使用LabVIEW和NI硬件精确安全地测量胎儿心率 虚拟仪器

使用LabVIEW和NI硬件精确安全地测量胎儿心率 虚拟仪器

 北京瀚文网星科技有限公司

胎心率(FHR)检测是一种用于胎儿出生前判断胎儿健康状况，并帮助识别胎儿缺氧或受压迫等潜在危险的主要方法。早期检测的目的是为了降低胎儿发病率和死亡率。

目前，胎心率探测zui常用的方式是多普勒超声波，标准的产前胎儿健康测试为胎儿无负荷试验(NST)。这些测试通常在有连续波仪器的医院内完成。

尽管目前的超声波胎*有了很大的改进，价格不断降低，体积也更加小巧，我们仍然需要精确的传感器校准和一定的专业知识，从而正确地操作检测仪。此外，此类仪器对移动相当敏感，而且胎儿*暴露在超声波下可能导致的安全性问题目前还未有定论。因此，现在对检测仪的使用还*于进行短时间测试。

另外一种测量胎心率的方法是胎儿心电图(FECG)，但其步骤更加复杂，实用性也更差。并且，目前市面上还没有出现商用的*伤性FECG设备。

zui近，有人提出了一种仍然处于研究阶段的光学方法，该方法采用卤素灯或钨丝灯作为光源，通过光电倍增来实现检测。然而这些技术成本高，需要高光强，并且由于仪器尺寸和功耗限制而难以实现。

光学胎心率检测系统

我们的研究团队提出了基于光电血管容积图(PPG) 信号的低功率光学技术，以*伤性地检测胎心率。PPG信号是由光线经过血液脉动调制后产生的。医生或技术员用LED灯(低于68 mW)照射孕妇腹部，光束经由母亲和胎儿的血液循环进行调制。可穿透的zui大光波波长是890 nm。该混合信号可通过使用数字信号处理得到的自适应滤波进行分析，并采用孕妇的食指PPG作为参考输入。

使用LabVIEW 图形化系统设计软件和NI硬件开发光学胎心率 (OFHR)检测系统。在OFHR系统中，SNR由于入射功率的降低而随之降低；激励信号为调制后的光束。系统可实施同步检测，LabVIEW中的软件子程序使用NI 9474数字输出模块在计数器端生成调制频率。

在接收机端，低噪声放大和同步检测确保以zui小噪声功率保存到有用信息。24位的NI USB-9239 模数转换器(ADC) 降低了量化噪声的影响。一旦完成数字化，信号经自适应噪声消除器(ANC)技术处理后从混合信号中提取胎儿PPG。

用腰带将胎儿探针(主信号)和孕妇腹部连接，使IR-LED与光电探测器保持 4 cm的距离。将参考探针和母亲的食指连接。由于所选的 IR-LED只能发射68 mW的zui大功率，因此设定OFHR系统的工作光学功率小于非电离辐射防护委员会(ICNIRP)规定的87 mW。为了调制IR-LED，使用软件子程序产生725 Hz的调制信号，经由NI 9474计数器端连至LED驱动(图1)。在图1中，孕妇腹部的扩散反射光由低噪声光电探测器测量，并将其表示为I (M1, F)的形式，其中M1和F分别表示母亲腹部和胎儿对信号的影响。

低噪(6 nV/Hz1/2)跨阻放大器将电流转换成电压。参考探针(连接于母亲的食指)由IR-LED和一个内置前置放大器的固态光电二极管组成。来自该探针的信号表示为I (M2)；M2代表母亲对信号的影响。该通道无需同步检测，因为食指的光电血管容积图具有高信噪比(SNR)。

NI USB-9239 24位分辨率数据采集模块以5.5 kHz的速率同步采集来自两个探针的信号。在数字域执行解调、信号滤波和信号估计。软件实现了包括调制信号生成、同步检测算法、降采样、高通滤波、和自适应噪声消除(ANC)算法。

设计团队采用LabVIEW来实现整个算法以及部分仪器。在完成ANC算法的预处理和应用以后，LabVIEW将显示胎儿信号和胎心率的结果。

图2a显示了OFHR系统的 实验室原型和图形化用户界面，并给出了孕妇食指PPG(上)、腹部PPG(中)、以及胎儿的估计PPG(下)。

图2b显示了三个可选的显示，包括数字同步或锁相放大器(LIA)、自适应噪声消除器(ANC)、及心律轨迹。前两个显示可用于辅助开发，第三个显示用于表明胎心率相对时间的值。用户可在线观察数据或将其保存用于进一步分析。

完成开发之后，我们根据来自6个怀孕35到39周不等的临床对象总共24组数据测试了系统的功能性，数据由马来西亚国民大学医疗中心提供。所有参与本研究的胎儿都由产科医生检查处于健康状态，且出生时无并发症。

在研究中，我们在光学及超声波胎心率之间获得了0.97的相关系数(p值小于0.001)，zui大误差为4%。临床结果显示探针越靠近胎儿组织(不限于脑部或臀部)，越能够提高信号质量及检测精度。

结论

研究团队采用低成本、低功率的IR灯及商业可用的硅探测器开发出了新型的OFHR探测系统。通过使用LabVIEW，我们能够快速方便地实现数字同步检测和自适应滤波技术。与标准测量方法（多普勒超声波）相比，我们测量的胎心率结果精度是较高的。基于方案的新颖性，目前我们正在申请其商业领域使用的。

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