使用LabVIEW和NI硬件精確安全地測量胎兒心率 虛擬儀器

使用LabVIEW和NI硬件精確安全地測量胎兒心率 虛擬儀器

 北京瀚文網星科技有限公司

胎心率(FHR)檢測是一種用于胎兒出生前判斷胎兒健康狀況，并幫助識別胎兒缺氧或受壓迫等潛在危險的主要方法。早期檢測的目的是為了降低胎兒發病率和死亡率。

目前，胎心率探測zui常用的方式是多普勒超聲波，標準的產前胎兒健康測試為胎兒無負荷試驗(NST)。這些測試通常在有連續波儀器的醫院內完成。

盡管目前的超聲波胎*有了很大的改進，價格不斷降低，體積也更加小巧，我們仍然需要精確的傳感器校準和一定的專業知識，從而正確地操作檢測儀。此外，此類儀器對移動相當敏感，而且胎兒*暴露在超聲波下可能導致的安全性問題目前還未有定論。因此，現在對檢測儀的使用還*于進行短時間測試。

另外一種測量胎心率的方法是胎兒心電圖(FECG)，但其步驟更加復雜，實用性也更差。并且，目前市面上還沒有出現商用的*傷性FECG設備。

zui近，有人提出了一種仍然處于研究階段的光學方法，該方法采用鹵素燈或鎢絲燈作為光源，通過光電倍增來實現檢測。然而這些技術成本高，需要高光強，并且由于儀器尺寸和功耗限制而難以實現。

光學胎心率檢測系統

我們的研究團隊提出了基于光電血管容積圖(PPG) 信號的低功率光學技術，以*傷性地檢測胎心率。PPG信號是由光線經過血液脈動調制后產生的。醫生或技術員用LED燈(低于68 mW)照射孕婦腹部，光束經由母親和胎兒的血液循環進行調制。可穿透的zui大光波波長是890 nm。該混合信號可通過使用數字信號處理得到的自適應濾波進行分析，并采用孕婦的食指PPG作為參考輸入。

使用LabVIEW 圖形化系統設計軟件和NI硬件開發光學胎心率 (OFHR)檢測系統。在OFHR系統中，SNR由于入射功率的降低而隨之降低；激勵信號為調制后的光束。系統可實施同步檢測，LabVIEW中的軟件子程序使用NI 9474數字輸出模塊在計數器端生成調制頻率。

在接收機端，低噪聲放大和同步檢測確保以zui小噪聲功率保存到有用信息。24位的NI USB-9239 模數轉換器(ADC) 降低了量化噪聲的影響。一旦完成數字化，信號經自適應噪聲消除器(ANC)技術處理后從混合信號中提取胎兒PPG。

用腰帶將胎兒探針(主信號)和孕婦腹部連接，使IR-LED與光電探測器保持 4 cm的距離。將參考探針和母親的食指連接。由于所選的 IR-LED只能發射68 mW的zui大功率，因此設定OFHR系統的工作光學功率小于非電離輻射防護委員會(ICNIRP)規定的87 mW。為了調制IR-LED，使用軟件子程序產生725 Hz的調制信號，經由NI 9474計數器端連至LED驅動(圖1)。在圖1中，孕婦腹部的擴散反射光由低噪聲光電探測器測量，并將其表示為I (M1, F)的形式，其中M1和F分別表示母親腹部和胎兒對信號的影響。

低噪(6 nV/Hz1/2)跨阻放大器將電流轉換成電壓。參考探針(連接于母親的食指)由IR-LED和一個內置前置放大器的固態光電二極管組成。來自該探針的信號表示為I (M2)；M2代表母親對信號的影響。該通道無需同步檢測，因為食指的光電血管容積圖具有高信噪比(SNR)。

NI USB-9239 24位分辨率數據采集模塊以5.5 kHz的速率同步采集來自兩個探針的信號。在數字域執行解調、信號濾波和信號估計。軟件實現了包括調制信號生成、同步檢測算法、降采樣、高通濾波、和自適應噪聲消除(ANC)算法。

設計團隊采用LabVIEW來實現整個算法以及部分儀器。在完成ANC算法的預處理和應用以后，LabVIEW將顯示胎兒信號和胎心率的結果。

圖2a顯示了OFHR系統的 實驗室原型和圖形化用戶界面，并給出了孕婦食指PPG(上)、腹部PPG(中)、以及胎兒的估計PPG(下)。

圖2b顯示了三個可選的顯示，包括數字同步或鎖相放大器(LIA)、自適應噪聲消除器(ANC)、及心律軌跡。前兩個顯示可用于輔助開發，第三個顯示用于表明胎心率相對時間的值。用戶可在線觀察數據或將其保存用于進一步分析。

完成開發之后，我們根據來自6個懷孕35到39周不等的臨床對象總共24組數據測試了系統的功能性，數據由馬來西亞國民大學醫療中心提供。所有參與本研究的胎兒都由產科醫生檢查處于健康狀態，且出生時無并發癥。

在研究中，我們在光學及超聲波胎心率之間獲得了0.97的相關系數(p值小于0.001)，zui大誤差為4%。臨床結果顯示探針越靠近胎兒組織(不限于腦部或臀部)，越能夠提高信號質量及檢測精度。

結論

研究團隊采用低成本、低功率的IR燈及商業可用的硅探測器開發出了新型的OFHR探測系統。通過使用LabVIEW，我們能夠快速方便地實現數字同步檢測和自適應濾波技術。與標準測量方法（多普勒超聲波）相比，我們測量的胎心率結果精度是較高的。基于方案的新穎性，目前我們正在申請其商業領域使用的。

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