专利名称：非线性胎儿心率监测仪的制作方法
技术领域：
本发明属于医疗保健技术领域，涉及一种保健监测仪器；国际专利分类号A61B5/024。
背景技术：
胎儿心率的变化可反应出胎儿在母体内的不同健康状况，通过检测胎儿心率可以诊断出胎儿的各种疾病。也就是说胎儿心率信号载有丰富的标志胎儿健康状况的信息。在传统的医学检测中，医生采用传统的胎儿心率监护仪，将胎儿心率记录在纸带上，医生凭借多年积累的临床经验诊断胎儿疾病与胎儿健康状况。因医生个体间的差异，诊断无统一的客观标准。
发明人采用非线性动力学方法研究胎儿的生长发育及分娩前瞬时胎儿心率与新生儿健康之间的关系。以往，什么样胎儿心率的记录曲线表明胎儿(包括分娩后的新生儿)是健康的或乏氧或接近死亡的，医生只能凭经验判断，没有统一的客观标准。本发明研制的非线性胎儿心率监测仪可记录胎儿的瞬时心率，并依据非线性动力学原理，采用相空间重构，关联维，最大李氏指数，功率谱，相关函数，近似熵等方法从多个视角分析胎儿健康状况。可作定性与定量统计分析和分类，为围产期保健与优生、优育提供科学依据。
发明内容
本发明的目的是提供一种非线性胎儿心率监测仪，它不仅能通过计算机实时显示、记录与存储胎儿的心率信号，而且能采用非线性动力学分析方法(关联维，最大李氏指数，近似熵，功率谱，自相关函数与互相关函数)表示出胎儿在母体内的不同健康状况。
本发明采用超声多普勒传感器提取出胎儿的心音信号，然后利用胎儿心率信号提取器从胎儿心音的音频信号中提取出音频信号的包络，且将音频信号的包络转换为与之相对应的方波信号，使得一个方波信号与一次胎儿心跳相对应；将由胎儿心率信号提取器得到的方波信号传递给PC6360模/数入接口卡，完成胎儿心率信号的模/数转换，并传递给非线性计算机分析处理器，由非线性计算机分析处理器根据相邻两次方波的时间间隔计算出瞬时胎儿心率，非线性计算机分析处理器进一步可完成瞬时胎儿心率信号的数据及图形的实时显示、重现，以及数据的存储，非线性计算机分析处理器的非线性动力学参数计算部分可以计算胎儿心率信号的关联维，最大李氏指数，熵，复杂度，功率谱，自相关函数与互相关函数。
医生可根据非线性特征量的不同分布区间与不同胎儿健康状况的对应关系，做出诊断建议。
本发明的技术解决方案如图1所示，首先由超声多普勒传感器提取出胎儿的心音信号，利用胎儿心率信号提取器(其电路原理图如图2-8所示)从胎儿心音的音频信号中提取出音频信号的包络(图2-7所示)，使得一个胎儿心音信号的包络与一次胎儿心跳相对应，经过零比较电路(图8)后，使一个心音信号的包络对应于一个方波信号；将胎儿心率信号提取器得到的方波信号传递给PC6360模/数接口卡，完成胎儿心率信号的模/数转换并传递给非线性计算机分析处理器，由非线性计算机分析处理器根据相邻两次方波的时间间隔计算出瞬时胎儿心率同时进一步可完成瞬时胎儿心率信号的数据及图形显示、重现，以及数据的存储，非线性计算机分析处理器可以计算胎儿心率信号的关联维，最大李氏指数，熵，复杂度，功率谱，自相关函数与互相关函数。医生可利用胎儿瞬时心率信号的非线性动力学参量的不同分布与胎儿健康状况的对应关系，给出诊断建议。
关于电路原理图的相关说明首先由超声多谱勒探头提取出胎儿心音信号，随后连接的是由电阻器R1、电容器C1及运算放大器μA741组成的电缆跟随器(如图2所示)，其中电阻器R1可采用可变电阻器，与运算放大器μA741的管脚6连接着的是由电阻器R2、R3、R4、R5与运算放大器μA741组成的放大电路(如图2所示)，其中电阻器R5可采用可变电阻器，这样放大器的放大倍数在一定范围内可调。运算放大器μA741芯片的引脚6与乘法器MC1495的引脚9连接。由电阻R13、R14、R15、R16，稳压二极管D1、D2及运算放大器μA741组成的方波发生器(如图3所示)，运算放大器μA741芯片的引脚6与乘法器(如图4所示)MC1495的引脚4连接。乘法器MC1495的引脚1通过电阻器R8与+15V电源连接，引脚2通过电阻器R10与+15V电源连接，引脚3通过电阻器R7接地，引脚5与引脚6之间接有电阻器R12，引脚7接-15V电源，引脚8接地，引脚10与引脚11之间连接有电阻器R11，引脚12接地，引脚13通过电阻器R6与地连接，引脚14通过电阻器R9与+15V电源连接，同时引脚14直接接地，引脚2与由电阻器R17、R19、R21、R23、R25、R27、R29、R31，电容器C3、C5、C7、C9、C11、C12、C14及4个运算放大器μA741芯片组成的中心频率为5Hz的8阶切比雪夫低通滤波器(如图5所示)，滤波器的第三个运算放大器μA741芯片引脚6与由电阻器R18、R20、R22、R24、R26、R28、R30、R32，电容器C4、C6、C8、C10、C22、C13、C25、C16及4个运算放大器μA741芯片组成的中心频率为5Hz的8阶切比雪夫低通滤波器(如图6所示)，滤波器的第三个运算放大器μA741芯片引脚6与由电容器C17、电阻器R33组成的过零电路(如图7所示)连接，过零电路随后与由电阻器R34、R35、R36、R37、R38、R39、R40、R41，电容器C8、C9、C10、C11、C23、C24、C26、C27及4个运算放大器μA741芯片组成的中心频率为5Hz的8阶切比雪夫低通滤波器(如图7所示)，滤波器的第三个μA741芯片的引脚6与电阻器R42、R43、R44及一个运算放大器μA741芯片组成的放大器(如图8所示)，放大器的引脚6与运算放大器μA741的引脚3连接，此运算放大器μA741的引脚2接地，引脚6与由电阻器R45、R46、二极管D3、D4、，电容器C28组成的电压限幅电路(如图8所示)，电阻器R46，电容器C28的连接处，与PC6360模/数接口卡的数字输入通道相联。
由超声多谱勒探头采集到的胎儿心音信号，首先经过电缆跟随器，然后是放大器，接着心音信号与95Hz方波信号进行相干检波，相干检波后的信号，连续通过2个8阶切比雪夫低通滤波器，然后经过零电路，再经过8阶切比雪夫低通滤波器，接着对信号进行放大，然后过零比较，电压限幅，最后经PC6360模/数接口卡的数字输入通道接入非线性计算机分析处理器。最后运用非线性计算机分析处理器进行数据处理与分析。
所述的非线性计算机分析处理器装有由VB高级语言编制的人机交互界面和VC高级语言编制的非线性动力学分析软件包的工作界，并使用TC高级语言编制了非线性动力学分析软件包中的分析软件。
本发明的分析软件是由二维相空间重构程序单元，功率谱程序单元，时间序列程序单元，近似熵程序单元，相关函数程序单元，关联维程序单元，最大李氏指数单元程序和vc界面单元程序组成，首先，打开vc界面这个程序，展现在我们面前的是一个对话框，他里面的下拉菜单里有7个程序二维相空间重构程序，功率谱程序，时间序列程序，近似熵程序，相关函数程序，关联维程序，最大李氏指数程序。在运行这7个程序里面的相关函数程序是为关联维和最大李氏指数的一个参量；所以，在运行关联维程序和最大李氏指数程序之前是要先运行相关函数程序；根据上述程序所得的数据医生可以准确地对胎儿心率进行分析，分析判断胎儿的健康状况；下面分述各程序的流程
vc++编成的界面程序，开始建一个工程。然后在Dialog中添加一个对话框。在Dialog上添加控件(下拉菜单、三个按钮、粘贴位图)，在CmyDlg类添加8个变量和其代表的内容，分别对上面控件添加响应程序，这样程序就结束了近似熵的程序流程图，首先打开待分析的数据文件，然后它会计算出这个文件共有的数据总个数；然后，从文件读出待分析的数据个数N，算出标准差σ，算出0.2*σ→L，输入嵌入维m，由于算法本身要求为2。重构m维矢量的相空间，计算出这个空间任意两个点的距离小于L的个数付给count，所以近似熵就是近似熵(ApEn)limN→∝[Φm(L)-Φm+1(L)]]]>而 关联维的程序流程图，首先打开待分析的数据文件，然后它会计算出这个文件共有的数据总个数；然后，从文件读出待分析的数据个数n放到另一个数据文件1中，然后输入起始维数m，增长的步长mk，和延迟量k。当m＜md进入循环语句，在这个循环里面，首先要重构m维矢量的相空间(其算法与二维相空间重构的流程图相同)分别放到两个数据文件2，3中，求出文件2，3中数的距离d存到文件4中，然后就入下一个循环，输入起始半径A，增长的半径步长B，初始化s为0。当r＜C时就入循环从文件4中读出数据与r比，如果d＜r，s就加1，大于r是就加0。这样在r＜C这一条件下会求出一组lnC(r)和ln(r)，然后画出图形，这图形的斜率就是要求的维数D。然后m再加上mk又会求出一个维数D，这样会求出一组；(流程图中的锯齿线与直线并未相交)功率谱程序流程图，首先打开待分析的数据文件，然后它会计算出这个文件共有的数据总个数；然后，从文件读出待分析的数据个数n放到另一个数据文件1中。用这n个数作自相关函数放到数据文件2中，再用2中的数据作傅立叶变换得到的数据画图就是功率谱的图形了；(自相关的算法就是相关函数程序的流程图的算法)相关函数的程序流程图，首先打开待分析的数据文件，然后它会计算出这个文件共有的数据总个数；然后，从文件读出待分析的数据个数N放到一个数据文件1中。输入Nb值(想要画点的个数)，m赋值为0，(N-Nb)赋给T。若m＜Nb，进入外循环，然后把求和变量s赋值为0。进入内循环，j是内循环变量，起始值为0，j＜T。计算两个延迟量相乘，将s与乘积求和再赋予s，内循环完了就可以求出一个s值来。以m和s作为横、纵坐标画图。(如果是从一个时间序列读数计算就是自相关，若是从不同的两个时间序列读数就是互相关。图形的第一极小值就是时间延迟量)二维相空间重构的程序流程图，开始程序会询问你待分析的数据文件名字，然后会计算出这个文件共有多少个数据；然后，从这个文件读出你想要分析的数据个数n，然后把它又放到数据文件1中，就着输入延迟变量值，嵌入维初始值m＝2，延迟量k，初始化变量b为0，计算出点的个数；接着是两个循环语句。首先，i是外循环，j是那循环，从文件1中读数付给变量y，当i，j，k，b，m满足框图所示的条件时，并且b＝0时就把y写到文件2中，当b＝1时就写到文件3中，这样就可以用2，3中的数据非别作为横纵坐标画图了。(上面的锯齿线和直线并未相交)时间程序的程序流程图，这是个计算时间延迟量的程序流程图，首先打开待分析的数据文件，然后它会计算出这个文件共有的数据总个数。然后，输入起始点vb，末了点ve，计算总点数ve-vb→n，接着就可以画图了，横坐标是自然数，纵坐标是从数据文件读出来的数。
最大李氏指数的程序流程图，首先打开待分析的数据文件，然后它会计算出这个文件共有的数据总个数。然后，从文件读出待分析的数据个数n放到另一个数据文件1中，然后输入起始维数m＝mb，增长的步长mp，和延迟量k。当m＜md进入循环语句，在这个循环里面，首先要重构m维矢量的相空间并把其放到数据文件2中，选定一点j(＜n-(m-1)*k)，然后找出其最近邻点J′，并算出其距离d(0)，经过τ时间后再次算出这两点的距离d(τ)，画出d(τ)随τ的变化曲线、并求其斜率值就是最大李氏指数值，再次把m加上步长mp循环语句处进行计算。
本发明的积极效果是(1)临床方面可指导临床医生依据非线性动力学原理通过对瞬时胎儿心率的观察与分析判断胎儿的健康状况(目前临床医生根据胎儿心率监测的基线及其波动直接判断胎儿健康)；(2)指导计划生育通过对胎儿健康状况的分析与研究对改善人口健康状况，提高人口素质具有十分深远的意义。
(3)价格便宜，市场前景看好，经二次开发可在全国县级以上医院推广使用。
本发明可在县级以上医院临床推广使用，可在高等院校临床医学教学；教学研究与科研研究领域推广使用，经济效益与社会效益明显。
图1为本发明整体示意方框图；图2为本发明放大电路；图3为本发明方波发生器；图4为本发明乘法器；图5为本发明低通滤波；图6为本发明低通滤波；图7为本发明过零及低通滤波；图8为本发明过零比较及限幅；图9为本发明操作程序示意图；图10为本发明vc++编成的界面程序图11为本发明近似熵的程序流程图；图12为本发明相关函数的程序流程图；图13为本发明功率谱程序流程图；图14为本发明时间延迟量的程序流程图；图15为本发明二维相空间重构的程序流程图；图16为本发明关联维的程序流程图；图17为本发明最大李氏指数的程序流程图。
具体实施例方式
实施例本发明由四部分组成①超声多普勒传感器；②由模拟电路与数字电路组成的胎儿心率信号提取器；③胎儿心率信号提取器与PC6360模/数接口卡联接，完成胎儿心率信号的模/数转换；④非线性计算机分析处理器；下面结合附图进一步叙述本发明，所述的胎儿心音信号由超声多谱勒探头采集进来，随后连接的是由电阻器R1、电容器C1及运算放大器μA741组成的电缆跟随器(如图2所示)，其中电阻器R1可以采用可变电阻，与电缆跟随器的运算放大器μA741的引脚6连接着的是由电阻器R2、R3、R4、R5与运算放大器μA741组成的放大电路(如图2所示)，其中R5可以用可变电阻，这样放大器的放大倍数在一定范围内可调；心音信号经过放大后，输入乘法器MC1495的引脚9，心音信号与方波信号进行相干检波；由电阻器R13、R14、R15、R16，稳压二极管D1、D2及运算放大器μA741组成的方波发生器(如图3所示)，运算放大器μA741的引脚6与乘法器MC1495(如图4所示)的引脚4连接；乘法器MC1495的引脚1通过电阻器R8与+15V电源连接，引脚2通过电阻器R10与+15V电源连接，引脚3通过电阻器R7接地，引脚5与引脚6之间接有电阻器R12，引脚7接-15V电源，引脚8接地，引脚10与引脚11之间连接有电阻器R11，引脚12接地，引脚13通过电阻器R6与地连接，引脚14通过电阻器R9与+15V电源连接，同时引脚14直接接地，相干检波后得到心音信号包络；随后经过由电阻器R17、R19、R21、R23、R25、R27、R29、R31，电容器C3、C5、C7、C9、C11、C12、C15、C14及4个运算放大器μA741组成的中心频率为5Hz的8阶切比雪夫低通滤波器(如图5所示)，滤波器的第三个运算放大器μA741的引脚6与由电阻器R18、R20、R22、R24、R26、R28、R30、R32，电容器C4、C6、C8、C10、C22、C13、C25、C16及4个运算放大器μA741芯片组成的中心频率为5Hz的8阶切比雪夫低通滤波器(如图6所示)，信号由第三个运算放大器的引脚6输出，经过两次低通滤波后得到完好的心音包络；随后对信号进行过零，去掉直流成分；过零电路(如图7所示)是由电容器C17、电阻器R33组成；随后与由电阻器R34、R35、R36、R37、R38、R39、R40、R41，电容器C8、C9、C10、C11、C23、C24、C26、C27及4个运算放大器μA741组成的中心频率为5Hz的8阶切比雪夫低通滤波器9(如图7所示)连接，去掉由过零引入的干扰，滤波器的第三个运算放大器μA741的引脚6与电阻器R42、R43、R44及一个运算放大器μA741组成的放大器(如图8所示)，对信号进行放大；放大后的信号经过零比较(如图8所示)后得到心音包络的方波信号，经电压限幅电路(如图8所示)，去掉信号中的负值部分，得到TTL波，随后与PC6360模/数接口卡的数字输入通道相联接入非线性计算机分析处理器。由非线性计算机分析处理器根据记录的相邻两次方波的时间间隔，计算出瞬时胎儿心率。
前述运算放大器可以用NE532等高集成度的运算放大器来代替。
电路元器件参数R1＝200kΩ；R2＝10kΩ；R3＝20kΩ；R4＝20kΩ；R5＝10kΩ；C1＝120pF；R6＝12kΩ；R7＝12kΩ；R8＝3kΩ；R9＝R10＝20kΩ；R11＝R12＝10kΩ；R13＝R14＝20kΩ；R15＝48.8kΩ；R16＝473kΩ；R17＝R19＝R21＝R23＝R25＝R27＝R29＝R31＝100KΩ；C3＝0.15μF；C5＝0.033μF；C7＝2.2μF；C9＝0.15μF；
C11＝0.047μF；C12＝0.047μF；C15＝0.01μF；C14＝10μF；R18＝R20＝R22＝R24＝R26＝R28＝R30＝R32＝100kΩ；C4＝0.15μF；C6＝0.033μF；C8＝2.2μF；C10＝0.15μF；C22＝0.047μF；C13＝0.047μF；C25＝10μF；C16＝0.01μF；C17＝0.1μF；R33＝410Ω；R34＝R35＝R36＝R37＝R38＝R39＝R40＝R41＝100kΩ；C8＝0.15μF；C9＝0.033μF；C10＝2.2μF；C11＝0.15μF；C23＝0.047μF；C24＝0.047μF；C26＝10μF；C27＝0.01μF；R42＝5kΩ；R43＝7.5kΩ；R44＝15kΩ；R45＝470kΩ；R46＝1.5kΩ；C28＝0.01μF。
其中电阻器全部采用碳膜电阻，电容器C14、C25、C26是电解电容，其余电容均为陶瓷电容，二极管D1、D2、D3、D4均为5.5V稳压二极管，放大器均为运算放大器μA741。我们也可以用集成度更高的运算放大器，例如使用运算放大器NE5532等来代替运算放大器μA741。
非线性胎儿心率监测仪的操作界面，是用Visual-Basic高级语言编制，由三个部分组成首先是一个弹出界面，然后是一个患者信息录入界面，可以输入患者的姓名、年龄、病例号及妊娠周数，最后是工作界面。
工作界面可以实现以下功能(1)瞬时胎儿心率信号的实时显示与记录，40-240bpm；(2)瞬时胎儿心率信号的报警显示，即当瞬时胎儿心率值低于120bpm，或高于160bpm，且持续20秒时界面上黄灯或红灯亮；(3)具有数据存贮功能；(4)具有数据及图形的重现功能。
非线性胎儿心率监测仪使用VC高级语言编制了非线性动力学分析软件包的工作界面，并使用TC高级语言编制了计算程序；可以计算胎儿心率信号的关联维，最大李氏指数，近似熵，功率谱，自相关函数与互相关函数。利用非线性动力学参量与不同胎儿健康状况的对应关系，给出诊断建议。
本发明的操作过程将超声多普勒探头放置于孕妇腹部，由超声多普勒探头提取出胎儿心音信号，将由超声多普勒传感器探头提取出的胎儿心音信号传递给由模拟电路与数字电路组成的胎儿心率信号提取器，将胎儿心率信号提取器与PC6360模/数接口卡联接，完成胎儿心率信号的模/数转换，由计算机计算出瞬时胎儿心率，并显示在计算机显示器上。检测完毕后计算机自动存储胎儿瞬时心率数据，最后可由非线性动力学软件包提供的程序对瞬时胎儿心率数据做非线性动力学分析。首先，打开vc界面这个程序，展现在我们面前的是一个对话框，他里面的下拉菜单里有7个程序二维相空间重构程序，功率谱程序，时间序列程序，近似熵程序，相关函数程序，关联维程序，最大李氏指数程序。在运行这7个程序里面的相关函数程序是为关联维和最大李氏指数的一个参量；所以，在运行关联维程序和最大李氏指数程序之前是要先运行相关函数程序；根据上述程序所得的数据医生可以准确地对胎儿心率进行分析，分析判断胎儿的健康状况。
权利要求
1.一种非线性胎儿心率监测仪，是由超声多普勒传感器、胎儿心率信号提取器、模/数转换器和非线性计算机分析处理器所组成，其特征是采用超声多普勒传感器提取出胎儿的心音信号，然后利用胎儿心率信号提取器从胎儿心音的音频信号中提取出音频信号的包络，且将音频信号的包络转换为与之相对应的方波信号，使得一个方波信号与一次胎儿心跳相对应；将由胎儿心率信号提取器得到的方波信号传递给PC6360模/数接口卡，完成胎儿心率信号的模/数转换，并传递给非线性计算机分析处理器，由非线性计算机分析处理器根据相邻两次方波的时间间隔计算出瞬时胎儿心率，非线性计算机分析处理器进一步可完成瞬时胎儿心率信号的数据及图形的实时显示、重现，以及数据的存储；所述的非线性计算机分析处理器装有由VB高级语言编制的人机交互界面和VC高级语言编制的非线性动力学分析软件单元的工作界面，使用TC高级语言编制了非线性动力学分析软件包中的分析软件，该分析软件包括有二维相空间重构程序单元，功率谱程序单元，时间序列程序单元，近似熵程序单元，相关函数程序单元，关联维程序单元，最大李氏指数程序单元；其中相关函数程序单元是关联维程序单元和最大李氏指数程序单元的一个参量。
2.根据权利要求1所述的一种非线性胎儿心率监测仪，其特征是所述的二维相空间重构程序单元，功率谱程序单元，相关函数程序单元，时间序列程序单元，根据需要选择一个，或多个，或全选。
全文摘要
一种非线性胎儿心率监测仪，属于医疗保健设备技术领域，采用超声多普勒传感器提取出胎儿的心音信号，然后利用胎儿心率信号提取器从胎儿心音的音频信号中提取出音频信号的包络，将由胎儿心率信号提取器得到的方波信号传递给PC6360模/数入接口卡，完成胎儿心率信号的模/数转换，并传递给非线性计算机分析处理器，所述的非线性计算机分析处理器装有由VB高级语言编制的人机交互界面和VC高级语言编制的非线性动力学分析软件包的工作界，并使用TC高级语言编制了非线性动力学分析软件包中的分析软件，医生可做出诊断建议指导临床；本发明具有价格便宜，市场前景看好，可在全国县级以上医院、高等院校临床医学教学与科研领域推广使用，经济效益与社会效益明显的积极效果。
文档编号A61B5/0402GK1792322SQ20051001651
公开日2006年6月28日 申请日期2005年1月11日 优先权日2005年1月11日
发明者肖青, 刘玉萍, 刘春霞, 高思莉, 邱红梅, 张亮, 徐明奇, 王立媛 申请人:肖青