遠程胎兒電子監護軟件系統的設計與實現*

李 錕張 松*楊益民趙鵬飛何東之楊 琳狄志鵬

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遠程胎兒電子監護軟件系統的設計與實現*

李 錕①張 松①*楊益民①趙鵬飛②何東之②楊 琳①狄志鵬②

［摘要］目的：針對當前胎兒電子監護（EFM）中診斷主觀性強、檢測不便捷及檢測時程短的問題，設計一種遠程胎心監護軟件系統。方法：從基本要素和需求分析入手，選擇基于心電方式的胎兒和（或）母體心率記錄儀作為采集設備，其他硬件要素包括孕婦手持智能設備、服務器及中央監護站；以ython為主編程語言，MySql為數據庫，以藍牙方式進行記錄儀與手持設備間的通訊，以HTTP/TCP方式進行遠程數據的傳輸，以模型-視圖-控制器（MVC）框架模式組織代碼，并在此基礎上進行功能實現及測試完善。結果：完成以孕婦監測客戶端軟件、服務器軟件及中央監護站監護軟件3部分為主體的系統構建，結合基于心電的胎兒和（或）母體心率記錄儀，可以實現20 h的遠程實時監護、心率報警及生理參數分析。結論：滿足病房-護士站系統或家庭-醫院系統場景的胎心監護需求，為臨床診斷提供更為客觀的依據。

［關鍵詞］遠程醫療；胎心監護；胎兒電子監護；軟件系統

李錕，男，（1991- ），碩士研究生。北京工業大學生命科學與生物工程學院，研究方向：生物醫學工程。

［First-author’s address］ College of Life Science and Bio-engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China.

隨著國家允許生育二胎的政策出臺，在一段時間內新生兒出生人數預計會顯著增加，且高危孕婦的比例將隨之增加。40歲上下的孕婦為高齡產婦，其圍產兒患病率均會相應增高，因而母胎的產前常規產檢及監護顯得尤為重要。目前，胎兒電子監護（electronic fetal monitoring，EFM）是檢測胎心率、宮縮等信息的宮內監護手段，可以判斷胎兒宮內狀況，從而偵測到胎兒窘迫的發生，對降低圍產兒患病率和病死率起到了一定的作用［1-2］。胎兒電子監護已有40余年的歷史，在發達國家發展迅速［3］。在我國，各醫院多使用超聲手段檢測胎心率、宮縮等信息，將胎心監護作為常規產前檢查中不可或缺的檢測手段。為此，本研究設計一種遠程胎心監護軟件系統，以滿足病房-護士站系統或家庭-醫院系統場景的胎心監護需求。

1 胎心監護系統設計需解決的問題

1.1 胎心率圖形主觀性強

EFM得到的胎心監護（cardio toco graph，CTG）胎心率-宮縮圖在臨床診斷中尚未形成統一標準，操作人員主要通過目測分析胎心率圖形，受主觀因素影響較深。此外，操作人員受訓練程度以及知識教育程度不同，CTG結果亦會產生不同。

在胎心率曲線出現胎兒窘迫疑似癥狀時，醫護人員本著謹慎的態度，多會采取剖宮產以防胎兒夭折。然而，胎兒在多數情況下均會產生與胎兒窘迫類似的胎心監護表現，造成誤判而導致假陽性率及剖宮產率偏高［4］。

1.2 檢測不便捷

孕婦由于體態變化，多行動不便。而胎心監測通常需要孕婦赴醫院進行，費時又費力，不能夠進行實時監測來掌握胎兒的狀況。目前，較常用的檢測手段是超聲檢測，檢測前要做較為復雜的準備活動，給孕婦胎心監測增添許多不便。

1.3 檢測未形成完整的記錄

目前的超聲胎心監測的時長最長僅為20 min左右，胎兒在母親體內，其許多生理狀態均屬未知。如果在該檢測期間胎兒處于睡眠狀態，有可能會對醫生診斷造成影響。而如果延長監測時間，在更廣的時間跨度上可以提供更多的信息，可能就區分出睡眠或清醒狀態，有助于醫生判斷，減少誤診的概率。

為了解決上述問題，本研究旨在提出一種遠程胎心監護軟件系統的設計與實現，延長監護時間、開展家庭遠程應用、自動化計算診斷等手段盡可能消除CTG診斷的主觀性。

2 遠程胎心監護軟件系統設計

2.1 系統基本要素分析

胎心監護軟件系統選用了基于心電方式的胎兒和（或）母體心率記錄（fetal/maternal heart rate recorder，Holter）作為胎心率檢測儀器，通過置于母親腹部的5個電極片檢測到胎兒心率（fetal heart rate，FHR）、孕婦心率（maternal heart rate，MHR）及子宮肌電（electrohysterography，EHG），通過加速度傳感器檢測母親活動強度（maternal movement，MMov），此外可以手動記錄胎動。該設備可供孕婦隨身佩戴，一次檢測時長可多達20 h左右，滿足孕婦在家或病房長時間檢測的需求。

遠程監測系統需要服務器作為數據存儲及轉發的場所，需要兩個智能終端分別供醫生和護士查看監測圖形和結果。其中孕婦手持終端采用便攜式的手機、筆記本電腦或平板電腦；醫生及護士處終端為大型的中央監護臺。系統硬件要素構成如圖1所示。

圖1 監測系統硬件要素構成拓撲圖

遠程胎心監護軟件系統包括孕婦監測客戶端軟件、服務器軟件和中央監護站監護軟件3部分獨立軟件。①孕婦監測客戶端位于孕婦手持設備，用于胎心率信號的采集、顯示及發送；②服務器軟件實時接收胎心率信號機患者信號并進行存儲；③中央監護站監護軟件位于護士站的大型電腦，可接收服務器數據，多通道實時顯示在線者的胎心率曲線。

2.2 系統功能需求分析

遠程胎心監護軟件系統的主要功能需求如圖2所示。

圖2 軟件系統功能需求框圖

整個軟件系統的核心有3個功能，分別為數據傳輸、圖形顯示及警報提醒。

（1）數據部分傳輸需求。心率記錄儀記錄的胎心率等信息通過藍牙傳送到孕婦手持的手機或者平板電腦等智能設備中，由孕婦監測客戶端處理，顯示實時圖像，并連同孕婦信息、檢測狀態通過Internet或局域網發送至服務器；服務器軟件在數據庫建立孕婦信息及生理信號表加以存儲。若中央監護軟件在線，服務器便會將當前在線的孕婦記錄推送到中央監護軟件同步顯示。軟件系統的數據傳輸流向如圖3所示。

（2）圖形顯示。在孕婦監測客戶端及中央監護站監護軟件中均有圖形顯示的需求，顯示的內容包括胎兒心率、孕婦心率、子宮肌電曲線、母親活動強度及信噪比圖形。當孕婦客戶端僅需顯示一位孕婦的實時圖形時，中央監護站軟件同時顯示的是多名在線孕婦的實時圖形。

（3）警報提醒。當胎兒心率超出標準范圍，會以圖形及聲音兩種形式提醒孕婦及中央監護站的醫護人員。

圖3 軟件系統數據傳輸流向圖

3 監護軟件系統的參數分析

在監護軟件系統中加入參數分析功能，使醫生的診斷更為客觀，盡可能的減小診斷的主觀因素。涉及胎心率的主要參數為：基線分析、加速次數分析、短變異、心動周期分析、心率加速力（acceleration capacity，AC）及減速力（deceleration capacity，DC）分析。其中基線分析、加速次數分析、短變異及心動周期分析按照“中華醫學會圍產醫學分會提出的電子胎心監護應用專家共識”為規則設定［5］。

心率減速力分析是由德國慕尼黑心臟中心Georg Schmidt教授于2006年提出，是通過24 h心率的整體趨向性分析和減速能力的測定，定量評估受檢者迷走神經張力的高低，進而篩選和預警猝死高?；颊叩囊环N新的無創心電技術。該研究顯示，低DC值與胎兒窘迫患者不良預后的相關性明顯［6-7］。國內有研究表明，胎兒DC值、AC值越小，DC、AC在產程中增長幅度越小，發生宮內窘迫的風險就越高［8］。

4 遠程胎心監護軟件系統的實現

4.1 技術路線

該系統既有運行于手持設備的孕婦端檢測軟件和運行于大型電腦的中央監護站軟件，亦有運行于服務器中的服務器軟件，因而選用可跨多種平臺的開發語言：即Python。同時Python是一種輕量的編程語言，擁有較多類庫的支持，代碼量較少，開發效率高。軟件系統的技術路線如圖4所示。

數據庫采用MySql有兩個因素：①由于數據量并不大，僅是一維的生理信號及患者信息，MySql足以應付；②考慮成本，MySql在自由項目中免費授權，降低了開發費用。

圖4 軟件系統的技術路線圖

數據傳輸采用藍牙和網絡兩種形式。在胎兒心電檢測儀與孕婦手持設備之間采用藍牙傳輸方式，遵循藍牙2.1版本協議。網絡傳輸采用超文本傳輸協議（hyper text transfer protocol，HTTP）和（或）傳輸控制協議（transmission control protocol，TCP）即HTTP/TCP傳輸方式，再另外規定特殊協議用于數據的打包和解析。

4.2 系統架構

作為大型監控軟件系統，其數據與界面和邏輯的獨立性尤為重要，因而該軟件系統本著低耦合，模塊化的原則。該系統各部分軟件均以模型-視圖-控制器（model view controller，MVC）框架模式組織代碼，將數據、界面及邏輯控制以模塊方式進行封裝，以便于后期靈活修改，增刪功能［9-10］。以此為基礎，系統主要分為應用層、業務邏輯層及數據資源層。軟件系統的總體設計架構如圖5所示。

圖5 軟件系統總體設計架構圖

5 結論

20世紀末，已出現基于電話網的胎心遠程系統、采用超聲多普勒胎心檢測儀以及調制解調器的網絡傳輸方式［11］。然而，該系統并未做到監護的概念，在一次檢測完畢后方可進行數據的傳輸，喪失了時效性，其應用場景有限。國內相繼出現依賴于電話網絡的系統，利用電話網絡傳播胎心聲音，計算機接收后利用聲音采集卡進行數字化分析，較目前的技術相對落后［12］。10余年來，遠程胎心監護和遠程醫療發展緩慢的原因為：①由于社會生產力未到達足夠高的層次，觀念局限性使得人們關注的多是重大疾病的治療，而日常監測及預防并未受到重視；②技術局限，近年來隨著網絡的飛速發展，網絡普及率、傳輸帶寬均有質的提升，在“互聯網+”的大背景下，發展遠程醫療或許將遇到不可多得的契機［13］。

本研究中的遠程胎心監護軟件系統利用當前充足的寬帶網絡資源，可實現20 h或更長時間的實時遠程監護。監護中若胎心超限會打開警報并通知醫護人員，可應用于病房-護士站系統，亦可應用于家庭醫院系統。此外，遠程胎心監護軟件系統加入參數分析功能，為醫生提供更為客觀的診斷依據。但目前，本系統涉及的參數種類較少，將在后續的研究中逐漸豐富，以使監護軟件系統更貼近臨床需求。

參考文獻

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①北京工業大學生命科學與生物工程學院 北京 100124

②北京工業大學軟件學院 北京 100124

［文章編號］1672-8270（2016）05-0001-04 ［中圖分類號］ R197.324

［文獻標識碼］A

DOI:10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.05.001

作者簡介

收稿日期：2015-12-20

*基金項目：北京市委組織部優秀人才項目（2014000020124G044）“基于物聯網技術的妊娠糖尿病遠程監護系統研究”；北京市教委項目（PXM2015_014204_500064）“中小學生體育鍛煉效果監測與評價系統建設與實踐”；北京市教委項目（PXM2016_014204_500079）“中小學生體育運動負荷監測與評價”

*通訊作者：zhangsong@bjut.edu.cn

Design and implementation of remote electronic fetal monitoring software system

LI Kun，ZHANG Song， YANG Yi-min， et al

China Medical Equipment，2016，13（5）:1-4.

［Abstract］ Objective: There are some defects in current electronic fetal monitoring （EFM）， such as strong subjectivity in the diagnosis， inconvenience in detecting and lack of detection time. Methods: The fetal/Maternal heart rate monitor based on ECG was selected as data acquisition equipment， and other hardware elements include smart handheld devices， servers and central monitoring station. Python was the programming language， MySql was the database， bluetooth was the connection between the monitor and the handheld devices， HTTP/TCP was the remote data transmission mode，and MVC （Model View Controller） framework was used to organize code， in order to achieve function implementation and test completion. Results: Here a kind of remote fetal monitoring software system was proposed， including pregnant monitoring client， server software and central monitoring station software. Using the fetal/maternal heart rate recorder which is based on ECG， the system could achieve more than 20 hours of remote real-time monitoring， heart rate alarm detection and physiological parameter analysis. Conclusion: The system could be applied in ward-nurse station or homedoctor scenarios， providing more objective basis for clinical diagnosis.

［Key words］Telemedicine； Fetal heart rate monitoring； Electronic fetal monitoring； Software system