使用LabVIEW和NI硬件精确安全地测量胎儿心率

挑战:
    设计一个低功率光学胎心率监听仪，以避免使用超声波对胎儿造成的伤害。
解决方案:
    使用NI LabVIEW软件和NI硬件设计，利用高级数字信号处理技术设计一个胎心率监护仪。
    “采用LabVIEW，我们成功实现了数字同步检测和自适应滤波技术”
    胎心率(FHR)检测是一种用于胎儿出生前判断胎儿健康状况，并帮助识别胎儿缺氧或受压迫等潜在危险的主要方法。早期检测的目的是为了降低胎儿发病率和死亡率。
    目前，胎心率探测最常用的方式是多普勒超声波，标准的产前胎儿健康测试为胎儿无负荷试验(NST)。这些测试通常在有连续波仪器的医院内完成。
    尽管目前的超声波胎心率检测仪有了很大的改进，价格不断降低，体积也更加小巧，我们仍然需要精确的传感器校准和一定的专业知识，从而正确地操作检测仪。此外，此类仪器对移动相当敏感，而且胎儿长期暴露在超声波下可能导致的安全性问题目前还未有定论。因此，现在对检测仪的使用还仅限于进行短时间测试。
    另外一种测量胎心率的方法是胎儿心电图(FECG)，但其步骤更加复杂，实用性也更差。并且，目前市面上还没有出现商用的无创伤性FECG设备。
    最近，有人提出了一种仍然处于研究阶段的光学方法，该方法采用卤素灯或钨丝灯作为光源，通过光电倍增来实现检测。然而这些技术成本高，需要高光强，并且由于仪器尺寸和功耗限制而难以实现。
光学胎心率检测系统
    我们的研究团队提出了基于光电血管容积图(PPG) 信号的低功率光学技术，以无创伤性地检测胎心率。PPG信号是由光线经过血液脉动调制后产生的。医生或技术员用LED灯(低于68 mW)照射孕妇腹部，光束经由母亲和胎儿的血液循环进行调制。可穿透的最大光波波长是890 nm。该混合信号可通过使用数字信号处理得到的自适应滤波进行分析，并采用孕妇的食指PPG作为参考输入。
    使用LabVIEW 图形化系统设计软件和NI硬件开发光学胎心率 (OFHR)检测系统。在OFHR系统中，SNR由于入射功率的降低而随之降低；激励信号为调制后的光束。系统可实施同步检测，LabVIEW中的软件子程序使用NI 9474数字输出模块在计数器端生成调制频率。
    在接收机端，低噪声放大和同步检测确保以最小噪声功率保存到有用信息。24位的NI USB-9239 模数转换器(ADC) 降低了量化噪声的影响。一旦完成数字化，信号经自适应噪声消除器(ANC)技术处理后从混合信号中提取胎儿PPG。
    用腰带将胎儿探针(主信号)和孕妇腹部连接，使IR-LED与光电探测器保持 4 cm的距离。将参考探针和母亲的食指连接。由于所选的 IR-LED只能发射68 mW的最大功率，因此设定OFHR系统的工作光学功率小于国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)规定的87 mW。为了调制IR-LED，使用软件子程序产生725 Hz的调制信号，经由NI 9474计数器端连至LED驱动(图1)。在图1中，孕妇腹部的扩散反射光由低噪声光电探测器测量，并将其表示为I (M1, F)的形式，其中M1和F分别表示母亲腹部和胎儿对信号的影响。
    低噪(6 nV/Hz1/2)跨阻放大器将电流转换成电压。参考探针(连接于母亲的食指)由IR-LED和一个内置前置放大器的固态光电二极管组成。来自该探针的信号表示为I (M2)；M2代表母亲对信号的影响。该通道无需同步检测，因为食指的光电血管容积图具有高信噪比(SNR)。
    NI USB-9239 24位分辨率数据采集模块以5.5 kHz的速率同步采集来自两个探针的信号。在数字域执行解调、信号滤波和信号估计。软件实现了包括调制信号生成、同步检测算法、降采样、高通滤波、和自适应噪声消除(ANC)算法。
    设计团队采用LabVIEW来实现整个算法以及部分仪器。在完成ANC算法的预处理和应用以后，LabVIEW将显示胎儿信号和胎心率的结果。
    图2a显示了OFHR系统的 实验室原型和图形化用户界面，并给出了孕妇食指PPG(上)、腹部PPG(中)、以及胎儿的估计PPG(下)。
    图2b显示了三个可选的显示，包括数字同步或锁相放大器(LIA)、自适应噪声消除器(ANC)、及心律轨迹。前两个显示可用于辅助开发，第三个显示用于表明胎心率相对时间的值。用户可在线观察数据或将其保存用于进一步分析。
    完成开发之后，我们根据来自6个怀孕35到39周不等的临床对象总共24组数据测试了系统的功能性，数据由马来西亚国民大学医疗中心提供。所有参与本研究的胎儿都由产科医生检查处于健康状态，且出生时无并发症。
    在研究中，我们在光学及超声波胎心率之间获得了0.97的相关系数(p值小于0.001)，最大误差为4%。临床结果显示探针越靠近胎儿组织(不限于脑部或臀部)，越能够提高信号质量及检测精度。
结论
    研究团队采用低成本、低功率的IR灯及商业可用的硅探测器开发出了新型的OFHR探测系统。通过使用LabVIEW，我们能够快速方便地实现数字同步检测和自适应滤波技术。与标准测量方法（多普勒超声波）相比，我们测量的胎心率结果精度是较高的。基于方案的新颖性，目前我们正在申请其商业领域使用的专利。
参考
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图1：OFHR系统框图中的硬件模块由LabVIEW程序实现
 
图2a：OFHR样机
 
图2b：OFHR系统的图形化用户界面。