CN103381094B - 胎儿脉搏血氧饱和度监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种胎儿脉搏血氧饱和度监测系统及方法。该胎儿脉搏血氧饱和度监测系统包括：置放在孕妇体外的胎儿脉搏血氧饱和度光电传感器，其能够发射两个或两个以上的不同波长的光，并且能够接收透射过胎儿组织或从胎儿组织反射回来的光作为与胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号；置放在孕妇体外的测量装置，其能够监测孕妇脉搏血氧饱和度光信号、孕妇心率信号和胎儿心率信号中的一个或更多个信号；信号处理系统，其根据与胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号，并且根据所述的孕妇脉搏血氧饱和度光信号、孕妇心率信号和胎儿心率信号中的一个或更多个信号，来计算胎儿脉搏血氧饱和度。

Description

胎儿脉搏血氧饱和度监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种系统和方法用来监测胎儿脉搏血氧饱和度。并且更具体地涉及用于在孕妇体外测量胎儿的血流的脉搏血氧饱和度的系统和方法。

背景技术

怀孕后期，以及临产和生产阶段，对胎儿会是一个危险的时间阶段。如果胎儿脐带变得扭曲处于不利的位置，胎盘过早分离，或者某些孕妇和胎儿的疾病，可导致胎儿血液中含氧量不足，进而引起胎儿脑损伤或死亡。临床医学上用脉搏血氧饱和度这一生理指标来间接监测人体，包括胎儿血液中的含氧量。

胎儿心率监护仪目前被用于胎儿生理状态的监护，但这只是一个间接的监护手段。胎儿的血氧饱和度水平是更直接反映胎儿生命状态的生理指标。但由于没有有效的非侵入方式检测胎儿的血氧饱和度的仪器设备，医护人员往往只能依靠胎儿心率监护仪器。由于缺乏对胎儿整体状态的充分认识，紧急的医疗决策，比如什么时候开始紧急剖腹产，必须在没有完整知识的情况下做出。作为一个实际问题，医生往往过于小心，造成许多不必要的剖腹产，以及随之而来的高额的医疗费用和孕妇分娩并发症。

因此，提供一种非侵入方式的监测胎儿的血氧饱和度的方法，并且把对胎儿的心率和胎儿的血氧饱和度这两个重要的胎儿生理参数同时提供给医护人员，对胎儿、孕妇和社会具有很高的实用意义。

发明内容

本发明是一种方法和装置，以非侵入方式测量在怀孕期间的胎儿的脉搏血氧饱和度水平。

本发明的一方面提供一种胎儿脉搏血氧饱和度监测系统，包括：置放在孕妇体外的胎儿脉搏血氧饱和度光电传感器，所述胎儿脉搏血氧饱和度光电传感器能够发射两个或两个以上的不同波长的光，所述两个或两个以上的不同波长的光的至少一部分通过胎儿组织或者被胎儿组织反射，并且所述胎儿脉搏血氧饱和度光电传感器能够接收透射过胎儿组织或从胎儿组织反射回来的光作为与胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号；置放在孕妇体外的测量装置，所述测量装置能够监测孕妇脉搏血氧饱和度光信号、孕妇心率信号和胎儿心率信号中的一个或更多个信号；信号处理系统，其能够根据与胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号，并且根据所述的孕妇脉搏血氧饱和度光信号、孕妇心率信号和胎儿心率信号中的一个或更多个信号，来计算胎儿脉搏血氧饱和度。

本发明的另一方面提供一种胎儿脉搏血氧饱和度监测方法，包括以下步骤：通过置放在孕妇体外的胎儿脉搏血氧饱和度光电传感器发射两个或两个以上的不同波长的光，所述两个或两个以上的不同波长的光的至少一部分通过胎儿组织或者被胎儿组织反射，并且通过胎儿脉搏血氧饱和度光电传感器接收透射过胎儿组织或从胎儿组织反射回来的光作为与胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号；通过置放在孕妇体外的测量装置监测孕妇脉搏血氧饱和度光信号、孕妇心率信号和胎儿心率信号中的一个或更多个信号中的一个或多个信号；根据与胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号，并且根据所述的孕妇脉搏血氧饱和度光信号、孕妇心率信号和胎儿心率信号中的一个或更多个信号，计算胎儿脉搏血氧饱和度。

根据本发明的该胎儿脉搏血氧饱和度监测系统和方法将传感器或测量装置，包括胎儿脉搏血氧饱和度光学传感器、胎儿心率传感器、孕妇的脉搏血氧饱和度光信号传感器和/或孕妇的心率信号传感器置放在孕妇体外，孕妇腹部是一个最佳位置选择。与胎儿脉搏血氧饱和度相关的信号通过置放在孕妇体外的胎儿脉搏血氧饱和度光学传感器来获取。此光学传感器能够产生和接收检测组织的穿透或反射光，此胎儿脉搏血氧饱和度光学传感器被定向安装，光束至少一部分通过含有胎儿的子宫。胎儿脉搏血氧饱和度光学传感器收集的胎儿光信号含有孕妇和胎儿血红蛋白吸收信号，它们叠加在各自的搏动血液流动信号上。胎儿心率通过置放在孕妇体外的胎儿心率传感器来获取。该胎儿心率传感器例如为多普勒超声装置、胎儿心电图电极、胎儿心音探测器或其他方式。

另外，孕妇的脉搏血氧饱和度光信号和孕妇的心率信号也被采集。孕妇的脉搏血氧饱和度光信号可以通过置放在孕妇身体上任何部位的孕妇光信号传感器来获取，只要其采集到的光信号不受胎儿血流光信号的干扰。孕妇的手指是一个最佳位置。如果适当定向，孕妇的腹部也可以选择。

在孕妇体外的传感器采集到孕妇的心率信号、孕妇的脉搏血氧饱和度光信号、胎儿心率信号和与胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号被用于进行时域和频域的处理。孕妇脉搏血氧饱和度光信号被用于滤掉孕妇信号对在胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号中的成分，胎儿的心率信号用来锁定和提取胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号。两个或两个以上波长的胎儿光信号成分被提取出来，用于胎儿血流的脉搏血氧饱和度的计算。

在一个实施例中，本发明对胎儿的血氧饱和度的监测方法和系统与现有方法不同。此方法和系统不需要直接从胎儿身体取血，也不需要使用侵入式光学传感器引入到孕妇的产道、子宫，置放到胎儿皮肤上。本发明监测系统和方法完全在孕妇体外操作，是真正意义上的无创、非侵入式的胎儿的脉搏血氧饱和度的监测方法和系统。

在一个实施例中，该系统是将所有传感器置放在一个可以戴在孕妇腹部的腹带上，不但是无侵入性，而且方便佩戴、易于操作、安全。

在最广泛的意义上，本发明是一种以非侵入方式测量在怀孕期间胎儿脉搏血氧饱和度水平的系统和方法，在该方法中，传感器锁定在孕妇脉博产生的信号和胎儿脉博产生的信号。本发明使用多个波长的光束，其选择要根据渗透到组织的能力，区分成人氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的光谱特性的能力，以及区分胎儿氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的光谱特性的能力。此多个波长的光束被定向发送到孕妇组织，穿透多层孕妇组织，达到并穿透胎儿组织或者被胎儿组织反射。将接收到的随时间变化的光信号进行信号处理。由于与孕妇血流相关的光信号成分具有与孕妇心率相关的周期变化，可以在时域和频域中识别出来，从而可以把与孕妇血流相关的光信号成分从置放在孕妇腹部的光学传感器接收到的光信号中去除。

与胎儿血流相关的光信号成分具有与胎儿心率相关的周期变化，可以在时域和频域中识别出来，可以用来锁定和增强从置放在孕妇腹部的光学传感器接收到的光信号中与胎儿脉搏血液饱和度相关的光信号成分。

最后，根据脉搏血氧饱和度的测量原理，动脉血液对光的吸收量随动脉搏动而变化，而且氧合血红蛋白和非氧合血红蛋白对不同波长入射光有着不同的吸收率。对经过分析、过滤、增强后的两个或两个以上的光信号，进行计算，进而得到胎儿的脉搏血氧饱和度。

从以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的特征将进一步变得明白。

附图说明

图1是孕妇体外胎儿脉搏血氧饱和度监测系统的一个示例的框图。

图2是孕妇体外胎儿脉搏血氧饱和度监测系统的另一示例的框图。

图3是孕妇体外胎儿脉搏血氧饱和度监测系统的腹带横截面视图。

图4是孕妇体外胎儿脉搏血氧饱和度监测系统中的胎儿光电信号检测界面的一个实施例的功能框图。

图5是孕妇体外胎儿脉搏血氧饱和度监测系统中的用于获得胎儿脉搏血氧饱和度的信号处理装置的一个实施例的功能框图，该信号处理装置执行一种胎儿脉搏血氧饱和度数字信号处理。

图6是孕妇体外胎儿脉搏血氧饱和度监测装置中的用于获得胎儿脉搏血氧饱和度的信号处理装置的另一实施例的功能框图，该信号处理装置执行另一种胎儿脉搏血氧饱和度数字信号处理。

图7是孕妇体外胎儿脉搏血氧饱和度监测装置中的用于获得胎儿脉搏血氧饱和度的时域信号处理的流程图。

图8是孕妇体外胎儿脉搏血氧饱和度监测装置中的用于获得胎儿脉搏血氧饱和度的频域信号处理的流程图。

图9是孕妇体外胎儿脉搏血氧饱和度监测装置中的用于获得胎儿脉搏血氧饱和度的另一时域信号处理的流程图。

具体实施方式

现在将按照附图详细描述本发明的优选实施例。注意，实施例中的组件的相对布置和器件的形状仅被描述为例子，并且并不旨在将本发明的范围限制于这些例子。此外，相似的附图标记和字母在图中指代类似的项，由此，只要在一个图中定义一项，则无需对于后续的图讨论该项。

怀孕后期胎儿的脉搏血氧饱和度水平是一个重要的衡量胎儿生命状态的生理指标。胎儿脉搏血氧饱和度监测的基本原理与成人脉搏血氧饱和度检测的基本原理相同。

氧是维系人类生命的基础，心脏的收缩和舒张使得人体的血液脉动地流过肺部，一定量的还原血红蛋白(HbR)与肺部中摄取的氧气结合成氧和血红蛋白(HbO2)。这些血液通过动脉一直输送到毛细血管，然后在毛细血管中将氧释放，以维持组织细胞的新陈代谢。血氧饱和度(SO2)是血液中被氧结合的氧合血红蛋白(HbO2)的容量占全部可结合的血红蛋白(Hb)容量的百分比，即血液中血氧的浓度，它是呼吸循环的重要生理参数。因此，监测动脉血氧饱和度(SaO2)可以对肺的氧合和血红蛋白携氧能力进行估计。无损伤血氧饱和度测量是基于动脉血液对光的吸收量随动脉搏动而变化的原理来进行测量的。基础研究表明，氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对不同波长入射光有着不同的吸收率。当单色光垂直照射人体，动脉血液对光的吸收量将随透光区域动脉血管搏动而变化。当用两种特定波长的恒定光λ1、λ2照射手指时，假如适当选择入射光波长λ1(HbO2、Hb在此处具有等吸收特性，即约805nm)，运用Lambert-Bear定律并根据氧饱和度的定义可推出动脉血氧饱和度的近似公式为：

SaO2=a bQ

式中：Q为两种波长(HbO2、Hb)的吸光度变化之比。a、b为常数，与仪器传感器结构、测量条件有关。而在选择双光束波长时，一般选择入射光波长为660nm和880nm。

为了提高计算的精度，两个以上波长的光源也可以使用。原则上，使用的光源越多，计算的精度越高。但是这会使仪器更为复杂，计算量更大，也使仪器的成本提高。所以，脉搏血氧饱和仪一般只使用两个光源。这两个光源的波长（如660nm和880nm）常用于脉搏血氧饱和仪，也用在本发明的描述和实施例中。然而，由于其他因素往往会导致远离这个常见的波长而选择其他波长的光，大约在620nm和1000nm之间。为了简单起见，最常用的660nm和800nm的两个波长将被大多数地用于本发明的实施例中，但这些具体的实施例并不使本发明限制于这两个波长，也并不使本发明限制于仅使用两个波长的光源。

脉搏血氧饱和度的光源由发光二极管（LED）或其它光学光源产生。此光束穿过组织后的投射光或被组织反射回来的光由固态光检测器（比如光敏电子管）测量到。通常情况下，LED光源和光检测器被装配在一起作为一个光学传感器单元。

心脏的电活动（如心电图（ECG）的R波）与动脉血液脉搏式流量密切相关。这一生理事实是脉搏血氧饱和度的测量原理的另一个重要基础。脉搏血氧计可使用心脏的节律作为“过滤器”，确定接收到的两个波长光信号的相对幅度，进而计算血液中的氧饱和度水平。

置放在孕妇腹部的光电传感器接收到的光信号，在本发明描述中称为“胎儿光信号”（或者与胎儿血氧饱和度相关的信号）。但由于光电传感器置放在孕妇的腹部，光线要穿透孕妇的身体组织才能达到胎儿，透射光或反射光要经过孕妇的身体组织才能被光电传感器接收到。所以这个胎儿光信号中主要成分是与孕妇血流相关的脉动信号。其次是背景杂散光、孕妇组织、肌肉运动引起的血流量变化产生的噪音等等非周期信号，在本实施例的描述中称作非周期噪音信号。只有很小一部分是与胎儿血流相关的的脉动信号。

与孕妇血流相关的脉动信号与孕妇心电图R波有很强的相关性。换句话说，这多个波长的胎儿光信号具有与孕妇R波相同的周期，以及可确定的与R波的时间延迟或相位关系。

与胎儿血流相关的脉动信号分量与胎儿的心率有很强的相关性。由于这个分量很小，比非周期性的噪声信号还小，未经处理前我们不能检测到它同胎儿心率的相关性。

在本说明书中，为简单起见，实施例通常会使用孕妇R波来获得孕妇心率。作为一个例子，孕妇R波被用于从胎儿光信号中减去孕妇部分的光信号。然而，有很多其他的方法达到此目的，例如从孕妇的光信号中获得孕妇的心率，或使用孕妇的心率的声音，或其他脉搏检测装置。除非另有说明，术语孕妇R波或心电图R波应被视为还包括通过这些可供选择的方法和装置获得孕妇血流脉搏信息。

在本说明书中，我们将随时间变化的胎儿光信号，孕妇光信号转换成频域信号进行分析。可以将与孕妇心率相关的频率成分检测出来并从胎儿光信号中去除。

对于非周期性的噪声信号，因为其不规则运动的异步性质，也可以在频域中进行识别并从胎儿光信号中去除。

在本说明书中，胎儿光信号是指从光传感器收集到的全部光信号，在这里假设光传感器放置在孕妇腹部皮肤表面上。但只要情况允许，也可以使用其他可以观察到胎儿组织的位置。纯的孕妇光信号是指从放置在孕妇任何位置上的光学传感器所收集到的，不含有任何胎儿信号的光信号。孕妇手指通常用作本文的一个例子，但这个特定的实施例不限制其他位置的使用。

在本发明的一个实施例中，在时域和频域对孕妇血氧饱和度的光信号（通常是多个波长的信号）和/或孕妇的心率信号，胎儿的心率速率信号，以及放置在孕妇腹部的皮肤表面的光学传感器检测到的多个波长的胎儿光信号进行分析，从而提取胎儿的多波长血氧饱和度的光信号。

使用时域的信号处理技术，可以从胎儿光信号中减去与孕妇血液流相关的周期性脉动光信号。与孕妇血液流相关的周期性脉动光信号、孕妇心率信号、胎儿心率信号和多个波长的胎儿光信号的时域信号，可以通过快速傅立叶变换或Z-变换转换成频域信号。然后在频域中，可以从胎儿光信号频谱中进一步减除与孕妇血流有关的基频分量和其谐波频率分量。使用与胎儿的心率相关的基频分量和其谐波分量，可以增强与胎儿的心率相关的光信号中的频率分量。各种非周期性的噪声信号和杂散信号遍布在整个频谱中，这些非周期性的噪声信号和杂散信号的频率强度可以在频域中被减低。

将与孕妇血流量相关的光信号、非周期性的噪声信号和杂散信号从胎儿光信号中除去或减少后，频域光谱信号可以用逆快速傅立叶变换或逆Z变换转回到时域信号。在时域中，可以利用周期性特征的胎儿心率信号，以及胎儿心率信号和胎儿血流光信号的相关性，进一步增强与胎儿心率相关的信号成分。

在一个实施例中，本发明可用于无创确定胎儿的血氧饱和度水平。其特征在于，光电传感器包括能够产生多个不同波长的光束的光源，这一多个不同波长的光束能够穿透人体组织。至少一个光检测器能够检测到所述光束穿过组织后或者从组织反射回来的的光束。所述不同波长的光源置放的位置以及至少一个光检测器置放的位置使得可以发送光束以通过部分孕妇和部分胎儿，进而产生一组包含与孕妇脉动血流相关和与胎儿脉动血流相关的光信号。此实施例将进一步包括至少一个的胎儿心率传感器用于取得胎儿心率信号，至少一个孕妇光学传感器取得一个与孕妇动脉动血流量相关而与胎儿脉动血流无关的光信号，至少一个孕妇心率传感器取得孕妇心率信号。这里这个孕妇的光学传感器一般会被置放在不会将光照射到胎儿的位置。此实施例也将包括至少一个信号处理装置。此信号处理装置有如下功能：在时域和/或频域处理包含孕妇和胎儿的胎儿光信号数据，胎儿心率数据，孕妇光信号数据和孕妇心率信号数据，从胎儿光信号中减去孕妇的贡献，增强与胎儿动脉血流搏动相关的光信号。然后，从与胎儿动脉血流搏动相关的光信号中计算出胎儿的血氧饱和度值。

下面结合附图详细描述本发明。

图1是孕妇体外胎儿脉搏血氧饱和度监测系统的一个示例的框图。在图1中，胎儿心率传感器、胎儿脉搏血氧饱和度光电传感器、孕妇心率信号传感器都置放在孕妇体外；并且安装在一个带在孕妇腹部的腹带上。孕妇脉搏血氧饱和度光信号传感器戴在孕妇的手指上。图2是孕妇体外胎儿脉搏血氧饱和度监测系统的另一示例的框图。在图2中，所有传感器，包括胎儿心率传感器、胎儿脉搏血氧饱和度光学传感器、孕妇心率信号传感器、孕妇脉搏血氧饱和度光信号传感器都置放在孕妇体外，并且安装在一个带在孕妇腹部的腹带上。

在图1所示发明的一个实施例中，胎儿脉搏血氧饱和度光电传感器30、孕妇心率传感器40和胎儿心率传感器50被安装在一个戴在孕妇腹部的腹带20上。胎儿脉搏血氧饱和度光电传感器30是一个光学传感器，产生两个或两个以上波长的光信号，并且收集与胎儿血液流动相关的透射或反射的光信号。胎儿心率传感器50监测胎儿心率，可以是但不限于多普勒超声波探头，胎儿心电图电极，胎儿心音监测器等等。孕妇心率传感器40是监测孕妇心率的传感器，可以是，但不限于心电图电极。

在此实施例中，这3个传感器都安装在一个佩戴在孕妇腹部的腹带20上。在其他实施例中，这些传感器可以安装在其他装置，并不仅仅限制于佩戴在孕妇腹部的腹带。

除上述3个传感器外，在此实施例中，孕妇手指上还戴有一个孕妇光信号传感器10用于发射和接收与孕妇血氧饱和度相关的光信号。虽然在这个例子中孕妇光信号是通过手指上的孕妇光信号传感器10获得，但是其他的身体位置（如耳垂）也可以使用，只要能够得到没有任何胎儿干扰的信号。只要接收到的孕妇光信号不受胎儿信号干扰，孕妇光信号传感器10也可以置放于戴在孕妇腹部的腹带20上。图2所示的就是这样一个实施例中，在图2中，孕妇光信号传感器70置放于腹带20上。

在图1和图2的实施例中，胎儿脉搏血氧饱和度光学传感器30，胎儿心率传感器50和孕妇心率传感器40或孕妇光信号传感器70通过腹带20上的一个接口60，把所有传感器接收到的信号传送到孕妇体外信号处理系统90。信号处理系统90也通过这个接口60把控制信号送到这些传感器。接口60可以是电缆的接口，也可以是其他通信媒体的接口，如无线通信，光通信等等。

在图1和图2的实施例中，孕妇体外的信号处理系统90包括：孕妇光电信号检测界面74，胎儿光电信号检测界面72，孕妇心率探测界面80，胎儿心率探测界面82，模数转换器84，信号处理装置86和显示器88。

孕妇心率探测界面80可以是但不限于一个电子电路。此电子电路检测从孕妇心率传感器40获得的孕妇心电图信号。胎儿心率探测界面82可以是但不限于超声多普勒胎儿心音监检电路。

孕妇光电信号检测界面74控制戴在孕妇手指上的孕妇光信号传感器10或安装在腹带20上的孕妇光信号传感器70的发光时间和功率，并且接收孕妇光信号传感器1070的与孕妇血液饱和度相关的光信号。胎儿光电信号检测界面82控制安装在腹带20上的胎儿脉搏血氧饱和度光电传感器30的发光时间和功率，并且接收胎儿脉搏血氧饱和度光电传感器30的胎儿光信号。

模数转换器84将孕妇光电信号检测界面74、胎儿光电信号检测界面72、孕妇心率检测界面80和胎儿心率检测界面82所接收到的模拟电子信号转换成数字电子信号，供信号处理装置86去进行分析、处理、计算。并可以由显示器88将胎儿心率、胎儿脉搏血液饱和度值，或其他必要的参数显示出来。信号处理装置86可以是计算机、微处理器系统或数字信号处理系统。

图3是孕妇体外胎儿脉搏血氧饱和度监测系统的腹带横截面视图。该视图示出了所有传感器安装在孕妇腹部的腹带上。图3示出胎儿光电传感器30、胎儿心率传感器50、孕妇心率传感器40和孕妇光信号传感器70安装在腹带20上并且带在孕妇腹部外表2上的一个横截面示意图。

如图3所示，图1和图2中胎儿光电传感器30由两个部分组成：胎儿光源30A和胎儿光探测器30B。胎儿光源30A产生两个或两个以上波长的光，通常是红色和红外发光二极管（LED），其波长在620mm和1000mm之间。胎儿光探测器30B接收到胎儿光源30A发出的经孕妇子宫4和胎儿组织透射或反射的这两个或两个以上波长的光。胎儿光探测器30B通常由光电敏电子管组成。

图3示出的胎儿光源30A和胎儿光探测器30B安装在孕妇腹部相对的位置，但穿过组织的距离越长，光衰减量越高。在另一个实施例中，也可以将胎儿光源30A和胎儿光探测器30B安装在孕妇腹部的同一侧。胎儿光探测器30B所接收到的光就不是透射光，而是反射回来的光。

在图1中，孕妇心率传感器40通常包括至少两个电极：孕妇心电图电极40A和40B，并且可以被安装在孕妇腹部的相对两侧。尽管图3示出两个孕妇心电图电极40A和40B，在另一个替代的实施例中，孕妇心电图电极40A和40B不是必需的，因为孕妇心率信号可以从孕妇的光信号中获得。

在图3中，胎儿心率传感器50可以是但并不限于多普勒超声波传感器、胎儿心音探测器或其他装置。在本发明的实施例中，胎儿心率传感器50可以沿着腹带20滑动，以得到最强的胎儿心率信号。

图4示出一个实施例的光电信号检测界面100，其可以用作孕妇光电信号检测界面74和胎儿光电信号检测界面72。典型的胎儿脉搏血氧饱和度光血传感器30包括两个不同的波长的光源，这里再次将红色和红外光源用作示例。信号32是由胎儿光探测器30B接收到的红色光和红外光的电信号。这一电信号被送入红光/红外光放大器及滤波器102进行必要的放大及滤波。红光/红外光放大器和滤波器102是根据胎儿光探测器30B设计的专用电子放大器和滤波器。经放大和滤波的模拟电子信号被模数转换器104转换成数字电子信号，然后由信号处理装置86进行数字信号处理。

同时，信号处理装置86根据接收到的光信号的强度，通过红光/红外光光源驱动器106控制胎儿光源30A的发光功率。并且可以通过光源时序控制电路108控制红色光源和红外光源的发光时间。

图5示出孕妇体外胎儿脉搏血氧饱和度监测系统中的用于获得胎儿脉搏血氧饱和度的信号处理装置86的一个实施例的功能框图。孕妇心率信号120、孕妇光信号122、胎儿光信号124和胎儿心率信号126在时域到频域转换器300中进行时域到频域的转换。这一转换可以使用快速傅立叶变换、拉普拉斯变换或z-变换等数学变换算法。时域到频域转换器300将孕妇心率信号120变换成孕妇心率频域数据120A，将孕妇光信号122变换成孕妇光信号频域数据122A，将胎儿光信号124变换成胎儿光信号频域数据124A，将胎儿心率信号126变换成胎儿心率信号频域数据126A。

这4个频域数据120A、122A、124A和126A在频域信号处理器400中进行分析和处理。在下面图7的描述中，将具体描述频域信号处理器400的一个实施例。

频域信号处理器400的输出信号130是一个已经把与孕妇心率相关的频率成分和非周期噪音信号的频率成分去除后的胎儿光信号的频域信号。频域到时域信号转换器500再将输出信号130转换成时域信号140。这一转换可以使用逆快速傅立叶变换、逆拉普拉斯变换或逆z-变换等数学变换算法。时域信号140是一个已经把与孕妇心率相关的成分和非周期噪音信号的成分去除后的胎儿光信号的时域信号。

时域信号140被送进时域信号处理器600进行进一步分析、处理。时域信号处理器600根据胎儿光信号124与胎儿心率信号126在时域的相关性，可以锁定和增强时域信号140中与胎儿心率，即血流，相关的信号，产生用于胎儿脉搏血氧饱和度计算的信号150。在下面图8的描述中，将具体描述时域信号处理器600的一个实施例。

最后，根据上面描述过的脉搏血氧饱和度检测的基本原理，在胎儿血氧计算器700中计算出胎儿的脉搏血氧饱和度。

图6示出另一个实施例的信号处理装置的另一个实施例的功能框图。这一实施例与图5示出的实施例不同之处在于，增加了时域光信号处理器200。在通过时域到频域转换器300把所有信号转换成频域信号之前，时域光信号处理器200对胎儿光信号124进行时域中的预处理。因为胎儿光信号124含有很强的与孕妇心率或孕妇光信号相关的成分，可以在时域中检测出它们的相关性，并从胎儿光信号124中减除与孕妇心率或孕妇光信号相关的成分，产生新的胎儿光信号124B用于时域到频域的转换。

图5和图6描述了两个略有不同的信号处理装置的实施例，应当理解，形式和细节上可以有各种变化，在不脱离其原理的情况下，都应属于本发明信号处理装置的范围。在时域和频域，去除的孕妇光信号和增强胎儿的光信号的顺序可以改变，或以不同的形式相结合。信号处理也可以单独在时域或仅在频域中进行。胎儿血氧饱和度，也可以在频域计算而不必变换回时域。

图7是图6中时域光信号处理器200的信号处理的一个实施例的流程图。时域光信号处理器200利用孕妇心率信号120和孕妇光信号122把与孕妇心率相关的成分和非周期噪音信号的成分在时域中从胎儿光信号124中去除。这个流程图开始于存储n个周期的各种信号。在步骤220中存储n个周期的孕妇心率信号120；在步骤222中存储n个周期的孕妇光信号122；在步骤224中存储n个周期的胎儿光信号124。然后在步骤230中检测这3个信号的相关性。检测它们波形中波峰和波谷是否相同或基本相同。这需要进行相应的归一化处理，在时间轴上的平移处理，各周期延时的调整处理，等等不同的处理。如果在步骤230中检测出信号124和122有明显的相关性，在步骤240中，将n个周期的孕妇光信号122从相同的n个周期的胎儿光信号124中减除。在步骤260中存储这n个周期的新的胎儿光信号124B以备下一步处理使用。如果在步骤240中不能检测出信号124和信号122的相关性，转到步骤270将存储的n个周期的信号120、122和124向前各自移动一个周期。如果此n个周期是0，1，2,…,n-1，n，移动后的n个周期是1，2，3,…,n，n+1。然后进入步骤230进行下一轮处理。

图8是图4或图5中频域信号处理器400的一个实施例的流程图。频域信号处理器400利用频域孕妇心率信号120A、频域孕妇光信号122A、频域胎儿心率信号126A把与孕妇心率相关的频律成分和非周期噪音信号的频律成分在频域中从胎儿光信号124A中去除。这个流程图开始于存储n个周期的各种频域信号。在步骤410中存储n个周期的频域孕妇心率频谱数据120A；在步骤412中存储n个周期的频域孕妇光信号频谱数据122A；在步骤414中存储n个周期的频域胎儿光信号频谱数据124A，在步骤416中存储n个周期的频域胎儿心率信号频谱数据126A。在步骤420对这些光信号频谱数据进行分析，确定孕妇心率频谱数据120A的基本频率及其谐振频率。并找出胎儿光信号频谱数据124A与孕妇心率频谱数据120A的基本频率及其谐振频率相同的频率分量X。同时确定胎儿心率频谱数据126A的基本频率及其谐振频率。并找出胎儿光信号频谱数据124A与胎儿心率频谱数据126A的基本频率及其谐振频率相同的频率分量Y。同时在胎儿光信号频谱数据124A中确定与孕妇心率频谱数据120A和胎儿心率频谱数据160A的基本频率及其谐振频率不相同的频率分量Z。这个频率分量Z是非周期噪音信号的频谱分量。然后在步骤430中，设计一个陷波滤波器，以衰减胎儿光信号频谱数据124A中与孕妇心率频谱数据120A相同的频率成分X。还设计频率滤波器，律掉胎儿光信号频谱数据124A中的噪音信号的频谱分量Z。这样，胎儿光信号频谱数据124A的剩余信号将主要含有与胎儿心率频谱数据126A的基本频率及其谐振频率相同的频率分量Y。我们也可以用已知频率分量Y去增强胎儿心率频谱数据126A中的Y频率分量。这一主要含有与胎儿心率频谱数据126A的基本频率及其谐振频率相同的频率分量Y的频域信号130在步骤440中存储下来，以备下一步处理使用。

步骤450将存储的n个周期信号120A,122A，124A，126A向前各自移动一个周期。如果此n个周期是0，1，2,…,n-1，n，移动后的n个周期是1，2，3,…,n，n+1。然后返回到步骤420进行下一轮处理，产生下一组信号130。

接下来，如前所述，时域到频域信号转换器500再将频域信号130转换成时域信号140。

图9是图4或图5中时域信号处理器600的一个实施例的流程图。时域信号处理器600利用时域胎儿心率信号126来增强时域信号140中与胎儿心率信号126相同的成分。这个流程图开始于在步骤602中存储n个周期的胎儿心率信号126，在步骤604中存储n个周期的时域信号140。时域信号140是一个主要含有与胎儿心率周期（即胎儿血流周期）相关的信号的时域信号。在步骤610中，检测、确定时域信号140的波形的高峰值和低谷值的位置。在步骤620中检测时域信号140的高峰值和低谷值与胎儿心率信号126的对应位置。如果时域信号140的高峰值和低谷值与胎儿心率信号126对应，下一步在步骤630中确定时域信号140中的每一个周期的高峰值与胎儿心率信号126的时间延迟关系。然后在步骤640中将时域信号140在时间轴上前后滑动、调整，使时域信号140每一个周期的高峰值与胎儿心率信号126保持基本相同。然后在步骤650中将时域信号140中各个周期的数据相加。根据信号叠加原理，进而增强每个周期中相同的频率成分，衰减不同的频率成分。把经过步骤650的叠加处理的信号150在步骤660中存储。

如果在步骤620没有检测到时域信号140的高峰值和低谷值与胎儿心率信号126的相关性，转到步骤670将存储的n个周期信号140和126向前各自移动一个周期。此n个周期是0，1，2,…,n-1，n，移动后的n个周期是1，2，3,…,n，n+1。然后返回到步骤610进行下一轮处理。

步骤660存储完信号150后，也转到步骤670，进行下一轮处理，产生下一组信号150。

根据脉搏血氧饱和度的基本原理，信号150最终用于计算胎儿脉搏血氧饱和度。

综上所述，本发明的一个方面提供一个胎儿脉搏血氧饱和度监测系统。此系统不需任何传感器与胎儿直接接触，可以无创地测量怀孕期间胎儿的心率和血氧饱和度。在一个实施例中，在该系统中，所有传感器都可以置放在孕妇的腹部表面或孕妇身体表面的其他部位，从而避免任何有创伤或有侵入性的操作。在另一个实施例中，在该系统中，所有传感器都可以置放在可以佩戴者孕妇的腹部的一个腹带上，便于安装、操作和测量。

在该胎儿脉搏血氧饱和度监测系统中包括一个信号处理系统，其根据与胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号，并且根据所述的孕妇脉搏血氧饱和度光信号、孕妇心率信号和胎儿心率信号中的一个或更多个信号，来计算胎儿脉搏血氧饱和度。

在一个实施例中，该信号处理系统包括：模数转换器，其能够将与胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号，所述的孕妇脉搏血氧饱和度光信号、孕妇心率信号和胎儿心率信号中的一个或更多个信号全部或部分地转换为数字信号；以及信号处理装置，其能够将所述数字信号进行时域和/或频域的数字信号分析和处理，计算出胎儿脉搏血氧饱和度。

在一个实施例中，所述信号处理装置能够在时域和/或频域中利用孕妇脉搏血氧饱和度光信号或/和孕妇心率信号的周期性，从与胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号中减除孕妇脉搏血氧饱和度光信号。

在另一个实施例中，所述信号处理装置能够在时域和/或频域中利用胎儿心率信号的周期性，从与胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号中减除与胎儿心率不相关的噪音信号。

在另一个实施例中，所述信号处理装置能够在时域和/或频域中利用胎儿心率的周期性，对于胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号进行增强。

本发明的另一方面是一个脉搏血氧饱和度监测方法，可以无创或无侵入性地检测胎儿的脉搏血氧饱和度。此方法不需任何传感器与胎儿直接接触，可以无创地测量怀孕期间胎儿的心率和血氧饱和度。在该脉搏血氧饱和度监测方法中，根据与胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号，并且根据所述的孕妇脉搏血氧饱和度光信号、孕妇心率信号和胎儿心率信号中的一个或更多个信号，计算胎儿脉搏血氧饱和度。

在一个实施例中，计算胎儿脉搏血氧饱和度的步骤包括：将与胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号，所述的孕妇脉搏血氧饱和度光信号、孕妇心率信号和胎儿心率信号中的一个或更多个信号全部或部分地转换为数字信号；将所述数字信号进行时域和/或频域的数字信号分析和处理以计算出胎儿脉搏血氧饱和度。

在一个实施例中，将所述数字信号进行时域和/或频域的数字信号分析和处理以计算出胎儿脉搏血氧饱和度的步骤包括在时域和/或频域中利用孕妇的脉搏血氧饱和度光信号或/和孕妇心率信号的周期性，从与胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号中减除孕妇的脉搏血氧饱和度光信号。

在另一个实施例中，将所述数字信号进行时域和/或频域的数字信号分析和处理以计算出胎儿脉搏血氧饱和度的步骤包括在时域和/或频域中利用胎儿心率信号的周期性，从与胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号中减除与胎儿心率不相关的噪音信号。

在另一个实施例中，将所述数字信号进行时域和/或频域的数字信号分析和处理以计算出胎儿脉搏血氧饱和度的步骤包括在时域和/或频域中利用胎儿心率信号的周期性，对于胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号进行增强。

以上描述给出本发明的一些可能的实施例。本领域专业技术人员应该理解，具体实施的形式和细节上可以有各种变化，在不脱离本发明基本原理的情况下，都应属于本发明装置和信号处理方法的范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明并不仅限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本发明的实质范围内作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种胎儿脉搏血氧饱和度监测系统，包括：

置放在孕妇体外的胎儿脉搏血氧饱和度光电传感器，所述胎儿脉搏血氧饱和度光电传感器能够发射两个或两个以上的不同波长的光，所述两个或两个以上的不同波长的光的至少一部分通过胎儿组织或者被胎儿组织反射，并且所述胎儿脉搏血氧饱和度光电传感器能够接收透射过胎儿组织或从胎儿组织反射回来的光作为与胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号；

置放在孕妇体外的测量装置，所述测量装置能够监测孕妇脉搏血氧饱和度光信号、孕妇心率信号和胎儿心率信号中的一个或更多个信号；

信号处理系统，其根据与胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号，并且根据所述的孕妇脉搏血氧饱和度光信号、孕妇心率信号和胎儿心率信号中的一个或更多个信号，来计算胎儿脉搏血氧饱和度。

2.根据权利要求1所述的胎儿脉搏血氧饱和度监测系统，其中，

所述测量装置包括用于监测孕妇脉搏血氧饱和度光信号的光信号传感器、用于监测孕妇心率信号的孕妇心率信号传感器和用于监测胎儿心率信号的胎儿心率信号传感器中的一个或更多个传感器，所述传感器全部置放在孕妇体外。

3.根据权利要求2所述的胎儿脉搏血氧饱和度监测系统，其中，所述的光信号传感器、孕妇心率信号传感器和胎儿心率信号传感器中的一个或更多个传感器以及胎儿脉搏血氧饱和度光电传感器全部或部分地安装在孕妇佩戴的腹带上。

4.根据权利要求1所述的胎儿脉搏血氧饱和度监测系统，其中，

所述胎儿脉搏血氧饱和度光电传感器发射的所述两个或两个以上波长的光的波长范围在600nm和1100nm之间。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的胎儿脉搏血氧饱和度监测系统，其中，

所述信号处理系统包括：

模数转换器，其能够将与胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号，所述的孕妇脉搏血氧饱和度光信号、孕妇心率信号和胎儿心率信号中的一个或更多个信号全部或部分地转换为数字信号；

信号处理装置，其能够将所述数字信号进行时域和/或频域的数字信号分析和处理，计算出胎儿脉搏血氧饱和度。

6.根据权利要求5所述的胎儿脉搏血氧饱和度监测系统，其中，

所述信号处理装置能够在时域和/或频域中利用孕妇脉搏血氧饱和度光信号和/或孕妇心率信号的周期性，从与胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号中减除孕妇脉搏血氧饱和度光信号。

7.根据权利要求5所述的胎儿脉搏血氧饱和度监测系统，其中，

所述信号处理装置能够在时域和/或频域中利用胎儿心率信号的周期性，从与胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号中减除与胎儿心率不相关的噪音信号。

8.根据权利要求5所述的胎儿脉搏血氧饱和度监测系统，其中，

所述信号处理装置能够在时域和/或频域中利用胎儿心率的周期性，对与胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号进行增强。

9.一种胎儿脉搏血氧饱和度监测方法，包括以下步骤：

通过置放在孕妇体外的胎儿脉搏血氧饱和度光电传感器发射两个或两个以上的不同波长的光，所述两个或两个以上的不同波长的光的至少一部分通过胎儿组织或者被胎儿组织反射，并且通过胎儿脉搏血氧饱和度光电传感器接收透射过胎儿组织或从胎儿组织反射回来的光作为与胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号；

通过置放在孕妇体外的测量装置监测胎儿心率信号、孕妇脉搏血氧饱和度光信号和孕妇心率信号中的一个或多个信号；

根据与胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号，并且根据所述的孕妇脉搏血氧饱和度光信号、孕妇心率信号和胎儿心率信号中的一个或更多个信号，计算胎儿脉搏血氧饱和度。

10.根据权利要求9所述的胎儿脉搏血氧饱和度监测方法，其中，

所述测量装置包括用于监测孕妇脉搏血氧饱和度光信号的光信号传感器、用于监测孕妇心率信号的孕妇心率信号传感器和用于监测胎儿心率信号的胎儿心率信号传感器中的一个或更多个传感器，所述传感器全部置放在孕妇体外。

11.根据权利要求9所述的胎儿脉搏血氧饱和度监测方法，其中，所述的光信号传感器、孕妇心率信号传感器和胎儿心率信号传感器中的一个或更多个传感器以及胎儿脉搏血氧饱和度光电传感器全部或部分地安装在孕妇佩戴的腹带上。

12.根据权利要求9所述的胎儿脉搏血氧饱和度监测方法，其中，

所述胎儿脉搏血氧饱和度光电传感器发射的所述两个或两个以上波长的光的波长范围在600nm和1100nm之间。

13.根据权利要求9-12中任一项所述的胎儿脉搏血氧饱和度监测方法，其中，

计算胎儿脉搏血氧饱和度的步骤包括：

将与胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号，所述的孕妇脉搏血氧饱和度光信号、孕妇心率信号和胎儿心率信号中的一个或更多个信号全部或部分地转换为数字信号；

将所述数字信号进行时域和/或频域的数字信号分析和处理以计算出胎儿脉搏血氧饱和度。

14.根据权利要求13所述的胎儿脉搏血氧饱和度监测方法，其中，

将所述数字信号进行时域和/或频域的数字信号分析和处理以计算出胎儿脉搏血氧饱和度的步骤包括在时域和/或频域中利用孕妇的脉搏血氧饱和度光信号和/或孕妇心率信号的周期性，从与胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号中减除孕妇的脉搏血氧饱和度光信号。

15.根据权利要求13所述的胎儿脉搏血氧饱和度监测方法，其中，

将所述数字信号进行时域和/或频域的数字信号分析和处理以计算出胎儿脉搏血氧饱和度的步骤包括在时域和/或频域中利用胎儿心率信号的周期性，从与胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号中减除与胎儿心率不相关的噪音信号。

16.根据权利要求13所述的胎儿脉搏血氧饱和度监测方法，其中，

将所述数字信号进行时域和/或频域的数字信号分析和处理以计算出胎儿脉搏血氧饱和度的步骤包括在时域和/或频域中利用胎儿心率信号的周期性，对于胎儿脉搏血氧饱和度相关的光信号进行增强。