陳滿妮，趙治棟

(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引言

無論是早產(chǎn)還是流產(chǎn)，孕婦的子宮收縮在其中均起到非常重要的作用。因此，及早地發(fā)現(xiàn)子宮收縮對(duì)于早產(chǎn)和先兆流產(chǎn)的早診斷、早預(yù)防、早治療具有十分重要的意義。近年來由于無線傳輸技術(shù)的突破與通信技術(shù)的快速發(fā)展，導(dǎo)致了醫(yī)療器械信號(hào)傳輸技術(shù)上的突破，國內(nèi)、外專家對(duì)此進(jìn)行了大量研究與探索。設(shè)計(jì)用無線代替有線傳輸方式的監(jiān)護(hù)儀，讓患者或醫(yī)生可以在自由活動(dòng)中接受監(jiān)護(hù)或監(jiān)護(hù)病人［1］;建立一個(gè)以PDA為主的生理信號(hào)監(jiān)視系統(tǒng)，后續(xù)涌現(xiàn)了以PDA和無線傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)的各種生理參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)［2］;設(shè)計(jì)一套通過GSM無線網(wǎng)絡(luò)傳輸胎心的系統(tǒng)［3］，但由于對(duì)多普勒胎心探頭的放置等技術(shù)較難掌握及設(shè)備價(jià)格較昂貴等原因，這一系統(tǒng)未得到推廣應(yīng)用。目前胎心監(jiān)測儀體積比較大且價(jià)格昂貴，孕婦只能定期地到醫(yī)院做產(chǎn)檢而沒辦法長時(shí)間地實(shí)時(shí)監(jiān)測宮縮活動(dòng)，往往檢查出結(jié)果時(shí)已為時(shí)已晚，錯(cuò)過了最佳的治療時(shí)期。因此設(shè)計(jì)出一套便攜式的可持續(xù)監(jiān)控子宮收縮信號(hào)，并在需要時(shí)將其實(shí)時(shí)傳輸給定點(diǎn)醫(yī)療機(jī)構(gòu)由專業(yè)技術(shù)人員判斷有無早產(chǎn)(流產(chǎn))的宮縮壓力監(jiān)測系統(tǒng)成了迫切的需要。本文主要對(duì)宮縮壓力監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)、有效宮縮算法及實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行介紹，闡明宮縮壓力監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)路線、設(shè)計(jì)方法和硬件結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)設(shè)備具有體積小、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢，且其成本低、便于攜帶、操作簡單、藍(lán)牙無線傳輸代替有線傳輸，大大提高了宮縮壓力監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

1 宮縮壓力監(jiān)測系統(tǒng)組成

如圖1所示，為宮縮壓力監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。首先壓力傳感器采集孕婦微弱的子宮收縮生理信號(hào)傳輸給前置儀表放大器，然后把放大到合適大小后的信號(hào)送入截止頻率為10Hz的低通濾波器，目的是濾除不必要的高頻與中頻噪聲，再把濾波后的宮縮信號(hào)送入微控制器，所述的微控制器含有AD模塊和UART模塊，AD模塊采樣送入微控制器的宮縮壓力信號(hào)，UART模塊讀取AD模塊轉(zhuǎn)換結(jié)果，轉(zhuǎn)換結(jié)果一方面通過SPI通信方式進(jìn)行SD卡的讀寫，把采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡上，并通過換算得到我們所需的物理量顯示在LCD屏幕上;轉(zhuǎn)換結(jié)果另一方面通過與微控制器相連的藍(lán)牙串口模塊進(jìn)行無線發(fā)送，PDA無線接收藍(lán)牙串口模塊發(fā)送的信號(hào)［4、5］。DS1302時(shí)鐘模塊連接到微控制器，在于獲取當(dāng)前的實(shí)時(shí)時(shí)鐘及日歷。EEPROM存儲(chǔ)模塊通過I2C通信方式對(duì)壓力校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，掉電不易失。按鍵控制模塊連接到微控制器，在于產(chǎn)生外部中斷輸入信號(hào)，同時(shí)配合LCD顯示器形成友好的人機(jī)交互操作菜單。

圖1 宮縮壓力監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)默認(rèn)情況下可以不使用PDA及藍(lán)牙，目的是為了減小對(duì)孕婦的輻射，用戶僅使用含LCD的儀器裝置足夠觀察到宮縮波形及壓力大小，并通過蜂鳴器的報(bào)警聲了解到初步診斷結(jié)果。當(dāng)初步診斷結(jié)果為異常情況時(shí)，用戶可以通過按鍵選擇開啟藍(lán)牙，同時(shí)使用PDA儲(chǔ)存用戶資料，并將信息寫入至記憶卡內(nèi)，記錄完成的檔案直接通過PAD上的Wifi上傳至后端服務(wù)器，再通過無線網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉c(diǎn)醫(yī)療機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，讓專家來進(jìn)行專業(yè)的宮縮診斷。

2 各主要模塊功能

2.1 模擬信號(hào)采集電路

模擬信號(hào)采集電路主要功能有壓力采集和系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換，信號(hào)放大及濾波等。壓力傳感器采用Honeywell公司所生產(chǎn)的觸力傳感器型號(hào)為FS1500N2C作為檢測孕婦子宮收縮的壓力感測組件。經(jīng)由觸力傳感器把宮縮壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，在沒有進(jìn)行放大的時(shí)候，只有幾mV的大小，所以需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理。信號(hào)經(jīng)過前置儀表放大處理后進(jìn)入截止頻率為10Hz的低通濾波器，濾掉不必要的高頻與中頻噪聲，使系統(tǒng)得到較好的采集信號(hào)。

2.2 微控制器系統(tǒng)

系統(tǒng)選用的微控制器為16位高性能數(shù)字信號(hào)控制器，型號(hào)為dsPIC33FJ128MC706，其內(nèi)部資源豐富:功耗低、靈活多樣的時(shí)鐘源選擇、提供最多67個(gè)中斷源和最多5個(gè)外部中斷、4種通信模塊(SPI、I2C、UART及CAN)和2個(gè)ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換器(10位或12位的轉(zhuǎn)換)等等。利用微控制器豐富的資源，對(duì)照?qǐng)D1可知本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能主要有:

(1)利用微控制器內(nèi)部的10位ADC模塊實(shí)現(xiàn)采樣信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，采樣率為10Hz，轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字信號(hào)暫時(shí)存儲(chǔ)在緩存器中;

(2)利用微控制器內(nèi)部的SPI通信模塊實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)在SD卡上的存儲(chǔ)，通過按鍵選擇是否存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)于SD卡中，把緩存器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到SD卡中;

(3)利用微控制器內(nèi)部的I2C通信模塊實(shí)現(xiàn)EEPROM對(duì)壓力校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，由于傳感器固有的非線性，必須通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)來減小其非線性;

(4)利用微控制器內(nèi)部的UART通信模塊實(shí)現(xiàn)HC-06藍(lán)牙模塊的模擬串口通信，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無線傳輸;

(5)利用微控制器的GPIO與DS1302時(shí)鐘模塊相連，獲取其時(shí)間及日歷，方便用戶使用;(6)利用微控制器的GPIO與按鍵及LCD液晶顯示屏相連，構(gòu)建友好的人機(jī)交互界面。

2.3 無線傳輸系統(tǒng)

無線傳輸系統(tǒng)主要包含有硬件和軟件部分，硬件方面有發(fā)射端和接收端，發(fā)射端主要是藍(lán)牙發(fā)射模塊和微控制器構(gòu)成，藍(lán)牙發(fā)射模塊為HC-06藍(lán)牙虛擬串口模塊，波特率設(shè)置為4 800，可以與藍(lán)牙筆記本電腦、電腦加藍(lán)牙適配器、PDA等設(shè)備進(jìn)行無縫連接，接收端則是由藍(lán)牙手機(jī)所組成。而軟件方面則是由微控制器發(fā)射與手機(jī)端接收程序所組成。

3 系統(tǒng)驗(yàn)證測試實(shí)驗(yàn)

為了使系統(tǒng)更符合最后臨床測試需求，在臨床試驗(yàn)前進(jìn)行3個(gè)實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證系統(tǒng)功能，通過驗(yàn)證可以發(fā)現(xiàn)缺點(diǎn)并加以改進(jìn)，使系統(tǒng)更符合臨床需求。

(1)傳輸距離測試實(shí)驗(yàn)

這個(gè)實(shí)驗(yàn)的主要目的是測試藍(lán)牙無線系統(tǒng)的實(shí)際傳輸距離，實(shí)驗(yàn)的方式是由一個(gè)受測者佩帶的儀器，分別在兩個(gè)地方(一個(gè)密閉的空間與一塊接受信息良好的空地)做不同的傳輸距離測試，如此可和孕婦的日常活動(dòng)空間室內(nèi)與戶外作為一個(gè)簡單的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:無論是在密閉的空間還是接收信息良好的空地，系統(tǒng)可正常接收藍(lán)牙信號(hào)的距離均為1－7m，超過8m時(shí)系統(tǒng)開始出現(xiàn)錯(cuò)誤接收，收不到信號(hào)或是信號(hào)延遲接收，實(shí)驗(yàn)說明傳輸距離與室內(nèi)、室外環(huán)境無影響。

(2)系統(tǒng)儀器校正實(shí)驗(yàn)

這個(gè)實(shí)驗(yàn)的主要目標(biāo)是找出本系統(tǒng)數(shù)值與電壓的相關(guān)性，建立一個(gè)對(duì)應(yīng)表，找到儀器與壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使系統(tǒng)提取到的子宮活動(dòng)信號(hào)更具意義。由于宮縮信號(hào)壓力范圍較小，所以標(biāo)定范圍選為0～500g，采用的是10位的ADC，進(jìn)行了11點(diǎn)的均勻標(biāo)定操作，如表1所示，為本實(shí)驗(yàn)標(biāo)定測得的信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表1 信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果與壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系

(3)模擬配戴實(shí)驗(yàn)

為了分析儀器的可行性，首先進(jìn)行無子宮收縮狀態(tài)的腹壁壓力測試。實(shí)驗(yàn)的流程是將傳感器放在受測者的肚臍上方2cm，用腰帶固定傳感器，啟動(dòng)儀器開始校正，使壓力值初始化，在沒有受力的情況下，顯示的壓力值幾乎為零，即信號(hào)沒有有發(fā)生變化。然后讓受測者在6s內(nèi)腹部肌肉用力收縮一次，顯示的壓力值呈現(xiàn)由小到大再變小的波形變化趨勢，即感測器因受力而使信號(hào)發(fā)生明顯變化。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、靈敏地感應(yīng)出壓力的變化情況，可用于以后的臨床宮縮壓力測試實(shí)驗(yàn)。如圖2所示，為模擬佩戴壓力測試實(shí)驗(yàn)圖。

圖2 模擬佩戴壓力測試實(shí)驗(yàn)圖

4 結(jié)束語

目前該宮縮壓力監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)處于測試階段，已經(jīng)測試的各項(xiàng)性能指標(biāo)均基本達(dá)到要求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、便于攜帶、操作簡單且成本低，適合普通家用，解決了廣大孕婦去醫(yī)院產(chǎn)檢難的問題。在以后的工作中，該系統(tǒng)還有待進(jìn)一步完善，即通過大量的臨床測試實(shí)驗(yàn)，分析孕婦由于呼吸及自身活動(dòng)所引起的壓力變化規(guī)律，從而設(shè)法排除這些因素的干擾，以便更準(zhǔn)確、更有效地判斷宮縮情況。

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