远程胎儿电子监护软件系统的设计与实现*

李 锟张 松*杨益民赵鹏飞何东之杨 琳狄志鹏



远程胎儿电子监护软件系统的设计与实现*

李 锟①张 松①*杨益民①赵鹏飞②何东之②杨 琳①狄志鹏②

［摘要］目的：针对当前胎儿电子监护（EFM）中诊断主观性强、检测不便捷及检测时程短的问题，设计一种远程胎心监护软件系统。方法：从基本要素和需求分析入手，选择基于心电方式的胎儿和（或）母体心率记录仪作为采集设备，其他硬件要素包括孕妇手持智能设备、服务器及中央监护站；以ython为主编程语言，MySql为数据库，以蓝牙方式进行记录仪与手持设备间的通讯，以HTTP/TCP方式进行远程数据的传输，以模型-视图-控制器（MVC）框架模式组织代码，并在此基础上进行功能实现及测试完善。结果：完成以孕妇监测客户端软件、服务器软件及中央监护站监护软件3部分为主体的系统构建，结合基于心电的胎儿和（或）母体心率记录仪，可以实现20 h的远程实时监护、心率报警及生理参数分析。结论：满足病房-护士站系统或家庭-医院系统场景的胎心监护需求，为临床诊断提供更为客观的依据。

［关键词］远程医疗；胎心监护；胎儿电子监护；软件系统

李锟，男，（1991- ），硕士研究生。北京工业大学生命科学与生物工程学院，研究方向：生物医学工程。

［First-author’s address］ College of Life Science and Bio-engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China.

随着国家允许生育二胎的政策出台，在一段时间内新生儿出生人数预计会显著增加，且高危孕妇的比例将随之增加。40岁上下的孕妇为高龄产妇，其围产儿患病率均会相应增高，因而母胎的产前常规产检及监护显得尤为重要。目前，胎儿电子监护（electronic fetal monitoring，EFM）是检测胎心率、宫缩等信息的宫内监护手段，可以判断胎儿宫内状况，从而侦测到胎儿窘迫的发生，对降低围产儿患病率和病死率起到了一定的作用［1-2］。胎儿电子监护已有40余年的历史，在发达国家发展迅速［3］。在我国，各医院多使用超声手段检测胎心率、宫缩等信息，将胎心监护作为常规产前检查中不可或缺的检测手段。为此，本研究设计一种远程胎心监护软件系统，以满足病房-护士站系统或家庭-医院系统场景的胎心监护需求。

1 胎心监护系统设计需解决的问题

1.1 胎心率图形主观性强

EFM得到的胎心监护（cardio toco graph，CTG）胎心率-宫缩图在临床诊断中尚未形成统一标准，操作人员主要通过目测分析胎心率图形，受主观因素影响较深。此外，操作人员受训练程度以及知识教育程度不同，CTG结果亦会产生不同。

在胎心率曲线出现胎儿窘迫疑似症状时，医护人员本着谨慎的态度，多会采取剖宫产以防胎儿夭折。然而，胎儿在多数情况下均会产生与胎儿窘迫类似的胎心监护表现，造成误判而导致假阳性率及剖宫产率偏高［4］。

1.2 检测不便捷

孕妇由于体态变化，多行动不便。而胎心监测通常需要孕妇赴医院进行，费时又费力，不能够进行实时监测来掌握胎儿的状况。目前，较常用的检测手段是超声检测，检测前要做较为复杂的准备活动，给孕妇胎心监测增添许多不便。

1.3 检测未形成完整的记录

目前的超声胎心监测的时长最长仅为20 min左右，胎儿在母亲体内，其许多生理状态均属未知。如果在该检测期间胎儿处于睡眠状态，有可能会对医生诊断造成影响。而如果延长监测时间，在更广的时间跨度上可以提供更多的信息，可能就区分出睡眠或清醒状态，有助于医生判断，减少误诊的概率。

为了解决上述问题，本研究旨在提出一种远程胎心监护软件系统的设计与实现，延长监护时间、开展家庭远程应用、自动化计算诊断等手段尽可能消除CTG诊断的主观性。

2 远程胎心监护软件系统设计

2.1 系统基本要素分析

胎心监护软件系统选用了基于心电方式的胎儿和（或）母体心率记录（fetal/maternal heart rate recorder，Holter）作为胎心率检测仪器，通过置于母亲腹部的5个电极片检测到胎儿心率（fetal heart rate，FHR）、孕妇心率（maternal heart rate，MHR）及子宫肌电（electrohysterography，EHG），通过加速度传感器检测母亲活动强度（maternal movement，MMov），此外可以手动记录胎动。该设备可供孕妇随身佩戴，一次检测时长可多达20 h左右，满足孕妇在家或病房长时间检测的需求。

远程监测系统需要服务器作为数据存储及转发的场所，需要两个智能终端分别供医生和护士查看监测图形和结果。其中孕妇手持终端采用便携式的手机、笔记本电脑或平板电脑；医生及护士处终端为大型的中央监护台。系统硬件要素构成如图1所示。

图1 监测系统硬件要素构成拓扑图

远程胎心监护软件系统包括孕妇监测客户端软件、服务器软件和中央监护站监护软件3部分独立软件。①孕妇监测客户端位于孕妇手持设备，用于胎心率信号的采集、显示及发送；②服务器软件实时接收胎心率信号机患者信号并进行存储；③中央监护站监护软件位于护士站的大型电脑，可接收服务器数据，多通道实时显示在线者的胎心率曲线。

2.2 系统功能需求分析

远程胎心监护软件系统的主要功能需求如图2所示。

图2 软件系统功能需求框图

整个软件系统的核心有3个功能，分别为数据传输、图形显示及警报提醒。

（1）数据部分传输需求。心率记录仪记录的胎心率等信息通过蓝牙传送到孕妇手持的手机或者平板电脑等智能设备中，由孕妇监测客户端处理，显示实时图像，并连同孕妇信息、检测状态通过Internet或局域网发送至服务器；服务器软件在数据库建立孕妇信息及生理信号表加以存储。若中央监护软件在线，服务器便会将当前在线的孕妇记录推送到中央监护软件同步显示。软件系统的数据传输流向如图3所示。

（2）图形显示。在孕妇监测客户端及中央监护站监护软件中均有图形显示的需求，显示的内容包括胎儿心率、孕妇心率、子宫肌电曲线、母亲活动强度及信噪比图形。当孕妇客户端仅需显示一位孕妇的实时图形时，中央监护站软件同时显示的是多名在线孕妇的实时图形。

（3）警报提醒。当胎儿心率超出标准范围，会以图形及声音两种形式提醒孕妇及中央监护站的医护人员。

图3 软件系统数据传输流向图

3 监护软件系统的参数分析

在监护软件系统中加入参数分析功能，使医生的诊断更为客观，尽可能的减小诊断的主观因素。涉及胎心率的主要参数为：基线分析、加速次数分析、短变异、心动周期分析、心率加速力（acceleration capacity，AC）及减速力（deceleration capacity，DC）分析。其中基线分析、加速次数分析、短变异及心动周期分析按照“中华医学会围产医学分会提出的电子胎心监护应用专家共识”为规则设定［5］。

心率减速力分析是由德国慕尼黑心脏中心Georg Schmidt教授于2006年提出，是通过24 h心率的整体趋向性分析和减速能力的测定，定量评估受检者迷走神经张力的高低，进而筛选和预警猝死高危患者的一种新的无创心电技术。该研究显示，低DC值与胎儿窘迫患者不良预后的相关性明显［6-7］。国内有研究表明，胎儿DC值、AC值越小，DC、AC在产程中增长幅度越小，发生宫内窘迫的风险就越高［8］。

4 远程胎心监护软件系统的实现

4.1 技术路线

该系统既有运行于手持设备的孕妇端检测软件和运行于大型电脑的中央监护站软件，亦有运行于服务器中的服务器软件，因而选用可跨多种平台的开发语言：即Python。同时Python是一种轻量的编程语言，拥有较多类库的支持，代码量较少，开发效率高。软件系统的技术路线如图4所示。

数据库采用MySql有两个因素：①由于数据量并不大，仅是一维的生理信号及患者信息，MySql足以应付；②考虑成本，MySql在自由项目中免费授权，降低了开发费用。

图4 软件系统的技术路线图

数据传输采用蓝牙和网络两种形式。在胎儿心电检测仪与孕妇手持设备之间采用蓝牙传输方式，遵循蓝牙2.1版本协议。网络传输采用超文本传输协议（hyper text transfer protocol，HTTP）和（或）传输控制协议（transmission control protocol，TCP）即HTTP/TCP传输方式，再另外规定特殊协议用于数据的打包和解析。

4.2 系统架构

作为大型监控软件系统，其数据与界面和逻辑的独立性尤为重要，因而该软件系统本着低耦合，模块化的原则。该系统各部分软件均以模型-视图-控制器（model view controller，MVC）框架模式组织代码，将数据、界面及逻辑控制以模块方式进行封装，以便于后期灵活修改，增删功能［9-10］。以此为基础，系统主要分为应用层、业务逻辑层及数据资源层。软件系统的总体设计架构如图5所示。

图5 软件系统总体设计架构图

5 结论

20世纪末，已出现基于电话网的胎心远程系统、采用超声多普勒胎心检测仪以及调制解调器的网络传输方式［11］。然而，该系统并未做到监护的概念，在一次检测完毕后方可进行数据的传输，丧失了时效性，其应用场景有限。国内相继出现依赖于电话网络的系统，利用电话网络传播胎心声音，计算机接收后利用声音采集卡进行数字化分析，较目前的技术相对落后［12］。10余年来，远程胎心监护和远程医疗发展缓慢的原因为：①由于社会生产力未到达足够高的层次，观念局限性使得人们关注的多是重大疾病的治疗，而日常监测及预防并未受到重视；②技术局限，近年来随着网络的飞速发展，网络普及率、传输带宽均有质的提升，在“互联网+”的大背景下，发展远程医疗或许将遇到不可多得的契机［13］。

本研究中的远程胎心监护软件系统利用当前充足的宽带网络资源，可实现20 h或更长时间的实时远程监护。监护中若胎心超限会打开警报并通知医护人员，可应用于病房-护士站系统，亦可应用于家庭医院系统。此外，远程胎心监护软件系统加入参数分析功能，为医生提供更为客观的诊断依据。但目前，本系统涉及的参数种类较少，将在后续的研究中逐渐丰富，以使监护软件系统更贴近临床需求。

参考文献

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［10］徐雯，高建华.基于Spring MVC及MyBatis的Web应用框架研究［J］.微型电脑应用，2012（7）：1-4.

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［12］王会进，陈超华，陆尧胜.基于电话网的远程胎心率自动监护系统的设计与实现［J］.计算机工程与应用，2004（10）：226-229.

［13］徐泽林，陈荣，张慧连，等.基于社区家庭的母婴健康监护系统设计［J］.中国医学装备，2014，11（8）：13-15.

①北京工业大学生命科学与生物工程学院 北京 100124

②北京工业大学软件学院 北京 100124

［文章编号］1672-8270（2016）05-0001-04 ［中图分类号］ R197.324

［文献标识码］A

DOI:10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.05.001

作者简介

收稿日期：2015-12-20

*基金项目：北京市委组织部优秀人才项目（2014000020124G044）“基于物联网技术的妊娠糖尿病远程监护系统研究”；北京市教委项目（PXM2015_014204_500064）“中小学生体育锻炼效果监测与评价系统建设与实践”；北京市教委项目（PXM2016_014204_500079）“中小学生体育运动负荷监测与评价”

*通讯作者：zhangsong@bjut.edu.cn

Design and implementation of remote electronic fetal monitoring software system

LI Kun，ZHANG Song， YANG Yi-min， et al

China Medical Equipment，2016，13（5）:1-4.

［Abstract］ Objective: There are some defects in current electronic fetal monitoring （EFM）， such as strong subjectivity in the diagnosis， inconvenience in detecting and lack of detection time. Methods: The fetal/Maternal heart rate monitor based on ECG was selected as data acquisition equipment， and other hardware elements include smart handheld devices， servers and central monitoring station. Python was the programming language， MySql was the database， bluetooth was the connection between the monitor and the handheld devices， HTTP/TCP was the remote data transmission mode，and MVC （Model View Controller） framework was used to organize code， in order to achieve function implementation and test completion. Results: Here a kind of remote fetal monitoring software system was proposed， including pregnant monitoring client， server software and central monitoring station software. Using the fetal/maternal heart rate recorder which is based on ECG， the system could achieve more than 20 hours of remote real-time monitoring， heart rate alarm detection and physiological parameter analysis. Conclusion: The system could be applied in ward-nurse station or homedoctor scenarios， providing more objective basis for clinical diagnosis.

［Key words］Telemedicine； Fetal heart rate monitoring； Electronic fetal monitoring； Software system