吉林大學(xué)通信工程學(xué)院　陳碩章　劉海斌　張羽翔　裴彥名　邸湞棋　張　蒙　梁海涵

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基于LabVIEW與物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程胎心監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

吉林大學(xué)通信工程學(xué)院陳碩章劉海斌張羽翔裴彥名邸湞棋張蒙梁海涵

【摘要】為提供一種幫助孕婦診斷胎兒健康狀況的便捷途徑，設(shè)計了基于LabVIEW的胎心監(jiān)測系統(tǒng)。依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的理念，運(yùn)用服務(wù)器系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)的模塊化系統(tǒng)設(shè)計思維，采用硬件系統(tǒng)采集胎心信號，通過智能終端將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器端，并借助服務(wù)器中基于LabVIEW編寫的信號處理程序，利用重采樣、巴特沃斯低通濾波、小波濾波等方法，得到準(zhǔn)確的胎心頻率圖并通過TCP/IP協(xié)議傳送至醫(yī)生端。論文詳細(xì)闡述的基于LabVIEW的胎心監(jiān)測系統(tǒng)，可滿足實(shí)時、動態(tài)和遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)胎兒的需求。實(shí)現(xiàn)孕婦足不出戶，即可完成關(guān)于胎兒健康狀況的的醫(yī)患溝通，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)在臨床醫(yī)療中具有實(shí)際意義。

【關(guān)鍵詞】遠(yuǎn)程胎心監(jiān)測；LabVIEW；小波濾波；物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療

0　引言

我國每年有1800萬左右新生兒誕生，伴隨二胎政策的開放，新生兒數(shù)量還會增加，胎兒健康必將關(guān)系到每個家庭的幸福乃至國家命運(yùn)。目前，國內(nèi)較為流行的胎心監(jiān)護(hù)設(shè)備多為帶數(shù)字顯示的醫(yī)用產(chǎn)品，體積普遍較大，操作比較復(fù)雜，而且產(chǎn)品價格較高，家庭難以接受。如某品牌MCF-21B/21G型監(jiān)護(hù)儀，價格近20000元。而家用便攜胎心監(jiān)測設(shè)備雖然便于攜帶，價格便宜，但是只能顯示胎兒心率，無法得到胎心頻率圖。而且醫(yī)用胎心監(jiān)護(hù)儀和家用胎心監(jiān)護(hù)儀與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合較少，均難以及時將胎心信息傳遞給醫(yī)生。

胎心監(jiān)測是正確評估胎兒宮內(nèi)狀況的主要檢測手段。胎心監(jiān)測取得的胎心頻率信息有助于指導(dǎo)臨床及時處理宮內(nèi)缺氧，以降低新生兒窒息率、圍生兒病死率，提高產(chǎn)科質(zhì)量[1]。由于孕婦身體狀況特殊，行動不方便，去醫(yī)院進(jìn)行胎心監(jiān)測有眾多障礙。近年來，物聯(lián)網(wǎng)思維在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用是該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，本文依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)思維，詳細(xì)闡述了基于LabVIEW程序語言的胎心監(jiān)測系統(tǒng)，極大的方便醫(yī)患交流，解決了與胎心監(jiān)測有關(guān)的眾多實(shí)際問題。

圖1　完整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1　軟件系統(tǒng)

1.1服務(wù)器

當(dāng)用戶較多時，胎心音頻文件數(shù)據(jù)體積大，如果單獨(dú)使用一臺服務(wù)器進(jìn)行存儲并進(jìn)行音頻處理，將導(dǎo)致服務(wù)器數(shù)據(jù)冗余，運(yùn)行緩慢。本系統(tǒng)采用分布式服務(wù)器技術(shù)，使用一臺大容量的主服務(wù)器用于存儲胎心音頻文件及用戶信息，并配置多臺子服務(wù)器，將胎心音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行合理分配。通過基于LabVIEW語言的信號處理程序，實(shí)現(xiàn)對胎心文件的讀取、處理、出圖、上傳、下載。同時結(jié)合TCP/IP協(xié)議，在PC客戶端讀取服務(wù)器中指定孕婦的胎兒心率圖，界面簡潔清晰。實(shí)現(xiàn)了信息實(shí)時獲取，使醫(yī)患之間能夠更加方便地溝通。

1.2LabVIEW開發(fā)環(huán)境

LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器(National Instrumentation)公司研制開發(fā)，相對于其他計算機(jī)語言，如C、C++和C#等。LabVIEW的顯著特點(diǎn)是采用圖形化編輯語言(G語言)編寫程序，以框圖和連接線的形式生成程序。VI指虛擬儀器(Virtual Instruments)，是 LabVIEW的程序模塊。LabVIEW中內(nèi)置了大量用于信號處理的VI，方便用戶快速開發(fā)。本系統(tǒng)主要利用LabVIEW的信號處理濾波器及TCP通信等函數(shù)。

圖2　信號處理函數(shù)選框

1.3分布式計算原理

本系統(tǒng)采用的是分布式計算方式來處理主服務(wù)器音頻文件。分布式計算是利用網(wǎng)絡(luò)把多臺計算機(jī)連接起來，組成一個性能強(qiáng)大的計算機(jī)集群，解決單臺計算機(jī)無法完成的超大數(shù)據(jù)量的處理問題。為保證較好的信號質(zhì)量，本系統(tǒng)傳輸音頻文件格式為.wav格式，且原始采樣率較高，對于胎心信號的處理，需要非常強(qiáng)大的計算能力，如果采用集中式計算，需要耗費(fèi)較長時間，影響信號處理的實(shí)時性。而如果采用分布式計算，將主服務(wù)器中胎心音頻數(shù)據(jù)按區(qū)域分解成許多部分，分配給多臺計算機(jī)進(jìn)行處理。這樣可以減少整體計算時間，提高計算效率。通過分布式計算可以在多臺計算機(jī)上平衡計算負(fù)載，減少主服務(wù)器壓力，提高實(shí)時性。

1.4文件分揀程序

利用主服務(wù)器中文件掃描程序，掃描到新的文件后，根據(jù)分布式計算原理，結(jié)合TCP/IP協(xié)議，將文件發(fā)給子服務(wù)器。子服務(wù)器從主服務(wù)器接收音頻文件，并進(jìn)行后續(xù)信號處理。采用分布式計算，顯著緩解主服務(wù)器的處理壓力，使用多個子服務(wù)器，提高信號處理速度。當(dāng)其中一臺子服務(wù)器出現(xiàn)故障時，主服務(wù)器可以自動選擇負(fù)載較低的服務(wù)器進(jìn)行臨時的復(fù)用，提高系統(tǒng)容錯率，系統(tǒng)仍可正常工作。圖3是根據(jù)文件名進(jìn)行分類存放的子VI。

1.5客戶端

移動終端應(yīng)用：

針對胎心采集系統(tǒng)開發(fā)一款用于音頻信號接收傳輸?shù)闹悄芤苿咏K端應(yīng)用，用以配合硬件系統(tǒng)進(jìn)行胎心信號的采集以及進(jìn)行胎心信號的上傳。利用公眾持有量巨大的移動終端進(jìn)行信號采集，極大的降低了胎心監(jiān)護(hù)儀硬件成本，并實(shí)現(xiàn)了胎心信號的及時傳輸。

圖3　文件分類程序圖

圖4　小波濾波程序圖

PC客戶端為醫(yī)生PC端，主要用來接收胎心音頻數(shù)據(jù)處理后的最終圖像，實(shí)現(xiàn)無紙化過程。

2　信號處理

胎兒心率指胎兒在母體內(nèi)每分鐘心跳次數(shù)，在孕期不同階段胎心率會略有不同，但是總體保持在110次～180次之間，當(dāng)胎心率在每分鐘180次以上或者每分鐘110次以下時，視為胎心異常。由于超聲探頭所采集的胎心信號非常微弱，大約為100mv左右，極其容易受到噪聲影響。主要噪聲來源如下：(1)工頻干擾，工頻干擾會對電氣設(shè)備和電子設(shè)備造成干擾，它是以電磁輻射形式進(jìn)行干擾，干擾信號頻率為50Hz或60Hz；(2)呼吸引起的基線漂移，在心電信號檢測與處理中，呼吸引起的基線漂移是源于被測對象在測試過程中呼吸而引起的，這類基線漂移干擾的頻率大約為O.l5HZ-0.3HZ。除此之外電極接觸噪聲，運(yùn)動偽跡等噪聲也會干擾胎心信號[2]。本系統(tǒng)主要采用小波濾波的方法進(jìn)行選頻，采用峰值監(jiān)測的方法輸出胎心頻率圖。

2.1小波濾波參數(shù)的確定

小波濾波是近年來日趨成熟的一種用于信號處理濾波方法，小波去噪的原理是將信號分解為一系列小波函數(shù)的疊加，對分解的小波分量分析處理后，再利用小波分解的系數(shù)還原原始信號，其優(yōu)勢在于對不同頻段采取不同分辨率進(jìn)行分析，低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率，適用于隨機(jī)不平穩(wěn)信號。胎心信號為低頻信號，隨機(jī)性強(qiáng)，不平穩(wěn)，因此本系統(tǒng)選用小波濾波對胎心信號進(jìn)行處理分析。

小波濾波(見圖4)首先考慮小波基函數(shù)的選擇。常用的小波有Haar、Daubechies、Biorthgonal、Coiflets、Morlet等。小波基函數(shù)的正交性、連續(xù)性、對稱性、緊支撐性、光滑性、正則性、消失矩等特性是選擇小波基函數(shù)的重要參數(shù)[3]。

胎心信號所需濾波器主要滿足FIR特性，具有頻率分辨率高，低頻拖尾衰減快，沒有相位失真等特點(diǎn)。通過比較各種小波基函數(shù)，發(fā)現(xiàn)Coiflets小波具有對稱性，不會引起相位失真；具有緊支撐性，濾波器具備FIR特性；具有正交性，頻率分辨率高，消失矩階數(shù)為2N-1，階數(shù)比高，濾波器的低頻拖尾衰減快。經(jīng)計算，小波分解層數(shù)設(shè)定為6[4]。

2.2胎心頻率計算

通過計算波峰數(shù)，根據(jù)兩波峰間時間間隔得到胎心頻率。計算胎心頻率的關(guān)鍵在于統(tǒng)計波峰的數(shù)量和尋找波峰的位置。統(tǒng)計波峰數(shù)量，較為常用的是波形峰值檢測法和閾值峰值檢測法。閾值峰值檢測法原理：設(shè)定幅度閾值和時間閾值，閾值檢測器檢測到超過幅度閾值的連續(xù)元素的數(shù)量大于或等于時間閾值的峰值，則判定為有效峰。波形峰值檢測，是根據(jù)設(shè)定的幅度閾值和時間閾值，利用二次曲線擬合，找到波峰和波谷，算法的核心是由一個拋物線擬合到連續(xù)的點(diǎn)群，并依據(jù)擬合得到的系數(shù)確定是否是一個峰值或谷值。由于使用二次曲線擬合所測得波峰數(shù)更準(zhǔn)確，容易找的波峰位置，本系統(tǒng)采用波形峰值檢測法。

首先確定幅度閾值和時間閾值。搜索一段信號的最大和最小值，其平均值Vt即為幅度閾值。以Vt為基準(zhǔn)計算相鄰兩峰差值,利用中值濾波計算出最優(yōu)時間差T ,建立時間閾值Tt。

波形的峰值檢測基于峰值檢測器，所不同的是，在LabVIEW中，輸入為波形數(shù)據(jù)類型的數(shù)組，波峰波谷位置同樣以數(shù)組方式輸出。程序?qū)⒁粋€文件分成多段進(jìn)行處理，這樣可以加快處理速度和準(zhǔn)確性。

分解信號后，使用二次擬合算法尋找波峰，并返回峰值位置的浮點(diǎn)數(shù)。尋峰算法的核心是由一個拋物線擬合到連續(xù)的點(diǎn)群，通過設(shè)定合適閾值和寬度，確定是否是一個峰值或谷值。閾值根據(jù)信號幅度確定，寬度依據(jù)信號周期確定。它使用二次擬合算法，并返回的峰值位置的浮點(diǎn)數(shù)，而不是整數(shù)，因此峰值位置和幅度通常不對應(yīng)于采樣輸入信號中的實(shí)際數(shù)據(jù)點(diǎn)。這種算法的優(yōu)勢在于可以對有效的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行插值，發(fā)現(xiàn)波峰和波谷。因此，該功能可以測得峰值，所測峰值有一個比峰值附近任何數(shù)據(jù)點(diǎn)都大的振幅。對于原始的模擬信號的峰值的真實(shí)值來說，該插值提供了一個很好的指示。得到波峰數(shù)量和位置后，根據(jù)兩峰間隔算出頻率。

需要注意的是不充分的采樣數(shù)據(jù)可能會導(dǎo)致峰的位置和峰的振幅不準(zhǔn)確。盡管峰值檢測本質(zhì)上是一種時域采樣信號操作，仍必須滿足奈奎斯特采樣定理，采樣率必須在信號的最大頻率分量的兩倍以上。然而，實(shí)際信號處理中通常需要的采樣率是最大的頻率分量的五到十倍。若采樣數(shù)據(jù)不充分，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前端應(yīng)包含一個模擬抗混疊濾波器。圖5為波形峰值監(jiān)測程序圖。

圖5　波形峰值檢測法程序圖

2.3波形整合

硬件系統(tǒng)采樣頻率為4MHZ，過高的采樣頻率會導(dǎo)致數(shù)據(jù)占據(jù)存儲空間過大，程序運(yùn)算速度降低。因此首先對信號預(yù)處理，即重采樣。由于胎心頻率約為1.8HZ—2.7HZ，依據(jù)奈奎斯特采樣定理，一般實(shí)際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號最高頻率的5～10倍，在這里為了保證信號完整性和準(zhǔn)確性，將重采樣頻率設(shè)為1000Hz。對該信號進(jìn)行小波濾波，使用Coif4小波基函數(shù)，小波分解層數(shù)設(shè)定為6。高頻信號與低頻信號的分離使用樹狀塔型結(jié)構(gòu)，通過6次分解，得到截止頻率為4的低頻信號，此低頻信號包含所需胎心信號。將此信號重構(gòu)，恢復(fù)原始信號。然后利用波形波峰檢測程序,設(shè)定合適闕值和寬度，測得波峰數(shù)量和位置，通過波峰間的時間間隔，得到胎兒心跳頻率。最后輸出胎心頻率圖。

3　硬件系統(tǒng)

本硬件系統(tǒng)包括胎心信號采集、放大、濾波、輸出等模塊。胎心信號采集依據(jù)多普勒原理，向母體中的胎兒心臟發(fā)送固定頻率為f1的超聲波，接收到超聲波與胎兒心臟相遇后的反射信號頻率為f2，f1和f2之間存在多普勒頻移f3，f3中包含所需胎心信號[5]。由于胎兒心跳是周期性的，則頻移也是周期性的，對頻移信號進(jìn)行分析處理，即可得到胎心信息。

I振蕩電路：振蕩電流是一種大小和方向都隨周期發(fā)生變化的電流，能產(chǎn)生振蕩電流的電路就叫做振蕩電路。利用振蕩電路產(chǎn)生高頻信號作為超聲發(fā)射電路發(fā)射信號。當(dāng)前主要有LC振蕩電路、石英晶體振蕩電路和RC振蕩電路等幾種，其中以石英晶體振蕩器的頻率最穩(wěn)定，因此本系統(tǒng)選用石英晶體振蕩電路產(chǎn)生一個4MHZ頻率穩(wěn)定的交流振蕩電信號[6]。

II濾波放大：由于干擾噪聲較多，而且胎心信號十分微弱，信號電壓約為100mV左右信號幅值太小，不利于模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，因此需要對信號進(jìn)行濾波放大處理。本系統(tǒng)采樣巴特沃斯二階低通濾波器，截止頻率1000HZ，以在小波濾波中取得較好濾波效果。放大電路采用OP07芯片制作，將信號放大至2V左右，以便進(jìn)行采集與模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換。

圖6　濾波放大電路

4　系統(tǒng)測試

系統(tǒng)設(shè)計完成后，對測試結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，過程如下。

與傳統(tǒng)醫(yī)用監(jiān)測儀同時采集胎心信號并上傳至服務(wù)器。對所得胎心信號進(jìn)行基于Coif5的小波濾波以及其他波形調(diào)理方法進(jìn)行調(diào)理，使用波形峰值檢測法得到波峰數(shù)量及位置，計算得出胎心頻率圖。

圖7　本系統(tǒng)胎心音頻處理結(jié)果

傳統(tǒng)醫(yī)用胎心監(jiān)護(hù)儀所得結(jié)果如圖8所示。

經(jīng)比較，本系統(tǒng)噪聲濾除更為徹底，所得波形更為平滑，峰值變化體現(xiàn)的更為突出。體現(xiàn)出本系統(tǒng)采用數(shù)字濾波的突出優(yōu)勢，解決了傳統(tǒng)胎心儀使用硬件濾波噪聲較多，濾波不徹底等問題。經(jīng)過多次測量并與醫(yī)生交流，確定本系統(tǒng)所得波形圖

較為準(zhǔn)確，可用于臨床實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中。

圖8　傳統(tǒng)醫(yī)用胎心監(jiān)護(hù)儀胎心音頻處理結(jié)果

5　結(jié)語

本文詳細(xì)的介紹了基于LabVIEW的胎心監(jiān)測系統(tǒng)，對硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和服務(wù)器系統(tǒng)的構(gòu)建和算法進(jìn)行大量解釋說明，給出了較為完善的系統(tǒng)設(shè)計方案。對于LabVIEW編程部分采取模塊化的結(jié)構(gòu)，編寫子VI并打包，通過調(diào)用子VI的方式完成系統(tǒng)功能，增加了程序的可讀性。整個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對胎心信號的準(zhǔn)確處理，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的思維將處理結(jié)果實(shí)時推送給醫(yī)生。與傳統(tǒng)胎心監(jiān)護(hù)方法相比，本系統(tǒng)具有實(shí)時、動態(tài)和遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的特點(diǎn)，為胎心監(jiān)護(hù)乃至整個醫(yī)療監(jiān)護(hù)提供一種新思路。經(jīng)驗(yàn)證，本系統(tǒng)能夠完成胎心監(jiān)護(hù)工作，在臨床醫(yī)療中具有實(shí)際意義。

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陳碩章（1994—），河北趙縣人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于吉林大學(xué)通信工程學(xué)院。

劉海斌（1993—），河南三門峽人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于吉林大學(xué)通信工程學(xué)院。

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