使用LabVIEW和NI硬件精確安全地測量胎兒心率

　　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(hù)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(tuán)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(jìn)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(tuán)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。