NILabVIEW和NI硬件精确安全地测量胎儿心率

NI LabVIEW 和NI硬件精确安全 地测量胎儿心率采用 LabVIEW，我 们成功实现了数字同 步检测和自适应滤波 技术。- Gan Kok Beng, Universiti Kebangsaan Malaysia, Faculty of EngineeringThe Challenge: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。The Solution: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。图1: OFHR系 统框图中的硬件模块 由LabVIEW程 序实现Author (s):Gan Kok Beng - Universiti Kebangsaan Malaysia, Faculty of EngineeringEdmond Zahedi - Universiti Kebangsaan Malaysia, Faculty of EngineeringMohd. Alauddin Mohd. Ali - Universiti Kebangsaan Malaysia, Faculty of Engineering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。1/4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 M.A. Mohd. Alauddin, E. Zahedi, K. B. Gan, M.A. J. Muhd. Yassin and S. Ahmad, “使 用无创伤光学技术进 行胎儿心率检 测,” 专利申 请, 2009. F. S. Najafabadi, E. Zahedi, and M. A. Mohd Ali, “ 基于 独立组件分析的胎儿 心率监护,” Computers in Biology and Medicine, vol. 36 (3), pp. 241-252, 2006. N. Ramanujam, G. Vishnoi, A. H. Hielscher, M. E. Rode, I. Forouzan, and B. Chance, “ 使用连续波的宫 内胎儿脑部光子迁 移，接近红外波谱： 临床及试验模型研 究,” Journal of Biomedical Optics, pp. 163- 172, 2000. K. B. Gan, E. Zahedi and Mohd. Alauddin Mohd. Ali, “经腹腔 胎儿心率检测使用 NIR 光电血管容 积描述法：仪表及临 床结果”, IEEE Transactions On Biomedical Engineering, Vol. 56 (8), pp. 2075- 2082, 2009 国际非电离辐射防护 委员会 “ICNIRP对 LED及激光二极管 的声明：危险性评估 结论,” Health Phys., vol. 78, no. 6, pp. 744 752, 2000.Author Information:Gan Kok BengUniversiti Kebangsaan Malaysia, Faculty of Engineering43600 UKM Bangi, SelangorMalaysiaTel: +603- 8921 6316Fax: +603- 8921 6146 kok_beng_ganyahoo. com图1: OFHR系 统框图中的硬件模块 由LabVIEW程 序实现2/4图2-a:OFHR 样机图2-b OFHR 系统的图形化用户界 面LegalThis case study (this case study) was developed by a National Instruments (NI) customer. THIS CASE STUDY IS PROVIDED AS IS WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND AND SUBJECT TO CERTAIN RESTRICTIONS AS MORE SPECIFICALLY SET FORTH IN NI.COMS TERMS OF USE 3/44/4