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使用LabVIEW和NI硬件精确安全地测量胎儿心率

2010-12-27 16:41
孤身万里游
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  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。

  OFHR系统框图中的硬件模块由LabVIEW程序实现

  图1:OFHR系统框图中的硬件模块由LabVIEW程序实现

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