基于LabVIEW與物聯網的遠程胎心監測系統設計

吉林大學通信工程學院　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與物聯網的遠程胎心監測系統設計

吉林大學通信工程學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，設計了基于LabVIEW的胎心監測系統。依據物聯網的理念，運用服務器系統、硬件系統、軟件系統的模塊化系統設計思維，采用硬件系統采集胎心信號，通過智能終端將數據上傳至服務器端，并借助服務器中基于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，得到準確的胎心頻率圖并通過TCP/IP協議傳送至醫生端。論文詳細闡述的基于LabVIEW的胎心監測系統，可滿足實時、動態和遠程監護胎兒的需求。實現孕婦足不出戶，即可完成關于胎兒健康狀況的的醫患溝通，實驗結果表明，本系統在臨床醫療中具有實際意義。

【關鍵詞】遠程胎心監測；LabVIEW；小波濾波；物聯網醫療

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，新生兒數量還會增加，胎兒健康必將關系到每個家庭的幸福乃至國家命運。目前，國內較為流行的胎心監護設備多為帶數字顯示的醫用產品，體積普遍較大，操作比較復雜，而且產品價格較高，家庭難以接受。如某品牌MCF-21B/21G型監護儀，價格近20000元。而家用便攜胎心監測設備雖然便于攜帶，價格便宜，但是只能顯示胎兒心率，無法得到胎心頻率圖。而且醫用胎心監護儀和家用胎心監護儀與物聯網結合較少，均難以及時將胎心信息傳遞給醫生。

胎心監測是正確評估胎兒宮內狀況的主要檢測手段。胎心監測取得的胎心頻率信息有助于指導臨床及時處理宮內缺氧，以降低新生兒窒息率、圍生兒病死率，提高產科質量[1]。由于孕婦身體狀況特殊，行動不方便，去醫院進行胎心監測有眾多障礙。近年來，物聯網思維在醫療領域的應用是該領域研究的熱點，本文依據物聯網思維，詳細闡述了基于LabVIEW程序語言的胎心監測系統，極大的方便醫患交流，解決了與胎心監測有關的眾多實際問題。

圖1　完整系統結構圖

1　軟件系統

1.1服務器

當用戶較多時，胎心音頻文件數據體積大，如果單獨使用一臺服務器進行存儲并進行音頻處理，將導致服務器數據冗余，運行緩慢。本系統采用分布式服務器技術，使用一臺大容量的主服務器用于存儲胎心音頻文件及用戶信息，并配置多臺子服務器，將胎心音頻數據進行合理分配。通過基于LabVIEW語言的信號處理程序，實現對胎心文件的讀取、處理、出圖、上傳、下載。同時結合TCP/IP協議，在PC客戶端讀取服務器中指定孕婦的胎兒心率圖，界面簡潔清晰。實現了信息實時獲取，使醫患之間能夠更加方便地溝通。

1.2LabVIEW開發環境

LabVIEW是一種程序開發環境，由美國國家儀器(National Instrumentation)公司研制開發，相對于其他計算機語言，如C、C++和C#等。LabVIEW的顯著特點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中內置了大量用于信號處理的VI，方便用戶快速開發。本系統主要利用LabVIEW的信號處理濾波器及TCP通信等函數。

圖2　信號處理函數選框

1.3分布式計算原理

本系統采用的是分布式計算方式來處理主服務器音頻文件。分布式計算是利用網絡把多臺計算機連接起來，組成一個性能強大的計算機集群，解決單臺計算機無法完成的超大數據量的處理問題。為保證較好的信號質量，本系統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，需要非常強大的計算能力，如果采用集中式計算，需要耗費較長時間，影響信號處理的實時性。而如果采用分布式計算，將主服務器中胎心音頻數據按區域分解成許多部分，分配給多臺計算機進行處理。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上平衡計算負載，減少主服務器壓力，提高實時性。

1.4文件分揀程序

利用主服務器中文件掃描程序，掃描到新的文件后，根據分布式計算原理，結合TCP/IP協議，將文件發給子服務器。子服務器從主服務器接收音頻文件，并進行后續信號處理。采用分布式計算，顯著緩解主服務器的處理壓力，使用多個子服務器，提高信號處理速度。當其中一臺子服務器出現故障時，主服務器可以自動選擇負載較低的服務器進行臨時的復用，提高系統容錯率，系統仍可正常工作。圖3是根據文件名進行分類存放的子VI。

1.5客戶端

移動終端應用：

針對胎心采集系統開發一款用于音頻信號接收傳輸的智能移動終端應用，用以配合硬件系統進行胎心信號的采集以及進行胎心信號的上傳。利用公眾持有量巨大的移動終端進行信號采集，極大的降低了胎心監護儀硬件成本，并實現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客戶端為醫生PC端，主要用來接收胎心音頻數據處理后的最終圖像，實現無紙化過程。

2　信號處理

胎兒心率指胎兒在母體內每分鐘心跳次數，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備和電子設備造成干擾，它是以電磁輻射形式進行干擾，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，運動偽跡等噪聲也會干擾胎心信號[2]。本系統主要采用小波濾波的方法進行選頻，采用峰值監測的方法輸出胎心頻率圖。

2.1小波濾波參數的確定

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還原原始信號，其優勢在于對不同頻段采取不同分辨率進行分析，低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率，適用于隨機不平穩信號。胎心信號為低頻信號，隨機性強，不平穩，因此本系統選用小波濾波對胎心信號進行處理分析。

小波濾波(見圖4)首先考慮小波基函數的選擇。常用的小波有Haar、Daubechies、Biorthgonal、Coiflets、Morlet等。小波基函數的正交性、連續性、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的重要參數[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。通過比較各種小波基函數，發現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，消失矩階數為2N-1，階數比高，濾波器的低頻拖尾衰減快。經計算，小波分解層數設定為6[4]。

2.2胎心頻率計算

通過計算波峰數，根據兩波峰間時間間隔得到胎心頻率。計算胎心頻率的關鍵在于統計波峰的數量和尋找波峰的位置。統計波峰數量，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元素的數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，是根據設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的點群，并依據擬合得到的系數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更準確，容易找的波峰位置，本系統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為基準計算相鄰兩峰差值,利用中值濾波計算出最優時間差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，輸入為波形數據類型的數組，波峰波谷位置同樣以數組方式輸出。程序將一個文件分成多段進行處理，這樣可以加快處理速度和準確性。

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數。尋峰算法的核心是由一個拋物線擬合到連續的點群，通過設定合適閾值和寬度，確定是否是一個峰值或谷值。閾值根據信號幅度確定，寬度依據信號周期確定。它使用二次擬合算法，并返回的峰值位置的浮點數，而不是整數，因此峰值位置和幅度通常不對應于采樣輸入信號中的實際數據點。這種算法的優勢在于可以對有效的數據點進行插值，發現波峰和波谷。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據點都大的振幅。對于原始的模擬信號的峰值的真實值來說，該插值提供了一個很好的指示。得到波峰數量和位置后，根據兩峰間隔算出頻率。

需要注意的是不充分的采樣數據可能會導致峰的位置和峰的振幅不準確。盡管峰值檢測本質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。若采樣數據不充分，數據采集系統的前端應包含一個模擬抗混疊濾波器。圖5為波形峰值監測程序圖。

圖5　波形峰值檢測法程序圖

2.3波形整合

硬件系統采樣頻率為4MHZ，過高的采樣頻率會導致數據占據存儲空間過大，程序運算速度降低。因此首先對信號預處理，即重采樣。由于胎心頻率約為1.8HZ—2.7HZ，依據奈奎斯特采樣定理，一般實際應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確性，將重采樣頻率設為1000Hz。對該信號進行小波濾波，使用Coif4小波基函數，小波分解層數設定為6。高頻信號與低頻信號的分離使用樹狀塔型結構，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，恢復原始信號。然后利用波形波峰檢測程序,設定合適闕值和寬度，測得波峰數量和位置，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

本硬件系統包括胎心信號采集、放大、濾波、輸出等模塊。胎心信號采集依據多普勒原理，向母體中的胎兒心臟發送固定頻率為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生變化的電流，能產生振蕩電流的電路就叫做振蕩電路。利用振蕩電路產生高頻信號作為超聲發射電路發射信號。當前主要有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定，因此本系統選用石英晶體振蕩電路產生一個4MHZ頻率穩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，不利于模擬數字轉換，因此需要對信號進行濾波放大處理。本系統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，以便進行采集與模擬數字轉換。

圖6　濾波放大電路

4　系統測試

系統設計完成后，對測試結果進行檢驗，過程如下。

與傳統醫用監測儀同時采集胎心信號并上傳至服務器。對所得胎心信號進行基于Coif5的小波濾波以及其他波形調理方法進行調理，使用波形峰值檢測法得到波峰數量及位置，計算得出胎心頻率圖。

圖7　本系統胎心音頻處理結果

傳統醫用胎心監護儀所得結果如圖8所示。

經比較，本系統噪聲濾除更為徹底，所得波形更為平滑，峰值變化體現的更為突出。體現出本系統采用數字濾波的突出優勢，解決了傳統胎心儀使用硬件濾波噪聲較多，濾波不徹底等問題。經過多次測量并與醫生交流，確定本系統所得波形圖

較為準確，可用于臨床實際應用當中。

圖8　傳統醫用胎心監護儀胎心音頻處理結果

5　結語

本文詳細的介紹了基于LabVIEW的胎心監測系統，對硬件系統、軟件系統和服務器系統的構建和算法進行大量解釋說明，給出了較為完善的系統設計方案。對于LabVIEW編程部分采取模塊化的結構，編寫子VI并打包，通過調用子VI的方式完成系統功能，增加了程序的可讀性。整個系統實現了對胎心信號的準確處理，并結合物聯網的思維將處理結果實時推送給醫生。與傳統胎心監護方法相比，本系統具有實時、動態和遠程監護的特點，為胎心監護乃至整個醫療監護提供一種新思路。經驗證，本系統能夠完成胎心監護工作，在臨床醫療中具有實際意義。

參考文獻

[1]尤正芳.胎心監測在胎兒監護中的作用探討[J].中國當代醫藥,2010,11(31):109-112.

[2]劉丹.基于LabVIEW的心電信號采集及分析方法研究[D].吉林大學,2006.

[3]朱璐瑛,賀鵬飛,周洋.基于Coiflets正交小波的超寬帶脈沖波形設計[J].現代電子技術,2008,31(23):1-3.

[4]趙繼印,劉海英,馬洪順,等.基于coif5小波的多普勒胎心音信號提取算法的研究[J].中國生物醫學工程學報,2006,25(5):538-541.

[5]俞凱君.家用胎心音儀及遠程胎心監護網絡的設計[D].上海交通大學,2007.

陳碩章（1994—），河北趙縣人，大學本科，現就讀于吉林大學通信工程學院。

劉海斌（1993—），河南三門峽人，大學本科，現就讀于吉林大學通信工程學院。

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