楊品佛 張素瑋 鐘燕珊 麥海濤 陳超敏 徐 盼 孫海濤

近年來，我國的新生兒出生缺陷率持續(xù)上升，與國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)的增長很不協(xié)調(diào)，而我國的剖宮產(chǎn)率高達(dá)46.5%，高居全球第一，控制和降低剖宮產(chǎn)率，倡導(dǎo)自然分娩成為現(xiàn)代婦產(chǎn)科學(xué)發(fā)展的重要課題。

隨著國家對二胎政策的放開，高齡孕婦數(shù)量的急劇上升，醫(yī)療資源將日益緊張，預(yù)計在以后的一段時間內(nèi)新生兒的數(shù)量會顯著增加，對母體、家庭和醫(yī)生都將帶來更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。為此，本研究設(shè)計的基于無線藍(lán)牙技術(shù)的便攜式胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，在圍產(chǎn)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中具有重要的意義和發(fā)展前景。

1 便攜式胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)

1.1 胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

胎兒電子監(jiān)護(hù)(electronic fetal monitoring，EFM)是通過超聲多普勒探頭和宮縮壓力傳感器，在孕婦腹部監(jiān)護(hù)胎心宮縮信號的參數(shù)來判斷胎兒在子宮內(nèi)的發(fā)育狀況[2]。傳統(tǒng)的EFM設(shè)備體積龐大，捆綁電線多，操作復(fù)雜，并且受限于在醫(yī)院監(jiān)護(hù)中心實(shí)施，給本身就行動不便的孕婦帶來很大的麻煩。針對上述問題本研究利用無線低功耗藍(lán)牙4.0技術(shù)與胎心宮縮探頭相結(jié)合，設(shè)計一種適合孕婦使用的便攜式實(shí)時胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，孕婦足不出戶便可隨時隨地對胎兒實(shí)時監(jiān)護(hù)[3]。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于無線藍(lán)牙技術(shù)的便攜式胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，主要是對孕婦和胎兒實(shí)現(xiàn)隨時隨地進(jìn)行實(shí)時監(jiān)護(hù)的目的，而研制的設(shè)備系統(tǒng)主要包括胎心宮縮信號檢測模塊、低功耗藍(lán)牙4.0的數(shù)據(jù)通信模塊以及移動設(shè)備端，實(shí)現(xiàn)實(shí)時顯示胎心率、宮縮壓等胎兒生理參數(shù)[4]。通過超聲多普勒胎心探頭和宮縮壓力傳感器從孕婦腹壁獲取胎心宮縮(cardiotocography，CTG)信號，然后將此CTG信號經(jīng)低功耗藍(lán)牙4.0模塊以無線藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的方式發(fā)射出去，最后在移動設(shè)備的上位機(jī)應(yīng)用程序?qū)崟r接收發(fā)射的此CTG信號，并將接收的CTG信號分別以曲線圖和胎心宮縮的量化值進(jìn)行顯示和保存[5]。系統(tǒng)整體架構(gòu)框圖設(shè)計如圖1所示。

圖1 便攜式胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

2 便攜式胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)無線藍(lán)牙模塊

2.1 低功耗藍(lán)牙4.0數(shù)據(jù)通信模塊

(1)無線藍(lán)牙模塊。為了滿足系統(tǒng)便攜式、易操作和功耗低等特點(diǎn)，系統(tǒng)采用美國德州儀器公司(TI)的低功耗藍(lán)牙4.0單模芯片CC2540，其芯片6 mm×6 mm的物理尺寸集成了控制器和主機(jī)，降低PCB板集成的復(fù)雜程度，得到廣泛的應(yīng)用[6]。CC2540采用Bluetooth Specification BLE V4.0協(xié)議，集成2.4 GHz收發(fā)器，具有8通道分辨率可編程數(shù)模轉(zhuǎn)換器，一個CC2540主機(jī)可以與8個CC2540從機(jī)相連接，滿足多通道、多參數(shù)通信功能。CC2540芯片的參數(shù)見表1。

表1 CC2540芯片參數(shù)表

(2)無線藍(lán)牙通信。CC2540芯片是基于TI公司的BLE4.0協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸，按照一定的通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)[7]。協(xié)議棧主要包括主機(jī)和控制器，采用分層的架構(gòu)從下往上分別是物理層(PHY)、鏈路層(LL)、主機(jī)接口控制層(HCI)、邏輯鏈路控制層(L2CAP)、屬性協(xié)議層(ATT)、通用訪問配置層(GAP)以及通用屬性配置文件層(GATT)。CC2540協(xié)議棧是通過GATT層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，當(dāng)2個設(shè)備建立連接之后用戶可以定義GATT服務(wù)的格式來制定自己的GATT服務(wù)，通過對GATT服務(wù)中的“特性”(characteristics)和屬性進(jìn)行描述和配置，GATT客戶端和GATT服務(wù)端通過這些“特性”進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸[8]。GATT的特性值以及其配置信息存儲在協(xié)議棧中的屬性表中，屬性表是一個數(shù)據(jù)庫，GATT定義在藍(lán)牙連接中讀取、寫入及發(fā)現(xiàn)屬性的子過程。CC2540協(xié)議棧的開發(fā)環(huán)境采用的是IAR嵌入式工作臺(embedded workbench，EW)，進(jìn)行代碼編寫和仿真等任務(wù)[9]。藍(lán)牙4.0協(xié)議棧啟動和配置相關(guān)事件以及從機(jī)和主機(jī)無線傳輸數(shù)據(jù)的軟件流程如圖2所示。

2.2 CTG信號采集模塊

圖2 CTG信號數(shù)據(jù)傳輸流程圖

(1)CTG分析原理。CTG信號是胎兒在子宮內(nèi)的生理活動時產(chǎn)生的信號，即胎兒心率和子宮收縮壓[10]。胎兒心率是胎兒的心跳速率，正常胎心應(yīng)在110～160次/min，通常孕期于17～20周可在腹部用一般的聽診器聽到胎心。宮縮是分娩的主要動力，貫穿于整個分娩過程中，是子宮平滑肌收縮的結(jié)果。宮縮開始是不規(guī)則、低頻率且強(qiáng)度低，孕期在18周后宮縮逐漸變得有規(guī)律，間隔時間在2～3 min，持續(xù)時間50～60 s。臨床上應(yīng)用電子胎兒監(jiān)護(hù)設(shè)備將CTG信號描記為CTG圖，產(chǎn)科醫(yī)生按照一定的標(biāo)準(zhǔn)對CTG曲線進(jìn)行分析、評分，進(jìn)而客觀的評估出胎兒的健康狀況[11]。

(2)胎心信號采集分析。胎心信號的采集原理是基于超聲多普勒效應(yīng)的原理，在聲波傳輸過程中由于生源和聲波的接收者之間具有相對運(yùn)動，會使接收器接收到的頻率發(fā)生變化，正是通過這種頻率的變化來分析相對位置的變化[12]。胎兒超聲多普勒信號是由胎兒心跳產(chǎn)生，具有不穩(wěn)定性，近似為周期信號來進(jìn)行處理。原始胎心信號如圖3所示。

圖3 胎心率原始信號示圖

采用自相關(guān)算法用于對近似周期信號進(jìn)行識別、檢測和提取[13]。自相關(guān)算法的數(shù)學(xué)模型為：采樣點(diǎn)N的數(shù)字胎心率信號x(n)，其中改進(jìn)后的自適應(yīng)自相關(guān)函數(shù)rxx(m)的表達(dá)計算為公式1：

式中α是控制因子，N是采樣點(diǎn)數(shù)，rxx(m)是自相關(guān)函數(shù)。

獲取自相關(guān)函數(shù)的rxx(m)曲線后，求出第一周期處峰值處的序列號Rf，若采樣率為f(s)，然后通過公式2：

即可得到胎心率的瞬時速率(如圖4所示)。

圖4 胎兒瞬時心率曲線圖

(3)宮縮信號采集分析。子宮壓縮是指子宮在正常收縮的壓力，是產(chǎn)婦檢查的一個重要指標(biāo)，對孕婦的早產(chǎn)和流產(chǎn)具有良好的預(yù)測效果[14]。本系統(tǒng)根據(jù)FSL05N2C壓力傳感器[7]的原理，宮縮壓力UCYgY與應(yīng)變片產(chǎn)生的電壓差v0的關(guān)系表達(dá)計算為公式3：

FSL05N2C壓力傳感器的量程為0～500 g，靈敏度為0.12 mV/g，支持5 V電壓，輸出量程0～60 mV。宮縮壓信號經(jīng)BLE4.0模塊以20 Hz，14位分辨率，3.3 V參考電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換關(guān)系計算為公式4：

采集到的宮縮壓力曲線如圖5所示。

圖5 宮縮壓力曲線圖

3 便攜式胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)臨床應(yīng)用

本研究研制的基于無線藍(lán)牙技術(shù)的便攜式胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)-“母嬰衛(wèi)士”，已經(jīng)成功獲得國家軟件著作登記，并于2017年6月進(jìn)入臨床試用，經(jīng)過南方醫(yī)科大學(xué)附屬南方醫(yī)院、廣州中醫(yī)藥大學(xué)附屬金沙洲醫(yī)院婦產(chǎn)科的近百例門診及家庭遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)試用，效果良好。南方醫(yī)院臨床試用系統(tǒng)界面如圖6所示。

圖6 胎兒遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)臨床應(yīng)用界面圖

4 結(jié)論

本研究研制的基于無線藍(lán)牙技術(shù)的便攜式胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，是通過超聲多普勒探頭和宮縮壓力傳感器采集孕婦腹壁的CTG信號，并經(jīng)低功耗藍(lán)牙4.0發(fā)射傳入移動監(jiān)護(hù)設(shè)備(如手機(jī)、平板)，移動設(shè)備的應(yīng)用程序接收的CTG信號進(jìn)行實(shí)時顯示并保存，其優(yōu)點(diǎn)包括：①設(shè)備體積小，無電纜線纏繞；②胎心宮縮探頭功耗小；③移動手持設(shè)備使用普遍且易于操作，隨時隨地可開展實(shí)時監(jiān)護(hù)；④全面提升孕婦和胎兒的監(jiān)護(hù)質(zhì)量。

基于目前處在“云計算”，“互聯(lián)網(wǎng)+”的大背景下，開展遠(yuǎn)程胎兒實(shí)時監(jiān)護(hù)帶來不可多得的機(jī)遇[16]。為實(shí)現(xiàn)更加智能化、便攜化、家用化和互聯(lián)網(wǎng)化的遠(yuǎn)程胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)具有重要的意義和發(fā)展前景。