CN104306018B - 具有胎音监护、胎动检测及胎动轨迹诱导功能的可穿戴式胎教腹带系统 - Google Patents
具有胎音监护、胎动检测及胎动轨迹诱导功能的可穿戴式胎教腹带系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种具有胎音监护、胎动检测及胎动轨迹诱导功能的可穿戴式胎教腹带系统，包括柔性基底、拾音器阵列、声音采集检测模块、用于声音胎教存储播放模块、用于光照胎教光源的LED灯阵列、系统控制模块和系统电源模块。拾音器阵列将采集到的胎音和胎动信号发送至声音采集检测模块，通过系统控制模块的最优通道选择算法获得胎音信号最强的位置，胎音最强的位置即为胎儿心脏的位置，以此判断出胎儿头部位置和胎儿的体位姿态，从而在胎儿头部位置附近进行光教和声教。同时，利用不同位置的声音和光照信号可以刺激和诱导胎儿进行运动，进而改变胎儿的运动方向和轨迹。本发明一方面可以预防和减少胎儿脐带绕颈情况的发生，另一方面也可以实现孕妇的自主监护以及自主胎教。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学电子工程学领域，具体涉及一种可以长时间连续监测胎儿心音信号、胎动次数、胎儿运动轨迹，并可利用声音和光照信号诱导改变胎儿的运动方向和轨迹的可穿戴式胎教腹带系统。
背景技术
胎教思想最早源于我国古代，千百年来一直受到医学、教育学、哲学、文学等众多领域研究者的关注。随着早期教育越来越受到重视，许多父母为了不让孩子输在起点，开始在胎教方面进行了不同程度的尝试与摸索。国内外大量的实验研究已经证实胎儿对胎外的刺激具有规律性的躁动或平稳的胎动现象，这就证明了胎儿是可以接受“教育”的，从而为孕妇对胎儿进行胎教提供了有力的科学依据。
经过科学实验研究表明，坚持使用科学的胎教仪进行胎教，对于胎儿的大脑发育，以及其他身体机能的成熟和发育有很大的促进作用。具体表现在智商、情商、语言、艺术天赋、动手能力以及身体素质等方面，其优势明显优于没有进行过胎教的宝宝。因此，胎教对于父母和孩子而言，都是十分重要的。
我国在80年代引入胎儿心音监护，如今胎心监护已是妇产科普遍应用的监测方法之一，广泛应用于临床工作中。胎心音监护具有简单、无痛等特点，对宫内胎儿情况的正确评估起到了重要作用。
结合国内外现状，市场上流通的许多家用胎教设备及胎心监护仪都可以分别实现这些功能，但还没有一款仪器同时具备胎音监护、胎动检测、胎动轨迹诱导和胎教功能，且现有设备多有使用不便和价格昂贵等不足。
发明内容
本发明专利提供一种全新设计的胎教腹带系统，可以连续监测胎儿心音、胎动信号和胎儿运动轨迹，通过系统控制模块实施光照胎教和声音胎教功能，并可以利用声音和光照对胎儿进行刺激和诱导，改变胎儿的运动轨迹，以此达到监测、胎教和运动诱导的多重目的，以便更好的对胎儿进行胎教、胎音监护，预防和减少脐带绕颈情况的发生。
本发明所采用的技术方案如下：
一种具有胎音监护、胎动检测及胎动轨迹诱导功能的可穿戴式胎教腹带系统，系统包括柔性基底，所述柔性基底上设置有拾音器阵列、与所述拾音器阵列连接的声音采集检测模块、用于声音胎教的声音胎教存储播放模块、用于光照胎教的光照胎教LED灯阵列、系统控制模块和系统电压模块等。
所述拾音器阵列用于采集胎音和胎动信号，将声音信号转变为可供后级单元处理的电压信号，并将信号发送至声音采集检测模块，通过系统控制模块的最优通道选择算法获得胎音信号最强的位置，胎音最强的位置即为胎儿心脏的位置，以此即可判断出胎儿头部位置和胎儿的体位姿态，在胎儿头部位置附近进行光照胎教和声音胎教，可以实现对胎儿的早期胎教目的。同时，利用不同位置的声音和光照信号可以刺激和诱导胎儿进行运动，进而改变胎儿的运动方向和轨迹，可以预防和减少脐带绕颈情况的发生。
优选地，所述拾音器阵列可以采用驻极体麦克风或动圈式麦克风中的一种，拾音器阵列布置于腹带的多个方位(如四个，为方便说明实施例均以四个方位为例进行说明)；所述拾音器阵列将声音(胎音、胎动)信号转变为可供后级单元处理的电压信号，并且都与前置放大电路相连，起到缓冲、隔离、提高带载能力的作用。
所述声音采集检测模块与拾音器阵列连接，并与所述系统控制模块连接。优选地，所述声音采集检测模块设置有前置放大电路、高低通滤波模块、二级放大模块、陷波器模块和电平抬升模块。所述前置放大电路为跟随电路，对信号起到缓冲、隔离、提高带载能力的作用；所述高低通滤波模块用于截取频率在60Hz到180Hz之间的胎心音信号；所述二级放大模块用于放大胎儿心音信号和胎动信号的幅值，便于数据处理；所述陷波器模块用于滤除50Hz工频及其100Hz和150Hz的谐波干扰信号。所述电平抬升模块用于抬升负电压至0V以上，供AD转换处理。
所述声音胎教存储播放模块包括语音集成模块和扬声器阵列，用于下载、存储和播放声教教材资料。具体地，语音集成模块包含SD/MMC卡及USB储存器，支持MP3等音乐格式，可以根据准妈妈的需要，下载各种各样的声教教材资料在存储卡内，然后加以播放。语音集成模块还包括胎教音乐播放控制按钮，根据需要可以调节声音大小，可以变换上下歌曲播放顺序等。所述声音胎教存储播放模块的扬声器(如高保真内磁喇叭)阵列布置于腹带的多个方位。
所述光照胎教光源的发光二极管LED灯阵列可由波长570-622nm的橙黄光二极管组成，胎儿对该段波长的光线最为敏感，LED灯阵列布置于腹带的多个方位，通过系统控制模块来控制光照胎教的工作方式及光照时间。
所述系统控制模块包括微程序控制器MCU、AD转换模块、显示模块、电压转换模块和多选一模拟开关。其中所述AD转换部分用于将声音采集检测模块采集的模拟电信号转换为可供MCU处理的数字信号；所述显示模块用于实时显示每分钟的胎儿心音次数、每小时胎动的次数和胎儿的运动轨迹方向；所述电压转换模块用于得到±5V电压，以驱动声音采集检测模块的芯片工作。所述微程序控制器MCU控制多选一模拟开关分别对多个方位的拾音器阵列、扬声器阵列、LED灯阵列进行选择，以及对AD转换采样的数据进行算法处理及显示；其通过算法处理判断对比得出胎音次数和胎动次数，判断出所检测信号最强的方位，以此位置为依据判断出胎儿头部位置、胎儿姿态及胎儿运动轨迹方向，并将检测到的胎音、胎动次数和胎儿运动轨迹方向信息输出给显示模块；所述微程序控制器MCU可根据人为控制指令选择光照胎教和声音胎教模块的单独工作或者两个模块组合工作，并可在胎头位置附近选择光照胎教和声音胎教模块的工作方式和工作顺序，以此刺激、诱导胎儿改变运动轨迹方向，预防或减少脐带绕颈情况的发生。
具体地，微程序控制器MCU的算法处理包括：最优通道选择算法、胎音胎动计数算法、胎动诱导算法等。
其中所述最优通道选择算法，包括：定时器初始化、定时采样、多通道波峰平均值比较求解信号强度位置、打开对应位置的信号采集功能、进行胎音和胎动次数计数。
所述胎音胎动计数算法包括如下步骤：读取AD采样数据、对数据进行一阶差分处理、对多组差分值求平均值、数据极值对比、计数器计数。
所述胎动诱导算法包括如下步骤：选取最优通道，确定胎头的位置，监测通道选通顺序，胎儿运动方向预警，根据用户控制指令选通反方向的光教和声教模块工作，诱导胎儿反转；判断胎儿反转状态，胎动诱导结束。
本系统的所有模块均置于柔性基底材料上，其尾部两端可通过魔术贴或纽扣或捆绑带等方式进行连接，方便孕妇随身佩戴。
有益效果：
本发明的胎教腹带系统可实现声音胎教和光照胎教功能，可以实时监测胎儿的胎音和胎动状况，并通过声教和光教信号刺激对其运动轨迹进行诱导；与传统胎教仪相比，本发明具有体积小、易佩戴等优点，一方面可以预防或减少胎儿脐带绕颈情况发生，另一方面也可以实现孕妇的自主监护以及自主胎教。
附图说明
为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作以详细描述。
图1是本发明一较佳实施例的腹带系统的结构示意图；
图2是图1中腹带系统的功能框图；
图3是图1中腹带系统的电路组成示意图；
图4是图1中声教模块功能示意图；
图5是图1中系统控制模块的主程序流程图；
图6是图5中系统初始化的流程图；
图7是图5中最优通道选择算法流程图；
图8是图5中胎音胎动计数算法流程图；
图9是胎动诱导算法流程图。
其中，100柔性基底、101LED灯阵列、102拾音器阵列、103扬声器阵列、104胎教音乐播放控制按钮、105显示模块、106声音采集检测模块、107系统控制模块、108语音集成模块、109胎教音乐资料存储模块、110系统电源模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明一较佳实施例的腹带系统的结构示意图。请参照图1，本发明是一种具有胎音监护、胎动检测及胎动轨迹诱导功能的可穿戴式胎教腹带系统，系统包括柔性基底(100)，用于安装所有部件，其尾部两端可通过魔术贴或纽扣或捆绑带等方式进行连接，方便孕妇随身佩戴。柔性基底(100)上设置有拾音器阵列(102)、与拾音器阵列(102)连接的声音采集检测模块(106)、用于声音胎教的语音集成模块(108)和扬声器阵列(103)、用于光照胎教光源的LED灯阵列(101)、系统控制模块(107)和为整个系统供电的系统电源模块(110)。
拾音器阵列(102)将采集到的胎音和胎动信号发送至声音采集检测模块(106)，再由系统控制模块(107)进行处理。扬声器阵列(103)和光照LED灯阵列(101)的工作状态和工作方式，是通过系统控制模块(107)比较判断出胎音信号最强的位置，并以此为依据判断出胎儿头部位置，并根据人为控制指令在胎头位置附近选择光教和声教功能模块的工作方式、工作时间和工作顺序，以此刺激、诱导胎儿改变运动方向。
请参照图2，本腹带系统(200)具有声教(201)、胎音胎动监护(202)和光教(203)三大功能块。声教功能块包括语音集成模块(108)和扬声器阵列(103)，语音集成模块(108)可将各种声教教材资料通过扬声器阵列(103)进行播放。胎音胎动监护功能块通过拾音器阵列(102)，将采集到的声音信号经声音采集检测模块(106)处理后，发送给系统控制模块(107)进行信号强度比较，判断出所检测信号最强的方位，以此位置为依据，实现检测胎音、胎动及判断胎头位置(205)功能。光教功能块通过LED灯阵列(101)产生波长在570-622nm的橙黄色光(204)，对胎儿进行光照胎教。
请参照图3，腹带系统的电路包括：LED灯阵列(101)、拾音器阵列(102)、扬声器阵列(103)、声音采集检测模块(106)和系统控制模块(107)五个功能块。声音采集检测模块(106)包括前置放大电路(301)、高低通滤波(302)、二级放大(303)、陷波器(304)和电平抬升电路(306)。系统控制模块(107)包括微程序控制器MCU(308)、AD转换模块(307)、显示模块(105)、电压转换模块(305)、四选一模拟开关(300)。
其中，光照胎教的光源为LED灯阵列(101)，LED灯阵列(101)由波长570-622nm的橙黄光二极管组成，共四十只发光二极管，以每十只为一组，每组十个并联后再串联一定阻值的保护电阻。LED灯阵列(101)与拾音器阵列(102)和扬声器阵列(103)相毗邻，布置于胎教腹带的四个方位，通过系统控制模块(107)来控制光照胎教的工作方式、顺序及光照时间，其工作方式可为每组十个灯一起闪烁亮灭或者采用花样流水灯顺序亮灭等模式。
其中，拾音器阵列(102)可采用驻极体麦克风或动圈式麦克风，可布置于胎教腹带的四个方位。拾音器阵列(102)用于将声音信号转变为可供后级单元处理的电压信号，并且都与前置放大电路(301)相连，起到缓冲、隔离、提高带载能力的作用。
其中，扬声器阵列(103)由高保真内磁喇叭阵列组成。
其中，声音采集检测模块(106)通过四选一模拟开关(300)与拾音器阵列(102)连接，并与所述系统控制模块(107)连接，由系统控制模块(107)的微程序控制器MCU(308)控制四选一模拟开关(300)的选通信号。
其中，四选一模拟开关(300)由双路四选一开关芯片组成。
其中，高低通滤波模块(302)包含三个低通滤波器和一个高通滤波器，用于检测胎音、胎动信号；二级放大模块(303)用于放大胎音和胎动信号的幅值，便于数据处理；陷波器模块(304)用于滤除50Hz工频及其100Hz和150Hz的谐波干扰信号；电平抬升电路(306)用于抬升负电压至0V以上，供AD转换(307)处理。
其中，微程序控制器MCU(308)控制四选一模拟开关(300)分别对四个方位的拾音器阵列(102)、扬声器阵列(103)、LED灯阵列(101)进行选择，以及对AD转换模块(307)采样的数据进行算法处理及显示。AD转换模块(307)用于将被选通的拾音器阵列(102)与声音采集检测模块(106)相连，将采集的声音信号转换为可供MCU处理的数字信号。显示模块(105)用于显示每分钟的胎音次数、每小时的胎动次数和描绘胎儿运动轨迹方向。电压转换模块(305)用于为声音采集检测模块(106)中的芯片提供正负电源供电。四选一模拟开关(300)部分用于选择拾音器阵列(102)与LED灯阵列(101)和扬声器阵列(103)的工作顺序和工作时间，目的在于节约模拟开关，减少系统成本。
请参照图4，语音集成模块(108)包括胎教音乐资料存储模块(109)和胎教音乐播放控制按钮(104)。声音胎教语音集成模块(108)可采用ZX2062T贴片插卡集成块或其他集成模块，可支持SD/MMC卡及USB储存器，支持MP3音乐格式，由此，可以根据准妈妈的需要，下载各种声教教材资料在胎教音乐资料存储模块(109)内，然后加以播放。语音集成模块(108)可以通过胎教音乐播放控制按钮(104)调节声音音量大小，调控歌曲播放顺序等。
图5是图1中系统控制模块的主程序流程图；图6是图5中系统初始化的流程图；图7是图5中最优通道选择算法流程图；图8是图5中胎音胎动计数算法流程图；图9是胎动诱导算法流程图。
请参照图5，系统控制模块的主程序流程图包括以下步骤：系统初始化(400)、按键扫描(401)、最优通道选择算法(402)、LED灯和扬声器通道打开(403)、胎音胎动计数算法(404)和胎教模式算法(405)。
请参照图6，系统初始化(400)包括以下顺序步骤：关看门狗及中断(4001)、系统时钟初始化(4002)、I/O端口初始化(4003)、定时器初始化(4004)、AD初始化(4005)、初始化音乐模块(4006)。
请参照图7，最优通道选择算法(402)可由以下顺序步骤实现：
(4021)定时器Timer0_A0初始化；
(4022)四个通道波峰强度检测；
(4023)定时器Timer0_A0定时5s；
(4024，4027)每隔5s转换一次采集通道；
(4025)将5s内检测到的波峰求平均值，保存为A1、A1、A3、A4，比较Max(A1，A1，A3，A4)；
(4026)选择波峰强度最高的一个通道；
(403)打开此通道的光教和声教功能；
(404)进行胎音、胎动计数。
请参照图8，胎音胎动计数算法(404)首先采用差分阈值法对AD采样数据进行处理，检测到波峰，再通过加窗限幅算法对波峰进行再次识别，检测到波峰计数器进行加1处理，通过定时器进行60s和1h定时，得到一分钟的胎音次数和一小时的胎动次数，并进行显示。
具体包括如下步骤：
(4041)定时器Timer1_A0初始化；
(4042)读取AD采样数据；
(4043)对数据进行一阶差分处理；
(4044)将每7个差分值求平均值并存入缓冲数组中；
(4045)判断极值点；
(4046)设置窗宽判断符合条件的极值点；
(4047)设置阈值判断符合条件的极值点为最大值；不符合条件，回到步骤(4042)；
(4048)如果符合，窗宽计数归零；
(4049)计数器加1；
(40410)定时器中断；
(105)显示模块显示计数数值和运动轨迹方向。
请参照图9，胎教模式算法中的胎动诱导算法可根据用户的人为控制指令，设置光教和声教模块的工作模式，可以诱导胎儿朝着特定的区域方向运动。设置光教和声教工作模式是指当连续检测到的胎音强度按照一定方向(如顺时针或者逆时针方向)依次变化，说明胎儿一直朝着一个方向运动，当胎儿按照该运动方向运动达到一定圈数时，给出提示报警，然后可根据用户的人为控制指令设置反向的声教和光教工作，用以刺激和诱导胎儿做反向运动，避免脐带绕颈发生。胎动诱导算法包括以下顺序步骤：
(402)选取最优通道；
(4051)确定胎头的位置，监测通道选通顺序，即监测胎头的移动顺序；
(4052)胎儿运动方向预警，当判断胎儿有脐带绕颈的可能性时发出警报；
(4053)根据用户控制指令选通反方向的光教和声教刺激，诱导胎儿反转；
(4053)判断胎儿反转状态；
(402)胎动诱导结束。
应当理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种具有胎音监护、胎动检测及胎动轨迹诱导功能的可穿戴式胎教腹带系统，系统包括可穿戴式柔性基底，其特征在于：在可穿戴式柔性基底上布置有拾音器阵列、声音采集检测模块、声音胎教存储播放模块、光照胎教LED灯阵列、系统控制模块和系统电源模块；
所述拾音器阵列用于采集胎音和胎动信号，将胎音和胎动信号转变为可供后级单元处理的电压信号，并将信号发送至声音采集检测模块；
所述声音采集检测模块与拾音器阵列连接，并与系统控制模块相连；
所述声音胎教存储播放模块包括语音集成模块和扬声器阵列，用于下载、存储和播放声教教材资料；
所述光照胎教LED灯阵列用于产生橙黄色光，对胎儿进行光照信号刺激；
所述系统控制模块包括微程序控制器MCU、AD转换模块、显示模块、电压转换模块和多选一模拟开关；其中所述AD转换模块用于将声音采集检测模块采集的模拟电信号转换为可供MCU处理的数字信号；所述显示模块用于实时显示每分钟的胎儿心音次数、每小时胎动次数和胎儿的运动轨迹方向；所述电压转换模块用于得到±5V电压，以驱动声音采集检测模块的芯片工作；所述微程序控制器MCU控制多选一模拟开关分别对多个方位的拾音器阵列、扬声器阵列和LED灯阵列进行选择，以及对AD转换模块采样的数据进行算法处理及显示；微程序控制器MCU通过算法处理判断对比得出胎音次数和胎动次数，判断出所检测信号最强的方位，以此位置为依据判断出胎儿头部位置、胎儿姿态及胎儿运动轨迹方向，并将检测到的胎音、胎动次数和胎儿运动轨迹方向信息输出给显示模块；所述微程序控制器MCU是根据人为控制指令选择光照胎教和声音胎教模块的单独工作或者两个模块组合工作，并根据人为控制指令在胎头位置附近选择光照胎教和声音胎教模块的工作方式和工作顺序，以此刺激、诱导胎儿改变运动轨迹方向；
系统电源模块用于为整个系统供电。
2.根据权利要求1所述的胎教腹带系统，其特征在于，所述拾音器阵列采用驻极体麦克风或动圈式麦克风中的一种，布置于腹带的多个方位，并且都与声音采集检测模块的前置放大电路相连，起到缓冲、隔离、提高带载能力的作用。
3.根据权利要求1所述的胎教腹带系统，其特征在于，所述声音采集检测模块包括前置放大电路、高低通滤波模块、二级放大模块、陷波器模块和电平抬升电路；所述前置放大电路用于缓冲隔离提高信号的带载能力；所述高低通滤波模块用于截取频率在60Hz到180Hz之间的胎心音信号；所述二级放大模块用于放大胎儿心音信号和胎动信号的幅值，便于数据处理；所述陷波器模块用于滤除50Hz工频及其100Hz和150Hz的谐波干扰信号；所述电平抬升电路用于抬升负电压至0V以上，供AD转换处理。
4.根据权利要求1所述的胎教腹带系统，其特征在于，所述语音集成模块具有SD/MMC卡及USB储存器，支持MP3音乐格式，还有胎教音乐播放控制按钮，根据需要调节声音大小，进行上下歌曲播放顺序变换；所述声音胎教存储播放模块的扬声器阵列布置于腹带的多个方位。
5.根据权利要求1所述的胎教腹带系统，其特征在于，所述光照胎教LED灯阵列由波长570-622nm 的橙黄光二极管组成，LED灯阵列布置于腹带的多个方位，可根据用户控制指令控制LED灯阵列的工作顺序、工作方式和工作时间。
6.根据权利要求1-5之任一项所述的胎教腹带系统，其特征在于，所述微程序控制器MCU的算法处理包括最优通道选择算法、胎音胎动计数算法和胎动诱导算法；
所述最优通道选择算法步骤包括：定时器初始化，定时采样，四通道波峰平均值比较求解信号强度位置，打开对应位置的信号采集通道，进行胎音和胎动次数计数；
所述胎音胎动计数算法步骤包括：读取AD采样数据，对数据进行一阶差分处理，对多组差分值求平均值，数据极值对比，计数器计数；
所述胎动诱导算法步骤包括：选取最优通道，确定胎头的位置，监测通道选通顺序，胎儿运动方向预警，根据用户控制指令选通反方向的光教和声教模块工作，诱导胎儿反转；判断胎儿反转状态，胎动诱导结束。
7.根据权利要求1-5之任一项所述的胎教腹带系统，其特征在于，所述柔性基底尾部两端可通过魔术贴或纽扣或捆绑带方式进行连接。
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