馬來西亞國民大學 Gan Kok Beng，Edmond Zahedi，Mohd. Alauddin Mohd. Ali （NI供稿）

挑戰:
設計一個低功率光學胎心率監聽儀，以避免使用超聲波對胎兒造成的傷害。

解決方案:
使用NI LabVIEW軟件和NI硬件設計，利用高級數字信號處理技術設計一個胎心率監護儀。

“采用LabVIEW，我們成功實現了數字同步檢測和自適應濾波技術”

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，胎心率探測較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心率檢測儀有了很大的改進，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，而且胎兒長期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僅限于進行短時間測試。

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無創傷性FECG設備。

較近，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，以無創傷性地檢測胎心率。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。可穿透的較大光波波長是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較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的較大功率，因此設定OFHR系統的工作光學功率小于國際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。

圖1：OFHR系統框圖中的硬件模塊由LabVIEW程序實現

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2a：OFHR樣機

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。

圖2b：OFHR系統的圖形化用戶界面。

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)，較大誤差為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專利。

參考

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