自动监护与无痛分娩闭环系统的设计与实现

刘飞飞，魏守水，景天磊

山东大学 控制科学与工程学院，山东 千佛山 250061

0 前言

胎儿监护和无痛分娩是保障产妇和胎儿安全，实现优生优育的重要手段。胎儿监护仪主要用于保护胎儿正常生长发育，及时消除影响胎儿生长的各种因素；减少孕妇分娩时的疼痛恐惧和产后的疲倦，安全分娩出身体健康、智力发育良好的新生儿[1]。目前，胎儿监护仪只是起到监护的作用，没有与无痛分娩系统形成闭环，即监护和协助分娩脱离。2008年，李法升教授[2]研制出无痛分娩自动监护控制系统，即采用静脉滴注催产素（缩宫素）方法。因孕妇对催产素的敏感度因个体差异而不同，可能造成过强宫缩导致胎儿缺氧或子宫破裂；而专家医师个体的差异，对手动控制输液量的多少也难免会出现误差。为此，本文提出了一种基于LabVIEW的自动监护与无痛分娩闭环系统。系统采用乳房按摩，促使孕妇产生内源性催产素，有一定的自身调节作用，使其接近自然生理现象，比滴注催产素简便、安全。

1 系统框架与功能

1.1 系统框架

本系统主要由超声多普勒胎心探头、宫缩探头、胎动探头、乳房按摩仪、笑气吸入装置、MSC1210微处理器和计算机处理系统组成（图1）。通过接口RS-232连接MSC1210与计算机系统。计算机对数据进行预处理，实时显示胎心率曲线、宫缩曲线、胎动信号波形，通过自动分析诊断，智能控制乳房按摩仪和笑气吸入装置。

1.2 系统功能

超声多普勒探头用于检测胎儿心音信号[3]，探头类型为电子凸阵，探头频率范围为1.5～12 MHz，最大探查深度30 cm，扫描角度为85°。宫缩压力探头，用于采集宫缩信号，采用飞利浦M1355A宫缩压力探头。宫缩压力测量范围为0～100相对单位，宫缩压力分辨率为1，宫缩压力非线性误差≤5%。外测时，将外测用宫缩压力探头固定于腹部宫体部位。胎动达标器，由计数器和胎动计数软件组成，胎儿的胎动信号来自母体感知，孕妇每感觉到1次胎动即按1次胎动达标器按键，记录1次胎动。

数据采集处理设备选用TI公司生产的带24位A/D转换器，并具有较强的模拟性能和数字处理能力的MSC1210微处理器，该微处理器把输入通道选择、缓冲、放大、增益调整、A/D转换和数字处理集成到单片电路上，仅用一片集成电路即可实现胎心率、宫缩压力和胎动次数等监护指标的数据采集[4]。其工作过程：① 向超声探头发送脉冲信号，接受反射回的超声信号；② 为宫缩探头供电，并且接受探头的输出；③ 接受胎动达标器的开关信号；④ 处理前置放大信号、滤波信号、主放大信号，然后得出胎心率值、宫缩压值、胎动信息等监护数据与计算机通信。

2 系统开发与功能的实现

2.1 串行通信接口

为简化接口电路设计，MSC1210与计算机以串行通信方式[5]，通过接口RS-232C连接。采用LabVIEW8.6开发软件读入数据，显示胎心率曲线、宫缩曲线、胎动信号波形[6]。

2.1.1 串口通信协议

串口通信协议的各字节定义，见表1。

表1 串口通信协议字节定义

BIT 2 ～ BIT 0为8级音量调节，7（111B）为最强，0（000B）为最弱,缺省值为第3档。如发送 0x20，表示有某一键按下，同时设置胎心音音量为 0档；发送 0x12，表示产生报警，同时设置胎心音音量为 2档； 发送 0x0b，表示宫缩压力置20，同时设置胎心音音量为 3档。

2.1.2 根据协议编写串口通信

在LabVIEw功能模板中，Instnlment I/O子模板包含了进行串行通信操作的一些功能模块，有串口写、串口读、串口设置、关闭串口等模块[7]。此程序主要完成以下任务：串口通信协议参数的设置；传送数据给计算机；计算机发送指令控制硬件的启始和复位。

研究区域经济时空差异及其成因，对于加快落后地区发展，保持发达地区竞争力具有重大意义。在具体的研究过程，基尼系数、经济联系强度模型以及社会要素流模型被广泛应用，GIS技术也被广泛应用在经济发展空间结构的研究中，有力支持了探究区域经济发展时空分异和空间结构的特征和演化过程[8]。本研究以福州市市辖区经济和县域经济为研究对象，采用了指数、系数计算的方法，并结合ESDA和GIS空间分析技术，对福州市经济发展水平和区域发展差异从时间尺度和空间结构两个方面进行分析，以期为福州市经济持续健康发展和区域空间组织优化提供参考。

2.1.3 胎监模块发送到上位机的数据

每隔0.25 s发送1帧数据，每帧数据6个字节，字节之间的间隔为2 ms。每帧数据格式，见表2；数据状态标志，见表3。

表2 上位机数据格式

表3 状态标志

BIT 1～ BIT 0：00表示信号质量差，01为信号质量一般，10为信号质量好。

2.1.4 对读取的数据进行处理和显示

LabVIEW软件对传送的数据进行处理，首先将十六位数据设置成属性节点值，然后读取1帧数据的长度，再将帧数据拆分为字符串，将字符串转换成字节进行数据显示，并将数据置入一个FOR循环结构中。每6个字节为一个循环，循环次数由监护时间控制。

2.1.5 设置自动报警

将胎儿心率FHR1、FHR2分别设置为属性节点的值，当报警系统检测到100 bpm＜(FHR1、 FHR2)＜160 bpm时，显示报警信号。报警信号的上下限值可以根据需要手动设置。报警显示设计电路，见图2。

2.2 自动分析诊断系统

本系统采用的推理策略，以产生式规则的正向推理为主，以案例推理为辅[8]。从胎儿监护仪得到胎心率曲线，由胎心率曲线来计算各胎心率监护指标[9]，绘出反映胎心率基线特征的特征基线值，然后由它作为初始值，逐步逼近得到胎心率曲线的基线。根据胎心率基线计算出胎心率加速、胎心率减速，胎心率的波动幅度和波动频率。对上述指标进行Krebs[10]评分，由评分值预测胎儿健康状况。根据评分以及胎儿在子宫中各项指标，在规则知识库中搜索与之匹配的标准模式，发出指令控制乳房按摩仪和笑气吸入装置的工作状态。

2.3 乳房按摩仪的控制

乳房按摩仪可以启动产程和加强宫缩，在很大程度上起到催生引产的作用[11]。其专家分析系统自动调节电机的转速，诱发最佳宫缩状态，即10 min内出现 3～5次子宫收缩，每次宫缩持续 40～60 s为中等强度。系统根据胎心率基线、宫缩曲线和胎动标志，自动调节按摩的强度，连续3次按摩均无子宫收缩出现，则提示按摩强度过小，加大按摩的强度。异常情况下自动停止乳房按摩仪的运行。

启动乳房按摩仪的条件：① 按开启键后 115 min内无宫缩；② 宫缩后 115 min内无宫缩；③ 左侧和右侧按摩后1 min内无宫缩。

停止乳房按摩仪的条件：① 每次宫缩活动单位 ≥45；② 胎心率 ≥180 bpm，持续 ≥1 min；③ 胎心率≤100 bpm,持续 ≥15 s。

2.4 笑气吸入控制

笑气麻醉起效快、作用消失快。该装置操作简单、方便，镇痛作用强，麻醉作用弱，可安全有效地降低孕妇的疼痛[11]。系统自动控制间隙性笑气流量挥发器，决定吸入的时机（乳房按摩后115 min；宫缩出现5 s）、时限（30～40 s自动关闭）和吸入的剂量（视产妇疼痛情况而定），以达到最小吸入量、最佳镇痛状态。异常情况下自动停止笑气吸入。停止吸入条件：每次宫缩活动单位≥45；胎心率≥180 bpm，持续≥1 min；胎心率≤100 bpm，持续≥15 s。

2.5 数据的存储

基于LabVIEW数据库访问工具包LabSQL[12]实现数据存储，便于数据的显示和打印，为人工处理提供方便。本文创建的数据源名为db，LabSQL就是利用db访问与之相关联的数据库。ADO Connection Create.vi和ADO Connection Open.vi完成与数据库的连接，数据库由DSN=db指定。系统流程，见图3。

3 总结和展望

本文将LabVIEW软件应用于胎儿监护系统，并将乳房按摩仪，笑气吸入装置与计算机相连，形成一个完整的闭环式无痛自动控制分娩系统。通过初步的临床检验，与自然产程比较，采用该系统监控，产妇总产程缩短4.23 h，有效率镇痛达到99.66%，顺产率达到89%。新生儿Apgar评分: 6分 占0.73%, 8～10分 占99.27%。临床检验证明，采用该系统可减轻产妇分娩疼痛、加速产程进展；减低剖宫产率，避免剖宫产儿并发症，提高胎儿质量。对于实现优生优育，提高人口素质有重要意义。

本系统还有许多需要进一步改进和完善之处，如软件的分析模块对胎动次数的获取只是采用传统的母亲主观感觉胎动来进行标记的。下一步，可引入胎动自动识别功能，从宫缩探头获取宫缩压力信号，实现对胎动信号的准确检测；引入高级分析模块，采用时域分析和频域分析相结合的方法，对与临床监护相关的参数指标进行自动化监护与控制。

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[5]梁国伟,陈方泉,林祖伟.基于LabVIEW的串口数据采集的实现及应用[J].计算机应用,2009,(5):57-58.

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