無線超聲多普勒胎心檢測系統的研發

【作 者】楊鈞鵬，詹凱，張旭東，陳昕

1 深圳大學醫學部生物醫學工程學院，深圳市，518060

2 醫學超聲關鍵技術國家地方聯合工程實驗室，廣東省醫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的研發

【作 者】楊鈞鵬1,2，詹凱1,2，張旭東1,2，陳昕1,2

1 深圳大學醫學部生物醫學工程學院，深圳市，518060

2 醫學超聲關鍵技術國家地方聯合工程實驗室，廣東省醫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，因此該系統的研發對胎心率的監護有重要意義。該文主要對檢測原理、系統的總體框架、硬件組成、上位機軟件界面等進行了詳細闡述。該系統實現了顯示心率值、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，并在醫院進行了初步的臨床測試，證明本系統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]。影響出生人口質量的因素很多，其中圍產期因素占70% ～80%。因此圍產期對胎兒生長發育狀態監護的必要性和重要性越來越受到重視[2]。胎兒監護儀主要用于對圍產期胎兒進行監護，以便及時發現胎兒宮內缺氧、窘迫。

胎兒監護實際上主要是對胎心率的檢測[3]，研究表明，胎心率不僅反應胎兒的心臟功能，而且也是受中樞神經系統調節的結果，更實時地反應胎兒中樞神經系統的功能[4]。胎兒中樞神經對缺氧環境的耐受力最差，當子宮內環境發生惡化時，中樞神經最先受到傷害，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護，科學地評價胎兒在宮內的發育情況，及時發現影響胎兒發育的各種不良因素并采取有效的醫療手段將其消除，避免有缺陷胎兒的降生。目前超聲多普勒胎兒監護儀在臨床已經得到重視和廣泛應用[5]，具有廣闊的應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，從而節約了硬件成本，并且整個系統機型小、易攜帶。系統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生變化的現象稱為多普勒效應[6]，超聲多普勒胎心監護就是利用此原理。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生多普勒效應，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。

假設檢測探頭發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

2.1 系統框架

無線超聲多普勒胎心檢測系統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，這種數據傳輸方式能夠很方便地應用于家庭，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

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

圖1 硬件系統框圖Fig.1 Frame diagram of hardware system

系統采用以Cortex-M3為內核的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機上運行的實時監護軟件，是無線超聲多普勒胎心檢測系統中重要的一部分，如圖2所示。它的功能主要是接收由MCU發出的聲音數據和心率數據，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 系統總體測試

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

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品，它主要模擬機械胎心，用于測試胎兒監護儀和多普勒胎心儀等產品的胎心測量準確度、臨床表現等功能。它可調節胎心的心率、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，其系統測試的結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據相比，系統測試的結果達到了標準。因此，對于胎心模擬器來說，系統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果比較理想，但是胎心模擬器產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；如果遇到胎兒發育出現異常的胎兒，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化和對系統整體性能的評估的一個重要過程。

在臨床測試過程中，將現有的醫用胎監產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據。通過與參考數據相比較來對系統的性能進行分析，從而對系統進一步優化和改善，以致達到最優的狀態。

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，系統測試的結果與現有的醫用胎監產品測試的結果進行比較，心率趨勢完全一致，并且準確性達到了標準。

4 小結

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

[1] 薛云, 許俠, 劉曉曦. 我國新生兒疾病篩查現狀及面臨的挑戰[J].中國婦幼保健, 2008, 23(26): 3650-3652.

[2] 謝淵, 陸堯勝, 黃耀熊. 基于RF技術的無線胎心監護探頭的設計與實現[J]. 臨床醫學工程, 2012, 19(4): 500-502.

[3] 袁飛. 胎兒心率檢測與非線性分析的研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱理工大學, 2009.

[4] 嚴文鴻, 蔣寧. 基于小波變換和匹配濾波的胎兒心電信號R波檢測[J]. 中國醫療器械雜志, 2015, 39(5): 318-320.

[5] 劉乃乾, 張舒婷, 曾孝平, 等. 一種便攜式胎兒心電監護儀: CN, CN 102764117 A[P], 2012.

[6] 伍于添. 醫學超聲設備-原理·設計· 應用[M].北京: 科學技術文獻出版社, 2012: 92-100.

[7] 黃志聰. 基于數字無線通信技術的胎兒監護探頭系統[D]. 廣州:華南理工大學, 2006.

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