CN107997743A - 基于体表子宫肌电的便携式宫缩监测系统 - Google Patents

Abstract

基于体表子宫肌电的便携式宫缩监测系统，属于医疗器械技术领域。本发明将电极采集到的体表子宫肌电信号与宫缩压力信号经过高精度的AD采样后，传输至单片机(CY8C4247)，完成信号的不失真采集，并利用低功耗无线蓝牙传输技术将数据传输至PC端，并且在PC端开发应用程序对信号进行基本的处理，实现信号的显示、存储、分析等功能。本发明基于体表子宫肌电的便携式宫缩检测系统完成了对孕妇子宫肌电和压力信号的采集，提高了宫缩判断的准确性，小型便携式的优势方便孕妇在家操作。

Description

基于体表子宫肌电的便携式宫缩监测系统

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，涉及一种利用体表子宫肌电信号监测宫缩的便携式系统。

背景技术

提高人口质量、减少出生缺陷是关系到家和国泰的民生大事。随着我国“两孩”政策的实施，分娩量急剧增加的同时，高危产妇也明显增加。子宫收缩即宫缩直接促使胎儿排除母体，是推动分娩的动力。临产宫缩是由弱至强，维持一定时间，随后由强逐渐减弱，进入间歇期，如此反复直至分娩结束，有规律的宫缩是临产的一个重要特征。对于有先兆性早产的孕妇，由于无法判断是否为临产宫缩，会导致过度治疗或治疗不足；宫缩乏力则导致产程活跃期延缓或停滞，造成胎儿宫内缺氧；宫缩过强引起急产，可使新生儿发生颅内出血，这些均是导致围产儿发病和死亡的主要原因。可见，宫缩是反映孕妇分娩状态的重要依据，宫缩监测对于保证母胎健康具有重要意义。

在产检中，经常通过宫内压力导管(Intrauterine pressure catheter,IUPC)、分娩压力计(tocodynamometer,TOCO)和医生触摸孕妇腹部监测宫缩。IUPC法是将导管通过阴道置入子宫腔内，利用导管上的传感器测量宫内或羊水压力，反映宫缩压力值、持续时间、间歇时间等，它是有创测量法，如果操作不慎可能引起感染，因而无法用作常规监测。TOCO是无创测量法，将压力传感器用松紧带固定于腹部，通过测量腹部形变间接评估宫内压力，这样测得的压力受到测量初始值和皮带捆扎松紧程度的影响，还容易受产妇体位、肥胖的影响。有些孕妇可以感知宫缩，有些则不能。有经验的医生靠触诊孕妇腹部感知宫缩，而此类方法主观性强，准确性差，而且耗时费力。目前，临床上并无可靠、有效地监测宫缩的方法。

体表子宫肌电(eletrohystrogram,EHG)是从孕妇体表检测到的妊娠子宫的电活动，是无数个子宫平滑肌细胞单个电活动的综合表现。子宫收缩是动作电位以间歇式爆发波的方式沿子宫肌细胞传播的结果。子宫收缩强度与动作电位的传播程度和招募的肌细胞数量有关,随着分娩的临近，子宫肌层细胞兴奋性和连通性增加，导致动作电位的传播增加，EHG信号强度和同步性增大，常对应可被感知的宫缩。EHG信号与宫缩强度有较好的相关性，对宫缩的敏感性和可靠性优于TOCO。

发明内容

本发明设计一种便携式的宫缩监测系统，能够安全、可靠地实现从孕妇体表检测到的妊娠子宫的活动，为分娩提供必要的数据。

本发明一种便携式的宫缩监测系统，其特征在于，本系统包含信号采集系统与无线蓝牙传输的硬件模块以及PC端应用两部分，具体包括体表电极、低通滤波器、基于ADS1299的模拟前端、压力传感器、单片机；

单片机采用CY8C4247芯片以及外围电路，其中CY8C4247芯片中包括有蓝牙通讯模块(BLE)。

多个体表电极(优选8个电极)分别通过低通滤波器连接处理后再分别与基于ADS1299的模拟前端进行连接，然后多通道与单片机芯片连接；压力传感器与单片机连接，同时打标按键与单片机的GPIO口相连，在孕妇感知有宫缩信号时，按键进行闭合，产生脉冲，能够记录当前信息；系统供电采用可充电锂电池供电，提供3.3V和5V的电压使芯片可正常工作，且CY8C4247对电池电压进行AD采样，来采集电压信息，

在信号的采集过程中，电极1-8通道分别经过低通滤波处理后与ADS1299的IN1P-IN8P引脚相连，与同样经过低通滤波处理的参考电极接至ADS1299的SRB1引脚进行差分放大处理，放大倍数为24倍；地电极接入至ADS1299的BIASOUT引脚；放大信号之后，将得到的1-8路的信号输入至ADS1299内部的24位的AD转换器中，进行AD转换；转换后的数字信号通过串口通讯(SPI)发送至CY8C4247芯片中；

压力传感器采集到的信号与CY8C4247的12位AD采样的引脚相连，用于将采集到的模拟信号转换成数字信号，其中采样频率为250Hz；将电池电压信号与CY8C4247的另一AD采样的引脚相连，实时的监测电池电量，采样频率均为250Hz；打标通过按键的形式实现，将按键与CY8C4247的GPIO口相连，按键闭合，产生一个脉冲信号，记录信息。

将CY8C4247中获取的体表子宫肌电信号、压力传感器信号、电量监测的数据、按键信息数据打包好后经蓝牙通讯方式传输至PC端。

PC端主要实现对EHG信号的接收，显示，存储、回放及分析等功能。应用开发主要包括蓝牙匹配、数据接收与显示、数据存储、数据回放、数据分析功能。

PC端需要完成蓝牙模块匹配来接收信息，PC端配套使用USB Dongle(带有蓝牙通讯模块)实现蓝牙数据的传输。USB Dongle和PC之间通过USB连接，并在PC虚拟成一个串口，PC端应用通过协议来读写该串口，进而完成数据的接收和发送。

数据接收显示模块完成了对EHG信号的采集，波形显示和相关指标的分析显示。当PC机与本发明的宫缩检测系统建立起联系之后，通过发送数据实现对设备的数据发送，停止等功能。

数据存储模块实现对数据进行实时的显示，将发送过来的EHG信号存储为edf文件。

数据回放模块将edf文档回调，通过控件实现显示功能，由此实现历史数据的回放。

数据分析主要是对采集到的表面肌电信号，与宫缩压力信号、孕妇打标信号三者进行合并、简要分析。简要分析包括宫缩的发生时间、持续时间等，给出一个评估结果，以百分比的形式得出此时的宫缩是否为临产宫缩。

从孕妇腹部体表电极采集到的多通道子宫肌电信号，送入低功耗、低噪声模拟前端——ADS1299进行A/D转换，随后将数据发送至单片机CY8C4247芯片中；同时，将固定在腹部的压力传感器采集到的宫缩压力信号，在CY8C4247内部进行12位的A/D采样，采样频率为250Hz。按键与CY8C4247的GPIO口相连，在孕妇感知有宫缩信号时，按键闭合，产生脉冲，记录当前信息。系统供电采用可充电锂电池供电，提供3.3V和5V的电压使芯片可正常工作，且CY8C4247对电池电压也进行AD采样，来采集电压信息。EHG信号、宫缩压力信号、打标信号和电池电量监测信号均通过蓝牙通讯方式传输到电脑，实现信号的实时显示、分析和存储。

体表子宫肌电信号采集是利用多个电极从孕妇腹部表面对应于子宫底、子宫体和子宫颈的位置采集子宫肌电信号。

使用时电极1,2,3,4在子宫底呈对称放置；5,6电极在子宫体中心位置呈对称放置；7,8电极在子宫颈呈对称放置；压力传感器在肚脐左侧靠肚脐中心放置；

或电极1,2,3,4和压力传感器的放置位置同图(a)一致，5,6,7在子宫体放置，其中6放置在肚脐的正下方，5,7以电极6为中心左右对称；8电极在子宫颈放置。

本发明通过对EHG信号特征分析，且与传统的TOCO宫缩压采集结果和孕妇的自我感知来识别宫缩，提高了宫缩监测的可靠性和准确性。

本发明所采取的技术方案：本系统包含信号采集系统与无线蓝牙传输的硬件模块以及PC端应用两部分组成。

信号采集与无线蓝牙传输的硬件模块包括以下两个部分：信号采集部分和CY8C4247芯片外围电路，其中CY8C4247芯片中包括有蓝牙通讯模块(BLE)。

本发明的有益效果：基于表面子宫肌电的便携式的宫缩监测的仪器简化了操作流程，简化了电路设计。小型、便携式、无线传输的设计能够使孕妇在家便捷方便的对自身的生理状况进行实时的监测，能够及时的对自身的生理状况作出预测和处理。

附图说明

图1 (a),(b)电极两种排布方式

图2 本发明的系统信号采集框图；

图3 本发明的ADS1299芯片的连接示意图；

图4 本发明的采集监测系统的信号采集；

图5 蓝牙通讯协议；

图6 PC端数据处理流程；

具体实施方式

下面结合具体的实施方式和附图对本发明进行详细的描述。但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

电极排布方式：本发明建议采用如图1(a),(b)两种方式来采集子宫肌电信号，两者均是按照子宫在体表大致映射位置来放置电极，可尽可能的采集到完整的子宫肌电信号。如图1(a)所示，电极1,2,3,4在子宫底呈对称放置；5,6电极在子宫体中心位置呈对称放置；7,8电极在子宫颈呈对称放置；压力传感器在肚脐左侧靠肚脐中心放置。如图1(b)所示，电极1,2,3,4和压力传感器的放置位置同图(a)一致，5,6,7在子宫体放置，其中6放置在肚脐的正下方，5,7以电极6为中心左右对称；8电极在子宫颈放置。图1(a),(b)的电极和参考位置放置相同，俯视的时候为左参考右地。

仪器信号采集流程或系统框图：如图2所示，系统硬件结构主要包括：前端电极采集信号，预处理(无源低通滤波器)，高精度AD采集(内置放大处理)，CY8C4247芯片外围电路，以及电源电路。前端电极采集信号的电极排列方式方式见图1，电极1-8接口分别经低通滤波器输入至ADS1299的IN1P-8P中，如图3所示，参考电极接口经低通滤波接入至ADS1299的SRB1。其中参考信号与输入信号在ADS1299中做差动减法输入，经ADS1299内部放大器放大至24倍，放大后的信号输入至24位A/D将模拟信号转换为数字信号，然后将数字信号通过SPI方式输入至CY8C4247中。电源电路为整个电路运行提供电压，电池电压选择3.7V，包括使用升压芯片TPS61240升压至5V(AVDD)、降压芯片TLV70033降压至3.3V(DVDD)、锂电池充电电路。

在CY8C4247芯片中实现的功能如图2框图所示，压力传感器采集到的压力信号输入至CY8C4247，在该芯片进行AD转换，采样频率为250Hz；实现打标功能的按键与CY8C4247输入引脚相连，按键闭合时，输入一个脉冲信号，记录该脉冲信号，即为打标信号；同时电压信号与CY8C4247的引脚相连，进行12位的AD采样，实现电量的监测。将CY8C4247中的数据进行打包，通过蓝牙发送至PC端。具体的数据流过程如图4所示。

数据的采集过程如图4所示的流程图，在仪器开机后，首先对硬件设备进行初始化设置，包括对ADS1299的寄存器配置和CY8C4247的初始化；配置蓝牙端口完成PC端和仪器的连接；进入循环，看是否有PC端发送指令，包括PC端向仪器发送命令字，控制仪器的启动/停止，若有，则仪器开始发送，若没有，仪器休眠；确定开始后，将采集到的串口数据存入至缓存区；判断到缓存区满后，发送数据包至PC端，完成数据的传输。

本发明还修改了蓝牙通讯协议，能够实现PC端和仪器端的数据交互如图5所示。1.在PC端发送请求，仪器端应答，实现仪器的信息查询和仪器的启动/停止；2.在设备启动后，采集仪器发送数据，无需PC端应答，直接开始数据的传输。

PC端的软件使用Visual Studio2013开发，界面设计用MFC开发，具体的数据处理如图6所示，主要实现的功能为实时显示图像、数据分析、保存、数据回看。在确认端口连接正确后，判断发送的操作指令是哪一种；若指令为“启动”，完成仪器与设备的回应，开始传输数据，当PC端接收到数据传输后出发画图事件，开始绘图；点击“保存”后，触发保存事件，数据保存为edf文件；点击“数据处理”，触发数据处理事件，对采集到的表面子宫肌电信号进行分析，待数据稳定后结合宫缩压力信号和孕妇打标信号来判断孕妇在某一状态下是否真的出现宫缩，实时的显示宫缩情况，绘图与数据处理情况均在界面上显示。数据的回看是在仪器停止采集后，调用存储的文件，对数据重新绘图，显示来完成数据的回看。

在采集数据的过程中，PC端等待数据稳定后，对数据进行分析和整理，在宫缩的压力信号达到60mmHg，同时表面子宫肌电达到1.5mv，以及孕妇有自我标记的情况下，则证明有宫缩，计算的方式是：宫缩评分标准＝P*A+S*B+M*C,其中：P为TOCO对应的压力值，A的范围为0-1的任意数值；S为表面子宫肌电信号的幅值，B的范围为0-1的任意数值；M为打标脉冲，若有打标信号记为1，若没有则记为0，C的范围为0-1的任意数值，且A+B+C＝1。

Claims (7)

1.一种便携式的宫缩监测系统，其特征在于，本系统包含信号采集系统与无线蓝牙传输的硬件模块以及PC端应用两部分，具体包括体表电极、低通滤波器、基于ADS1299的模拟前端、压力传感器、单片机；

单片机采用CY8C4247芯片以及外围电路，其中CY8C4247芯片中包括有蓝牙通讯模块(BLE)；

多个体表电极(优选8个电极)分别通过低通滤波器连接处理后再分别与基于ADS1299的模拟前端进行连接，然后多通道与单片机芯片连接；压力传感器与单片机连接，同时打标按键与单片机的GPIO口相连，在孕妇感知有宫缩信号时，按键进行闭合，产生脉冲，能够记录当前信息；系统供电采用可充电锂电池供电，提供3.3V和5V的电压使芯片可正常工作，且CY8C4247对电池电压进行AD采样，来采集电压信息。

2.按照权利要求1所述的一种便携式的宫缩监测系统，其特征在于，在信号的采集过程中，电极1-8通道分别经过低通滤波处理后与ADS1299的IN1P-IN8P引脚相连，与同样经过低通滤波处理的参考电极接至ADS1299的SRB1引脚进行差分放大处理，放大倍数为24倍；地电极接入至ADS1299的BIASOUT引脚；放大信号之后，将得到的1-8路的信号输入至ADS1299内部的24位的AD转换器中，进行AD转换；转换后的数字信号通过串口通讯(SPI)发送至CY8C4247芯片中；

压力传感器采集到的信号与CY8C4247的12位AD采样的引脚相连，用于将采集到的模拟信号转换成数字信号，其中采样频率为250Hz；将电池电压信号与CY8C4247的另一AD采样的引脚相连，实时的监测电池电量，采样频率均为250Hz；打标通过按键的形式实现，将按键与CY8C4247的GPIO口相连，按键闭合，产生一个脉冲信号，记录信息；

将CY8C4247中获取的体表子宫肌电信号、压力传感器信号、电量监测的数据、按键信息数据打包好后经蓝牙通讯方式传输至PC端。

PC端主要实现对EHG信号的接收，显示，存储、回放及分析功能。

3.按照权利要求2所述的一种便携式的宫缩监测系统，其特征在于，PC端需要完成蓝牙模块匹配来接收信息，PC端配套使用USB Dongle实现蓝牙数据的传输；USB Dongle和PC之间通过USB连接，并在PC虚拟成一个串口，PC端应用通过协议来读写该串口，进而完成数据的接收和发送；

数据接收显示模块完成了对EHG信号的采集，波形显示和相关指标的分析显示。当PC机与本发明的宫缩监测系统建立起联系之后，通过发送数据实现对设备的数据发送，停止等功能。

数据存储模块实现对数据进行实时的显示，将发送过来的EHG信号存储为edf文件；

数据回放模块将edf文档回调，通过控件实现显示功能，由此实现历史数据的回放；

数据分析主要是对采集到的表面肌电信号，与宫缩压力信号、孕妇打标信号三者进行合并、简要分析；简要分析包括宫缩的发生时间、持续时间。

4.按照权利要求1-3任一项所述的一种便携式的宫缩监测系统，其特征在于，体表子宫肌电信号采集是利用多个电极从孕妇腹部表面对应于子宫底、子宫体和子宫颈的位置采集子宫肌电信号。

5.按照权利要求4所述的一种便携式的宫缩监测系统，其特征在于，使用时电极1,2,3,4在子宫底呈对称放置；5,6电极在子宫体中心位置呈对称放置；7,8电极在子宫颈呈对称放置；压力传感器在肚脐左侧靠肚脐中心放置；

或电极1,2,3,4在子宫底呈对称放置，5,6,7在子宫体放置，其中6放置在肚脐的正下方，5,7以电极6为中心左右对称；8电极在子宫颈放置，压力传感器在肚脐左侧靠肚脐中心放置。

6.按照权利要求4所述的一种便携式的宫缩监测系统，其特征在于，显示部分有一个评估系统，将采集到的子宫肌电信号、宫缩压力信号与孕妇标记信号三者结合，在宫缩压力信号达到或大于60mmHg、表面肌电信号的幅值大于1.5mV以及有标记信号即认为是一次宫缩，并在界面上显示评估结果。

7.按照权利要求6所述的一种便携式的宫缩监测系统，其特征在于，其中显示评估结果采用评分形式，计算的方式是：宫缩评分标准＝P*A+S*B+M*C,其中：P为TOCO对应的压力值，A的范围为0-1的任意数值；S为表面子宫肌电信号的幅值，B的范围为0-1的任意数值；M为打标脉冲，若有打标信号记为1，若没有则记为0，C的范围为0-1的任意数值，且A+B+C＝1。