专利名称：便携式超声多普勒胎儿心率监护仪及其控制方法
技术领域：
本发明属于医疗器械技术领域，特别是涉及一种便携式超声多普勒胎儿心率监护仪及其控制方法。
背景技术：
随着科学技术的飞速发展和人民生活水平的不断提高，人们清楚的意识到生活质量和身体健康密切相关，同时人们对优生优育的认识也逐步加强。提高人口出生质量，降低围产儿的发病率和死亡率是妇幼保健工作的一项重要内容。据世界卫生组织总干事2005年在日内瓦发布的《2005年世界健康报告-重视每个母亲和儿童的健康》报告指出有330万婴儿胎死腹中，400多万婴儿未满观天就已死亡；同时，大约有50万妇女在怀孕期、分娩期死亡。统计资料表明这些死亡中有25%是可以避免的，因此，在围产期对胎儿的生长发育进行监护是十分有必要的。对胎儿进行监护不但可以了解胎儿的发育状况，而且可以发现胎儿的窘迫现象， 及时采取措施，保证胎儿与孕妇的健康与安全。在胎儿围产期，以及在孕妇分娩过程中，由于脐带压迫、供血不足、孕妇运动激烈等原因造成胎儿暂时性缺氧现象，严重时会引起胎儿智力迟钝、窒息、痴呆，最严重时会引起胎儿死亡；另外，在严重的时候还有可能造成孕妇死亡，所以在围产期对胎儿和孕妇进行行之有效的监护具有十分重要的意义。而且，现代科学技术的迅速发展为孕妇和胎儿的监护提供了有力的技术保障，在围产期对胎儿和孕妇进行有效地监护将受到越来越广泛的重视。临床表明胎儿的心率可以在一定程度上反映胎儿的状况。所以，围产期胎心率的检测对提高分娩质量、降低胎儿死亡率有重要意义，已经成为了围产期临床常规检查的一种重要手段。胎儿心率的变化反映了胎儿机体内外环境对心血管系统的扰动以及心血管系统通过自主神经及体液调节对这种扰动的反应，胎儿心率信号蕴含了大量有关心血管调节的信息，对这些信息的提取和分析研究可以定量或者定性评估心脏交感神经和迷走神经的均衡性、紧张性及其对心血管系统活动的影响，胎儿心率信号的研究对围产期胎儿和孕妇的监护具有十分重要的意义。影响胎儿心率波动的因素十分复杂，例如大脑的高级神经活动、中枢神经系统的自发性节律活动、呼吸活动、心血管反射活动以及心脏的交感神经和迷走神经的交互作用都会引起胎儿心率的波动。因此，研究怎样能便捷、准确、行之有效的检测围产期胎儿心率， 保证胎儿和孕妇的健康与安全是一项具有十分重大意义的研究。目前，市场上销售的便携式胎儿心率监护仪存在不同程度的如下缺陷1、功能有限，检测不准确，不便于携带，使用不灵活；2、系统的功耗较大，普通的电池难以维持长时间的监护，同时高功耗也会使系统的工作温度升高，影响各部分电路的工作效果及使用寿命； 3、系统的抗干扰能力差。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种使用安全、检测准确、功能齐全的便携式超声多普勒胎儿心率监护仪及其控制方法。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种便携式超声多普勒胎儿心率监护仪，包括超声波发射接收单元、胎儿心率信号提取单元及胎儿心率信号处理单元；所述超声波发射接收单元的输出端与胎儿心率信号提取单元的输入端相连接，所述胎儿心率信号提取单元的输出端与胎儿心率信号处理单元的输入端相连接；所述超声波发射接收单元由超声探头驱动信号产生模块、超声探头及选频放大电路组成，所述超声探头驱动信号产生模块由正弦信号发生电路和超声探头驱动电路组成； 所述正弦信号发生电路的输出端一路经超声探头驱动电路与超声探头相连接，另一路与胎儿心率信号提取单元的同步解调电路的输入端相连接，所述超声探头经选频放大电路与所述胎儿心率信号提取单元的输入端相连接；所述胎儿心率信号提取单元由同步解调电路、信号预处理电路、增益放大电路、全波整流电路、二阶滤波电路及信号调理电路组成；所述同步解调电路的输入端分别与所述超声波发射接收单元的选频放大电路和正弦信号发生电路的输出端相连接，同步解调电路的输出端依次经信号预处理电路、增益放大电路、全波整流电路、二阶滤波电路与所述信号调理电路的输入端相连接，所述信号调理电路的输出端与所述胎儿心率信号处理单元的输入端相连接；所述胎儿心率信号处理单元包括数字信号处理器、存储器、键盘、喇叭及液晶屏， 所述数字信号处理器内置的模数转换器的输入端与所述胎儿心率信号提取单元的信号调理电路的输出端相连接，所述数字信号处理器的输出端分别与液晶屏、喇叭、键盘及存储器相连接。所述胎儿心率信号处理单元还包括SD卡、USB接口及串行接口，所述数字信号处理器的输出端分别与SD卡、USB接口及串行接口相连接。所述便携式超声多普勒胎儿心率监护仪的控制方法，包括如下步骤步骤一采用基于最大熵原理的小波包混合节点阈值去噪的方法对胎儿心率信号提取单元提取到的胎儿心率信号进行数字滤波；步骤二采用广义核相关算法对经步骤一处理后的胎儿心率信号进行心率检测。步骤一中所述的基于最大熵原理的小波包混合节点阈值去噪的方法，具体包括如下步骤步骤A 根据小波包基函数的紧支撑性、正则性、消失矩、正交性原则选取原始采集到的胎儿心率信号的小波包基函数，确定小波包变换的分解层数；步骤B:利用Mallat塔式方法对胎儿心率回波信号进行小波包变换，从而得到不同分解层数的高频系数分量和低频系数分量；步骤C:计算最大分解层数上第j个节点的小波包阈值，j e [1，2，Λ，32]，将第j 个节点的数据点等分成N等份，计算每一份的熵；选取熵值最大的一份数据的中值作为该节点数据的噪声标准差，记为、.；将ζ j带入阈值求解公式，=G^log乂中，其中，Nj为第j个节点的数据的个数，thh为阈值；当j大于16时，取，=ζ·7Λ/210§乂，当j小于或等于I6时，取 =Ca/2log乂，其中，σ为第1层分解系数高频分量的中值；步骤D 利用步骤C中计算出来的阈值处理最大层分解的小波包系数，并进行小波包阈值去噪；步骤E 对经过步骤D处理的最大层分解的小波包系数进行重构，以实现有效胎儿心率信号的提取。步骤二中所述的广义核相关算法，具体包括如下步骤步骤A 将经步骤一处理后的胎儿心率信号数据带入广义核相关函数
Λι Ν-\-τ
R^r) = ~ Σ (、*、《+、+1*、+1 +1)4中，计算广义核相关系数# k).广义自相关函数近似
^v n=0nX^1 ^ ，
ι N-1-τ
为&⑴Σ昨《，O，式中，tn, tn+,分别为两个不同的数据时刻，τ为时间间隔，N为
丄、M=O
胎儿心率信号数据的长度，κ ( ·)为一可微分函数，表示tn，tn+, 二者的相关程度；利用多项式核算法的思想，4维多项式空间上的可微分函数^0^)=仏14_+1,1+1^^1+1 +1)4，其中，X = [^il , + J，ζ = + + ，、,、+1分别为时刻t1;、+1对应的胎儿心率信号数据值，VdVi 分别为时刻、+ τ，tl+l+ τ对应的胎儿心率信号数据值；将κ (χ, ζ)代
Λι Ν-\-τ
入广义自相关函数中，得到广义核相关函数民⑴Σ (^1 *、《 +、+1 +D4 ；步骤B 找到步骤A中计算所得广义核相关系数中的首个极值点的位置，记为M ；步骤C 将步骤B所得的极值位置M带入胎儿心率计算公式Ffetal = 60中，即可
得到胎儿心率，式中，Ffrtal为胎儿心率，单位次/分钟，fs为胎儿心率信号的采样率。本发明的有益效果1、集成度高，本发明的优势在于其便携性、紧凑型、经济性，其高度集成的特点使其所占用的组件数量与电路板尺寸比常规监护仪要降低45%左右，从而使其在患者监护及消费医疗领域有了更多的发展空间；2、功耗低，对于便携式设备，除了尺寸的要求外，另一个难点就是要解决功耗问题；本发明的功耗比市场常用的监护仪降低35%左右，所以本发明低功耗特性非常明显；3、功能丰富，本发明具有键盘、液晶屏、喇叭、SD卡、存储器、USB接口和串行接口等，使其同时具有用户设置、心率信号显示、心跳声音播放、心率波形存储以及心率数据本地传输等功能；4、本发明的胎儿心率信号提取单元采用预处理、放大、滤波和信号调理等电路，保证了胎儿心率信号采集和检测的准确性；5、本发明的数字信号处理器采用了 TI公司的TMS320VC5&系列DSP，速度快，处理能力强，可以实时的检测胎儿心率；6、本发明采用了先进的数字信号处理算法，从而实现胎儿心率的准确检测，
本发明采用了基于最大熵原理的小波包混合节点阈值去噪的方法对采集到的胎儿心率信号进行数字滤波，并采用广义核相关算法对胎儿心率信号进行准确检测；7、成本低，本发明比市场常用的监护仪的成本降低了 50%以上。
图1为本发明的便携式超声多普勒胎儿心率监护仪的电路原理框图；图2为本发明的便携式超声多普勒胎儿心率监护仪的超声探头驱动信号产生模块的电路原理图；图3为本发明的便携式超声多普勒胎儿心率监护仪的选频放大电路的电路原理图；图4为本发明的便携式超声多普勒胎儿心率监护仪的同步解调电路的电路原理图；图5为除同步解调电路外的胎儿心率信号提取单元的电路原理图；图6为本发明的便携式超声多普勒胎儿心率监护仪的存储器电路的电路原理图；图7为本发明的便携式超声多普勒胎儿心率监护仪的SD卡电路的电路原理图；图8为本发明的便携式超声多普勒胎儿心率监护仪的键盘电路的电路原理图；图9为本发明的便携式超声多普勒胎儿心率监护仪的液晶屏接口电路的电路原理图；图10为本发明的便携式超声多普勒胎儿心率监护仪的USB接口电路的电路原理图；图11为本发明的便携式超声多普勒胎儿心率监护仪的串行接口电路的电路原理图；图12为应用本发明的便携式超声多普勒胎儿心率监护仪的控制方法的原始信号波形仿真图；图13为应用本发明的便携式超声多普勒胎儿心率监护仪基于最大熵原理的小波包混合节点阈值去噪的方法去噪后的信号波形图；图14为应用本发明的便携式超声多普勒胎儿心率监护仪广义核相关算法后检测的信号波形图；图15为本发明的胎儿心率监护仪的控制方法的程序流程图；图16为本发明的基于最大熵原理的小波包混合节点阈值去噪方法的程序流程图；图17为本发明的广义核相关算法的程序流程图；图中，1、超声波发射接收单元，2、胎儿心率信号提取单元，2-1、同步解调电路， 2-2、信号预处理电路，2-3、增益放大电路，2-4、全波整流电路，2-5、二阶滤波电路，2-6、信号调理电路，3、胎儿心率信号处理单元，3-1、数字信号处理器，3-2、存储器，3-3,SD卡，3_4、 键盘，3-5、喇叭，3-6、液晶屏，3-7、USB接口，3-8、串行接口，4-超声探头驱动信号产生模块，4-1、正弦信号发生电路，4-2、超声探头驱动电路，5-超声探头，6-选频放大电路。
具体实施例方式如图1所示，一种便携式超声多普勒胎儿心率监护仪，包括超声波发射接收单元 1、胎儿心率信号提取单元2及胎儿心率信号处理单元3 ；所述超声波发射接收单元1的输出端与胎儿心率信号提取单元2的输入端相连接，所述胎儿心率信号提取单元2的输出端与胎儿心率信号处理单元3的输入端相连接；所述超声波发射接收单元1用于发射超声波信号和接收胎儿心率回波信号，所述胎儿心率信号提取单元2从得到的胎儿心率回波信号中提取胎儿心率信号，所述胎儿心率信号处理单元3用于处理、检测胎儿心率信号和显示胎儿心率。所述超声波发射接收单元1由超声探头驱动信号产生模块4、超声探头5及选频放大电路6组成，所述超声探头驱动信号产生模块4由正弦信号发生电路4-1和超声探头驱动电路4-2组成；所述正弦信号发生电路4-1的输出端一路经超声探头驱动电路4-2与超声探头5相连接，另一路与胎儿心率信号提取单元的同步解调电路2-1的输入端相连接，所述超声探头5经选频放大电路6与所述胎儿心率信号提取单元2的输入端相连接。所述超声探头驱动信号产生模块4产生超声探头驱动信号，驱动超声探头5发射超声波；该超声波遇到胎儿心脏反射回超声回波信号，该超声回波信号再由超声探头5接收。正弦信号发生电路4-1采用文氏桥振荡电路，产生2MHz的正弦波信号，经过超声探头驱动电路4-2连接到超声探头5，发射出2MHz的超声波。胎儿心率回波信号被超声探头5接收，然后经过选频放大电路6后，送入胎儿心率信号提取单元2。所述胎儿心率信号提取单元2由同步解调电路2-1、信号预处理电路2-2、增益放大电路2-3、全波整流电路2-4、二阶滤波电路2-5及信号调理电路2-6组成；所述同步解调电路2-1的输入端分别与所述超声波发射接收单元1的选频放大电路6和正弦信号发生电路4-1的输出端相连接，同步解调电路2-1的输出端依次经信号预处理电路2-2、增益放大电路2-3、全波整流电路2-4、二阶滤波电路2-5与所述信号调理电路2-6的输入端相连接， 所述信号调理电路2-6的输出端与所述胎儿心率信号处理单元3的输入端相连接。同步解调电路2-1接收超声波发射接收单元1传来的超声回波信号，经过同步解调电路2-1后去除2MHz的载波信号；然后依次经过信号预处理电路2-2、增益放大电路2-3、全波整流电路
2-4、二阶滤波电路2-5、信号调理电路2-6，最后输出给胎儿心率信号处理单元3的模数转换器。所述胎儿心率信号处理单元3包括数字信号处理器DSP3-1、存储器FLANH3-2、键盘3-4、喇叭3-5及液晶屏3-6，所述数字信号处理器3-1内置的模数转换器ADC的输入端与所述胎儿心率信号提取单元2的信号调理电路2-6的输出端相连接，所述数字信号处理器3-1的第一输入输出端作为存储器3-2的输入输出端，数字信号处理器3-1的第二输入输出端连接SD卡3-3的输入输出端，数字信号处理器3-1的第三输入输出端连接键盘3-4 的输出端，数字信号处理器3-1的第四输入输出端连接喇叭3-5的输入端，数字信号处理器
3-1的第五输入输出端连接液晶屏3-6的输入端，数字信号处理器3-1的第六输入输出端作为USB接口 3-7的输入输出端，数字信号处理器3-1的第七输入输出端连接串行接口 3-8 的输入输出端。由数字信号处理器3-1内置的模数转换器ADC接收胎儿心率信号提取单元 2传送来的胎儿心率信号，经过数字信号处理器3-1处理后送液晶屏3-6显示，并通过喇叭 3-5播放心跳声；通过键盘3-4可以对系统的音量、亮度、是否存储等进行控制。
如图15所示，所述便携式超声多普勒胎儿心率监护仪的控制方法，包括如下步骤步骤一采用基于最大熵原理的小波包混合节点阈值去噪的方法对胎儿心率信号提取单元2提取到的胎儿心率信号进行数字滤波；步骤二采用广义核相关算法对经步骤一处理后的胎儿心率信号进行心率检测。如图16所示，步骤一中所述的基于最大熵原理的小波包混合节点阈值去噪的方法，具体包括如下步骤步骤A 根据小波包基函数的紧支撑性、正则性、消失矩、正交性原则选取原始采集到的胎儿心率信号的小波包基函数，确定小波包变换的分解层数；紧支撑性、正则性、消失矩、正交性原则要同时满足。几种常用的小波包基函数有Haar小波、Daubechies小波、Symlets小波、Coiflet 小波、Biorthogonal小波。Haar小波是最早的正交小波，在频域不具有正则性，即频域不具有收敛性。Daubechies小波为非对称正交小波函数，给定消失矩N时Daubechies小波具有最短的紧支集长度，由于Daubechies小波的尺度函数和小波函数是紧支撑的，因此所产生的镜像滤波器组是有限冲激响应滤波器组。Symlets小波和Coiflet小波是一种近似对称的小波。Biorthogonal小波是一族双正交小波，对不同尺度伸缩下的小波函数之间有正交性，而尺度之间通过平移得到的小波函数系之间没有正交性。几种常见小波包基函数及其性质，见表1.1所示。表1. 1几种常见小波包基函数及其性质
权利要求
1.一种便携式超声多普勒胎儿心率监护仪，其特征在于包括超声波发射接收单元、胎儿心率信号提取单元及胎儿心率信号处理单元；所述超声波发射接收单元的输出端与胎儿心率信号提取单元的输入端相连接，所述胎儿心率信号提取单元的输出端与胎儿心率信号处理单元的输入端相连接；所述超声波发射接收单元由超声探头驱动信号产生模块、超声探头及选频放大电路组成，所述超声探头驱动信号产生模块由正弦信号发生电路和超声探头驱动电路组成；所述正弦信号发生电路的输出端一路经超声探头驱动电路与超声探头相连接，另一路与胎儿心率信号提取单元的同步解调电路的输入端相连接，所述超声探头经选频放大电路与所述胎儿心率信号提取单元的输入端相连接；所述胎儿心率信号提取单元由同步解调电路、信号预处理电路、增益放大电路、全波整流电路、二阶滤波电路及信号调理电路组成；所述同步解调电路的输入端分别与所述超声波发射接收单元的选频放大电路和正弦信号发生电路的输出端相连接，同步解调电路的输出端依次经信号预处理电路、增益放大电路、全波整流电路、二阶滤波电路与所述信号调理电路的输入端相连接，所述信号调理电路的输出端与所述胎儿心率信号处理单元的输入端相连接；所述胎儿心率信号处理单元包括数字信号处理器、存储器、键盘、喇叭及液晶屏，所述数字信号处理器内置的模数转换器的输入端与所述胎儿心率信号提取单元的信号调理电路的输出端相连接，所述数字信号处理器的输出端分别与液晶屏、喇叭、键盘及存储器相连接。
2.根据权利要求1所述的一种便携式超声多普勒胎儿心率监护仪，其特征在于所述胎儿心率信号处理单元还包括SD卡、USB接口及串行接口，所述数字信号处理器的输出端分别与SD卡、USB接口及串行接口相连接。
3.权利要求1所述的便携式超声多普勒胎儿心率监护仪的控制方法，其特征在于包括如下步骤步骤一采用基于最大熵原理的小波包混合节点阈值去噪的方法对胎儿心率信号提取单元提取到的胎儿心率信号进行数字滤波；步骤二 采用广义核相关算法对经步骤一处理后的胎儿心率信号进行心率检测。
4.根据权利要求3所述的便携式超声多普勒胎儿心率监护仪的控制方法，其特征在于步骤一中所述的基于最大熵原理的小波包混合节点阈值去噪的方法，具体包括如下步骤步骤A 根据小波包基函数的紧支撑性、正则性、消失矩、正交性原则选取原始采集到的胎儿心率信号的小波包基函数，确定小波包变换的分解层数；步骤B 利用Mallat塔式方法对胎儿心率回波信号进行小波包变换，从而得到不同分解层数的高频系数分量和低频系数分量；步骤C:计算最大分解层数上第j个节点的小波包阈值，j e [1，2，Λ，32]，将第j个节点的数据点等分成N等份，计算每一份的熵；选取熵值最大的一份数据的中值作为该节点数据的噪声标准差，记为、；将ζ j带入阈值求解公式，=G^log乂中，其中，Nj为第j个节点的数据的个数，thr」为阈值；当j大于16时，取乂，当j小于或等于16 时，取，=CTA/21og乂，其中，σ为第1层分解系数高频分量的中值；步骤D 利用步骤C中计算出来的阈值处理最大层分解的小波包系数，并进行小波包阈值去噪；步骤E 对经过步骤D处理的最大层分解的小波包系数进行重构，以实现有效胎儿心率信号的提取。
5.根据权利要求3所述的便携式超声多普勒胎儿心率监护仪的控制方法，其特征在于步骤二中所述的广义核相关算法，具体包括如下步骤步骤A 将经步骤一处理后的胎儿心率信号数据带入广义核相关函数Λι Ν-\-τR^r) = ~ Σ (、*、《+、+1*、+1 +1)4中，计算广义核相关系数# k).广义自相关函数近似^v n=0aX^c J ，ι N-1-τ为&⑴Σ昨《，O，式中，tn, tn+,分别为两个不同的数据时刻，τ为时间间隔，N为丄、M=O胎儿心率信号数据的长度，κ ( ·)为一可微分函数，表示tn，tn+, 二者的相关程度；利用多项式核算法的思想，4维多项式空间上的可微分函数^0^)=仏14_+1,1+1^^1+1 +1)4，其中，X = [^il , + J，ζ = + + ，、,、+1分别为时刻t1;、+1对应的胎儿心率信号数据值，VdVi 分别为时刻、+ τ，tl+l+ τ对应的胎儿心率信号数据值；将κ (χ, ζ)代Λι Ν-\-τ入广义自相关函数中，得到广义核相关函数民⑴Σ (^1 *、《 +、+1 +D4 ； 步骤B 找到步骤A中计算所得广义核相关系数中的首个极值点的位置，记为M ； 步骤C 将步骤B所得的极值位置M带入胎儿心率计算公式F fetal = 60 中，即可得到胎儿心率，式中，Ffrtal为胎儿心率，单位次/分钟，fs为胎儿心率信号的采样率。
全文摘要
便携式超声多普勒胎儿心率监护仪及其控制方法，属于医疗器械技术领域。本发明提供一种使用安全、检测准确、功能齐全的便携式超声多普勒胎儿心率监护仪及其控制方法。胎儿心率监护仪包括超声波发射接收单元、胎儿心率信号提取单元及胎儿心率信号处理单元；所述超声波发射接收单元的输出端与胎儿心率信号提取单元的输入端相连接，所述胎儿心率信号提取单元的输出端与胎儿心率信号处理单元的输入端相连接。胎儿心率监护仪的控制方法，包括如下步骤步骤一采用基于最大熵原理的小波包混合节点阈值去噪的方法对胎儿心率信号提取单元提取到的胎儿心率信号进行数字滤波；步骤二采用广义核相关算法对经步骤一处理后的胎儿心率信号进行心率检测。
文档编号A61B8/02GK102499717SQ201110390938
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月30日 优先权日2011年11月30日
发明者佘黎煌, 张石, 朱万里, 李大宇, 王明全, 王鸿雁, 钟华, 鲍喜荣 申请人:东北大学