用于实时检测胎儿运动的便携式监测系统的开发

摘要：有效的胎儿监护是胎儿健康和早期治疗的重要保障。胎动是胎儿监护的重要指标之一，对胎儿健康起着重要作用。计算胎动次数 对孕妇进行长期监测是一种传统的方法。但孕妇感觉计数存在诸多缺陷，不能满足现代围产医学的准确要求。随着生物和电子技术的飞速发展，各种传感器被用于探测胎儿动态监测，而不是对胎动进行探测。本研究提出了一种通过三个电极监测胎动的方法。简而言之：首先用三个电极提取孕妇腹部的电信号；其次，这些信号被放大和过滤；三、采用带微处理器的A/D转换器进行模数转换，在微处理器的控制下存入SD卡；最后，SD卡数据是由计算机软件处理并分析胎动信息。

关键词

.胎动,监测,心电图 电极;

一、简介

胎儿健康受到家庭和社会的高度关注。有效的胎儿监护是改善胎儿健康和早期治疗的重要保证[ 1 ]。临床资料表明，脐带异常和羊水过少导致胎儿窘迫，新生儿缺氧是围产期胎儿死亡的主要原因，并伴有胎动异常[ 2 ][ 3 ]。胎动是胎儿监护的重要指标，对胎儿健康起着重要作用。产前胎动监测是围产期的传统筛查检查，可在超声检查前发现胎儿宫内危险因素[ 4] . 长期监测胎动对孕妇，尤其是妊娠高血压的孕妇具有重要的临床意义[ 5 ]。由于腹部信号复杂，胎动信号较弱，长期实时监测胎动一直是胎儿监护中的难题。

目前，传统的胎动监测方法主要有孕妇数数和医院空载试验（NST）。由于主观缺陷，数数方法存在较大误差，对降低胎儿死亡率没有明显作用。随着生物和电子技术的飞速发展，许多研究转向运动传感器，例如多普勒超声探头。NST 与多普勒超声成为围产期监测的重要手段 [ 6 ] [ 7] . 然而，多普勒超声监测胎动仍存在一些缺陷。一、目前多普勒超声最常用的是定期医院检查。该方法旨在预测一周20分钟的胎动和胎心监测，容易出现假阳性；其次，该测试需要对孕妇进行多次超声波监测以确保准确性，这可能会导致受试者产生情绪冲突；最重要的是，长期使用多普勒超声对胎儿是否会受伤存在争议，这可能会损害胎儿的健康[ 8 ][ 9 ]。

目前，对孕妇进行计数监测的方法显然不能满足现代围产医学的需要。医院使用的多普勒超声监测和胎动虽然比较成熟，但不能用于国内胎动监测的长期监测。本研究提出了一种通过三个电极监测胎动的方法。首先，三个电极用于提取孕妇腹部的电信号；其次，这些信号被放大和过滤；三、采用带微处理器的A/D转换器进行模数转换，在微处理器的控制下存入SD卡；最后，通过计算机软件对SD卡数据进行处理，分析胎动信息。

二、系统建设

2.1。硬件

仪器硬件总体设计如图1所示。仪器主要由心电电极、模拟信号处理部分和数字信号处理部分组成，其中心电电极用于信号采集，模拟信号处理部分主要用于放大信号和滤除高频加直流干扰。数字信号处理部分主要控制模块及处理和

图 1。仪器结构框图。

存储采集信号。仪器的供电单元由可充电锂电池和转换电源模块组成，为仪器各模块提供所需的电压，持续供电。此外，使用方便的 SD 卡作为数据存储，以供进一步分析。

2.1.1。前置放大器

前置放大器电路的输入是心电图电极，输出是带通滤波器。理想的效果是心电电极采集到的信号被完全接收并输出到带通滤波器，没有接收到外部电磁干扰信号，同时信号被放大。如图2，为了接近理想的效果，本研究设计的前置放大器可以分为两部分。第一部分是无源低通滤波器和限幅电路，第二部分是前置放大器。AD4芯片采用LMC6082集成块，内部由两个集成放大器组成。第一个集成放大器用于构建电压跟随器，其中控制电极的采集信号可以满足多个工作电极（输入）同时控制电压的要求。第二个集成放大器也用于构建一个电压跟随器，将背电极（FMGND）连接到电路的模拟（AGND）电路，以满足人体和电路的需要。前置放大器输出后接一个截止频率约为 1.6 KHz 的低通滤波器。

2.1.2. 带通滤波器

带通滤波器如图 3所示。主芯片是LMC6082，包含两个集成放大器。该电路由一个二阶高通滤波电路和一个二阶低通滤波电路组成。其原理是二阶高通滤波器电路的输出是根据二阶高通滤波器的高输入阻抗和低输出阻抗来输出的。对于二阶低通滤波电路的输入信号，实现带通滤波。AV1.5V为偏置电压，将信号基线从0V提升到1.5V，使信号进入数字信号处理电路后不会失真。

图 2。前置放大器的结构。

图 3。带通滤波器电路。

2.1.3。可编程放大器

可编程放大器主要由PGA116集成块组成，构成如图4所示的电路图，其中集成了电路。在 PGA116 模块中，电路图更简单。输出连接到微处理器 ADC 模块的输入。通过微处理器的SPI模块发送控制命令可以改变放大倍率。

2.1.4。数字信号处理电路

数字信号处理电路的设计主要基于STM32F103微处理器，可以满足长时间胎动监测端口、高采样频率和大数据量的要求。STM32F103的主要功能是控制各个单元模块进行计算、处理

图 4。可编程放大器电路。

并临时存储数据。接口电路如图5所示。STM32F103由3.3V模拟电源和3.3V数字电源供电。单片机外接8M晶振，NRST连接复位电路，ISP1、BOOT0、BOOT1烧录程序，PA2为ADC接口，AV1.5 V 模拟电源用于校准采集信号。其他接口用于控制各个功能模块。

2.2. 处理软件设计

胎动监测的软件设计是将采集到的信号转换成数字信号存储在SD卡中供计算机软件处理。数据采集​​程序涉及PGA、ADC、中断和ADC_SPI函数的配置。本设计的基本思想是PGA的配置需要改变倍率和通道两个参数，而ADC的配置是连续采样的，采样频率和通道的改变是通过定时中断来完成的，每次中断，读取结果采样和改变通道。下面详细介绍 PGA 配置和 ADC_SPI 功能程序。此外，数据存储程序通过缓冲寄存器将数据写入SD卡。缓冲寄存器是采集程序中ADC采样的结果。数据通过两个寄存器交替存储。当一个寄存器的指针指向该寄存器的最后一个字节时，存放该寄存器的数据，另一个寄存器在该寄存器中。

三、结果与临床应用

本研究不存在伦理冲突，所有孕妇和非孕妇在测试前均被告知，并经伦理委员会批准。

图 5。数字信号处理电路。

本次测试基本上选取重庆万州三峡中心医院21名健康孕妇进行本次测试，平均年龄28岁。此外，孕15周、24周、39周三组各6-8人。这是因为从第15周开始，胎动稍微开始，到24周就会变得频繁星期。当孕周达到39周时，胎动会减少，但单次胎动更强烈。对照组有20名未怀孕的正常女性。实验组和对照组均了解实验过程，熟悉仪器操作。在实验设置中，对照组的非孕妇与实验组的孕妇处于相同的状态。腹部信号由两个实验装置同时采集。同时，实验组以孕妇的主观感受作为控制信号。整个实验要求孕妇全神贯注于胎动，感觉到胎动时按下设备上的记录器按钮进行记录。实验分为两个阶段。第一阶段，孕妇和非孕妇处于休息或坐着的状态。第二阶段实验组和非孕妇均在进行日常活动，如步行、肢体运动或躯干运动。实验是在胎动非常频繁的阶段进行的，每个阶段可以总结出几个胎动阶段。

图6展示了对照组和实验组在日常活动状态下有胎动和无胎动时信号波动过程中的波形变化。图6（a）是对照组唯一的波形，其特点是上电极和下电极重合，脉冲向上，幅度正常。如图6 (b)所示，当孕妇记录为胎动时，波形呈现波动差异，图中上电极明显大于下电极。图 6(c) 是孕妇在日常活动中没有出现胎动，两个电极采集的数据一致并保持稳定时的波形。

图 6。实验组和对照组在不同阶段的波形。a：对照组波形；(b) 实验组胎动波形；(c) 无胎动实验组波形。

此外，我们比较了不同孕周孕妇的胎动信号。如图7所示，图7 (a)为孕39周孕妇的采集信号和感觉信号，采集到的信号中出现了12个可疑胎动，其中11个是孕妇感觉到的，记录为胎动。移动; 图7 (b) 24周孕妇采集信号及感觉信号，该信号采集6个可疑胎动波形，其中4个为孕妇感觉并记录为胎动；图7（c）为15周孕妇的采集信号，受试者没有实际感受。

四、讨论与结论

胎动监测具有长期、实时、准确、方便携带的特点，基于此，本研究根据目前的研究情况，提出了一种新型的胎动监测仪。本系统采用三个电极组成信号采集部分。硬件电路和

图 7。不同孕周的胎动信号。在怀孕 15 周时监测显着的胎动信号。在相同实验条件下，随着孕周的增加，胎动信号逐渐增多，39周的波形中胎动信号最为频繁。(a) 39 孕周胎动信号；(b) 24 孕周胎动信号；(c) 15 孕周胎动信号。

软件程序被设计为将信号传输到计算机。该设备的性能测试和初步分析表明，它可以比孕妇计数更准确地监测胎动信号。此外，它还将消除由于产妇运动和环境造成的外部干扰。此外，该系统不仅记录胎动信号，还包含胎动强度、时间分布等重要信息。更重要的是，该系统具有操作简单、灵敏度高、无伤害、无不适等优点，可应用于居家长期监测。

值得注意的是，实验组孕妇的波形主要由图6（b）中的三个波形组成，而参考组的非孕妇只有图6（a）所示的两个波形。该波形会出现在没有胎动记录的静息状态孕妇实验组中，可能被解读为其他生理信号。此外，与实验组相比，对照组可以收集到显着的母体心电图信号，因为对照组的放大率远大于实验组。图6整体波形(b) 持续了 34 秒，说明胎儿移动了大约 34 秒，这也与图 6 (a) 波仅波动几秒钟的时间不同，这表明该系统不仅记录了胎动信号，还包含胎动的强度和时间分布。图 6(c) 表明日常运动对电极的数据收集几乎没有影响或没有影响。实验组的其他波形，没有被孕妇记录为胎动，也没有出现在对照组采集的信号中，可能是胎儿的嫌疑。动态波形的特征是否是胎动有待进一步研究。受试者的身体运动和躯干运动等日常活动对数据采集没有显着影响，三电极阵列还可以很好地识别其他生理信号和疑似胎动信号。因此，可以说明该系统可以采集一定的胎动信号，对干扰有很好的消除作用。

致谢

本研究得到国家自然科学基金委（国家自然科学基金，No. 31201047 江），SRFDP（高等教育博士点研究基金，No. 20125503120018 江），部重点实验室开放基金资助重庆市渝中区科技项目（No.20150115）资助

利益冲突

作者声明与本文的发表没有利益冲突。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

参考

[ 1 ] 曼宁，FA，等人。(1980) 产前胎儿评估：胎儿生物物理概况的发展。美国妇产科杂志，136, 787-795。

[ 2 ] Moore, TR 和 Piacquadio, K. (1989) 对减少产前胎儿死亡发生率的胎儿运动筛查的前瞻性评估。美国妇产科杂志，160, 1075-1085。

[ 3 ] Mangesi, L. 和 Hofmeyr, GJ (2007) 胎儿运动计数以评估胎儿健康。DB 系统修订版，9，203-206。

[ 4 ] Fr en, JF (2004) 胎动计数和产前护理的取消进展。围产期医学杂志，32, 13-24。

[ 5 ] Reddy, UM (2007) 复发性死产的预测和预防。妇产科, 110, 1151-1164。

[ 6 ] Mangesi，L.，等人。(2007) 胎儿运动计数以评估胎儿健康。纽约科克伦图书馆。

[ 7 ] Heazell, AEP 和 Fren, JF (2008) 胎儿运动计数方法和胎儿妥协的检测。美国妇产科杂志，28, 147-154。

[ 8 ] 谢赫，M.，等人。(2014) 从母体和胎儿的角度来看，母体对胎儿运动减少的认知，一项队列研究。BMC 怀孕分娩，14，1-7。

[ 9 ] 弗伦，JF 等人。(2008) 胎儿运动评估。围产期研讨会，32, 243-246。