自動監(jiān)護與無痛分娩閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉飛飛，魏守水，景天磊

山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東 千佛山 250061

0 前言

胎兒監(jiān)護和無痛分娩是保障產(chǎn)婦和胎兒安全，實現(xiàn)優(yōu)生優(yōu)育的重要手段。胎兒監(jiān)護儀主要用于保護胎兒正常生長發(fā)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(chǎn)后的疲倦，安全分娩出身體健康、智力發(fā)育良好的新生兒[1]。目前，胎兒監(jiān)護儀只是起到監(jiān)護的作用，沒有與無痛分娩系統(tǒng)形成閉環(huán)，即監(jiān)護和協(xié)助分娩脫離。2008年，李法升教授[2]研制出無痛分娩自動監(jiān)護控制系統(tǒng)，即采用靜脈滴注催產(chǎn)素（縮宮素）方法。因孕婦對催產(chǎn)素的敏感度因個體差異而不同，可能造成過強宮縮導(dǎo)致胎兒缺氧或子宮破裂；而專家醫(yī)師個體的差異，對手動控制輸液量的多少也難免會出現(xiàn)誤差。為此，本文提出了一種基于LabVIEW的自動監(jiān)護與無痛分娩閉環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用乳房按摩，促使孕婦產(chǎn)生內(nèi)源性催產(chǎn)素，有一定的自身調(diào)節(jié)作用，使其接近自然生理現(xiàn)象，比滴注催產(chǎn)素簡便、安全。

1 系統(tǒng)框架與功能

1.1 系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)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(tǒng)組成（圖1）。通過接口RS-232連接MSC1210與計算機系統(tǒng)。計算機對數(shù)據(jù)進行預(yù)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(tǒng)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(shù)器和胎動計數(shù)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(shù)據(jù)采集處理設(shè)備選用TI公司生產(chǎn)的帶24位A/D轉(zhuǎn)換器，并具有較強的模擬性能和數(shù)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(diào)整、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字處理集成到單片電路上，僅用一片集成電路即可實現(xiàn)胎心率、宮縮壓力和胎動次數(shù)等監(jiān)護指標的數(shù)據(jù)采集[4]。其工作過程：① 向超聲探頭發(fā)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(guān)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(jiān)護數(shù)據(jù)與計算機通信。

2 系統(tǒng)開發(fā)與功能的實現(xiàn)

2.1 串行通信接口

為簡化接口電路設(shè)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(fā)軟件讀入數(shù)據(jù)，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(xié)議

串口通信協(xié)議的各字節(jié)定義，見表1。

表1 串口通信協(xié)議字節(jié)定義

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

2.1.2 根據(jù)協(xié)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(shè)置、關(guān)閉串口等模塊[7]。此程序主要完成以下任務(wù)：串口通信協(xié)議參數(shù)的設(shè)置；傳送數(shù)據(jù)給計算機；計算機發(fā)送指令控制硬件的啟始和復(fù)位。

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

2.1.3 胎監(jiān)模塊發(fā)送到上位機的數(shù)據(jù)

每隔0.25 s發(fā)送1幀數(shù)據(jù)，每幀數(shù)據(jù)6個字節(jié)，字節(jié)之間的間隔為2 ms。每幀數(shù)據(jù)格式，見表2；數(shù)據(jù)狀態(tài)標志，見表3。

表2 上位機數(shù)據(jù)格式

表3 狀態(tài)標志

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

2.1.4 對讀取的數(shù)據(jù)進行處理和顯示

LabVIEW軟件對傳送的數(shù)據(jù)進行處理，首先將十六位數(shù)據(jù)設(shè)置成屬性節(jié)點值，然后讀取1幀數(shù)據(jù)的長度，再將幀數(shù)據(jù)拆分為字符串，將字符串轉(zhuǎn)換成字節(jié)進行數(shù)據(jù)顯示，并將數(shù)據(jù)置入一個FOR循環(huán)結(jié)構(gòu)中。每6個字節(jié)為一個循環(huán)，循環(huán)次數(shù)由監(jiān)護時間控制。

2.1.5 設(shè)置自動報警

將胎兒心率FHR1、FHR2分別設(shè)置為屬性節(jié)點的值，當報警系統(tǒng)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(jù)需要手動設(shè)置。報警顯示設(shè)計電路，見圖2。

2.2 自動分析診斷系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用的推理策略，以產(chǎn)生式規(guī)則的正向推理為主，以案例推理為輔[8]。從胎兒監(jiān)護儀得到胎心率曲線，由胎心率曲線來計算各胎心率監(jiān)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(jù)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(yù)測胎兒健康狀況。根據(jù)評分以及胎兒在子宮中各項指標，在規(guī)則知識庫中搜索與之匹配的標準模式，發(fā)出指令控制乳房按摩儀和笑氣吸入裝置的工作狀態(tài)。

2.3 乳房按摩儀的控制

乳房按摩儀可以啟動產(chǎn)程和加強宮縮，在很大程度上起到催生引產(chǎn)的作用[11]。其專家分析系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，誘發(fā)最佳宮縮狀態(tài)，即10 min內(nèi)出現(xiàn) 3～5次子宮收縮，每次宮縮持續(xù) 40～60 s為中等強度。系統(tǒng)根據(jù)胎心率基線、宮縮曲線和胎動標志，自動調(diào)節(jié)按摩的強度，連續(xù)3次按摩均無子宮收縮出現(xiàn)，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(nèi)無宮縮；② 宮縮后 115 min內(nèi)無宮縮；③ 左側(cè)和右側(cè)按摩后1 min內(nèi)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(xù) ≥1 min；③ 胎心率≤100 bpm,持續(xù) ≥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(zhèn)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(tǒng)自動控制間隙性笑氣流量揮發(fā)器，決定吸入的時機（乳房按摩后115 min；宮縮出現(xiàn)5 s）、時限（30～40 s自動關(guān)閉）和吸入的劑量（視產(chǎn)婦疼痛情況而定），以達到最小吸入量、最佳鎮(zhèn)痛狀態(tài)。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(xù)≥1 min；胎心率≤100 bpm，持續(xù)≥15 s。

2.5 數(shù)據(jù)的存儲

基于LabVIEW數(shù)據(jù)庫訪問工具包LabSQL[12]實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，便于數(shù)據(jù)的顯示和打印，為人工處理提供方便。本文創(chuàng)建的數(shù)據(jù)源名為db，LabSQL就是利用db訪問與之相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫。ADO Connection Create.vi和ADO Connection Open.vi完成與數(shù)據(jù)庫的連接，數(shù)據(jù)庫由DSN=db指定。系統(tǒng)流程，見圖3。

3 總結(jié)和展望

本文將LabVIEW軟件應(yīng)用于胎兒監(jiān)護系統(tǒng)，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(huán)式無痛自動控制分娩系統(tǒng)。通過初步的臨床檢驗，與自然產(chǎn)程比較，采用該系統(tǒng)監(jiān)控，產(chǎn)婦總產(chǎn)程縮短4.23 h，有效率鎮(zhèn)痛達到99.66%，順產(chǎn)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(tǒng)可減輕產(chǎn)婦分娩疼痛、加速產(chǎn)程進展；減低剖宮產(chǎn)率，避免剖宮產(chǎn)兒并發(fā)癥，提高胎兒質(zhì)量。對于實現(xiàn)優(yōu)生優(yōu)育，提高人口素質(zhì)有重要意義。

本系統(tǒng)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(shù)的獲取只是采用傳統(tǒng)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(xiàn)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(jié)合的方法，對與臨床監(jiān)護相關(guān)的參數(shù)指標進行自動化監(jiān)護與控制。

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