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使用LabVIEW和NI硬件精確安全地測量胎兒心率

時間:2010-12-23 16:20:08來源:xuliyuan

導(dǎo)語:?使用NI LabVIEW軟件和NI硬件設(shè)計,利用高級數(shù)字信號處理技術(shù)設(shè)計一個胎心率監(jiān)護儀。

挑戰(zhàn):
設(shè)計一個低功率光學(xué)胎心率監(jiān)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(shè)計,利用高級數(shù)字信號處理技術(shù)設(shè)計一個胎心率監(jiān)護儀。

 采用LabVIEW,我們成功實現(xiàn)了數(shù)字同步檢測和自適應(yīng)濾波技術(shù)

      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(fā)病率和死亡率。

      目前,胎心率探測最常用的方式是多普勒超聲波,標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)前胎兒健康測試為胎兒無負(fù)荷試驗(NST)。這些測試通常在有連續(xù)波儀器的醫(yī)院內(nèi)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?nèi)匀恍枰_的傳感器校準(zhǔn)和一定的專業(yè)知識,從而正確地操作檢測儀。此外,此類儀器對移動相當(dāng)敏感,而且胎兒長期暴露在超聲波下可能導(dǎo)致的安全性問題目前還未有定論。因此,現(xiàn)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(fù)雜,實用性也更差。并且,目前市面上還沒有出現(xiàn)商用的無創(chuàng)傷性FECG設(shè)備。

      最近,有人提出了一種仍然處于研究階段的光學(xué)方法,該方法采用鹵素?zé)艋蜴u絲燈作為光源,通過光電倍增來實現(xiàn)檢測。然而這些技術(shù)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(xiàn)。

光學(xué)胎心率檢測系統(tǒng)

      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(xué)技術(shù),以無創(chuàng)傷性地檢測胎心率。PPG信號是由光線經(jīng)過血液脈動調(diào)制后產(chǎn)生的。醫(yī)生或技術(shù)員用LED燈(低于68 mW)照射孕婦腹部,光束經(jīng)由母親和胎兒的血液循環(huán)進行調(diào)制??纱┩傅淖畲蠊獠úㄩL是890 nm。該混合信號可通過使用數(shù)字信號處理得到的自適應(yīng)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(tǒng)設(shè)計軟件和NI硬件開發(fā)光學(xué)胎心率 (OFHR)檢測系統(tǒng)。在OFHR系統(tǒng)中,SNR由于入射功率的降低而隨之降低;激勵信號為調(diào)制后的光束。系統(tǒng)可實施同步檢測,LabVIEW中的軟件子程序使用NI 9474數(shù)字輸出模塊在計數(shù)器端生成調(diào)制頻率。

      在接收機端,低噪聲放大和同步檢測確保以最小噪聲功率保存到有用信息。24位的NI USB-9239 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 降低了量化噪聲的影響。一旦完成數(shù)字化,信號經(jīng)自適應(yīng)噪聲消除器(ANC)技術(shù)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(fā)射68 mW的最大功率,因此設(shè)定OFHR系統(tǒng)的工作光學(xué)功率小于國際非電離輻射防護委員會(ICNIRP)規(guī)定的87 mW。為了調(diào)制IR-LED,使用軟件子程序產(chǎn)生725 Hz的調(diào)制信號,經(jīng)由NI 9474計數(shù)器端連至LED驅(qū)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。

      低噪(6 nV/Hz1/2)跨阻放大器將電流轉(zhuǎn)換成電壓。參考探針(連接于母親的食指)由IR-LED和一個內(nèi)置前置放大器的固態(tài)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(shù)據(jù)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(shù)字域執(zhí)行解調(diào)、信號濾波和信號估計。軟件實現(xiàn)了包括調(diào)制信號生成、同步檢測算法、降采樣、高通濾波、和自適應(yīng)噪聲消除(ANC)算法。

      設(shè)計團隊采用LabVIEW來實現(xiàn)整個算法以及部分儀器。在完成ANC算法的預(yù)處理和應(yīng)用以后,LabVIEW將顯示胎兒信號和胎心率的結(jié)果。

      圖2a顯示了OFHR系統(tǒng)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2b顯示了三個可選的顯示,包括數(shù)字同步或鎖相放大器(LIA)、自適應(yīng)噪聲消除器(ANC)、及心律軌跡。前兩個顯示可用于輔助開發(fā),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(shù)據(jù)或?qū)⑵浔4嬗糜谶M一步分析。

      完成開發(fā)之后,我們根據(jù)來自6個懷孕35到39周不等的臨床對象總共24組數(shù)據(jù)測試了系統(tǒng)的功能性,數(shù)據(jù)由馬來西亞國民大學(xué)醫(yī)療中心提供。所有參與本研究的胎兒都由產(chǎn)科醫(yī)生檢查處于健康狀態(tài),且出生時無并發(fā)癥。

      在研究中,我們在光學(xué)及超聲波胎心率之間獲得了0.97的相關(guān)系數(shù)(p值小于0.001),最大誤差為4%。臨床結(jié)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(zhì)量及檢測精度。

結(jié)論

      研究團隊采用低成本、低功率的IR燈及商業(yè)可用的硅探測器開發(fā)出了新型的OFHR探測系統(tǒng)。通過使用LabVIEW,我們能夠快速方便地實現(xiàn)數(shù)字同步檢測和自適應(yīng)濾波技術(shù)。與標(biāo)準(zhǔn)測量方法(多普勒超聲波)相比,我們測量的胎心率結(jié)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(yè)領(lǐng)域使用的專利。

參考

  • M.A. Mohd. Alauddin, E. Zahedi, K. B. Gan, M.A.J. Muhd. Yassin and S. Ahmad, “Fetal Heart Rate Detection Using A Non-Invasive Optical Technique,” Patent pending, 2009.
  • F. S. Najafabadi, E. Zahedi, and M. A. Mohd Ali, “Fetal heart rate monitoring based on independent component analysis,” 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, “Photon migration through the fetal head in utero using continuous wave, near infrared spectroscopy: clinical and experimental model studies,” Journal of Biomedical Optics, pp. 163-172, 2000.
  • K. B. Gan, E. Zahedi and Mohd. Alauddin Mohd. Ali, “Transabdominal Fetal Heart Rate Detection Using NIR Photopleythysmography: Instrumentation and Clinical Results”, IEEE Transactions On Biomedical Engineering, Vol. 56(8), pp. 2075-2082, 2009
  • International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection “ICNIRP statement on light-emitting diodes (LEDs) and laser diodes: Implications for hazard assessment,” Health Phys., vol. 78, no. 6, pp. 744–752, 2000.
  • M.A. Mohd. Alauddin, E. Zahedi, K. B. Gan, M.A.J. Muhd. Yassin and S. Ahmad, “使用無創(chuàng)傷光學(xué)技術(shù)進行胎兒心率檢測,” 專利申請, 2009.
  • F. S. Najafabadi, E. Zahedi, and M. A. Mohd Ali, “ 基于獨立組件分析的胎兒心率監(jiān)護,” 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, “ 使用連續(xù)波的宮內(nèi)胎兒腦部光子遷移,接近紅外波譜:臨床及試驗?zāi)P脱芯?” Journal of Biomedical Optics, pp. 163-172, 2000.
  • K. B. Gan, E. Zahedi and Mohd. Alauddin Mohd. Ali, “經(jīng)腹腔胎兒心率檢測使用NIR 光電血管容積描述法:儀表及臨床結(jié)果”, IEEE Transactions On Biomedical Engineering, Vol. 56(8), pp. 2075-2082, 2009
  • 國際非電離輻射防護委員會 “ICNIRP對LED及激光二極管的聲明:危險性評估結(jié)論,” Health Phys., vol. 78, no. 6, pp. 744–752, 2000.

 

圖1:OFHR系統(tǒng)框圖中的硬件模塊由LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)

 

圖2a:OFHR樣機

 

圖2b:OFHR系統(tǒng)的圖形化用戶界面。

 

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