楊品佛 張素瑋 鐘燕珊 麥海濤 陳超敏 徐 盼 孫海濤

近年來(lái)，我國(guó)的新生兒出生缺陷率持續(xù)上升，與國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)的增長(zhǎng)很不協(xié)調(diào)，而我國(guó)的剖宮產(chǎn)率高達(dá)46.5%，高居全球第一，控制和降低剖宮產(chǎn)率，倡導(dǎo)自然分娩成為現(xiàn)代婦產(chǎn)科學(xué)發(fā)展的重要課題。

隨著國(guó)家對(duì)二胎政策的放開，高齡孕婦數(shù)量的急劇上升，醫(yī)療資源將日益緊張，預(yù)計(jì)在以后的一段時(shí)間內(nèi)新生兒的數(shù)量會(huì)顯著增加，對(duì)母體、家庭和醫(yī)生都將帶來(lái)更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。為此，本研究設(shè)計(jì)的基于無(wú)線藍(lán)牙技術(shù)的便攜式胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，在圍產(chǎn)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中具有重要的意義和發(fā)展前景。

1 便攜式胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)

1.1 胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

胎兒電子監(jiān)護(hù)(electronic fetal monitoring，EFM)是通過(guò)超聲多普勒探頭和宮縮壓力傳感器，在孕婦腹部監(jiān)護(hù)胎心宮縮信號(hào)的參數(shù)來(lái)判斷胎兒在子宮內(nèi)的發(fā)育狀況[2]。傳統(tǒng)的EFM設(shè)備體積龐大，捆綁電線多，操作復(fù)雜，并且受限于在醫(yī)院監(jiān)護(hù)中心實(shí)施，給本身就行動(dòng)不便的孕婦帶來(lái)很大的麻煩。針對(duì)上述問題本研究利用無(wú)線低功耗藍(lán)牙4.0技術(shù)與胎心宮縮探頭相結(jié)合，設(shè)計(jì)一種適合孕婦使用的便攜式實(shí)時(shí)胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，孕婦足不出戶便可隨時(shí)隨地對(duì)胎兒實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)[3]。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于無(wú)線藍(lán)牙技術(shù)的便攜式胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，主要是對(duì)孕婦和胎兒實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)的目的，而研制的設(shè)備系統(tǒng)主要包括胎心宮縮信號(hào)檢測(cè)模塊、低功耗藍(lán)牙4.0的數(shù)據(jù)通信模塊以及移動(dòng)設(shè)備端，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示胎心率、宮縮壓等胎兒生理參數(shù)[4]。通過(guò)超聲多普勒胎心探頭和宮縮壓力傳感器從孕婦腹壁獲取胎心宮縮(cardiotocography，CTG)信號(hào)，然后將此CTG信號(hào)經(jīng)低功耗藍(lán)牙4.0模塊以無(wú)線藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的方式發(fā)射出去，最后在移動(dòng)設(shè)備的上位機(jī)應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)接收發(fā)射的此CTG信號(hào)，并將接收的CTG信號(hào)分別以曲線圖和胎心宮縮的量化值進(jìn)行顯示和保存[5]。系統(tǒng)整體架構(gòu)框圖設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 便攜式胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

2 便攜式胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)無(wú)線藍(lán)牙模塊

2.1 低功耗藍(lán)牙4.0數(shù)據(jù)通信模塊

(1)無(wú)線藍(lán)牙模塊。為了滿足系統(tǒng)便攜式、易操作和功耗低等特點(diǎn)，系統(tǒng)采用美國(guó)德州儀器公司(TI)的低功耗藍(lán)牙4.0單模芯片CC2540，其芯片6 mm×6 mm的物理尺寸集成了控制器和主機(jī)，降低PCB板集成的復(fù)雜程度，得到廣泛的應(yīng)用[6]。CC2540采用Bluetooth Specification BLE V4.0協(xié)議，集成2.4 GHz收發(fā)器，具有8通道分辨率可編程數(shù)模轉(zhuǎn)換器，一個(gè)CC2540主機(jī)可以與8個(gè)CC2540從機(jī)相連接，滿足多通道、多參數(shù)通信功能。CC2540芯片的參數(shù)見表1。

表1 CC2540芯片參數(shù)表

(2)無(wú)線藍(lán)牙通信。CC2540芯片是基于TI公司的BLE4.0協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，按照一定的通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)[7]。協(xié)議棧主要包括主機(jī)和控制器，采用分層的架構(gòu)從下往上分別是物理層(PHY)、鏈路層(LL)、主機(jī)接口控制層(HCI)、邏輯鏈路控制層(L2CAP)、屬性協(xié)議層(ATT)、通用訪問配置層(GAP)以及通用屬性配置文件層(GATT)。CC2540協(xié)議棧是通過(guò)GATT層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，當(dāng)2個(gè)設(shè)備建立連接之后用戶可以定義GATT服務(wù)的格式來(lái)制定自己的GATT服務(wù)，通過(guò)對(duì)GATT服務(wù)中的“特性”(characteristics)和屬性進(jìn)行描述和配置，GATT客戶端和GATT服務(wù)端通過(guò)這些“特性”進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸[8]。GATT的特性值以及其配置信息存儲(chǔ)在協(xié)議棧中的屬性表中，屬性表是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，GATT定義在藍(lán)牙連接中讀取、寫入及發(fā)現(xiàn)屬性的子過(guò)程。CC2540協(xié)議棧的開發(fā)環(huán)境采用的是IAR嵌入式工作臺(tái)(embedded workbench，EW)，進(jìn)行代碼編寫和仿真等任務(wù)[9]。藍(lán)牙4.0協(xié)議棧啟動(dòng)和配置相關(guān)事件以及從機(jī)和主機(jī)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)的軟件流程如圖2所示。

2.2 CTG信號(hào)采集模塊

圖2 CTG信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸流程圖

(1)CTG分析原理。CTG信號(hào)是胎兒在子宮內(nèi)的生理活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)，即胎兒心率和子宮收縮壓[10]。胎兒心率是胎兒的心跳速率，正常胎心應(yīng)在110～160次/min，通常孕期于17～20周可在腹部用一般的聽診器聽到胎心。宮縮是分娩的主要?jiǎng)恿?，貫穿于整個(gè)分娩過(guò)程中，是子宮平滑肌收縮的結(jié)果。宮縮開始是不規(guī)則、低頻率且強(qiáng)度低，孕期在18周后宮縮逐漸變得有規(guī)律，間隔時(shí)間在2～3 min，持續(xù)時(shí)間50～60 s。臨床上應(yīng)用電子胎兒監(jiān)護(hù)設(shè)備將CTG信號(hào)描記為CTG圖，產(chǎn)科醫(yī)生按照一定的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)CTG曲線進(jìn)行分析、評(píng)分，進(jìn)而客觀的評(píng)估出胎兒的健康狀況[11]。

(2)胎心信號(hào)采集分析。胎心信號(hào)的采集原理是基于超聲多普勒效應(yīng)的原理，在聲波傳輸過(guò)程中由于生源和聲波的接收者之間具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)使接收器接收到的頻率發(fā)生變化，正是通過(guò)這種頻率的變化來(lái)分析相對(duì)位置的變化[12]。胎兒超聲多普勒信號(hào)是由胎兒心跳產(chǎn)生，具有不穩(wěn)定性，近似為周期信號(hào)來(lái)進(jìn)行處理。原始胎心信號(hào)如圖3所示。

圖3 胎心率原始信號(hào)示圖

采用自相關(guān)算法用于對(duì)近似周期信號(hào)進(jìn)行識(shí)別、檢測(cè)和提取[13]。自相關(guān)算法的數(shù)學(xué)模型為：采樣點(diǎn)N的數(shù)字胎心率信號(hào)x(n)，其中改進(jìn)后的自適應(yīng)自相關(guān)函數(shù)rxx(m)的表達(dá)計(jì)算為公式1：

式中α是控制因子，N是采樣點(diǎn)數(shù)，rxx(m)是自相關(guān)函數(shù)。

獲取自相關(guān)函數(shù)的rxx(m)曲線后，求出第一周期處峰值處的序列號(hào)Rf，若采樣率為f(s)，然后通過(guò)公式2：

即可得到胎心率的瞬時(shí)速率(如圖4所示)。

圖4 胎兒瞬時(shí)心率曲線圖

(3)宮縮信號(hào)采集分析。子宮壓縮是指子宮在正常收縮的壓力，是產(chǎn)婦檢查的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)孕婦的早產(chǎn)和流產(chǎn)具有良好的預(yù)測(cè)效果[14]。本系統(tǒng)根據(jù)FSL05N2C壓力傳感器[7]的原理，宮縮壓力UCYgY與應(yīng)變片產(chǎn)生的電壓差v0的關(guān)系表達(dá)計(jì)算為公式3：

FSL05N2C壓力傳感器的量程為0～500 g，靈敏度為0.12 mV/g，支持5 V電壓，輸出量程0～60 mV。宮縮壓信號(hào)經(jīng)BLE4.0模塊以20 Hz，14位分辨率，3.3 V參考電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算為公式4：

采集到的宮縮壓力曲線如圖5所示。

圖5 宮縮壓力曲線圖

3 便攜式胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)臨床應(yīng)用

本研究研制的基于無(wú)線藍(lán)牙技術(shù)的便攜式胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)-“母嬰衛(wèi)士”，已經(jīng)成功獲得國(guó)家軟件著作登記，并于2017年6月進(jìn)入臨床試用，經(jīng)過(guò)南方醫(yī)科大學(xué)附屬南方醫(yī)院、廣州中醫(yī)藥大學(xué)附屬金沙洲醫(yī)院婦產(chǎn)科的近百例門診及家庭遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)試用，效果良好。南方醫(yī)院臨床試用系統(tǒng)界面如圖6所示。

圖6 胎兒遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)臨床應(yīng)用界面圖

4 結(jié)論

本研究研制的基于無(wú)線藍(lán)牙技術(shù)的便攜式胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，是通過(guò)超聲多普勒探頭和宮縮壓力傳感器采集孕婦腹壁的CTG信號(hào)，并經(jīng)低功耗藍(lán)牙4.0發(fā)射傳入移動(dòng)監(jiān)護(hù)設(shè)備(如手機(jī)、平板)，移動(dòng)設(shè)備的應(yīng)用程序接收的CTG信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示并保存，其優(yōu)點(diǎn)包括：①設(shè)備體積小，無(wú)電纜線纏繞；②胎心宮縮探頭功耗小；③移動(dòng)手持設(shè)備使用普遍且易于操作，隨時(shí)隨地可開展實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)；④全面提升孕婦和胎兒的監(jiān)護(hù)質(zhì)量。

基于目前處在“云計(jì)算”，“互聯(lián)網(wǎng)+”的大背景下，開展遠(yuǎn)程胎兒實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)帶來(lái)不可多得的機(jī)遇[16]。為實(shí)現(xiàn)更加智能化、便攜化、家用化和互聯(lián)網(wǎng)化的遠(yuǎn)程胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)具有重要的意義和發(fā)展前景。