CN108836304A - 一种胎儿心电监测分析系统 - Google Patents
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Abstract
一种胎儿心电监测分析系统，包括在线监测分析子系统和离线分析子系统两部分，其特征在于，在线监测子系统安排有预监测模块，预监测在监护人员或操作者的观察参与下运行，监护人员或操作者发现有监测的一段数据质量比较高、噪声干扰比较小时，通过人机界面告知系统，系统据此学习获得母体心电一个周期的准确模板，供后面正式监测用，也可供离线分析子系统使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种胎儿心电监测分析系统，用于围产期孕妇和胎儿的监护。
在围产期，孕妇和胎儿，尤其是胎儿，处于一种艰难的生存状况——胎儿不能自由呼吸，需要依靠脐带来供氧。而随着胎儿的增大，脐带受到压迫、造成缺氧乃至胎儿窒息或脑损伤的风险越来越大。据盖茨基金会统计，全世界每年有300-500万的胎儿出生时发现已胎死腹中；还有更多的胎儿出生后发现大脑麻痹和严重智力迟钝。通过在线连续实时监测围产期的母体胎儿心率等生理参数，可在一定程度上有效判断胎儿是否压迫脐带造成缺氧，以便于及时采取措施。另一方面，对所记录监测数据的离线深度分析，可望对母胎状况有进一步的评判。
背景技术
临床上，对胎儿的电子监护方式主要是三种：胎心音监护、超声多普勒监护和胎心电监护。胎心音监护和超声多普勒监护发展较早，应用比较普遍，但也存在很大局限。胎心音监护方式的分辨率灵敏度低，而超声多普勒方式存在角度依赖性，都不适合长期监测。相对而言，基于胎儿心电的监护方式，在无创性无角度依赖性方面，更具优势，更适合长期监测。
基于胎儿心电的监护方式，从孕妇腹部放置电极采集心电数据，进而分析判断母体特别是胎儿的状况。相对于品牌繁多的成人心电监护设备而言，进入临床的胎儿心电监护设备寥寥无几。有代表性的设备是英国Monica公司的产品。
Monica公司的胎心电监护产品或者系统有三款，其中，最早的一款产品，由称为Monica AN24的可穿戴部分、CTG监护仪和Monica IF24接口设备搭配而成。Monica AN24可穿戴设备，从孕妇腹部放电极连续监测3路电信号，通过内部处理器实时分离得到胎儿心电、母体心电以及宫缩信号，并通过计算R-R间期，分别得到瞬时母体心率(MHR)及瞬时胎儿心率(FHR)。Monica IF24是CTG监护仪与Monica AN24可穿戴设备通信的接口设备，MonicaIF24通过蓝牙接收Monica AN24传输的所有数据交给CTG监护仪。CTG监护仪实现MHR、FHR和宫缩(UA)曲线的打印。
Monica公司最新一款产品是：Novii Wireless Patch System。该系统有四个组成部分：Novii Patch，Novii Pod，Novii Interface和CTG监护仪。Novii Patch是一种一次性“撕贴”使用的部件，使用舒适的生物相容性粘合剂贴在孕妇的腹部。该贴片包含ECG电极区域，该区域从皮肤表面拾取ECG和EMG信号，然后将它们传导到Novii Pod。Novii Pod与Novii Patch磁性连接，检测胎儿和孕妇的ECG和EMG信号，对信号进行实时的滤波、数字化和处理以提取FHR、MHR和UA数据，并通过蓝牙将这些数据传输到Novii Interface。NoviiInterface为Novii Pods充电并可以将Novii Pod通过蓝牙传输的数据转换为匹配格式信号输入到CTG监护仪，在监护仪上显示瞬时母体心率和瞬时胎儿心率，并打印FHR，MHR和UA曲线。与最早款相比，该系统用一个整的电极及导联一体化Patch取代了相对独立的5根导联线，更简洁。
另外，Monica不管是那一种可穿戴设备，都支持与PC电脑搭配形成完整的胎心电监测分析系统。在PC上运行Monica VS program，可实时显示和打印穿戴设备传来的FHR、MHR和UA等监测数据，也可回放历史记录数据。同时，电脑还可以通过蓝牙与移动端的第三方应用连接实现远程监护。可穿戴设备与PC搭配可看成是Monica公司的第三款产品。
国内也有许多专家学者采用各种方法研究胎儿心电监护仪。李智等人研制了一种基于DSP的自适应胎儿心电图仪。研究采用自适应噪声抵消原理，采用TI公司DSP芯片作为整个嵌入式系统的主控制器，实现了自适应胎儿心电图仪的研制。电极获取母体腹部和胸部两路信号，将获取的信号经过滤波后的结果送给上位机。在上位机，利用VC++做心电波形显示界面，自动接收心电信号并实时的显示、记录心电波形。
张伟强等提出了基于互联网搭建针对胎儿心电的监护系统，研制了用于负责信号采集与传输的用户终端，以及负责接收、分析采样数据的远程监护服务器。用户将采集的心电信号上传到监护服务器之后，服务器会自动对信号做信号处理提取胎儿心电成分，显示心电波形并计算心率。
现有的胎儿心电监测分析系统，包括Monica公司进入临床的几款系统在内，分离胎儿心电图的能力尚不能满足临床的需要。由于个体差异、电极安置质量、孕妇活动或其姿势变化、外来干扰等的影响，就是Monica公司几款系统计算胎儿心率的正确率也只达到了86％左右。因此，胎儿心电监测分析系统的技术方案还有待进一步提高。
发明内容
发明目的
发明的最终目的当然是进一步提高母胎心电估计的正确率。现有的胎儿心电监测分析系统的一个共同特点是：只要监测系统一启动运行，来一帧数据则自动处理一帧数据，操作者除了决定系统的运行和停止之外，不做任何中间过程的干预。虽然这种工作模式的自动化程度高，但是，在此模式下似乎进一步提高母胎心电估计的正确率有很大困难。发明人的想法是：可在监测系统启动运行后，安排一段时间的预监测，此阶段在监护人员或操作者的观察参与下运行，当发现有监测的一段数据质量比较高噪声干扰比较小时再启动正式监测阶段，目的是可利用这一段质量比较高的数据来学习获得高质量的母体心电一个周期的准确模板，供后面正式监测阶段和离线分析时使用，从而进一步提高母胎心电估计的正确率。
技术方案
一种胎儿心电监测分析系统，包括在线监测分析子系统和离线分析子系统两部分，其特征在于，在线监测子系统安排有预监测模块，预监测在监护人员或操作者的观察参与下运行，监护人员或操作者发现有监测的一段数据质量比较高、噪声干扰比较小时，通过人机界面告知系统，系统据此学习获得母体心电一个周期的准确模板，供后面正式监测用，也可供离线分析子系统使用。
以上描述的一种胎儿心电监测分析系统，其特征在于，它的在线监测分析子系统由注册登陆模块、孕妇信息与系统参数设置模块、预监测模块、正式监测模块等组成，用户打开软件后，系统依次进入注册登陆模块、孕妇信息与系统参数设置模块、预监测模块和正式监测模块。
注册登陆模块，实现用户的注册和登录功能。用户打开软件之后，自动进入注册登陆界面；如果没有注册，点击界面的注册按钮，跳转到注册界面注册个人信息，并将数据存储到本地数据库中，再次返回到注册登录界面。用户登录的时候，会比对输入的数据(用户名和密码)和数据库中存储的数据，如果一致则登陆成功，会跳转到孕妇信息与系统参数设置界面；否则登陆失败，提示重新登陆。
孕妇信息与系统参数设置模块，填入孕妇的ID、年龄、孕周、体重等信息，选择心电的采集设备，设置连续监测时长等信息。比如，采集设备可支持蓝牙和USB两种设备类型，应予选择，监测时长可取30秒到24小时之间任一值；还可设置监测时是否开启滤波器、是否对预监测模块和正式监测模块采集到的心电数据进行平滑滤波和中值滤波，是否去除50Hz和基线漂移干扰等。将填入或设置确认的信息保存到数据库中，在随后的预监测和正式监测时取出来使用。
预监测模块，读取孕妇信息与系统参数设置模块里设置的参数，连接设备进行预监测。如果选择的是USB设备，可在程序里提前写入它的vendor-id和product-id，如果选择的是蓝牙设备，可在程序里提前写入它的蓝牙地址，自动建立上位机与采集设备的连接。预监测时，连续动态显示采集到的母体腹壁电数据。待用户观察到显示的腹壁电波形稳定、质量高时，点击正式监测按钮，提取屏幕所显示的当前帧的心电数据，获得母体心电一个周期的模板并存储，随后自动进入正式监测模块；若预监测时，心电波形不稳或不正常，则注意电极是否脱落、皮肤准备是否到位等问题并进行相应处理，直到预监测的数据质量满意时点击正式监测。
关于预监测模块中获得母体心电模板问题。由于心电信号具有周期特性，特别是不同心动周期的PQRST波群具有一定重复特性，因此，可以对不同母体心动周期的PQRST波群进行叠加平均得到母体心电的模板。实际中，可先对腹壁电进行滤波处理，然后进行母体R波峰检测，可设置以R波峰为中心的母体模板长度为0.7*fs(fs为采集设备的采样率)，对齐各段R波波峰的位置进行叠加平均，则得到母体模板M。
正式监测模块，按照孕妇信息与系统参数设置模块里设置的参数，基于预监测阶段确定的模板，进行连续实时监测、逐帧分离、确定母胎心率并显示结果，同时，边监测边存储原始数据。逐帧分离时可用简单的模板相减法进行分离：(1)对当前数据帧进行滤波预处理；(2)母体R波峰检测；(3)估计母体分量其中a＝(MTM)-1MTm，m表示母体腹壁电数据的一个周期，计算母体瞬时心率；(4)减去估计的母体分量得到胎儿分量的初步估计；(5)对初步估计的胎儿心电做增强处理；(6)计算胎儿瞬时心率。数据帧的存放可使用一个4-5秒长的数组来实现，数组由空到填满实测数据时，开始分离计算；然后，又置空重新开始积累数值；R波峰的检测可以利用斜率阈值法进行检测。界面显示的母胎心率总是依据当前帧最后两个R峰位置计算出的瞬时心率。
以上描述的一种胎儿心电监测分析系统，其特征在于，它的离线分析子系统包括五个模块——注册登录模块、数据文件选择模块、自动逐帧分析模块、重点观察分析模块、分析参数设置模块等。注册登录模块的功能同在线监测分析子系统。数据文件选择模块，选择要离线分析的数据及其包括心电模板和孕妇信息在内的相关信息文件。登陆并选择好数据文件后，系统进入自动逐帧分析模块，按照设定的参数一帧一帧分离计算显示结果；遇到感兴趣的数据帧，可点击暂停观察键进入重点观察分析模块，该模块对当前帧分离计算并显示后，暂停不动，供仔细观察，还可分一定步长前进、后退或跳到任一帧进行重点分析和观察；重点观察分析与自动逐帧分析模式也可以互相切换。分析参数设置模块，缺省参数与在线监测子系统相同，也可随时调整分析参数设置，在下一数据帧分析时生效。
以上在线监测子系统实现之核心步骤的伪代码如下：
以上离线分析子系统实现之核心步骤的伪代码如下：
有益效果
本发明的最大特点是：在正式监测之前安排了一段时间的预监测，在操作者的参与确认下，预监测阶段利用一段质量比较高噪声干扰比较小的监测数据，学习获得了母体心电一个周期的准确模板，供后面正式监测阶段和离线分析时使用。这样的技术方案的好处是：(1)与动态学习确定模板相比，减小了模板的随机性，可最大限度保障母体心电模板的质量，提高母胎心率估计的正确性；(2)在正式监测和离线分析时，不再确定模板，从而减小了计算量，有利于保障分离处理的实时性。
附图说明
图1，本发明在线监测子系统的状态转移图
图2，本发明离线分析子系统的状态转移图
图3，本发明在线监测子系统的登录界面示意图
图4，本发明在线监测子系统的注册界面示意图
图5，本发明在线监测子系统的孕妇信息与系统参数设置界面示意图
图6，本发明在线监测子系统的预监测界面示意图
图7，本发明在线监测子系统的正式监测界面示意图
图8，本发明离线分析子系统的主界面示意图
实施例
前面在方案中已对胎儿心电监测分析系统的体系结构做了详细的阐述，并给出了其核心步骤的伪代码。下面，再结合在安卓手机上的一个具体实现，对发明的具体实施方式做进一步的说明。
本实施例实现的是一个单通道的胎心电监测分析系统，包括在线监测子系统和离线分析子系统，都在安卓移动端平台上实现，选用了Java开发语言，开发环境是eclipse或者AndroidStudio。在线监测子系统还涉及了两款数据采集设备，其中一个是基于USB的单通道心电采集器，一个是基于蓝牙的单通道心电采集器。开发的在线监测子系统对两个采集设备都支持，可以在线选用。对开发的胎心电监测分析系统进行了测试，基于实验台模拟产生了一路腹壁电信号，作为测试实验的信号源。
在线监测子系统包括注册登陆模块、孕妇信息与系统参数设置模块、预监测模块和正式监测模块。用户打开在线监测子系统时，首先运行的是注册登录模块，附图3所示是登陆界面，如果还没有注册，点击注册跳转到注册界面，如附图4。按照附图4所示的系统操作用户个人信息，填写注册信息，点击注册按钮将用户的信息保存到SharedPreference中。SharedPreference是安卓平台除SQLite数据库外，另一种常用的数据存储方式，其本质是基于XML文件存储key-value键值对数据，常用于存储较简单的参数设置。其存储位置在/data/data/<包名>/shared_prefs目录下。在登录界面，输入用户的用户名和密码，与SharedPreference中保存的用户注册的信息做比对，判断是否登录成功。
在线监测子系统登陆成功后，进入孕妇信息与系统参数设置模块，会跳转到主activity，由两个fragment组成。默认显示是参数设置界面的fragment，如附图5所示。通过点击界面上对应的item，去切换选择采集设备、选择监测时长，也可以去开启或者关闭滤波器。如果需要重新输入孕妇信息，点击对应item，跳转到对应的子activity，在里面输入对应的信息。孕妇信息和系统参数设置完毕，则进入预监测模块。
关于在线监测子系统预监测模块。点击主activity下面监测图标按钮，会显示预监测界面的fragment，同时在界面上显示孕妇信息。如果是USB连接的采集设备，在程序里提前写入它的vendor-id和product-id，自动通过UsbDeviceConnection类建立安卓移动端和采集设备的连接；如果是蓝牙连接的采集设备，在程序里提前写入它的蓝牙地址，自动通过BluetoothSocket类建立安卓移动端和采集设备的连接。如附图6，连接成功后，界面下部的设备状态会显示已连接。将采集到的母体腹部心电数据依次添加到SurfaceView上面进行绘制，显示动态单导联母体腹部心电图，SurfaceView的背景是粗细不同的红线绘制成的网格。SurfaceView控件下面是温馨提示，是个TextView控件显示指导用户操作的文字信息。待用户观察到显示的心电波形稳定、质量高时，点击正式监测按钮，提取屏幕所显示的当前帧的心电数据，获得母体心电一个周期的模板并存储，随后自动进入正式监测模块，开始正式监测。
关于在线监测子系统正式监测模块。正式监测的界面从上到下依次有三个SurfaceView控件，和预监测界面SurfaceView控件背景一样，点击正式监测按钮之后，会从上到下分别显示母体腹部心电图、母体心电图和胎儿心电图，如附图7所示。显示的母体心电是去噪后的母体心电成分，显示的胎儿心电是母体腹部心电信号减去母体心电成分并增强后的胎儿心电，在心电图下面也会实时的更新母体和胎儿的瞬时心率。孕妇信息与系统参数设置模块设置的监测时间到了之后，停止监测，并保存数据。
关于实现的离线分析子系统，它包括注册登陆、数据文件选择、自动逐帧分析、重点观察分析、分析参数设置等模块。象在线监测子系统一样，登录成功后，子系统跳转到主activity的界面。选择主activity界面上的选择文件按钮，会自动跳转到安卓的文件选择界面，点击文件管理，显示文件管理器，在手机存储里面选择之前在线监测子系统保存的心电数据文件。界面上从上到下依次有三个SurfaceView控件，和在线监测子系统的SurfaceView控件背景一样，点击“连续分析”按钮，按钮标记“暂停观察”，会连续显示母体腹部心电图和分离后的母体心电图和胎儿心电图，同时实时更新母体心率、胎儿心率和当前编号，显示监测完成时间、监测时长和孕妇信息，如附图8。点击“暂停观察”按钮，按钮标记变为“连续分析”。此时，SurfaceView控件上的心电图暂停变化，再点击下方左右箭头的时候，三路心电图会向左或向右移动设定的步长n秒，显示对应新窗口的分析结果。点击“跳转编号”按钮，在输入框中输入编号num，三路心电图会跳转到num秒的位置。当前编号和心率都会随着上述操作发生相应的变化。点击“连续分析”按钮，三路心电图会继续从当前位置开始自动逐帧分离并显示。点击参数设置按钮，则可在输入框设置步长n等参数，在下一次分析时应用。
以上是本发明结合安卓手机平台的实施例。该实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的是让熟悉此项技术的人了解本发明内容并实施，并不能以此限制本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种胎儿心电监测分析系统，包括在线监测分析子系统和离线分析子系统两部分，其特征在于，在线监测子系统安排有预监测模块，预监测在监护人员或操作者的观察参与下运行，监护人员或操作者发现有监测的一段数据质量比较高、噪声干扰比较小时，通过人机界面告知系统，系统据此学习获得母体心电一个周期的准确模板，供后面正式监测用，也可供离线分析子系统使用。
2.根据权力要求1描述的一种胎儿心电监测分析系统，其特征在于，它的在线监测分析子系统由注册登陆模块、孕妇信息与系统参数设置模块、预监测模块、正式监测模块等组成，用户打开软件后，系统依次进入注册登陆模块、孕妇信息与系统参数设置模块、预监测模块和正式监测模块。
3.根据权力要求1描述的一种胎儿心电监测分析系统，其特征在于，它的离线分析子系统包括五个模块——注册登录模块、数据文件选择模块、自动逐帧分析模块、重点观察分析模块、分析参数设置模块等，数据文件选择模块选择要离线分析的数据及其包括心电模板和孕妇信息在内的相关信息文件，登陆并选择好数据文件后系统进入自动逐帧分析模块，按照设定的参数一帧一帧分离计算显示结果，遇到感兴趣的数据帧，可点击暂停观察键进入重点观察分析模块，还可分一定步长前进、后退或跳到任一帧进行重点分析和观察，重点观察分析与自动逐帧分析模式也可以互相切换，分析参数设置模块的缺省参数与在线监测子系统相同，也可随时调整分析参数设置，在下一数据帧分析时生效。
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2018
- 2018-05-02 CN CN201810429253.9A patent/CN108836304A/zh active Pending
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