智能母嬰監護系統的設計與實現

摘 要： 母嬰監護系統現已成為產科產前、產時行之有效的監護手段，能通過胎心率曲線診斷胎兒的健康狀況，對提高出生人口素質，減少殘疾嬰兒的出生具有重要作用。傳統的母嬰監護系統體積較大、操作比較復雜、實時性差、價格比較昂貴。因而設計了一種智能母嬰監護系統，根據嵌入到無線智能傳感器中的算法提取出穩定的胎心率，將胎心率以及孕婦其它監護數據以無線的方式發送到本地或遠程監護中心，本地監護設備或遠程的監護中心將各項數據進行實時處理、分析、顯示或報警，輔助醫生或將信息及時反饋回來通知孕婦進行診治。

關鍵詞：

中圖分類號： ＴＰ３９１．７ 文獻標識碼： Ａ 文章編號：２０９５－２１６３（２０１１）０３－００１３－０５

Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｍａｔｅｒｎａｌ ａｎｄ Ｃｈｉｌｄ Ｃａｒｅ Ｓｙｓｔｅｍ

ＬＩ Ｗｅｎｘｉｕ， ＬＩ Ｊｉｎｂａｏ

Ａｂｓｔｒａｃｔ， Maternal and child care system has become the obstetric antenatal， intrapartum effective monitoring tool. It can diagnose the fetal health through the curve of fetal heart rate and plays an important role in improving the quality of births and reducing the disability baby's birth. Traditional maternal and child care system is larger and more expensive， needs more complex operations， and real-time quality is poor. The paper designs an intelligent Maternal and child care system. According to the algorithm embedded in a wireless smart sensors， it can extract a stable fetal heart rate， then the fetal heart rate and other monitoring data of pregnant women are sent to a local or remote health care centers through wireless networks. Local monitoring equipment or remote monitoring centers will realize the real-time process， analysis， display or alarm of data， to help doctor or timely send information back to inform pregnant women go to treatment.

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ，

０ 引言

在計算機進行胎心率分析之前，我國主要采用肉眼識別和憑醫生的臨床經驗來判斷胎兒發育狀況。直至７０年代末８０年代初，用計算機對胎心率進行在線式（ｏｎ－ｌｉｎｅ）或離線式（ｏｆｆ－ｌｉｎｅ）的分析，才使胎心率分析有了定量化的指標。肉眼識別和計算機的定量化分析相比，前者一致性差，精確度低，人為主觀因素影響大。目前隨著計算機性能的日益提高，各種新興的分析方法也逐步被應用到胎心率分析上來，但是由于對分娩前胎心率的檢測是通過母體腹壁得到，若采用心電信號方式，則受母體的心電、肌電等各種生物電信號的干擾；若采用超聲波多普勒方式檢測，則容易受母體的腹壁運動、胎兒自身的移動以及母親肥胖等生理結構的影響。加上胎兒本身的心臟弱小，電信號和心臟壁、血流的運

動都非常微小，所以很難得到正確的胎心率曲線。現在國內外市場上的母嬰監護系統體積較大，至少需要１０多厘米厚的Ａ４紙那么大，如圖１所示，孕婦必須近距離接觸監護系統，定期的去醫院做檢查，這樣不便于對孕婦進行及時監護。

針對以上問題，本文提出了三種算法的結合去提取胎心率，分別是改進的中值濾波算法、線性插值算法、ＣＦ算法，把這三種算法合稱為合并算法。合并算法提取出了穩定、平滑的胎心率曲線，準確地計算出了胎心率；與其它算法相比較，其時間復雜度非常低，并且可以嵌入到無線傳感器中。智能母嬰監護系統可以實現在不影響孕婦正常生活情況下，利用可佩戴式無線傳感器收集孕婦的各種醫學監護數據。無線傳感器僅僅有手掌那么大，具有獨立數據運算、存儲、電源管理、無線通信等功能；并能持續收集原始數據信息，根據本文合并算法進行相應處理、存儲發送到本地監護系統或遠程監護系統中，隨時隨地對孕婦進行實時監護。

１ 相關工作

一般對胎心率的提取都采用傅里葉變換的方法，其時間復雜度很高，為Ｏ(ｎ２)[１]。傅里葉變換是全局變換，適用于對平穩信號的處理，而胎兒心率是非平穩信號，特別是胎兒的心臟運動狀況很容易受到母體子宮內環境的影響(如羊水的多少、胎盤供氧、供血狀況等)，胎兒心率極不平穩。在對非平穩信號的處理過程中，小波變換[２]是目前最理想的變換方法之一，雖然小波變換的效果好，但是小波變換的時間復雜度很高，需要Ｏ(ｎ２)[３]，空間復雜度也很高，經過實驗發現，其處理速度慢，難以用ＭＰＵ實現。

針對以上問題，本文提出了合并算法來代替小波變換，其時間復雜度是Ｏ(ｎ)，遠遠低于小波變換，并且與小波變換的效果相同，最終提取出了穩定、平滑的胎心率曲線，準確地計算出了胎心率，并且可以成功地嵌入到傳感器等。

２ 系統總體設計

本文設計的智能母嬰監護系統是一種對待產孕婦宮壓和腹中胎兒的胎心律等進行監測的智能儀器，該系統如圖２所示，由微型無線多普勒胎心獲取傳感器（圖３）、微型無線宮壓獲取傳感器（圖４）、微型無線體溫傳感器、帶有液晶觸摸一體屏的本地監護設備，以及專用軟件系統等組成。該系統可將上述智能傳感器采集的孕婦的各種醫學監護數據通過短距離無線方式發送到本地監護設備，也可以通過ＧＰＲＳ或Ｉｎｔｅｒｎｅｔ將監護數據發送到遠程的監護中心，本地監護設備或遠程的監護中心可以將各項數據進行實時處理、分析、顯示或報警，輔助醫生或將信息及時反饋回來通知孕婦進行診治。上述各種智能微型無線傳感器都具有獨立的監測能力，均由電池供電，可以獨立使用，并且監測到異常情況都可以單獨發出聲光提示，因此這些智能傳感器可以由孕婦隨身攜帶，實現隨時隨地的實時醫學監護，從而對孕婦、醫生和醫院提供極大的方便。

本系統也可以通過Ｉｎｔｅｒｎｅｔ或無線網絡（ＧＰＲＳ）連接到母嬰監護中心服務器，從而組成一個對母嬰健康狀況進行實時監護網絡（圖５）。利用該健康監護網絡，孕婦不但可以隨時在醫院內接受監護，也可以隨時在醫院以外的任何地方（ＧＰＲＳ覆蓋的區域）接受監護，無線智能母嬰監護系統可以將孕婦的宮壓、胎兒胎心率、胎心音等信息傳到醫院的胎兒監護中心服務器，監護中心服務器接收到宮壓、胎心率和胎心音等信息后進行分析、處理和診斷，該系統可隨時隨地提供全天候、安全、高效的實時監護。

３ 胎心率提取算法

３．１ 改進的中值濾波算法

普通的中值濾波是首先定義窗口大小，對窗口內數據進行排序，排序后取中值點的灰度值代替當前中心點灰度值[４]。這樣每一個灰度值都需要進行一次排序，時間復雜度高，所以本文提出以下改進的中值濾波算法。

改進的中值濾波算法只需要第一次對窗口大小的值進行排序，然后將窗口模板向下滑動，找到滑動進入窗口的值在窗口中的位置，本次滑動后窗口的中值就是當前灰度點的值。這樣就不需要每次都進行排序，降低了時間復雜度，改進的中值濾波算法時間復雜度是Ｏ(ｎ)，其思想流程如下，濾波前后的比較如圖６所示。

３．２ 極大值取點線性插值算法

中值濾波能有效克服因偶然因素引起的波動干擾，對溫度、液位的變化有良好的濾波效果，但是由于濾波窗口的形狀和大小固定不變，并不能達到很好的濾波效果。所以又提出了極大值線性插值算法來彌補這個缺點。

實際問題中遇到的函數ｆ(ｘ)是多種多樣的，有的表達式很復雜，有的甚至沒有給出表達式，只提供了一些離散的點上的函數值或導數值。為了研究函數的變化規律，往往需要求出不在函數表上的函數值。因此，希望根據給定的函數表做一個既能反映函數ｆ(ｘ)的特性，又便于計算的簡單函數ｐ(ｘ)，用ｐ(ｘ)近似ｆ(ｘ)[５]，通常選一些簡單的函數如代數多項式或分段代數多項式作為ｐ(ｘ)，并使ｐ(ｘｉ)＝ｆ(ｘｉ)對ｉ＝０，１，…ｎ成立，這樣確定的ｐ(ｘ)就是插值函數，極大值取點線性插值就是在取完極大值之后對這些極大值進行線性插值。其時間復雜度是Ｏ(ｎ)，圖７是經過線性插值之后的對比圖。

３．３ ＣＦ算法

如圖７所示，經過如上兩種算法后曲線中還存在這一些沒有濾去的波峰，并且還可以發現，第三個波峰和第四個波峰應該是一個大波峰而不是兩個小波峰，文中將這兩個問題的解決算法合稱ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ，簡稱ＣＦ算法。

ＣＦ算法的基本思想是：計算出每個波峰的長度，取平均值，如果一個波峰的長度小于這個平均值的時候，就說明這個波峰應該被濾去，連接這個波峰的起點和終點，濾去這個波峰。計算出每兩個波峰最高點之間的距離，取平均值，如果兩個波峰最高點之間的距離小于平均值的時候就說明是兩個波峰應該被合為一個，連接兩個波峰的最高點，合并這兩個波峰。因為至多有原始數據長度除以２個波峰，所以算法的時間復雜度是Ｏ(ｎ)，算法流程圖如下，濾波前后的比較如圖８所示。

４ 系統性能測試與實現

４．１ 系統性能測試

本文提出的合并算法與小波變換和傅里葉變換比較而言，合并算法和小波變換能更好地保留了圖像原有的信息，方便醫生獲得胎兒心率的強弱。圖９－圖１２是幾種算法濾波之后的對比圖。

小波變換的效果雖然好，但是其時間復雜度與空間復雜度都很高，無法嵌入到傳感器中；而合并算法的時間復雜度為Ｏ(ｎ)，不僅能夠正確地提取出胎心率數據而且嵌入到傳感器后，傳感器可以正常運行。圖１３和圖１４分別是這三種算法的時間復雜度和空間復雜度的比較圖。

４．２ 本地監護系統實現

本地監護系統具有多床位狀態自動顯示及屏幕自動分割顯示功能，具有漢字標注功能，方便臨床應用。實時在線自動分析功能，能實時分析各種參數監護結果，當監測的數據超出設定的指標時，就會激發警報系統，發出聲音信號引起醫護人員的注意，并且能打印胎兒監護自動分析報告。該監護系統在監護過程中全程存儲監護信息，并可隨時向前或向后回放任意床位指定時間內的存儲波形和數據，設置方便，顯示直觀。用戶還可以對串口進行更改，并且用ｊｄｂｃ連接數據庫，以及進行必要的數據管理、增加、刪除、更改、查詢孕婦的數據。圖１５是本地監護設施的軟件界面。

５ 結束語

本文進行了中值濾波，極大值線性插值，以及ＣＦ算法的結合，提升了濾波的效果；合并算法與小波算法相比，合并算法降低了復雜度，提升了運行速度，并且嵌入到傳感器時可以運行。本文是第一個提出運用幾種低復雜度的算法的結合，并使其達到與高復雜度算法同樣的濾波效果。提出了ＣＦ算法，濾去了一些不該存在的小波峰，將所有距離過近的兩個相鄰波峰合并成一個波峰。現在國內外市場上出現的母嬰監護系統都很龐大，孕婦需要近距離接觸監護系統，而文中的系統是體積小巧的無線傳感器組成的，孕婦可以在不影響正常生活的情況下，佩戴價格低廉的傳感器，只要在ＧＰＲＳ覆蓋范圍內就可以實時地接受監護，數據通過Ｉｎｔｅｒｎｅｔ或ＧＰＲＳ連接到胎兒監護中心服務器。該系統可供醫院或家庭購買使用。

參考文獻：

[ １ ] ＦＲＩＧＯ Ｍ． ＦＦＴＷ，ａｎ ａｄａｐｔｉｖｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ＦＦＴ

[Ｃ]／／ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ＩＣＡＳＳＰ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ． Ｓｅａｔｔｌｅ，ＷＡ，ＵＳＡ，ＩＥ－

ＥＥ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｏｃｉｅｔｙ，１９９８：１３８１－１３８４．