0 引言

    母胎監(jiān)護是保障圍產(chǎn)期孕婦和胎兒安全、實現(xiàn)優(yōu)生優(yōu)育的重要手段，醫(yī)生通過對胎心率、宮縮壓、胎動等參數(shù)進行評估來診斷胎兒在宮內(nèi)的健康情況，從而確定最佳的分娩時機，降低胎兒的死亡率^[1]。傳統(tǒng)的胎兒監(jiān)護儀一般存在以下一些問題：(1)孕產(chǎn)婦身上捆綁多個傳感器，有太多電纜纏繞；(2)基層醫(yī)院因為技術(shù)門檻高而無法展開電子監(jiān)護；(3)監(jiān)護儀局限于醫(yī)院使用，不能應(yīng)用于家庭使用。

    針對以上問題，本文利用無線藍牙技術(shù)與智能手機的結(jié)合，提出了一種家用胎兒監(jiān)護系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，孕婦只需佩戴內(nèi)置藍牙模塊的無線傳感器，就可以隨時隨地獲取胎兒監(jiān)護數(shù)據(jù),智能手機接收無線傳感器數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理實現(xiàn)胎兒的移動監(jiān)護。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    本文所設(shè)計的家用胎兒監(jiān)護系統(tǒng)主要包括信號采集模塊、藍牙通信模塊以及智能設(shè)備監(jiān)護模塊等。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中系統(tǒng)的從節(jié)點包括胎心率傳感器、宮縮壓力傳感器和胎動傳感器；主節(jié)點為智能設(shè)備，本系統(tǒng)采用手機作為藍牙智能監(jiān)護設(shè)備，因為手機應(yīng)用比較廣泛，價格便宜，并且只要編寫相應(yīng)的應(yīng)用程序（APP）即可輕易地與藍牙從節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸以及通過Internet將監(jiān)護數(shù)據(jù)發(fā)送至醫(yī)院。

1.1 無線藍牙模塊

    為滿足系統(tǒng)的低功耗、便攜式以及應(yīng)用性廣泛等要求，本無線藍牙模塊采用美國德州儀器開發(fā)的藍牙低功耗(BLE4.0)單模式芯片CC2540。CC2540在6 mm×6 mm的封裝中集成了控制器、主機與應(yīng)用，可縮小PCB板的物理尺寸，降低開發(fā)成本。該模塊采用Bluetooth Specification V4.0BLE協(xié)議，并且集成了2.4 GHz的射頻收發(fā)器。該芯片工作頻率可達32 MHz，具有8通道分辨率可編程的ADC(模/數(shù)轉(zhuǎn)換)，并且一個CC2540主節(jié)點最多可以與8個CC2540從節(jié)點連接，滿足本系統(tǒng)的設(shè)計要求^[2]。

    BLE4.0是一種標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了短距離、低數(shù)據(jù)傳輸速率無線通信所需要的一系列通信協(xié)議，是傳統(tǒng)藍牙、低功耗藍牙和高速藍牙三種技術(shù)的合而為一，最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達250 kb/s，傳輸距離可達30 m，并且具有極低的運行和待機功耗。表1為CC2540的低功耗參數(shù)。

1.2 胎心率信號采集模塊

    本系統(tǒng)采用超聲多普勒方式采集胎心率信號。超聲多普勒的測量方式根據(jù)聲源在時域的狀態(tài)可分為連續(xù)波多普勒和脈沖波多普勒。脈沖多普勒采用單晶片、深度范圍可控的換能器，在同等發(fā)射功率下，脈沖多普勒方式超聲功率密度更小，可小于1.5 mW/cm³，低于國際的規(guī)定的安全密度(10 mW/cm3)，對胎兒更為安全[3]。胎心率信號采集模塊經(jīng)脈沖時序產(chǎn)生電路驅(qū)動換能器，換能器將回波信號經(jīng)過濾波放大和DSP處理得到胎心率，胎心率的傳輸頻率為1～3 Hz。CC2540通過UART(串口)方式傳輸數(shù)字胎心率信號，其波特率為9 600 b/s、8 bit數(shù)據(jù)位、無校檢、無停止位,工作模式為從機模式,數(shù)據(jù)包通過異或校檢方式，數(shù)據(jù)的傳輸格式為:包頭+包長度+胎心率數(shù)據(jù)+校檢位+包尾。

1.3 宮縮信號采集模塊

    宮縮是指孕婦子宮有規(guī)律的收縮，宮縮壓是孕婦產(chǎn)檢的一項重要指標(biāo)，它能對孕婦的早產(chǎn)和流產(chǎn)起到預(yù)警作用^[4]。宮縮壓力的量程為0～200 g，且是微壓力，因此測量的非線性度應(yīng)小于2%，本設(shè)計選擇體積小、適用于要求高精度觸力測量場合的霍尼韋爾FSL05N2C觸力傳感器。FSL05N2C觸力傳感器的量程為0～500 g，靈敏度為0.12 mV/g，支持電壓為5 V，輸出量程為0 mV～60 mV。如圖2所示為宮縮壓力信號采集的硬件部分，主要包括觸力傳感器電橋、信號放大、低通濾波等。當(dāng)電橋受外力失去平衡，電橋的IN+和IN-產(chǎn)生電位差，電位差輸入到高輸入阻抗和共模抑制比的差模儀表放大器中放大。宮縮壓力信號的頻率為0.5～8 Hz。通過定義CC2540的Timer3定時器中斷處理函數(shù)，實現(xiàn)對宮縮壓力的采集，采集的頻率為20 Hz。

1.4 胎動信號采集模塊

    胎動(Fetal Movement,FM)是指胎兒在子宮內(nèi)的活動，是胎兒安危的重要指標(biāo)[1]。本設(shè)計所采用的胎動壓力傳感器是GH-2型子宮收縮傳感器，該傳感器能夠檢測出子宮收縮次數(shù)，量程為0 g～150 g，輸出電壓大于50 mV。輸出電壓經(jīng)濾波放大等調(diào)理電路后，再經(jīng)DSP對胎動信號進行AD采樣和胎動信號識別，CC2540通過UART(串口)方式接收識別的胎動信號。其傳輸格式與傳輸胎心率的格式相同。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)工作主流程

    低功耗無線藍牙胎兒監(jiān)護系統(tǒng)的主程序流程圖如圖3所示。系統(tǒng)的主要工作流程圖包括以下幾個部分：

    (1)系統(tǒng)的各個藍牙模塊的初始化配置，包括ADC、UART、廣播、連接間隔等。

    (2)胎心率、宮縮壓、胎動信號的采集、分析、計算等。

    (3)手機應(yīng)用軟件的初始化配置，包括掃描時間、連接個數(shù)、圖形顯示等。

    (4)藍牙模塊與手機設(shè)備連接通信，藍牙模塊接收來自藍牙設(shè)備的控制命令，手機接收和解析來自各藍牙模塊的有效數(shù)據(jù)并顯示和存儲。

2.2 手機監(jiān)護端

    手機監(jiān)護端必須支持藍牙4.0和網(wǎng)絡(luò)功能，如PDA、手機等。本系統(tǒng)選擇魅族公司生產(chǎn)的魅族4（MX4）手機作為監(jiān)護端應(yīng)用軟件的開發(fā)設(shè)備，其硬件配置為：8核CPU、2G內(nèi)存、5.3英寸的顯示屏、藍牙4.0、移動4G網(wǎng)絡(luò)等，安卓軟件開發(fā)工具為Android4.4版本。手機監(jiān)護端與胎心率、宮縮壓、胎動3個無線藍牙傳感器連接，并實時傳輸監(jiān)護數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)的傳輸格式為:包ID+包長度+數(shù)據(jù)+校檢位，通過包ID識別胎心、宮縮、胎動數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)的手機監(jiān)護端結(jié)構(gòu)如圖4所示。其功能包括：實時監(jiān)護、病歷報告、監(jiān)護數(shù)據(jù)存儲以及界面交互等。手機監(jiān)護端以數(shù)字和曲線的形式顯示胎心率、宮縮壓、胎動，并對監(jiān)護數(shù)據(jù)存儲，其存儲的文件為二進制文件，存儲格式為胎心率+宮縮壓+胎動（0或1）+空位（0）。

3 胎兒生理信號的處理與分析

3.1 胎心率分析

    自相關(guān)算法是超聲多普勒測量胎兒心率中最常用的方法^[5]。利用自相關(guān)函數(shù)的周期與信號周期一致的特點找出自相關(guān)函數(shù)的周期，即可得到胎兒心率的值^[6]。其算法的過程為：讀取多普勒胎心率原始回波信號x_(n)，對回波信號進行預(yù)處理并進行自相關(guān)算法。假設(shè)數(shù)據(jù)的長度為N，α為控制因子，則自相關(guān)算法的表達式：R(m)=通過自適應(yīng)控制實時調(diào)整控制因子使自相關(guān)函數(shù)隨時延的衰減程度在不同的胎心率值下不同，始終保證自相關(guān)函數(shù)最大周期峰值在第一周期處,得到自相關(guān)函數(shù)R_(m)的曲線，求出第一周期處峰值處的序列號R_f。若采樣率為f_(s)，則胎心率S_(r)的值與自相關(guān)函數(shù)的序列號R_f和采樣率f_(s)的關(guān)系為：S_(r)=(f_(s)×60)×R_f。如圖5所示是采集的正常胎心率信號。

3.2 宮縮壓分析

    根據(jù)FSL05N2C觸力傳感器的原理，其IN₊和IN_-產(chǎn)生的電壓差V_o與宮縮壓力的關(guān)系表達式為：V_o=0.12_(mv/g)×UC_(g)^[7]。V_o經(jīng)過放大濾波電路最終輸出的電壓表達式為：其電壓輸出范圍為0～3 V。

    本系統(tǒng)通過CC2540以20 Hz的頻率、14位分辨率、3.3 V參考電壓對V_out進行AD采樣，模擬輸入電壓V_out與數(shù)字AD值N_(ADC)的關(guān)系為：N_(ADC)=V_out×16 389/3.3_(V)。藍牙模塊根據(jù)輸出電壓與宮縮壓力表達式將采樣值換算成壓力值，并發(fā)送到手機監(jiān)護端進行顯示和存儲。圖6所示是正常采集的宮縮壓力曲線圖。

3.3 胎動信號分析

    胎動信號是非平穩(wěn)信號，從母腹部提取的胎動信號成分比較復(fù)雜，如宮縮壓信號、呼吸咳嗽等混合的信號，信噪比很低。因此需對信號進行濾波等處理。FIR數(shù)字濾波器對濾波有很好的性能，通過對設(shè)計的濾波系數(shù)進行量化移植到DSP芯片，實現(xiàn)對胎動信號的濾波處理。胎動信號是以二值信號在藍牙中傳輸，即0代表無胎動，1代表有胎動，在監(jiān)護的過程中，手機監(jiān)護設(shè)備對胎動值判斷，實現(xiàn)對胎動的計數(shù)以及存儲。

4 結(jié)果與討論

    本文介紹了一種基于低功耗無線藍牙網(wǎng)絡(luò)的家用胎兒監(jiān)護系統(tǒng)的設(shè)計，經(jīng)測試，在不漏包的情況下，無線連接的距離范圍為0～15 m，滿足家用監(jiān)護的距離。為了驗證本系統(tǒng)的可行性和優(yōu)越性，利用設(shè)計的胎兒監(jiān)護系統(tǒng)與某醫(yī)療器械公司生產(chǎn)的基于RF(無線射頻)的無線胎兒監(jiān)護儀(B5)進行數(shù)據(jù)仿真實驗。在連接距離為12 m的空曠房間內(nèi)，測試時間為24 h，將正常的胎心率、宮縮壓和胎動數(shù)據(jù)分別傳輸?shù)絻蓚€監(jiān)護系統(tǒng)中。將本系統(tǒng)存儲的胎兒監(jiān)護數(shù)據(jù)和B5監(jiān)護儀的監(jiān)護數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進行比較，通過實驗對比，在傳輸距離為12 m的條件下，本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：(1)功能全面，界面友好，成本比較低，連接時間更快；(2)通過手機進行監(jiān)護，應(yīng)用性更加廣泛；(3)功耗低，在相同電量的電池下，本系統(tǒng)的續(xù)航時間更長。對比結(jié)果如表2所示，在距離12 m的空曠條件下傳輸，各個監(jiān)護參數(shù)的傳輸正確率達到100%，未出現(xiàn)漏包的情況。

    遠程無線胎兒電子監(jiān)護已成為圍產(chǎn)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中家庭監(jiān)護及社區(qū)監(jiān)護的一項重要內(nèi)容，有著非常廣泛的應(yīng)用意義和發(fā)展前景^[8-9]。將互聯(lián)網(wǎng)與云計算技術(shù)應(yīng)用到本系統(tǒng)中，將胎兒數(shù)據(jù)上傳到醫(yī)院服務(wù)器，醫(yī)生對數(shù)據(jù)進行分析、備份、管理等，可以提前預(yù)測和解決胎兒疾病。本系統(tǒng)的設(shè)計為國內(nèi)外智能化醫(yī)療與移動健康事業(yè)的發(fā)展提供了參考，具有很高的應(yīng)用價值和廣闊的前景。

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