便攜式宮縮壓力監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)

陳滿妮，趙治棟

(杭州電子科技大學通信工程學院，浙江杭州310018)

0 引言

無論是早產還是流產，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)子宮收縮對于早產和先兆流產的早診斷、早預防、早治療具有十分重要的意義。近年來由于無線傳輸技術的突破與通信技術的快速發(fā)展，導致了醫(yī)療器械信號傳輸技術上的突破，國內、外專家對此進行了大量研究與探索。設計用無線代替有線傳輸方式的監(jiān)護儀，讓患者或醫(yī)生可以在自由活動中接受監(jiān)護或監(jiān)護病人［1］;建立一個以PDA為主的生理信號監(jiān)視系統(tǒng)，后續(xù)涌現(xiàn)了以PDA和無線傳輸技術為基礎的各種生理參數(shù)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)［2］;設計一套通過GSM無線網(wǎng)絡傳輸胎心的系統(tǒng)［3］，但由于對多普勒胎心探頭的放置等技術較難掌握及設備價格較昂貴等原因，這一系統(tǒng)未得到推廣應用。目前胎心監(jiān)測儀體積比較大且價格昂貴，孕婦只能定期地到醫(yī)院做產檢而沒辦法長時間地實時監(jiān)測宮縮活動，往往檢查出結果時已為時已晚，錯過了最佳的治療時期。因此設計出一套便攜式的可持續(xù)監(jiān)控子宮收縮信號，并在需要時將其實時傳輸給定點醫(yī)療機構由專業(yè)技術人員判斷有無早產(流產)的宮縮壓力監(jiān)測系統(tǒng)成了迫切的需要。本文主要對宮縮壓力監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計、系統(tǒng)功能實現(xiàn)、有效宮縮算法及實驗方法進行介紹，闡明宮縮壓力監(jiān)測系統(tǒng)的技術路線、設計方法和硬件結構。設計出的系統(tǒng)設備具有體積小、運行穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢，且其成本低、便于攜帶、操作簡單、藍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)結構框圖。首先壓力傳感器采集孕婦微弱的子宮收縮生理信號傳輸給前置儀表放大器，然后把放大到合適大小后的信號送入截止頻率為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，UART模塊讀取AD模塊轉換結果，轉換結果一方面通過SPI通信方式進行SD卡的讀寫，把采樣數(shù)據(jù)存儲在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;轉換結果另一方面通過與微控制器相連的藍牙串口模塊進行無線發(fā)送，PDA無線接收藍牙串口模塊發(fā)送的信號［4、5］。DS1302時鐘模塊連接到微控制器，在于獲取當前的實時時鐘及日歷。EEPROM存儲模塊通過I2C通信方式對壓力校準數(shù)據(jù)進行存儲，掉電不易失。按鍵控制模塊連接到微控制器，在于產生外部中斷輸入信號，同時配合LCD顯示器形成友好的人機交互操作菜單。

圖1 宮縮壓力監(jiān)測系統(tǒng)結構框圖

系統(tǒng)默認情況下可以不使用PDA及藍牙，目的是為了減小對孕婦的輻射，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，并通過蜂鳴器的報警聲了解到初步診斷結果。當初步診斷結果為異常情況時，用戶可以通過按鍵選擇開啟藍牙，同時使用PDA儲存用戶資料，并將信息寫入至記憶卡內，記錄完成的檔案直接通過PAD上的Wifi上傳至后端服務器，再通過無線網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉c醫(yī)療機構，實現(xiàn)遠程監(jiān)控，讓專家來進行專業(yè)的宮縮診斷。

2 各主要模塊功能

2.1 模擬信號采集電路

模擬信號采集電路主要功能有壓力采集和系統(tǒng)電源轉換，信號放大及濾波等。壓力傳感器采用Honeywell公司所生產的觸力傳感器型號為FS1500N2C作為檢測孕婦子宮收縮的壓力感測組件。經由觸力傳感器把宮縮壓力信號轉化成電信號，在沒有進行放大的時候，只有幾mV的大小，所以需要對信號進行放大處理。信號經過前置儀表放大處理后進入截止頻率為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。

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)字信號控制器，型號為dsPIC33FJ128MC706，其內部資源豐富:功耗低、靈活多樣的時鐘源選擇、提供最多67個中斷源和最多5個外部中斷、4種通信模塊(SPI、I2C、UART及CAN)和2個ADC數(shù)模轉換器(10位或12位的轉換)等等。利用微控制器豐富的資源，對照圖1可知本系統(tǒng)實現(xiàn)的功能主要有:

(1)利用微控制器內部的10位ADC模塊實現(xiàn)采樣信號的數(shù)模轉換功能，采樣率為10Hz，轉換完成的數(shù)字信號暫時存儲在緩存器中;

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

(3)利用微控制器內部的I2C通信模塊實現(xiàn)EEPROM對壓力校準數(shù)據(jù)的存儲，由于傳感器固有的非線性，必須通過實驗數(shù)據(jù)校準來減小其非線性;

(4)利用微控制器內部的UART通信模塊實現(xiàn)HC-06藍牙模塊的模擬串口通信，實現(xiàn)信號的無線傳輸;

(5)利用微控制器的GPIO與DS1302時鐘模塊相連，獲取其時間及日歷，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，構建友好的人機交互界面。

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)射端主要是藍牙發(fā)射模塊和微控制器構成，藍牙發(fā)射模塊為HC-06藍牙虛擬串口模塊，波特率設置為4 800，可以與藍牙筆記本電腦、電腦加藍牙適配器、PDA等設備進行無縫連接，接收端則是由藍牙手機所組成。而軟件方面則是由微控制器發(fā)射與手機端接收程序所組成。

3 系統(tǒng)驗證測試實驗

為了使系統(tǒng)更符合最后臨床測試需求，在臨床試驗前進行3個實驗以驗證系統(tǒng)功能，通過驗證可以發(fā)現(xiàn)缺點并加以改進，使系統(tǒng)更符合臨床需求。

(1)傳輸距離測試實驗

這個實驗的主要目的是測試藍牙無線系統(tǒng)的實際傳輸距離，實驗的方式是由一個受測者佩帶的儀器，分別在兩個地方(一個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?；顒涌臻g室內與戶外作為一個簡單的對比實驗。該實驗結果表明:無論是在密閉的空間還是接收信息良好的空地，系統(tǒng)可正常接收藍牙信號的距離均為1－7m，超過8m時系統(tǒng)開始出現(xiàn)錯誤接收，收不到信號或是信號延遲接收，實驗說明傳輸距離與室內、室外環(huán)境無影響。

(2)系統(tǒng)儀器校正實驗

這個實驗的主要目標是找出本系統(tǒng)數(shù)值與電壓的相關性，建立一個對應表，找到儀器與壓力的對應關系，使系統(tǒng)提取到的子宮活動信號更具意義。由于宮縮信號壓力范圍較小，所以標定范圍選為0～500g，采用的是10位的ADC，進行了11點的均勻標定操作，如表1所示，為本實驗標定測得的信號A/D轉換結果的對應關系。

表1 信號A/D轉換結果與壓力的對應關系

(3)模擬配戴實驗

為了分析儀器的可行性，首先進行無子宮收縮狀態(tài)的腹壁壓力測試。實驗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，即信號沒有有發(fā)生變化。然后讓受測者在6s內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發(fā)生明顯變化。實驗表明，該系統(tǒng)可以準確、靈敏地感應出壓力的變化情況，可用于以后的臨床宮縮壓力測試實驗。如圖2所示，為模擬佩戴壓力測試實驗圖。

圖2 模擬佩戴壓力測試實驗圖

4 結束語

目前該宮縮壓力監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)處于測試階段，已經測試的各項性能指標均基本達到要求，系統(tǒng)運行穩(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)院產檢難的問題。在以后的工作中，該系統(tǒng)還有待進一步完善，即通過大量的臨床測試實驗，分析孕婦由于呼吸及自身活動所引起的壓力變化規(guī)律，從而設法排除這些因素的干擾，以便更準確、更有效地判斷宮縮情況。

［1］ Patichis C S，Kyrafcous E，Voskarides S，etal，Wireless telemedicine systems:an overview［C］.IEEE Antennas Propag，2002:143－153.

［2］Nelwan S P，van Dam T B，Klootwijk P，etal，Ubiquitous mobile access to real-time patient monitoring data［C］.Computers in Cardiology，2002:557 －560.

［3］Chang Chien J R and Cheng-Chi Tai，The Study of a Wireless，Portable，and Real-Time Physiological Signal Monitoring System by Combining Bluetooth Technique and PDA Hand Computer［D］.Taiwan:National Cheng Kung University，2004.

［4］Brusco M and Nazeran H，Development of an intelligent PDA-based wearable digital phonocardiograph［C］.Proceedings of the IEEE Engineering in Medicine and Biology 27th Annual Conference，2005:3 506 －3 509.

［5］Brusco M，Digital phonocardiography:A PDA-based approach［C］，Proceedings of the 26th Annual Interna－tional Conference of the IEEE EMBS，2004:2 299 －2 302.