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(jiān)護軟件系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)*

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(jiān)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(jiān)護軟件系統(tǒng)。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(jiān)護站；以ython為主編程語言，MySql為數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)及測試完善。結果：完成以孕婦監(jiān)測客戶端軟件、服務器軟件及中央監(jiān)護站監(jiān)護軟件3部分為主體的系統(tǒng)構建，結合基于心電的胎兒和（或）母體心率記錄儀，可以實現(xiàn)20 h的遠程實時監(jiān)護、心率報警及生理參數(shù)分析。結論：滿足病房-護士站系統(tǒng)或家庭-醫(yī)院系統(tǒng)場景的胎心監(jiān)護需求，為臨床診斷提供更為客觀的依據(jù)。

［關鍵詞］遠程醫(yī)療；胎心監(jiān)護；胎兒電子監(jiān)護；軟件系統(tǒng)

李錕，男，（1991- ），碩士研究生。北京工業(yè)大學生命科學與生物工程學院，研究方向：生物醫(yī)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(nèi)新生兒出生人數(shù)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(chǎn)婦，其圍產(chǎn)兒患病率均會相應增高，因而母胎的產(chǎn)前常規(guī)產(chǎn)檢及監(jiān)護顯得尤為重要。目前，胎兒電子監(jiān)護（electronic fetal monitoring，EFM）是檢測胎心率、宮縮等信息的宮內(nèi)監(jiān)護手段，可以判斷胎兒宮內(nèi)狀況，從而偵測到胎兒窘迫的發(fā)生，對降低圍產(chǎn)兒患病率和病死率起到了一定的作用［1-2］。胎兒電子監(jiān)護已有40余年的歷史，在發(fā)達國家發(fā)展迅速［3］。在我國，各醫(yī)院多使用超聲手段檢測胎心率、宮縮等信息，將胎心監(jiān)護作為常規(guī)產(chǎn)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(jiān)護軟件系統(tǒng)，以滿足病房-護士站系統(tǒng)或家庭-醫(yī)院系統(tǒng)場景的胎心監(jiān)護需求。

1 胎心監(jiān)護系統(tǒng)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(jiān)護（cardio toco graph，CTG）胎心率-宮縮圖在臨床診斷中尚未形成統(tǒng)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(chǎn)生不同。

在胎心率曲線出現(xiàn)胎兒窘迫疑似癥狀時，醫(yī)護人員本著謹慎的態(tài)度，多會采取剖宮產(chǎn)以防胎兒夭折。然而，胎兒在多數(shù)情況下均會產(chǎn)生與胎兒窘迫類似的胎心監(jiān)護表現(xiàn)，造成誤判而導致假陽性率及剖宮產(chǎn)率偏高［4］。

1.2 檢測不便捷

孕婦由于體態(tài)變化，多行動不便。而胎心監(jiān)測通常需要孕婦赴醫(yī)院進行，費時又費力，不能夠進行實時監(jiān)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(jiān)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(jiān)測的時長最長僅為20 min左右，胎兒在母親體內(nèi)，其許多生理狀態(tài)均屬未知。如果在該檢測期間胎兒處于睡眠狀態(tài)，有可能會對醫(yī)生診斷造成影響。而如果延長監(jiān)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(qū)分出睡眠或清醒狀態(tài)，有助于醫(yī)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(jiān)護軟件系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，延長監(jiān)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(jiān)護軟件系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)基本要素分析

胎心監(jiān)護軟件系統(tǒng)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，F(xiàn)HR）、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(jiān)測系統(tǒng)需要服務器作為數(shù)據(jù)存儲及轉(zhuǎn)發(fā)的場所，需要兩個智能終端分別供醫(yī)生和護士查看監(jiān)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(yī)生及護士處終端為大型的中央監(jiān)護臺。系統(tǒng)硬件要素構成如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)硬件要素構成拓撲圖

遠程胎心監(jiān)護軟件系統(tǒng)包括孕婦監(jiān)測客戶端軟件、服務器軟件和中央監(jiān)護站監(jiān)護軟件3部分獨立軟件。①孕婦監(jiān)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(fā)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(jiān)護站監(jiān)護軟件位于護士站的大型電腦，可接收服務器數(shù)據(jù)，多通道實時顯示在線者的胎心率曲線。

2.2 系統(tǒng)功能需求分析

遠程胎心監(jiān)護軟件系統(tǒng)的主要功能需求如圖2所示。

圖2 軟件系統(tǒng)功能需求框圖

整個軟件系統(tǒng)的核心有3個功能，分別為數(shù)據(jù)傳輸、圖形顯示及警報提醒。

（1）數(shù)據(jù)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(jiān)測客戶端處理，顯示實時圖像，并連同孕婦信息、檢測狀態(tài)通過Internet或局域網(wǎng)發(fā)送至服務器；服務器軟件在數(shù)據(jù)庫建立孕婦信息及生理信號表加以存儲。若中央監(jiān)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(jiān)護軟件同步顯示。軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸流向如圖3所示。

（2）圖形顯示。在孕婦監(jiān)測客戶端及中央監(jiān)護站監(jiān)護軟件中均有圖形顯示的需求，顯示的內(nèi)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(jiān)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(jiān)護站的醫(yī)護人員。

圖3 軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流向圖

3 監(jiān)護軟件系統(tǒng)的參數(shù)分析

在監(jiān)護軟件系統(tǒng)中加入?yún)?shù)分析功能，使醫(yī)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(shù)為：基線分析、加速次數(shù)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(shù)分析、短變異及心動周期分析按照“中華醫(yī)學會圍產(chǎn)醫(yī)學分會提出的電子胎心監(jiān)護應用專家共識”為規(guī)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(jīng)張力的高低，進而篩選和預警猝死高危患者的一種新的無創(chuàng)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(nèi)有研究表明，胎兒DC值、AC值越小，DC、AC在產(chǎn)程中增長幅度越小，發(fā)生宮內(nèi)窘迫的風險就越高［8］。

4 遠程胎心監(jiān)護軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)

4.1 技術路線

該系統(tǒng)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(jiān)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(fā)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(fā)效率高。軟件系統(tǒng)的技術路線如圖4所示。

數(shù)據(jù)庫采用MySql有兩個因素：①由于數(shù)據(jù)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(fā)費用。

圖4 軟件系統(tǒng)的技術路線圖

數(shù)據(jù)傳輸采用藍牙和網(wǎng)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(xié)議。網(wǎng)絡傳輸采用超文本傳輸協(xié)議（hyper text transfer protocol，HTTP）和（或）傳輸控制協(xié)議（transmission control protocol，TCP）即HTTP/TCP傳輸方式，再另外規(guī)定特殊協(xié)議用于數(shù)據(jù)的打包和解析。

4.2 系統(tǒng)架構

作為大型監(jiān)控軟件系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)與界面和邏輯的獨立性尤為重要，因而該軟件系統(tǒng)本著低耦合，模塊化的原則。該系統(tǒng)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(shù)據(jù)、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(tǒng)主要分為應用層、業(yè)務邏輯層及數(shù)據(jù)資源層。軟件系統(tǒng)的總體設計架構如圖5所示。

圖5 軟件系統(tǒng)總體設計架構圖

5 結論

20世紀末，已出現(xiàn)基于電話網(wǎng)的胎心遠程系統(tǒng)、采用超聲多普勒胎心檢測儀以及調(diào)制解調(diào)器的網(wǎng)絡傳輸方式［11］。然而，該系統(tǒng)并未做到監(jiān)護的概念，在一次檢測完畢后方可進行數(shù)據(jù)的傳輸，喪失了時效性，其應用場景有限。國內(nèi)相繼出現(xiàn)依賴于電話網(wǎng)絡的系統(tǒng)，利用電話網(wǎng)絡傳播胎心聲音，計算機接收后利用聲音采集卡進行數(shù)字化分析，較目前的技術相對落后［12］。10余年來，遠程胎心監(jiān)護和遠程醫(yī)療發(fā)展緩慢的原因為：①由于社會生產(chǎn)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(jiān)測及預防并未受到重視；②技術局限，近年來隨著網(wǎng)絡的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡普及率、傳輸帶寬均有質(zhì)的提升，在“互聯(lián)網(wǎng)+”的大背景下，發(fā)展遠程醫(yī)療或許將遇到不可多得的契機［13］。

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

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①北京工業(yè)大學生命科學與生物工程學院 北京 100124

②北京工業(yè)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(yōu)秀人才項目（2014000020124G044）“基于物聯(lián)網(wǎng)技術的妊娠糖尿病遠程監(jiān)護系統(tǒng)研究”；北京市教委項目（PXM2015_014204_500064）“中小學生體育鍛煉效果監(jiān)測與評價系統(tǒng)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(jiān)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