便携式宫缩压力监测系统的研发

陈满妮，赵治栋

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江杭州310018)

0 引言

无论是早产还是流产，孕妇的子宫收缩在其中均起到非常重要的作用。因此，及早地发现子宫收缩对于早产和先兆流产的早诊断、早预防、早治疗具有十分重要的意义。近年来由于无线传输技术的突破与通信技术的快速发展，导致了医疗器械信号传输技术上的突破，国内、外专家对此进行了大量研究与探索。设计用无线代替有线传输方式的监护仪，让患者或医生可以在自由活动中接受监护或监护病人［1］;建立一个以PDA为主的生理信号监视系统，后续涌现了以PDA和无线传输技术为基础的各种生理参数的远程监控系统［2］;设计一套通过GSM无线网络传输胎心的系统［3］，但由于对多普勒胎心探头的放置等技术较难掌握及设备价格较昂贵等原因，这一系统未得到推广应用。目前胎心监测仪体积比较大且价格昂贵，孕妇只能定期地到医院做产检而没办法长时间地实时监测宫缩活动，往往检查出结果时已为时已晚，错过了最佳的治疗时期。因此设计出一套便携式的可持续监控子宫收缩信号，并在需要时将其实时传输给定点医疗机构由专业技术人员判断有无早产(流产)的宫缩压力监测系统成了迫切的需要。本文主要对宫缩压力监测系统的总体设计、系统功能实现、有效宫缩算法及实验方法进行介绍，阐明宫缩压力监测系统的技术路线、设计方法和硬件结构。设计出的系统设备具有体积小、运行稳定可靠等优势，且其成本低、便于携带、操作简单、蓝牙无线传输代替有线传输，大大提高了宫缩压力监测系统的应用范围。

1 宫缩压力监测系统组成

如图1所示，为宫缩压力监测系统结构框图。首先压力传感器采集孕妇微弱的子宫收缩生理信号传输给前置仪表放大器，然后把放大到合适大小后的信号送入截止频率为10Hz的低通滤波器，目的是滤除不必要的高频与中频噪声，再把滤波后的宫缩信号送入微控制器，所述的微控制器含有AD模块和UART模块，AD模块采样送入微控制器的宫缩压力信号，UART模块读取AD模块转换结果，转换结果一方面通过SPI通信方式进行SD卡的读写，把采样数据存储在SD卡上，并通过换算得到我们所需的物理量显示在LCD屏幕上;转换结果另一方面通过与微控制器相连的蓝牙串口模块进行无线发送，PDA无线接收蓝牙串口模块发送的信号［4、5］。DS1302时钟模块连接到微控制器，在于获取当前的实时时钟及日历。EEPROM存储模块通过I2C通信方式对压力校准数据进行存储，掉电不易失。按键控制模块连接到微控制器，在于产生外部中断输入信号，同时配合LCD显示器形成友好的人机交互操作菜单。

图1 宫缩压力监测系统结构框图

系统默认情况下可以不使用PDA及蓝牙，目的是为了减小对孕妇的辐射，用户仅使用含LCD的仪器装置足够观察到宫缩波形及压力大小，并通过蜂鸣器的报警声了解到初步诊断结果。当初步诊断结果为异常情况时，用户可以通过按键选择开启蓝牙，同时使用PDA储存用户资料，并将信息写入至记忆卡内，记录完成的档案直接通过PAD上的Wifi上传至后端服务器，再通过无线网络把数据传输到定点医疗机构，实现远程监控，让专家来进行专业的宫缩诊断。

2 各主要模块功能

2.1 模拟信号采集电路

模拟信号采集电路主要功能有压力采集和系统电源转换，信号放大及滤波等。压力传感器采用Honeywell公司所生产的触力传感器型号为FS1500N2C作为检测孕妇子宫收缩的压力感测组件。经由触力传感器把宫缩压力信号转化成电信号，在没有进行放大的时候，只有几mV的大小，所以需要对信号进行放大处理。信号经过前置仪表放大处理后进入截止频率为10Hz的低通滤波器，滤掉不必要的高频与中频噪声，使系统得到较好的采集信号。

2.2 微控制器系统

系统选用的微控制器为16位高性能数字信号控制器，型号为dsPIC33FJ128MC706，其内部资源丰富:功耗低、灵活多样的时钟源选择、提供最多67个中断源和最多5个外部中断、4种通信模块(SPI、I2C、UART及CAN)和2个ADC数模转换器(10位或12位的转换)等等。利用微控制器丰富的资源，对照图1可知本系统实现的功能主要有:

(1)利用微控制器内部的10位ADC模块实现采样信号的数模转换功能，采样率为10Hz，转换完成的数字信号暂时存储在缓存器中;

(2)利用微控制器内部的SPI通信模块实现采集数据在SD卡上的存储，通过按键选择是否存储采样数据于SD卡中，把缓存器中的数据转存到SD卡中;

(3)利用微控制器内部的I2C通信模块实现EEPROM对压力校准数据的存储，由于传感器固有的非线性，必须通过实验数据校准来减小其非线性;

(4)利用微控制器内部的UART通信模块实现HC-06蓝牙模块的模拟串口通信，实现信号的无线传输;

(5)利用微控制器的GPIO与DS1302时钟模块相连，获取其时间及日历，方便用户使用;(6)利用微控制器的GPIO与按键及LCD液晶显示屏相连，构建友好的人机交互界面。

2.3 无线传输系统

无线传输系统主要包含有硬件和软件部分，硬件方面有发射端和接收端，发射端主要是蓝牙发射模块和微控制器构成，蓝牙发射模块为HC-06蓝牙虚拟串口模块，波特率设置为4 800，可以与蓝牙笔记本电脑、电脑加蓝牙适配器、PDA等设备进行无缝连接，接收端则是由蓝牙手机所组成。而软件方面则是由微控制器发射与手机端接收程序所组成。

3 系统验证测试实验

为了使系统更符合最后临床测试需求，在临床试验前进行3个实验以验证系统功能，通过验证可以发现缺点并加以改进，使系统更符合临床需求。

(1)传输距离测试实验

这个实验的主要目的是测试蓝牙无线系统的实际传输距离，实验的方式是由一个受测者佩带的仪器，分别在两个地方(一个密闭的空间与一块接受信息良好的空地)做不同的传输距离测试，如此可和孕妇的日常活动空间室内与户外作为一个简单的对比实验。该实验结果表明:无论是在密闭的空间还是接收信息良好的空地，系统可正常接收蓝牙信号的距离均为1－7m，超过8m时系统开始出现错误接收，收不到信号或是信号延迟接收，实验说明传输距离与室内、室外环境无影响。

(2)系统仪器校正实验

这个实验的主要目标是找出本系统数值与电压的相关性，建立一个对应表，找到仪器与压力的对应关系，使系统提取到的子宫活动信号更具意义。由于宫缩信号压力范围较小，所以标定范围选为0～500g，采用的是10位的ADC，进行了11点的均匀标定操作，如表1所示，为本实验标定测得的信号A/D转换结果的对应关系。

表1 信号A/D转换结果与压力的对应关系

(3)模拟配戴实验

为了分析仪器的可行性，首先进行无子宫收缩状态的腹壁压力测试。实验的流程是将传感器放在受测者的肚脐上方2cm，用腰带固定传感器，启动仪器开始校正，使压力值初始化，在没有受力的情况下，显示的压力值几乎为零，即信号没有有发生变化。然后让受测者在6s内腹部肌肉用力收缩一次，显示的压力值呈现由小到大再变小的波形变化趋势，即感测器因受力而使信号发生明显变化。实验表明，该系统可以准确、灵敏地感应出压力的变化情况，可用于以后的临床宫缩压力测试实验。如图2所示，为模拟佩戴压力测试实验图。

图2 模拟佩戴压力测试实验图

4 结束语

目前该宫缩压力监测系统的研发处于测试阶段，已经测试的各项性能指标均基本达到要求，系统运行稳定可靠、便于携带、操作简单且成本低，适合普通家用，解决了广大孕妇去医院产检难的问题。在以后的工作中，该系统还有待进一步完善，即通过大量的临床测试实验，分析孕妇由于呼吸及自身活动所引起的压力变化规律，从而设法排除这些因素的干扰，以便更准确、更有效地判断宫缩情况。

［1］ Patichis C S，Kyrafcous E，Voskarides S，etal，Wireless telemedicine systems:an overview［C］.IEEE Antennas Propag，2002:143－153.

［2］Nelwan S P，van Dam T B，Klootwijk P，etal，Ubiquitous mobile access to real-time patient monitoring data［C］.Computers in Cardiology，2002:557 －560.

［3］Chang Chien J R and Cheng-Chi Tai，The Study of a Wireless，Portable，and Real-Time Physiological Signal Monitoring System by Combining Bluetooth Technique and PDA Hand Computer［D］.Taiwan:National Cheng Kung University，2004.

［4］Brusco M and Nazeran H，Development of an intelligent PDA-based wearable digital phonocardiograph［C］.Proceedings of the IEEE Engineering in Medicine and Biology 27th Annual Conference，2005:3 506 －3 509.

［5］Brusco M，Digital phonocardiography:A PDA-based approach［C］，Proceedings of the 26th Annual Interna－tional Conference of the IEEE EMBS，2004:2 299 －2 302.