自動監護與無痛分娩閉環系統的設計與實現

劉飛飛，魏守水，景天磊

山東大學 控制科學與工程學院，山東 千佛山 250061

0 前言

胎兒監護和無痛分娩是保障產婦和胎兒安全，實現優生優育的重要手段。胎兒監護儀主要用于保護胎兒正常生長發育，及時消除影響胎兒生長的各種因素；減少孕婦分娩時的疼痛恐懼和產后的疲倦，安全分娩出身體健康、智力發育良好的新生兒[1]。目前，胎兒監護儀只是起到監護的作用，沒有與無痛分娩系統形成閉環，即監護和協助分娩脫離。2008年，李法升教授[2]研制出無痛分娩自動監護控制系統，即采用靜脈滴注催產素（縮宮素）方法。因孕婦對催產素的敏感度因個體差異而不同，可能造成過強宮縮導致胎兒缺氧或子宮破裂；而專家醫師個體的差異，對手動控制輸液量的多少也難免會出現誤差。為此，本文提出了一種基于LabVIEW的自動監護與無痛分娩閉環系統。系統采用乳房按摩，促使孕婦產生內源性催產素，有一定的自身調節作用，使其接近自然生理現象，比滴注催產素簡便、安全。

1 系統框架與功能

1.1 系統框架

本系統主要由超聲多普勒胎心探頭、宮縮探頭、胎動探頭、乳房按摩儀、笑氣吸入裝置、MSC1210微處理器和計算機處理系統組成（圖1）。通過接口RS-232連接MSC1210與計算機系統。計算機對數據進行預處理，實時顯示胎心率曲線、宮縮曲線、胎動信號波形，通過自動分析診斷，智能控制乳房按摩儀和笑氣吸入裝置。

1.2 系統功能

超聲多普勒探頭用于檢測胎兒心音信號[3]，探頭類型為電子凸陣，探頭頻率范圍為1.5～12 MHz，最大探查深度30 cm，掃描角度為85°。宮縮壓力探頭，用于采集宮縮信號，采用飛利浦M1355A宮縮壓力探頭。宮縮壓力測量范圍為0～100相對單位，宮縮壓力分辨率為1，宮縮壓力非線性誤差≤5%。外測時，將外測用宮縮壓力探頭固定于腹部宮體部位。胎動達標器，由計數器和胎動計數軟件組成，胎兒的胎動信號來自母體感知，孕婦每感覺到1次胎動即按1次胎動達標器按鍵，記錄1次胎動。

數據采集處理設備選用TI公司生產的帶24位A/D轉換器，并具有較強的模擬性能和數字處理能力的MSC1210微處理器，該微處理器把輸入通道選擇、緩沖、放大、增益調整、A/D轉換和數字處理集成到單片電路上，僅用一片集成電路即可實現胎心率、宮縮壓力和胎動次數等監護指標的數據采集[4]。其工作過程：① 向超聲探頭發送脈沖信號，接受反射回的超聲信號；② 為宮縮探頭供電，并且接受探頭的輸出；③ 接受胎動達標器的開關信號；④ 處理前置放大信號、濾波信號、主放大信號，然后得出胎心率值、宮縮壓值、胎動信息等監護數據與計算機通信。

2 系統開發與功能的實現

2.1 串行通信接口

為簡化接口電路設計，MSC1210與計算機以串行通信方式[5]，通過接口RS-232C連接。采用LabVIEW8.6開發軟件讀入數據，顯示胎心率曲線、宮縮曲線、胎動信號波形[6]。

2.1.1 串口通信協議

串口通信協議的各字節定義，見表1。

表1 串口通信協議字節定義

BIT 2 ～ BIT 0為8級音量調節，7（111B）為最強，0（000B）為最弱,缺省值為第3檔。如發送 0x20，表示有某一鍵按下，同時設置胎心音音量為 0檔；發送 0x12，表示產生報警，同時設置胎心音音量為 2檔； 發送 0x0b，表示宮縮壓力置20，同時設置胎心音音量為 3檔。

2.1.2 根據協議編寫串口通信

在LabVIEw功能模板中，Instnlment I/O子模板包含了進行串行通信操作的一些功能模塊，有串口寫、串口讀、串口設置、關閉串口等模塊[7]。此程序主要完成以下任務：串口通信協議參數的設置；傳送數據給計算機；計算機發送指令控制硬件的啟始和復位。

研究區域經濟時空差異及其成因，對于加快落后地區發展，保持發達地區競爭力具有重大意義。在具體的研究過程，基尼系數、經濟聯系強度模型以及社會要素流模型被廣泛應用，GIS技術也被廣泛應用在經濟發展空間結構的研究中，有力支持了探究區域經濟發展時空分異和空間結構的特征和演化過程[8]。本研究以福州市市轄區經濟和縣域經濟為研究對象，采用了指數、系數計算的方法，并結合ESDA和GIS空間分析技術，對福州市經濟發展水平和區域發展差異從時間尺度和空間結構兩個方面進行分析，以期為福州市經濟持續健康發展和區域空間組織優化提供參考。

2.1.3 胎監模塊發送到上位機的數據

每隔0.25 s發送1幀數據，每幀數據6個字節，字節之間的間隔為2 ms。每幀數據格式，見表2；數據狀態標志，見表3。

表2 上位機數據格式

表3 狀態標志

BIT 1～ BIT 0：00表示信號質量差，01為信號質量一般，10為信號質量好。

2.1.4 對讀取的數據進行處理和顯示

LabVIEW軟件對傳送的數據進行處理，首先將十六位數據設置成屬性節點值，然后讀取1幀數據的長度，再將幀數據拆分為字符串，將字符串轉換成字節進行數據顯示，并將數據置入一個FOR循環結構中。每6個字節為一個循環，循環次數由監護時間控制。

2.1.5 設置自動報警

將胎兒心率FHR1、FHR2分別設置為屬性節點的值，當報警系統檢測到100 bpm＜(FHR1、 FHR2)＜160 bpm時，顯示報警信號。報警信號的上下限值可以根據需要手動設置。報警顯示設計電路，見圖2。

2.2 自動分析診斷系統

本系統采用的推理策略，以產生式規則的正向推理為主，以案例推理為輔[8]。從胎兒監護儀得到胎心率曲線，由胎心率曲線來計算各胎心率監護指標[9]，繪出反映胎心率基線特征的特征基線值，然后由它作為初始值，逐步逼近得到胎心率曲線的基線。根據胎心率基線計算出胎心率加速、胎心率減速，胎心率的波動幅度和波動頻率。對上述指標進行Krebs[10]評分，由評分值預測胎兒健康狀況。根據評分以及胎兒在子宮中各項指標，在規則知識庫中搜索與之匹配的標準模式，發出指令控制乳房按摩儀和笑氣吸入裝置的工作狀態。

2.3 乳房按摩儀的控制

乳房按摩儀可以啟動產程和加強宮縮，在很大程度上起到催生引產的作用[11]。其專家分析系統自動調節電機的轉速，誘發最佳宮縮狀態，即10 min內出現 3～5次子宮收縮，每次宮縮持續 40～60 s為中等強度。系統根據胎心率基線、宮縮曲線和胎動標志，自動調節按摩的強度，連續3次按摩均無子宮收縮出現，則提示按摩強度過小，加大按摩的強度。異常情況下自動停止乳房按摩儀的運行。

啟動乳房按摩儀的條件：① 按開啟鍵后 115 min內無宮縮；② 宮縮后 115 min內無宮縮；③ 左側和右側按摩后1 min內無宮縮。

停止乳房按摩儀的條件：① 每次宮縮活動單位 ≥45；② 胎心率 ≥180 bpm，持續 ≥1 min；③ 胎心率≤100 bpm,持續 ≥15 s。

2.4 笑氣吸入控制

笑氣麻醉起效快、作用消失快。該裝置操作簡單、方便，鎮痛作用強，麻醉作用弱，可安全有效地降低孕婦的疼痛[11]。系統自動控制間隙性笑氣流量揮發器，決定吸入的時機（乳房按摩后115 min；宮縮出現5 s）、時限（30～40 s自動關閉）和吸入的劑量（視產婦疼痛情況而定），以達到最小吸入量、最佳鎮痛狀態。異常情況下自動停止笑氣吸入。停止吸入條件：每次宮縮活動單位≥45；胎心率≥180 bpm，持續≥1 min；胎心率≤100 bpm，持續≥15 s。

2.5 數據的存儲

基于LabVIEW數據庫訪問工具包LabSQL[12]實現數據存儲，便于數據的顯示和打印，為人工處理提供方便。本文創建的數據源名為db，LabSQL就是利用db訪問與之相關聯的數據庫。ADO Connection Create.vi和ADO Connection Open.vi完成與數據庫的連接，數據庫由DSN=db指定。系統流程，見圖3。

3 總結和展望

本文將LabVIEW軟件應用于胎兒監護系統，并將乳房按摩儀，笑氣吸入裝置與計算機相連，形成一個完整的閉環式無痛自動控制分娩系統。通過初步的臨床檢驗，與自然產程比較，采用該系統監控，產婦總產程縮短4.23 h，有效率鎮痛達到99.66%，順產率達到89%。新生兒Apgar評分: 6分 占0.73%, 8～10分 占99.27%。臨床檢驗證明，采用該系統可減輕產婦分娩疼痛、加速產程進展；減低剖宮產率，避免剖宮產兒并發癥，提高胎兒質量。對于實現優生優育，提高人口素質有重要意義。

本系統還有許多需要進一步改進和完善之處，如軟件的分析模塊對胎動次數的獲取只是采用傳統的母親主觀感覺胎動來進行標記的。下一步，可引入胎動自動識別功能，從宮縮探頭獲取宮縮壓力信號，實現對胎動信號的準確檢測；引入高級分析模塊，采用時域分析和頻域分析相結合的方法，對與臨床監護相關的參數指標進行自動化監護與控制。

[1]熊慶,蓋銘英.胎兒監護的發展與現狀[J].中華婦產科雜志,2000,35(1):7-8.

[2]李法升,邱潔.無痛分娩自動監護控制系統的研究及應用[J].淮海醫藥,2008,26(2):126-128.

[3]劉寶華,李俊英,王月琳.電子胎心率監護[M].北京:中國醫藥科技出版社,2002.

[4]陳若珠,周紅標,韋哲.基于LabVIEW的脈搏信號檢測與分析系統的設計[J].中國醫療設備,2009,24(4):20-24.

[5]梁國偉,陳方泉,林祖偉.基于LabVIEW的串口數據采集的實現及應用[J].計算機應用,2009,(5):57-58.

[6]Robert H. Bishop.LabVIEW 7使用教程[M].喬瑞萍,林欣,譯.北京:電子工業出版社,2005:28-40.

[7]楊樂平,李海濤,趙勇,等.LabVIEW高級程序設計[M].北京:清華大學出版社,2003.

[8]郭仲秋,吳健,胡正國.專家系統在醫療中的應用[J].醫學信息,1998,11(15):1-4.

[9]陳淑芳,王曉莉.胎心監護與胎動計數在診斷胎兒宮內[J].實用醫技,2001,8(6):449.

[10]程志厚,宋樹良.胎兒電子監護學[M].北京:人民衛生出版社,2001:164-178.

[11]蘇放明,郭曉輝.專家型遠程胎兒監護系統的臨床應用[J].北京:中華婦產科雜志,2002,37(8):23-25.