CN111227820A - 多维通道传感器的胎心检测传感器矩阵、胎心检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多维通道传感器的胎心检测传感器矩阵、胎心检测设备，包括：多个传感器；每个所述传感器包括多个声敏单元组，所述多个声敏单元组采用差分测量，构成单个采集通道；每个声敏单元组包括多个声敏单元。本发明利使用被动传感器，完全避免了主动发射对孕妇及胎儿的潜在危害。有效抑制干扰噪声，使得日常生活中的行动不会影响胎心监测的数据。不需要静卧测量。在胎儿胎位移动的情况下，依然能够准确测量信号，方便孕妇或家人的使用。

Description

多维通道传感器的胎心检测传感器矩阵、胎心检测设备

技术领域

本发明涉及医学检测设备领域，具体地，涉及一种多维通道传感器的胎心检测传感器矩阵、胎心检测设备。

背景技术

传统基于超声发射器的胎心监测方式，其基本原理是向孕妇腹部使用发射信号，超声信号穿过人体组织不同部分会产生反射。超声信号遇到胎儿胎心时，也会反射，同时这种反射因为其目标的运动特性，会产生多普勒频率偏移。通过观察频率偏移变化的快慢，可以用来分析胎心数据。

这一类的基于超声发射的胎心监测方式一直沿用的今天。这种方式的主要问题有：

1)向孕妇腹部主动发射信号。有潜在的危险。各国妇产科都不建议长时间，多频次的使用基于超声发射的胎心监护方式。

2)高频超声信号需要耦合剂方便能量穿透腹部到达胎儿。通常胎心监护使用的超声频率为500kHz到2MHz范围。这样的超声信号衰减很快。需要良好的耦合媒介传输。在胎心监护使用中，用耦合剂涂抹在孕妇腹部，已达到传递超声信号的目的。这样使用非常不方便。也不可能佩戴使用。只能每次使用的时候，宽衣解带涂抹耦合剂。

3)这种基于超声发射的的监护仪器，需要使用探头正对胎儿胎心，才可以准确的探测信号。否则无法接受到胎心反射信号。严重时无法测量，或者测量恨不准确。只有有经验的医生能够快速找到胎心位置，并用探头测量。限制的孕妇自己使用的可能。

专利文献US2018296116A1提出了一种聚焦的方式，希望能够通过聚焦来实现胎儿胎心音与准妈妈心跳声的区分，来实现测量胎儿胎心的目的。可是这种方法第一，使用了主动发射的方式。对胎儿和准妈妈的健康都有潜在的威胁。第二，聚焦的方式使用机械、电子的方式调整发射方向。这使得必须有足够的专业知识或先验信息确认希望发射的方向在哪里。这在使用中受到了极大的限制，需要在医院在医生指导下才能完成。

综上所述，目前的监护仪器操作难度较大，难以实现个人、家庭使用。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多维通道传感器的胎心检测传感器矩阵及其信号处理方法。

根据本发明提供的一种多维通道传感器的胎心检测传感器矩阵，包括：多个传感器；

每个所述传感器包括多个声敏单元组，所述多个声敏单元组采用差分测量，构成单个采集通道；

每个声敏单元组包括多个声敏单元。

优选地，所述传感器为分层结构，包括：声耦合结构层、传感器结构层和声阻尼结构层；

所述传感器结构层设置于所述声耦合结构层与所述声阻尼结构层之间。

优选地，所述传感器结构层包括：隔声材料和多个所述声敏单元，所述隔声材料填充在所述声敏单元之间。

优选地，所述多个传感器在空间上复合布局，在对采集到的信号进行后处理时，对所述多个传感器进行自组织分组，分别用于测量和降噪。

优选地，自组织分组包括分为胎心信号和孕妇信号。

优选地，所述差分测量包括：

单个采集通道采集的信号为其中不同声敏单元组的差值。

优选地，采集到的信号矩阵A(t)为：

数值矩阵A：

A＝XX′

X为采集信号，

上标′为共轭转置符号；

分析数值矩阵A的特征向量：

AU＝UV

其中，特征向量

是特征值

的排序结果，V为特征值对角矩阵；

将特征向量分为胎心信号特征向量T、孕妇心跳信号特征向量P和噪声信号特征向量E，

设置空间导引矩阵a和b，构造能量普函数P(ε,θ)：

K₁、K₂为0到1之间的加权系数；上标′为共轭转置符号，取使P(ε,θ)取峰值的ε,θ组合；

提取胎心信号：b′(θ)a′(ε)Aa(ε)b(θ)。

根据本发明提供的一种胎心检测设备，包括上述的多维通道传感器的胎心检测传感器矩阵。

根据本发明提供的一种胎心检测服饰，包括上述的多维通道传感器的胎心检测传感器矩阵。

优选地，所述传感器分布在服饰上对应腹部的位置。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明利使用被动传感器，完全避免了主动发射对孕妇及胎儿的潜在危害。

2、本发明有效抑制干扰噪声，使得日常生活中的行动不会影响胎心监测的数据，不需要静卧测量。

3、本发明在胎儿胎位移动的情况下，依然能够准确测量信号，方便孕妇或家人的使用。

4、本发明复合传感器矩阵的可裁剪、自组织特性，对不同体态的人群，可以广泛适应。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为单个采集通道的结构示意图；

图2为单个采集通道的四个声敏单元组的结构示意图；

图3为传感器的剖视图；

图4为传感器结构层的示意图；

图5为胎心检测服饰的结构示意图；

图6为传感器的空间分布示意图；

图7为传感器的空间分布示意图；

图8为本发明的工作原理图；

图9为本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供的一种多维通道传感器的胎心检测传感器矩阵，包括多个传感器。每个传感器包括多个声敏单元组，如图1所示，每个声敏单元组包括多个声敏单元1。如图2所示的实施例中，16个声敏单元1分为四组，但本发明对此不做限制。多个声敏单元组采用差分测量，构成单个采集通道。

如图3所示，传感器为分层结构，包括：声耦合结构层11、传感器结构层12和声阻尼结构层13，传感器结构层12设置于声耦合结构层11与声阻尼结构层13之间。如图4所示，传感器结构层包括：隔声材料14和多个声敏单元1，隔声材料14填充在声敏单元1之间。

如图6、图7所示，多个传感器在空间上复合布局，在对采集到的信号进行后处理时，对多个传感器进行自组织分组，分别用于测量和降噪。

本发明提供的一种多维通道传感器的胎心检测传感器矩阵的信号处理方法，采用上述的多维通道传感器的胎心检测传感器矩阵，执行步骤包括：

1)每个声敏单元会接收到信号

2)每组声敏单元接收的信号为

m＝1,…,M,假设单个采集通道有M组。不失一般性，我们这里选择M＝2。

3)每个采集通道的采集的信号为

完成一个差分测量。

4)单个采集通道得到信号

x是采集的时域信号。i是单个采集通道的编号。t时间序列编号。

5)复合传感器矩阵得到的信号为

6)根据采集信号

可以得到相关数值矩阵

A＝XX′

7)分析对称A矩阵的特征向量。

AU＝UV

特征值进行排列，数值最大的几个代表了几个主要声音信号的来源，一般情况下，孕妇心跳声、胎儿心跳声、以及环境噪声将产生数值最大的几个特征值。其中

是特征值的排序结果。其对于的特征向量，也构成了相应的信号、噪声空间。

8)主要三个信号源，胎心，孕妇心跳、以及环境噪声，他们之间是不相关信号。可以将特征向量列向量分为胎心信号特征向量、孕妇心跳信号特征向量、和噪声信号特征向量；

9)设置空间导引矩阵a和b,构造能量谱函数

使得上式P取峰值的ε,θ组合，给出了胎心信号的空间传播相对方向。

10)使用得到的空间导引矩阵信息，进行处理，有下式：

b′(θ)a′(ε)Aa(ε)b(θ)

11)这里提取了胎心信号而减弱了两类干扰信息

12)步骤(1)到(11)为自组织多入多出SMIMO(self-organization multiple-input multiple-output)采集处理方法。该方法会在采样时间段内重复使用多次。多次的结果会累积，以实现提高信噪比的目的。使用SMIMO的流程方法在图9中显示。

因为SMIMO的采用，孕妇可以在复杂噪声环境下使用发明的胎心测量设备。比如，工作中，和别人对话交流中，在外采购等等日常生活活动。这些活动中产生的以及面临的复杂噪声环境，对于一般测量设备而言是难解决。而SMIMO解决了在复杂环境中提取胎心信息的难题。

如图5所示，基于上述多维通道传感器的胎心检测传感器矩阵，本发明还提供一种胎心检测服饰，服饰可以是腹带，可以是内衣，腰带，胸衣等等孕妇可以使用的穿戴服饰或装备。各个传感在软材料上按指定的分布排列。本实施例中分为上衣和下衣。上衣上设置了一个传感器，用于检测孕妇信号，下衣上设置了三个传感器，其位置环绕孕妇的腹部，用于检测胎心信号。

通过复合采集矩阵采集的信号，将用于基于胎心率的计算。完成多传感器的自组织功能，减弱背景噪声，减弱非胎心信号能量，输出结果是胎心率，胎心方位。实现这个目标使用了基于旋转噪声空间的信号处理技术。同时会实现多个传感器群的自组织。传感器的复合矩阵的自组织是通过算法实现的。这里的自组织一个典型的例子是靠近胎儿的几个传感器信号将集中用于提取胎儿胎心信息，而靠近母体心脏位置的多个传感器信号将集中用于提取母体心跳等信息，该信息将用来减弱相关的非胎心信号能量。而选择哪些传感器作为一个测量群，将由算法自动完成。无需人工选择。另一方面，这种自组织阵列，也使得孕妇佩戴多个传感器时，无需准确定位，传感器会自动适应。同时，对于胎儿的位置，也会自适应。不会因为胎儿移动了位置而无法捕捉到胎心信息。并且，因为人体态特征的变化带来的影响，也因为该技术的使用而可以实现广泛适应。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种多维通道传感器的胎心检测传感器矩阵，其特征在于，包括：多个传感器；

每个所述传感器包括多个声敏单元组，所述多个声敏单元组采用差分测量，构成单个采集通道；

每个声敏单元组包括多个声敏单元。

2.根据权利要求1所述的多维通道传感器的胎心检测传感器矩阵，其特征在于，所述传感器为分层结构，包括：声耦合结构层、传感器结构层和声阻尼结构层；

所述传感器结构层设置于所述声耦合结构层与所述声阻尼结构层之间。

3.根据权利要求2所述的多维通道传感器的胎心检测传感器矩阵，其特征在于，所述传感器结构层包括：隔声材料和多个所述声敏单元，所述隔声材料填充在所述声敏单元之间。

4.根据权利要求1所述的多维通道传感器的胎心检测传感器矩阵，其特征在于，所述多个传感器在空间上复合布局，在对采集到的信号进行后处理时，对所述多个传感器进行自组织分组，分别用于测量和降噪。

5.根据权利要求4所述的多维通道传感器的胎心检测传感器矩阵，其特征在于，自组织分组包括分为胎心信号和孕妇信号。

6.根据权利要求1所述的多维通道传感器的胎心检测传感器矩阵，其特征在于，所述差分测量包括：

单个采集通道采集的信号为其中不同声敏单元组的差值。

7.根据权利要求1所述的多维通道传感器的胎心检测传感器矩阵，其特征在于，采集到的信号矩阵A(t)为：

数值矩阵A：

A＝XX′

X为采集信号，

上标′为共轭转置符号；

分析数值矩阵A的特征向量：

AU＝UV

其中，特征向量

是特征值

的排序结果，V为特征值对角矩阵；

将特征向量分为胎心信号特征向量T、孕妇心跳信号特征向量P和噪声信号特征向量E，

设置空间导引矩阵a和b，构造能量普函数P(ε,θ)：

K₁、K₂为0到1之间的加权系数；上标′为共轭转置符号，取使P(ε,θ)取峰值的ε,θ组合；

提取胎心信号：b′(θ)a′(ε)Aa(ε)b(θ)。

8.一种胎心检测设备，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的多维通道传感器的胎心检测传感器矩阵。

9.一种胎心检测服饰，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的多维通道传感器的胎心检测传感器矩阵。

10.根据权利要求9所述的胎心检测服饰，其特征在于，所述传感器分布在服饰上对应腹部的位置。

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