無線超聲多普勒胎心檢測系統(tǒng)的研發(fā)

【作 者】楊鈞鵬，詹凱，張旭東，陳昕

1 深圳大學醫(yī)學部生物醫(yī)學工程學院，深圳市，518060

2 醫(yī)學超聲關(guān)鍵技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，廣東省醫(yī)學信息檢測與超聲成像重點實驗室，深圳市，518060

無線超聲多普勒胎心檢測系統(tǒng)的研發(fā)

【作 者】楊鈞鵬1,2，詹凱1,2，張旭東1,2，陳昕1,2

1 深圳大學醫(yī)學部生物醫(yī)學工程學院，深圳市，518060

2 醫(yī)學超聲關(guān)鍵技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，廣東省醫(yī)學信息檢測與超聲成像重點實驗室，深圳市，518060

胎心率是評判胎兒健康狀況的一個重要指標，因此該系統(tǒng)的研發(fā)對胎心率的監(jiān)護有重要意義。該文主要對檢測原理、系統(tǒng)的總體框架、硬件組成、上位機軟件界面等進行了詳細闡述。該系統(tǒng)實現(xiàn)了顯示心率值、心率趨勢線，并播放胎兒心跳聲。在實驗室對胎心模擬器進行了大量的測試，并在醫(yī)院進行了初步的臨床測試，證明本系統(tǒng)具有非常好的準確性和可重復性。

胎心率；上位機軟件界面；胎兒心跳聲；胎心模擬器

0 引言

中國是人口大國，也是世界上出生缺陷的高發(fā)國家之一，每年約有80～120萬出生缺陷兒降生[1]。影響出生人口質(zhì)量的因素很多，其中圍產(chǎn)期因素占70% ～80%。因此圍產(chǎn)期對胎兒生長發(fā)育狀態(tài)監(jiān)護的必要性和重要性越來越受到重視[2]。胎兒監(jiān)護儀主要用于對圍產(chǎn)期胎兒進行監(jiān)護，以便及時發(fā)現(xiàn)胎兒宮內(nèi)缺氧、窘迫。

胎兒監(jiān)護實際上主要是對胎心率的檢測[3]，研究表明，胎心率不僅反應(yīng)胎兒的心臟功能，而且也是受中樞神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的結(jié)果，更實時地反應(yīng)胎兒中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能[4]。胎兒中樞神經(jīng)對缺氧環(huán)境的耐受力最差，當子宮內(nèi)環(huán)境發(fā)生惡化時，中樞神經(jīng)最先受到傷害，且傷害之后無法治愈。因此，可以在孕婦妊娠期對胎兒進行監(jiān)護，科學地評價胎兒在宮內(nèi)的發(fā)育情況，及時發(fā)現(xiàn)影響胎兒發(fā)育的各種不良因素并采取有效的醫(yī)療手段將其消除，避免有缺陷胎兒的降生。目前超聲多普勒胎兒監(jiān)護儀在臨床已經(jīng)得到重視和廣泛應(yīng)用[5]，具有廣闊的應(yīng)用市場和巨大的臨床價值。

目前，胎心儀一般由探頭通過有線的方式與主機系統(tǒng)相連，通過主機上的液晶屏來顯示心率值與心率趨勢線，并通過揚聲器將胎兒心跳聲播放出來。因此，機型較大、笨重。而無線超聲多普勒胎心檢測系統(tǒng)將硬件集成在探頭里，利用電腦或手機來代替液晶顯示與揚聲器播放，從而節(jié)約了硬件成本，并且整個系統(tǒng)機型小、易攜帶。系統(tǒng)通過無線的方式傳輸，不再受連接線的牽制，擴大了使用范圍，操作也非常方便。

1 檢測原理

由于聲源與觀察者之間的相對運動，使接收到的聲波頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)[6]，超聲多普勒胎心監(jiān)護就是利用此原理。母體中的胎兒心臟在不停地周期性地跳動[7]，超聲波在人體傳播時遇到活動物體會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，探頭所接收的超聲波反射信號攜帶有多普勒頻移信息，反映了子宮內(nèi)胎兒心臟的跳動情況。通過對此頻移信號進行處理，可以計算出胎兒的心率，來確定胎兒的健康狀況。

假設(shè)檢測探頭發(fā)射脈沖超聲波的頻率為f0，胎兒心臟在做周期性的往復運動，設(shè)速率為v，在實際的檢測過程中，由于胎兒心臟的運動方向與檢測超聲波的傳播方向存在一定的夾度，設(shè)為θ，則胎兒心臟在檢測超聲波傳播方向上的有效運動速率為v.cos θ，則多普勒頻移fd為：

胎心在做周期性的往復運動，其運動速度的周期變化可以實時地反映胎心率的變化。由(1)式可知，從檢測探頭接收的回波信號中解調(diào)出的多普勒頻移信號的便可以實時地反映胎心的運動周期。

2 無線超聲多普勒胎心檢測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)框架

無線超聲多普勒胎心檢測系統(tǒng)主要由無線超聲多普勒胎心探頭部分、上位機顯示部分組成，而無線超聲多普勒胎心探頭部分是由CPLD部分、信號產(chǎn)生部分、信號處理部分、MCU部分、通訊部分集成在探頭里所組成的。通訊部分采用藍牙無線通訊方式，這種數(shù)據(jù)傳輸方式能夠很方便地應(yīng)用于家庭，連接到電腦或手機，并且它不再受連接線的牽制，擴大了使用范圍，操作也非常方便。

2.2硬件系統(tǒng)

無線超聲多普勒胎心檢測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包括CPLD時序控制電路、功率放大電路、LC整形電路、前端放大電路、模擬解調(diào)電路、模擬濾波電路、MCU電路和通訊電路，硬件系統(tǒng)如圖1所示。由于整個硬件系統(tǒng)都集成在探頭里，因此整個系統(tǒng)小，且易攜帶。這樣整個系統(tǒng)能夠很方便用戶使用，給醫(yī)生的操作帶來了很大的方便。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖Fig.1 Frame diagram of hardware system

系統(tǒng)采用以Cortex-M3為內(nèi)核的STM32作為主處理器，并以LATTICE 公司的LC4032V芯片作為時序控制芯片，以RF-BM-SPP01-BT4.0藍牙模塊作為無線通訊的橋梁。

2.3 上位機軟件界面

上位機軟件界面是在PC機上運行的實時監(jiān)護軟件，是無線超聲多普勒胎心檢測系統(tǒng)中重要的一部分，如圖2所示。它的功能主要是接收由MCU發(fā)出的聲音數(shù)據(jù)和心率數(shù)據(jù)，并分別在上位機實時顯示心率值和心率趨勢線，并將胎兒心跳聲實時播放。

圖2 上位機軟件界面Fig.2 PC software interface

3 系統(tǒng)總體測試

在對整個系統(tǒng)進行調(diào)試改進之后，要對系統(tǒng)的性能進行整體的測試與分析。測試內(nèi)容主要包括：胎兒模擬器的測試，臨床的初步測試并與市場現(xiàn)有產(chǎn)品的對比測試。

3.1 胎心模擬器的測試

測試中用的胎心模擬器是深圳康偉達公司的一款產(chǎn)品，它主要模擬機械胎心，用于測試胎兒監(jiān)護儀和多普勒胎心儀等產(chǎn)品的胎心測量準確度、臨床表現(xiàn)等功能。它可調(diào)節(jié)胎心的心率、幅度大小，并且能模擬25種典型臨床胎心病例。

首先對該胎心模擬器的任意固定胎心率(心率范圍為50～250次/分)進行測試，確定系統(tǒng)對該模擬器的固定胎心率的測量準確性。在測試過程中，其系統(tǒng)測試的結(jié)果與胎心模擬器的心率達到一致。再對25種模擬的典型臨床胎心病例進行測試，確定系統(tǒng)測試得到的心率趨勢線的準確性與一致性。圖3的兩張心率圖是對胎心模擬器的兩種臨床胎心病進行測試得到的。由圖3可以看出，與胎心模擬器的參考數(shù)據(jù)相比，系統(tǒng)測試的結(jié)果達到了標準。因此，對于胎心模擬器來說，系統(tǒng)的準確性與一致性達到了標準。

圖3 胎心模擬器測試Fig.3 Fetal heart simulator test

3.2 臨床測試

雖然胎心模擬器的測試結(jié)果比較理想，但是胎心模擬器產(chǎn)生的胎心模擬信號比較標準，受到的噪聲干擾非常少，周期性比較明顯。而在實際檢測胎兒心率的過程中，胎心多普勒頻移信號會受到各種噪聲的干擾使得周期性減弱；而且即使是發(fā)育正常的胎兒，心臟跳動的周期也會隨子宮的收縮和舒張而變化，并非一個固定的值；如果遇到胎兒發(fā)育出現(xiàn)異常的胎兒，其心率的多普勒信號就更加的復雜。因此，臨床測試是對算法優(yōu)化和對系統(tǒng)整體性能的評估的一個重要過程。

在臨床測試過程中，將現(xiàn)有的醫(yī)用胎監(jiān)產(chǎn)品對臨床胎心音頻信號進行算法處理后得到的心率值作為參考數(shù)據(jù)。通過與參考數(shù)據(jù)相比較來對系統(tǒng)的性能進行分析，從而對系統(tǒng)進一步優(yōu)化和改善，以致達到最優(yōu)的狀態(tài)。

圖4 臨床測試Fig.4 Clinical test

圖4 是在臨床測試中得到的兩張心率圖。由圖可知，系統(tǒng)測試的結(jié)果與現(xiàn)有的醫(yī)用胎監(jiān)產(chǎn)品測試的結(jié)果進行比較，心率趨勢完全一致，并且準確性達到了標準。

4 小結(jié)

本文主要介紹了無線超聲多普勒胎心檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)框架、硬件設(shè)計、界面設(shè)計、胎心模擬器的測試、初步的臨床測試等。根據(jù)測試的結(jié)果可以初步證明該系統(tǒng)具有良好的準確性和可重復性，說明整個系統(tǒng)方案的設(shè)計具有相當?shù)膽?yīng)用價值。為了進一步驗證本系統(tǒng)的可靠性和準確性，還需要進一步的臨床測試。

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Research of Wireless Ultrasonic Doppler Fetal Heart Detection System

【 Writers 】YANG Junpeng, ZHAN Kai, ZHANG Xudong, CHEN Xin
1 School of Biomedical Engineering, Department of Medicine, Shenzhen University, Shenzhen, 518060
2 National-Regional Key Technology Engineering Laboratory for Medical Ultrasound, Guangdong Laborato ry for Biomedical Measurements and Ultrasound Imaging, Shenzhen, 518060

Fetal heart rate (FHR) is an important index to the fetal health evaluation. Therefore, the study of the system is of great signifcance to the monitoring of FHR. In this paper, the detection principle, the overall framework of the system, hardware composition, PC software interface and so on have been made a detailed implements. The display of instant heart rate, heart rate trendline, and fetal heartbeat have been achieved. A large amount of test data of this system has been got by fetal feart simulator testing in the laboratory and preliminary clinical tests in the hospital. The testing result showed that using the system can achieve good accuracy and repeatability.

FHR, PC software interface, fetal heartbeat, fetal heart simulator

R318.6

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.06.004

1671-7104(2016)06-0407-03

2016-04-25

國家科技支撐計劃課題 (2015BAI01B02)

楊鈞鵬，E-mail: 564949996@qq.com

陳昕，E-mail：chenxin@szu.edu.cn