CN102164544A - 胎儿心脏监视 - Google Patents
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Abstract
借助与孕妇腹部接触的换能器来使用超声波进行胎儿心率监视。换能器(11)由发射放大器(12)驱动，接收放大器(13)放大由所述换能器检测到的回波。当接收门打开时，解调器(14)将所接收信号乘以本机振荡器信号。由低通滤波器(15)移除频率的总和，而所述频率的差是所述所接收信号的多普勒频率，其经过所述滤波器以由ADC(16)数字化，接收门在发射脉冲结束后一固定延迟后打开。选择多个范围段且在所述接收门打开间隔期间按间隔针对每一段做出两个ADC读数。非周期性或周期性的多普勒声频信号中的一者或两者将含有来自胎儿心脏的信号。当发现周期性信号时，测试其速率以了解其是在胎儿心脏的典型范围内还是在典型范围外。
Description
技术领域
本发明涉及一种监视心率的方法，尤其是胎儿的心率。借助与孕妇腹部接触的换能器来使用超声波监视胎儿心脏。处理来自胎儿心脏的回波以使得可听见心音并分析心音以确定胎儿心率。
背景技术
多普勒超声波胎儿心率监视器用高频率声波使胎儿心脏及周围组织受声波作用。来自内部组织的回波经受与反射表面与换能器的相对速度成比例的多普勒移位。将所接收超声波解调制以将多普勒信号转换成可听见范围；当可以此方式听见胎儿心脏时让人放心。使用滤波器拒绝来自静止及缓慢移动的组织的信号，且使用处理算法确定每次心跳发生的时间且因此确定心率。
此类监视器遭受矛盾的要求。为便于使用及达成通用，波束应尽可能宽且穿透到大的深度。然而，为达成强大的FHR检测，波束的敏感区域需要限于围绕胎儿心脏的小体积，从而拒绝来自其它器官及移动组织的回波。特定而言，不期望回波的问题源包含胎儿肢体、孕妇血管、消化道及在多胎妊娠的情况下目标胎儿的同胞。
此外，当换能器相对于母亲的腹部轻微移动时，通常当母亲改变位置时，从超声波束内的每一点接收到大的多普勒反射。此类移动假象通常比胎儿信号大许多倍且破坏或迷惑胎儿心率的抽取。
某些监视器使用脉冲式多普勒超声波，其通过门控超声波接收器以使得其仅在发射超声波脉冲之后的某一时间范围内接受信号来改进信杂比(SNR)。门的打开及关闭时间经选择以对应于超声波的所需渡越时间且因此确定超声波束的最大及最小操作范围。来自近组织的回波到达得太早以至于不能被检测到，而远回波则到达得太晚。接收门的计时可为固定的或可在算法的控制下改变以收集来自胎儿心脏的位置的回波同时拒绝来自其它范围的不期望回波。
某些系统提供对超声波频率的选择。此是有用的，因为超声波在组织中的衰减与频率成比例，来自较低频率换能器的声波比较高频率的声波穿透到更大的深度。因此，当需要最大范围时(举例来说，对于偏重的母亲)用户将选择低频率但将选择较高频率来避免拾取来自较瘦母亲体内的深器管或组织的不期望回波。
具有固定、宽接收门的系统在信号含有来自孕妇血管及胎儿心脏的回波的混合物时可难以抽取准确的胎儿心率。此在波束未完全对准胎儿心脏且胎儿信号在振幅上小于或类似于孕妇信号时尤其成问题。
具有适应性接收门计时的系统能够使接收门变窄且追踪胎儿心脏(至少在一个维度上-距换能器的距离)，此给予所述系统比具有固定、宽接收门的系统更好的SNR。然而，此优点也可能是弱点。通过锁定到信号源上且忽略来自其它深度的信号，所述系统可能不正确地锁定错误信号；最常见地，此将为孕妇血管。举例而言，在图1中所示的现有技术系统中，换能器(2)不适宜地定位在孕妇腹部(1)上以使得波束(3)不使胎儿心脏(6)受声波作用。孕妇降主动脉(4)在波束(3)内且所述系统检测到孕妇心率，因为这是它唯一可获得的周期性信号。相信其具有有效胎儿信号之后，所述系统使其接收门变窄直到敏感体积限于区域(5)为止。甚至当换能器随后移动到如图2中所示的正确位置时，虽然胎儿心脏(6)现在在波束(3)中，但所述系统还是未检测到胎儿心脏，因为心脏不在敏感区域(5)内部。可无限期地坚持此错误的状态。
发明内容
本发明目的在于作出改进。
因此，本发明提供使用超声波的胎儿心脏监视系统，其具有单个接收电路，所述单个接收电路具有单个、固定、宽接收门，其中输出在门打开间隔期间由模/数转换器(ADC)重复地数字化，其中每一数字值被指派绘数个范围段中的一者。
优选地，每一范围段经布置以接受单个ADC样本。
更优选地，将两个或两个以上ADC样本指派给每一段，每一段内的所述样本使用标准噪声减少技术来处理以在每一段内产生单个信号。
有利地，将不同增益应用于每一范围段以模拟较高频率换能器的衰减特性。此允许用户在不必承受额外换能器的成本的情形下选择超声波束的有效穿透轮廓。此能力并不限于其它频率的模仿探针，可产生任何任意衰减曲线。
另一选择为，通过调节待检测信号所需的阈值或通过将不同权重应用于每一范围段在所述范围段中单独地调节敏感度。此具有未因使信号衰减而降级所述信号及计算上更有效的优点。
优选地，所述范围段被重组成对、三个一组或任何数目的群组以重新产生对应于所述段的深度范围的复合信号。
优选地，在将个别衰减因数应用于每一段之后重组所述范围段以模拟较高超声波频率的使用或产生任意衰减曲线。
在优选实施例中，比较所有所述范围段中的所述信号的振幅以检测所有所述范围段上任何突然的振幅上升，所述突然的振幅上升显示存在由换能器移动所致的假象。
优选地，所述假象的所述振幅被检测为数值而非简单的开/关指示。此类数值可用作以硬件或软件实施的自动增益电路(AGC)中的控制变量。此具有减少假象期间所述电路或算法的敏感度从而致使对心率检测过程的较少破坏的优点。在没有此类ACG的情形下，假象信号比典型的胎儿信号大一个或两个数量级的振幅且可因使滤波器或电路超载及变更需要一些时间来恢复的阈值而迷惑速率检测过程。在具有ACG的情形下，使假象衰减或完全移除所述假象且缩短恢复时间。
优选地，多普勒信号的音量是在假象期间调制。假象通常比胎儿声波大得多且听起来可为烦扰的，且可在声频放大器中导致削波及失真。通过在假象期间减小音量，将声频输出维持在舒服水平且具有更悦人的音调。
附图说明
现在将参考以下图描述本发明的优选实施例，所述图中：
图1显示现有技术胎儿心脏监视系统；
图2显示在接收门处于错误位置中的情形下的图1中的所述监视系统；
图3显示根据本发明的胎儿监视系统；
图4显示本发明的优选实施例；且
图5显示图4中根据实施例的接收门的打开及关闭。
具体实施方式
参考图3，本发明使用其中将波束分区成四个敏感区域的多门控，但更多或更少的区域是可能的。为清晰起见，图中显示所述区(7、8、9、10)不重叠，但通过选择每一门的适当打开及关闭时间且将发射脉冲的持续时间考虑在内，可使所述区在任何所需程度上重叠或确实在其之间具有间隙。
在此实例中，将一个所接收信号分裂为四个分量，每一分量来自不同深度。与适应性范围门控一样，每一信号受益于减少的噪声级别，因为其源自较小体积。门1及3(7及9)仅含有非周期性噪声。门2及4(8及10)含有可自其推断出胎儿及孕妇心率的周期性信号。标准心率算法能够同时且不混淆地抽取两个率，这是因为所述信号已经在空间上分离。需要进一步处理以确定哪一个信号来自胎儿；此可依据数个准则来决定，例如深度及信号振幅。
本发明还并入对上文所述布置的简化。针对每一范围门复制输入模拟电路的成本是巨大的且阻碍使用大量门。然而，可通过使用单个接收电路来达成相同效应，所述单个接收电路具有单个、固定、宽接收门，其中输出在门打开间隔期间由模/数转换器(ADC)重复地数字化。将每一数字值指派给数个范围段中的一者。
在最简单的情况下，每一范围段将接受单个ADC样本。然而，SNR可通过将两个或两个以上ADC样本指派给每一段进一步得到改进。使用标准噪声减少技术(例如，滤波、平均化等)处理每一段内的样本以在每一段内产生单个信号。
在本发明的优选实施例中，如图4中所示，换能器(11)由发射放大器(12)用来自本机振荡器(18)的1兆赫兹载波的猝发音驱动。脉冲持续时间为64微秒且重复速率为3千赫兹。接收放大器(13)放大由所述换能器检测到的回波。所述接收放大器在发射脉冲期间可被关闭，但此并不是必要的，只要一旦脉冲结束，所述接收放大器可足够迅速地恢复。当接收门打开时，解调器(14)将所接收信号乘以本机振荡器信号。输出为总和频率及差频率。近似2兆赫兹的所述总和由低通滤波器(15)移除，而所述差为所接收信号的多普勒频率，其经过所述滤波器以由ADC(16)数字化。
ADC转换的计时是重要的。图5显示Rx门在发射脉冲结束后一固定延迟后打开。此时间确定可检测到的最近信号源。类似地，Rx门的关闭确定可检测到的最远信号源。在所述Rx门内，进行一系列A到D转换，其由转换命令信号计时。在本发明的具体实例中，范围段的数目为6且针对每一段需要两个ADC读数。在Rx门打开间隔期间按16微秒间隔做出12个ADC读数。为了减少噪声，对每一段中的两个读数求平均。在所述实例中，由硬件加法器电路来实施此操作，但其本可完全相等地在软件中完成。
由于发射脉冲在持续时间上等于两个范围段，因此邻近段的敏感区域重叠。因此，单个点源将总是出现在两个邻近段中。尽管此并不是本发明的关键部分，但在此实例中，现在可通过将毗邻段对中的信号组合在一起(从而从6个段产生总共5个组合信号)来进一步改进SNR比。具体来说，第一组合信号是通过组合段1及2来获取，第二组合信号是从段2及3获取等。在所述实例中，在软件中实施此操作，但其本可完全相等地在硬件中完成。
此时，在所述系统中，存在5个多普勒声频信号，其中的一者或可能两者将含有来自胎儿心脏的信号。其它信号将含有可为非周期性或周期性的不期望信号。使用超声波心率检测器中典型的方法以相同方式处理每一信号：对信号进行带通滤波、整流及包络。一种算法使用典型的标准技术(例如峰值检测、自动校正、匹配滤波等)在经包络信号中寻求周期性活动。当发现周期性信号时，测试其速率且如果其在胎儿心脏的典型范围(每分钟30到250次跳动)外则拒绝所述信号。对于所发现的每一可接受速率，基于包含以下各项的准则以超声波心率监视器典型的方式计算质量因数：振幅、速率的稳定性、速率的持续时间、背景噪声级别或假象的存在。决定逻辑比较每一速率检测器的输出且根据所述质量因数将最好的速率呈现给所述用户。
信号上的不期望假象在心率检测过程之前如下移除。6个范围段的信号中的每一者以几个毫秒的时间常数经过全波整流及低通滤波。此产生对每一信号的准瞬时振幅的测量，其以75赫兹的速率取样。具有数秒的时间常数的进一步低通滤波器计算每一范围段中的信号的较长期平均振幅。准瞬时振幅对长期振幅的比率是对所述信号的可变性的测量。对于典型的胎儿心脏信号，可变性的值在2到4的范围中。随机白噪声具有近似1的可变性。振幅上快速改变的信号具有较高的可变性值。在假象检测器中，计算出6个可变性值的乘积。在胎儿心脏在两个邻近段中且噪声在其它四个段中的情形下，所述乘积的正常值低于16。然而，当移动换能器时，所有范围段经历突然的振幅增加且可变性乘积明显增加；可看到数百或更经常地数千的值。因此，此是极敏感的假象测试。当可变性乘积超过适合阈值(范围16到1000中的某处是适当的)时，设定假象标记。
可由数据上的噪声尖峰来触发假肯定假象检测。这些检测由形态滤波器(圆形、100毫秒、底部滤波器)移除以使得仅检测持续的假象。
输入到速率检测过程的经包络多普勒信号的增益根据假象信号高于阈值的高度减少。以此方式，没有假象的多普勒信号是不改变的，但触发假象检测器的那些信号成比例地减少。甚至数百的相对弱假象指示也足够将假象信号减少到低于所述系统的噪声最低值，从而完全保护速率检测器免受干扰。实际中，在假象检测中由于有限的滤波时间常数而发生短的延迟，且不使假象的初起空白。然而，所述系统使多普勒包络信号经受短的延迟，所述延迟经选择以使得增益减少与假象完美对准。
类似地，声频信号受假象检测器控制。当假象信号低于阈值时，通常将声频音量设定在最大值处。然而，随着假象信号增加而高于所述阈值，增益与所述假象高于阈值的高度成比例地减少。然而，不同于速率检测，在假象期间完全静音声频听起来不自然且因此应用最小音量级别以使得可仍然听见假象而不是令人讨厌的大声。同样，因处理延迟，稍微在初起之后检测到所述假象。此处还应用补偿；由于所述系统的声频路径为数字的，因此在缓冲所述声频及将其输出到编解码器的情形下出现自然延迟。将音量调节直接向前馈送到所述编解码器，从而补偿在处理中损失的时间，以使得音量改变与假象声音完美对准。
Claims (10)
1.一种使用超声波的胎儿心脏监视系统，其具有单个接收电路，所述单个接收电路具有单个、固定、宽接收门，其中输出在门打开间隔期间由模/数转换器(ADC)重复地数字化，其中每一数字值被指派给数个范围段中的一者。
2.根据权利要求1所述的胎儿心脏监视系统，其中每一范围段经布置以接受单个ADC样本。
3.根据权利要求2所述的胎儿心脏监视系统，其中两个或两个以上ADC样本被指派给每一段，每一段内的所述样本经处理以在每一段内产生单个信号。
4.根据权利要求1、2或3所述的胎儿心脏监视系统，其中不同增益被应用于每一范围段。
5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的胎儿心脏监视系统，其中通过调节待检测信号所需的阈值或通过将不同权重应用于每一范围段在所述范围段中单独地调节敏感度。
6.根据前述权利要求中任一权利要求所述的胎儿心脏监视系统，其中所述范围段被重组成对、三个一组或任何数目的群组以重新产生对应于所述段的深度范围的复合信号。
7.根据权利要求6所述的胎儿心脏监视系统，其中在将个别衰减因数应用于每一段之后重组所述范围段以模拟较高超声波频率的使用或产生任意衰减曲线。
8.根据前述权利要求中任一权利要求所述的胎儿心脏监视系统，其中比较所有所述范围段中的所述信号的振幅以检测所有所述范围段上任何突然的振幅上升，所述突然的振幅上升显示存在由换能器移动所致的假象。
9.根据权利要求8所述的胎儿心脏监视系统，其中所述假象的所述振幅被检测为数值而非简单的开/关指示。
10.根据权利要求8或9所述的胎儿心脏监视系统，其中多普勒信号的音量是在假象期间调制。
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