基于无线蓝牙技术的便携式胎儿监护系统设计*

杨品佛 张素玮 钟燕珊 麦海涛 陈超敏 徐 盼 孙海涛

近年来，我国的新生儿出生缺陷率持续上升，与国内生产总值(GDP)的增长很不协调，而我国的剖宫产率高达46.5%，高居全球第一，控制和降低剖宫产率，倡导自然分娩成为现代妇产科学发展的重要课题。

随着国家对二胎政策的放开，高龄孕妇数量的急剧上升，医疗资源将日益紧张，预计在以后的一段时间内新生儿的数量会显著增加，对母体、家庭和医生都将带来更加严峻的挑战[1]。为此，本研究设计的基于无线蓝牙技术的便携式胎儿监护系统，在围产医学领域中具有重要的意义和发展前景。

1 便携式胎儿监护系统与结构

1.1 胎儿监护系统

胎儿电子监护(electronic fetal monitoring，EFM)是通过超声多普勒探头和宫缩压力传感器，在孕妇腹部监护胎心宫缩信号的参数来判断胎儿在子宫内的发育状况[2]。传统的EFM设备体积庞大，捆绑电线多，操作复杂，并且受限于在医院监护中心实施，给本身就行动不便的孕妇带来很大的麻烦。针对上述问题本研究利用无线低功耗蓝牙4.0技术与胎心宫缩探头相结合，设计一种适合孕妇使用的便携式实时胎儿监护系统，孕妇足不出户便可随时随地对胎儿实时监护[3]。

1.2 系统结构

基于无线蓝牙技术的便携式胎儿监护系统，主要是对孕妇和胎儿实现随时随地进行实时监护的目的，而研制的设备系统主要包括胎心宫缩信号检测模块、低功耗蓝牙4.0的数据通信模块以及移动设备端，实现实时显示胎心率、宫缩压等胎儿生理参数[4]。通过超声多普勒胎心探头和宫缩压力传感器从孕妇腹壁获取胎心宫缩(cardiotocography，CTG)信号，然后将此CTG信号经低功耗蓝牙4.0模块以无线蓝牙网络的方式发射出去，最后在移动设备的上位机应用程序实时接收发射的此CTG信号，并将接收的CTG信号分别以曲线图和胎心宫缩的量化值进行显示和保存[5]。系统整体架构框图设计如图1所示。

图1 便携式胎儿监护系统结构拓扑图

2 便携式胎儿监护系统无线蓝牙模块

2.1 低功耗蓝牙4.0数据通信模块

(1)无线蓝牙模块。为了满足系统便携式、易操作和功耗低等特点，系统采用美国德州仪器公司(TI)的低功耗蓝牙4.0单模芯片CC2540，其芯片6 mm×6 mm的物理尺寸集成了控制器和主机，降低PCB板集成的复杂程度，得到广泛的应用[6]。CC2540采用Bluetooth Specification BLE V4.0协议，集成2.4 GHz收发器，具有8通道分辨率可编程数模转换器，一个CC2540主机可以与8个CC2540从机相连接，满足多通道、多参数通信功能。CC2540芯片的参数见表1。

表1 CC2540芯片参数表

(2)无线蓝牙通信。CC2540芯片是基于TI公司的BLE4.0协议栈实现数据无线传输，按照一定的通信标准进行数据收发[7]。协议栈主要包括主机和控制器，采用分层的架构从下往上分别是物理层(PHY)、链路层(LL)、主机接口控制层(HCI)、逻辑链路控制层(L2CAP)、属性协议层(ATT)、通用访问配置层(GAP)以及通用属性配置文件层(GATT)。CC2540协议栈是通过GATT层实现数据通信，当2个设备建立连接之后用户可以定义GATT服务的格式来制定自己的GATT服务，通过对GATT服务中的“特性”(characteristics)和属性进行描述和配置，GATT客户端和GATT服务端通过这些“特性”进行数据的传输[8]。GATT的特性值以及其配置信息存储在协议栈中的属性表中，属性表是一个数据库，GATT定义在蓝牙连接中读取、写入及发现属性的子过程。CC2540协议栈的开发环境采用的是IAR嵌入式工作台(embedded workbench，EW)，进行代码编写和仿真等任务[9]。蓝牙4.0协议栈启动和配置相关事件以及从机和主机无线传输数据的软件流程如图2所示。

2.2 CTG信号采集模块

图2 CTG信号数据传输流程图

(1)CTG分析原理。CTG信号是胎儿在子宫内的生理活动时产生的信号，即胎儿心率和子宫收缩压[10]。胎儿心率是胎儿的心跳速率，正常胎心应在110～160次/min，通常孕期于17～20周可在腹部用一般的听诊器听到胎心。宫缩是分娩的主要动力，贯穿于整个分娩过程中，是子宫平滑肌收缩的结果。宫缩开始是不规则、低频率且强度低，孕期在18周后宫缩逐渐变得有规律，间隔时间在2～3 min，持续时间50～60 s。临床上应用电子胎儿监护设备将CTG信号描记为CTG图，产科医生按照一定的标准对CTG曲线进行分析、评分，进而客观的评估出胎儿的健康状况[11]。

(2)胎心信号采集分析。胎心信号的采集原理是基于超声多普勒效应的原理，在声波传输过程中由于生源和声波的接收者之间具有相对运动，会使接收器接收到的频率发生变化，正是通过这种频率的变化来分析相对位置的变化[12]。胎儿超声多普勒信号是由胎儿心跳产生，具有不稳定性，近似为周期信号来进行处理。原始胎心信号如图3所示。

图3 胎心率原始信号示图

采用自相关算法用于对近似周期信号进行识别、检测和提取[13]。自相关算法的数学模型为：采样点N的数字胎心率信号x(n)，其中改进后的自适应自相关函数rxx(m)的表达计算为公式1：

式中α是控制因子，N是采样点数，rxx(m)是自相关函数。

获取自相关函数的rxx(m)曲线后，求出第一周期处峰值处的序列号Rf，若采样率为f(s)，然后通过公式2：

即可得到胎心率的瞬时速率(如图4所示)。

图4 胎儿瞬时心率曲线图

(3)宫缩信号采集分析。子宫压缩是指子宫在正常收缩的压力，是产妇检查的一个重要指标，对孕妇的早产和流产具有良好的预测效果[14]。本系统根据FSL05N2C压力传感器[7]的原理，宫缩压力UCYgY与应变片产生的电压差v0的关系表达计算为公式3：

FSL05N2C压力传感器的量程为0～500 g，灵敏度为0.12 mV/g，支持5 V电压，输出量程0～60 mV。宫缩压信号经BLE4.0模块以20 Hz，14位分辨率，3.3 V参考电压进行A/D转换，转换关系计算为公式4：

采集到的宫缩压力曲线如图5所示。

图5 宫缩压力曲线图

3 便携式胎儿监护系统临床应用

本研究研制的基于无线蓝牙技术的便携式胎儿监护系统-“母婴卫士”，已经成功获得国家软件著作登记，并于2017年6月进入临床试用，经过南方医科大学附属南方医院、广州中医药大学附属金沙洲医院妇产科的近百例门诊及家庭远程监护试用，效果良好。南方医院临床试用系统界面如图6所示。

图6 胎儿远程监护系统临床应用界面图

4 结论

本研究研制的基于无线蓝牙技术的便携式胎儿监护系统，是通过超声多普勒探头和宫缩压力传感器采集孕妇腹壁的CTG信号，并经低功耗蓝牙4.0发射传入移动监护设备(如手机、平板)，移动设备的应用程序接收的CTG信号进行实时显示并保存，其优点包括：①设备体积小，无电缆线缠绕；②胎心宫缩探头功耗小；③移动手持设备使用普遍且易于操作，随时随地可开展实时监护；④全面提升孕妇和胎儿的监护质量。

基于目前处在“云计算”，“互联网+”的大背景下，开展远程胎儿实时监护带来不可多得的机遇[16]。为实现更加智能化、便携化、家用化和互联网化的远程胎儿监护系统具有重要的意义和发展前景。