè)和解決胎兒疾病。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為國(guó)內(nèi)外智能化醫(yī)療與移動(dòng)健康事業(yè)的發(fā)展提供了參考，具有很高的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的前景。

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