便携式宫缩压力监测系统研发

魏 骁，张晓红，赵治栋，孙淑强，杜加友

1 杭州电子科技大学通信工程学院，杭州市，310018

2 杭州电子科技大学电子信息学院，杭州市，310018

便携式宫缩压力监测系统研发

【作者】魏 骁1，张晓红2，赵治栋2，孙淑强1，杜加友2

1 杭州电子科技大学通信工程学院，杭州市，310018

2 杭州电子科技大学电子信息学院，杭州市，310018

针对当前孕妇生理监护中普遍存在的行动不便及高额费用的问题，研发了基于Windows CE平台的孕妇家用宫缩压力监测系统。阐述了此系统开发的总体设计方案，讨论了硬件电路设计、微控制器系统设计和基于Windows CE平台LabVIEW应用程序设计。在医院对系统进行了临床验证性实验，结果表明：此系统符合当前医疗设备向便携化、家庭化、网络化发展的趋势，能够对孕妇的子宫收缩压力进行实时地监测，有效地预防早产与流产的发生。

早产；宫缩压力监测；流产；Windows CE；LabVIEW

0 引言

宫缩是指子宫有规律地收缩，它是临床上针对孕妇产检的一个重要监测指标。一般情况下，当宫缩压力值大于3.733 kPa（28 mmHg）时，孕妇会感觉到疼痛，当这种疼痛过于频繁时，则称之为宫缩异常，它能对孕妇的早产和流产起到预警作用[1]。因此，对孕妇的宫缩压力进行实时地监测，尽早地发现可能出现的异常，对孕妇的早产和流产能起到早预防、早诊断、早治疗的作用。近年来由于蓝牙、WiFi等无线传输技术逐步在医疗器械开发中得到应用，医疗仪器呈现出便携化、家庭化和网络化的发展趋势。基于以上原因，设计出一套移动、便携的家用宫缩压力监测系统成为迫切需求。

本文主要对基于Windows CE平台的家用宫缩压力监测系统的设计方案做出详细介绍。阐述了宫缩压力信号采集端的硬件设计、微控制器应用程序设计和基于Windows CE平台的上位机信号接收与显示的LabVIEW应用程序设计。

1 系统硬件设计

基于Windows CE平台的孕妇宫缩压力监测系统主要分为下位机硬件采集模块和上位机压力信号处理模块。系统硬件模块结构框图如图1所示，包括以下几个部分：(1) 触力传感器模块 将孕妇的宫缩压力信号转换为电压信号；(2) 电源模块 为系统提供3.3 V电压；(3) 信号预处理模块 将传感器输出的信号进行放大、低通滤波；(4) 微控制器模块 实现信号的AD转换、操作菜单的切换、LCD液晶显示等功能；(5) 无线通信模块 提供信号采集端与上位机之间的蓝牙通信功能。

图1 系统硬件模块组成框图Fig.1 Block diagram of system hardware

1.1 触力传感器模块

采用美国霍尼韦尔公司生产的FSS1500NGT触力传感器感测孕妇的宫缩压力，其内部是一个惠斯顿电桥，当桥路中的一个电阻受到压力作用时会导致电桥失衡产生mV级别的电压输出，具有灵敏度高、体积小巧等优点。

1.2 电源模块

采用线性稳压器MAX8877EKU3.3作为电源转换芯片，通过对其外接锂电池为硬件电路提供3.3 V的电压。锂电池体积小、结构简单，可以反复充电使用，相比于220 V强电，其辐射低，对孕妇健康更为有利。

1.3 信号预处理模块

传感器输出的压力信号需进行放大和滤波处理之后才能进行A/D转换。采用仪表放大器AD623将传感器输出的差分信号放大。放大电路的特性曲线如图2所示。

由图2可知，在宫缩压力的变化范围内，电路具有良好的线性度，因此经放大后的信号没有失真，能够对其进行相应的后续处理。

宫缩压力信号的频率范围为0.5～8 Hz[2]，参照Sallen-Key低通滤波器的电路模型[3]，使用MCP607设计截止频率为8 Hz的低通滤波器，其频率特性曲线如图3所示。由图3可知，此低通滤波器的频率特性良好，可以有效地滤除放大信号中的噪声，保证预处理后的信号尽可能小的失真。

1.4 微控制器及其外围模块

此模块主要包括dsPIC33FJ128MC506微控制器、存储电路、液晶显示电路、按键输入电路等。微控制器是整个系统的核心模块，实现系统的核心功能，存储电路实现压力标定AD值的动态存储，液晶显示电路与按键输入电路配合工作，显示功能菜单和压力、采样时间等参数，为系统提供友好的人机交互界面。

1.5 无线通信模块

将微控制器串行通信模块的TXD引脚、RXD引脚与蓝牙通信模组HC06的RXD引脚、TXD引脚相连即组成无线通信模块。把需要发送的数据写入串口缓冲区中，数据就会通过HC06以蓝牙传输的方式发送到PDA。

图3 低通滤波器频率特性曲线Fig.3 Frequency response of the low pass flter

2 微控制器应用程序设计

微控制器应用程序设计主要包括：A/D转换子程序、液晶显示子程序、压力标定子程序等。主程序的流程图如图4所示，首先对整个系统进行初始化设置，设置完成之后，系统开始正常工作，执行按键扫描程序，根据扫描得到的不同键值，进入不同的菜单选项执行相应的服务子程序。

图4 主程序流程图Fig.4 Flow chart of the main program

2.1 系统初始化

系统中用到的功能模块有时钟源模块、ADC模块和UART模块。其中最为重要的是ADC模块，其初始化配置如下：

（1）配置端口引脚RB15为模拟输入引脚(AD1PCFGH＜15:0〉)；

（2） 选择参考电压源（AD1CON2＜15:13〉）；

（3）选择模拟转换时钟（AD1CON3＜7:0〉）；

（4）选择采样保持通道，设置AD1CON2寄存器的CHPS＜1:0〉和AD1PCFGH寄存器选择转换通道为CH0；

（5）选择适当的采样/转换序列，通过设置AD1CON1寄存器的SSRC＜7:5〉和AD1CON3寄存器的SAMC＜12:8〉使AD转换时间为1.62 μs；

（6）选择转换结果在缓冲器中的存储方式（AD1CON1＜9:8〉）；

（7）开启ADC模块（AD1CON1＜15〉）。

2.2 压力数据的采集与发送

模拟电压VIN和数字AD值NADC的关系如下：

ADC模块以20 Hz的速率实现宫缩压力信号的采集与转换，转换完成之后，通过公式(1)运算得到模拟电压值，完成数值分离处理之后，即可在液晶LCD上实时显示出来。同时，在每一次AD转换结束之后，都会检测串口缓冲区，当缓冲区接收到字符‘x’时，将会调用蓝牙发送子程序，当接收到的字符为‘y’时，则停止调用。

2.3 压力标定算法

传感器本身存在的非线性误差以及日常磨损等因素均会对系统的测量精度造成影响，因此需要对系统进行动态的压力标定，而不能简单地使用传感器的线性函数。本系统采用了折线插值算法[4]对宫缩压力信号进行0～500 g范围内的11点均匀标定。

3 LabVIEW应用程序设计

Windows CE是Microsoft推出的多线程、多任务、实时的嵌入式操作系统，适合于资源有限的小型设备，具有良好的用户操作界面[5]。通过LabVIEW Mobile Module可将LabVIEW应用程序运行在基于Windows CE操作系统的手持设备PDA上，极大程度上简化了Windows CE应用程序开发。本系统的LabVIEW应用程序流程如图5所示。

应用程序的功能模块主要包括串口通信初始化、数据接收与显示、信号保存与回放等。首先建立PDA与下位机信号采集端的蓝牙连接，然后启动应用程序，即可通过事件触发分别调用上述功能模块。

3.1 串口初始化

PDA通过蓝牙发送和接收到的数据都会通过串口缓冲区转发。因此在通信前要进行串口初始化，其初始化程序见图6所示。

图5 LabVIEW程序流程图Fig.5 Flow chart of the LabVIEW program

图6 串口初始化程序图Fig.6 Program diagram of serial port initialization

串行通信的帧格式为：8 bit数据位，1 bit停止位，无奇偶校验位，波特率设置为4 800 bps，通信端口为COM8。

3.2 信号接收与显示

串口初始化完成之后，PDA上的LabVIEW应用程序可以和下位机信号采集端之间进行数据通信。当下位机接收到LabVIEW应用程序发送的字符’x’时，会调用蓝牙发送子程序，将转换得到的AD值不断地发送到PDA的串口缓冲区中，LabVIEW应用程序不停地读取缓冲区，完成信号的接收与实时显示。其实现程序图如图7所示。

每次读取完成之后，都会对读取到的数据进行如下规则的差错检测：(1) 50 ms内接收缓冲区中的字节数应该为4。(2) 接收到的每个字节的帧头和帧尾分别为‘a’、‘b’。经过差错检测后，将接收正确的字节进行拼接以及进制转换得到原始的10 bit A/D值，通过压力标定函数运算得到压力值，即可在波形图表上实时显示孕妇的宫缩压力波形以及压力值和宫缩次数等临床参数。

当停止采集事件被触发时，LabVIEW应用程序会向下位机信号采集端发送字符‘y’，同时停止串口的读取，不再接收压力数据。而下位机信号采集端接收到字符‘y’后，不再执行蓝牙发送子程序。

3.3 信号保存

应用程序会将接收到的数据临时保存在一个数组中，当程序运行异常或者退出后，这些数据也就随之丢失，无法再次查看。因此通过文件写入函数实现信号的保存，其实现程序如图8所示。

图7 信号接收与显示程序图Fig.7 Program diagram of signal reception and display

图8 信号保存程序图Fig.8 Program diagram of save

3.4 信号回放

通过文件读取函数将已保存文件中的数据读取出来，经过相应处理后，即可在波形表中显示出压力波形，完成信号的回放，实现程序如图9所示。

3.5 预紧力消除

在实际测量时，孕妇需要使用绷带将传感器绑在腹部，因此会产生一定的预紧力，在进行信号显示之前要将它消除，图10是预紧力消除的程序。

相邻两次宫缩的间隔时间为2～3 min，这段时间内传感器感测到的压力就是绷带产生的预紧力，对此压力进行采样并取平均值，将之后采集到的压力与此平均值相减，实现预紧力的消除。

图9 信号回放程序图Fig.9 Program diagram of playback

图10 预紧力消除程序图Fig.10 Program chart of the elimination of preload

4 实验结果分析

对基于Windows CE平台的家用孕妇宫缩压力监测系统进行临床测试实验，测试地点为金华市人民医院，将压力传感器用绷带绑在孕妇的腹部，感测子宫的收缩。进行了信号采集与显示、信号保存、信号回放3个实验，信号采集与显示效果如图11所示。

图11 宫缩压力信号采集与显示Fig.11 Uterine contraction pressure signal acquisition and display

查阅相关文献后，确定一次有效宫缩的条件是：宫缩强度大于4 kPa(30 mmHg)，持续时间大于20 s[6]。观察图中的压力波形可知，此系统可以灵敏地感测到孕妇的宫缩压力变化，当波形显示到达屏幕最右端时，已经显示的压力值会不断从左端移出，新接收到的压力值会在右端显示出来，给人以实时、动态的效果。在波形上出现了一些毛刺，这是由于孕妇的呼吸和翻身导致的。而在18 s的测试时间内，有效宫缩的次数达到2次，存在一定误差，原因可能为：(1) 呼吸或翻身产生的干扰压力造成误差；(2) 预紧力消除算法不够精确。原因(1) 可以通过临床采集呼吸和翻身产生的压力信号，进行频谱分析，根据信号频谱的差异将此干扰信号滤除。原因(2) 要考虑到宫缩的不规律性，当前预紧力消除算法是在相邻宫缩的间隔期进行100 s的采样，然后取平均值得到预紧力，可能在100 s还未结束时又一次宫缩已经开始，接下去采样得到的值不能作为预紧力，因此应该实时地检测新的一次宫缩是否开始，一旦开始则停止采样，将之前的采样值取平均作为预紧力。

5 结束语

本文设计并实现了基于Windows CE平台的家用宫缩压力监测系统，本设计一方面通过微控制器和触力传感器采集孕妇的宫缩压力，在Windows CE平台上开发信号监测的应用程序；另一方面通过临床试验对系统的实用性和精准度进行验证。实验证明此系统操作简单、便携易用，符合医疗仪器便携化、家庭化和网络化的发展趋势，这种便携性保证了系统采集到的生理数据远大于在医院进行一次产检所采集的数据，这些海量的数据能够从整体上反应出孕妇的宫缩压力变化趋势，在一定程度上弥补系统存在的误差，对可能出现的早产、流产进行早预防、早诊断。在今后的研发中，需进行更多的临床测试，在测试中发现问题、解决问题，以对此系统当前所存在的问题加以改善。

[1] 胡娅莉, 罗月娥, 邢淑洁. 宫缩曲线及在胎心监护中的意义[J]. 实用妇产科杂志, 1999, (03): 6-7.

[2] 赵爽, 田谦益, 陈建华, 等. FSL05N2C触力传感器原理及在分娩监护仪中的应用[J]. 现代电子技术, 2004, 27(22): 1-2.

[3] 周绍元. 惠斯顿电桥教学电路的分析[J]. 成都信息工程学院学报, 2003, 18(4): 417-423.

[4] 周航慈. 嵌入式系统软件设计中的常用算法[M]. 北京：北京航空航天大学出版社, 2010.

[5] Charis Muench. Windows CE 权威指南[M]. 第一版, 北京: 中国电力出版社, 2001.

[6] 陈怡. 无线子宫收缩信号监视系统之实现[D]. 台湾: 成功大学，2008.

Development of Portable Uterine Contraction Pressure Monitoring System

【Writers】Wei Xiao1, Zhang Xiaohong2, Zhao Zhidong2, Sun Shuqiang1, Du Jiayou2
1 College of Communication Engineering, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou, 310018 2 College of Electronics Information, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou, 310018

For the high cost and mobility issues, a home uterine contraction pressure monitoring system based on Windows CE platform was developed. In this paper, the design of hardware circuit, micro-controller system and LabVIEW program based on Windows CE are discussed. The clinical validation experiment in hospital for this system was made and the experimental results show that this system complies with the trend that current medical equipment is becoming portable, homely and networked. Through real-time monitoring uterine contraction pressure, occurrence of premature birth and abortion can be prevented effectively.

preterm, uterine contraction pressure monitoring, abortion, Windows CE, LabVIEW

R197.39；TP274

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.06.006

1671-7104(2014)06-0413-04

2014-05-08

浙江省科技厅公益技术研究工业项目(2012C21005,2013C31074)

赵治栋，E-mail: zhaozd@hdu.edu.cn