專利名稱：非線性胎兒心率監測儀的制作方法
技術領域：
本發明屬于醫療保健技術領域，涉及一種保健監測儀器；國際專利分類號A61B5/024。
背景技術：
胎兒心率的變化可反應出胎兒在母體內的不同健康狀況，通過檢測胎兒心率可以診斷出胎兒的各種疾病。也就是說胎兒心率信號載有豐富的標志胎兒健康狀況的信息。在傳統的醫學檢測中，醫生采用傳統的胎兒心率監護儀，將胎兒心率記錄在紙帶上，醫生憑借多年積累的臨床經驗診斷胎兒疾病與胎兒健康狀況。因醫生個體間的差異，診斷無統一的客觀標準。
發明人采用非線性動力學方法研究胎兒的生長發育及分娩前瞬時胎兒心率與新生兒健康之間的關系。以往，什么樣胎兒心率的記錄曲線表明胎兒(包括分娩后的新生兒)是健康的或乏氧或接近死亡的，醫生只能憑經驗判斷，沒有統一的客觀標準。本發明研制的非線性胎兒心率監測儀可記錄胎兒的瞬時心率，并依據非線性動力學原理，采用相空間重構，關聯維，最大李氏指數，功率譜，相關函數，近似熵等方法從多個視角分析胎兒健康狀況。可作定性與定量統計分析和分類，為圍產期保健與優生、優育提供科學依據。

發明內容
本發明的目的是提供一種非線性胎兒心率監測儀，它不僅能通過計算機實時顯示、記錄與存儲胎兒的心率信號，而且能采用非線性動力學分析方法(關聯維，最大李氏指數，近似熵，功率譜，自相關函數與互相關函數)表示出胎兒在母體內的不同健康狀況。
本發明采用超聲多普勒傳感器提取出胎兒的心音信號，然后利用胎兒心率信號提取器從胎兒心音的音頻信號中提取出音頻信號的包絡，且將音頻信號的包絡轉換為與之相對應的方波信號，使得一個方波信號與一次胎兒心跳相對應；將由胎兒心率信號提取器得到的方波信號傳遞給PC6360模/數入接口卡，完成胎兒心率信號的模/數轉換，并傳遞給非線性計算機分析處理器，由非線性計算機分析處理器根據相鄰兩次方波的時間間隔計算出瞬時胎兒心率，非線性計算機分析處理器進一步可完成瞬時胎兒心率信號的數據及圖形的實時顯示、重現，以及數據的存儲，非線性計算機分析處理器的非線性動力學參數計算部分可以計算胎兒心率信號的關聯維，最大李氏指數，熵，復雜度，功率譜，自相關函數與互相關函數。
醫生可根據非線性特征量的不同分布區間與不同胎兒健康狀況的對應關系，做出診斷建議。
本發明的技術解決方案如圖1所示，首先由超聲多普勒傳感器提取出胎兒的心音信號，利用胎兒心率信號提取器(其電路原理圖如圖2-8所示)從胎兒心音的音頻信號中提取出音頻信號的包絡(圖2-7所示)，使得一個胎兒心音信號的包絡與一次胎兒心跳相對應，經過零比較電路(圖8)后，使一個心音信號的包絡對應于一個方波信號；將胎兒心率信號提取器得到的方波信號傳遞給PC6360模/數接口卡，完成胎兒心率信號的模/數轉換并傳遞給非線性計算機分析處理器，由非線性計算機分析處理器根據相鄰兩次方波的時間間隔計算出瞬時胎兒心率同時進一步可完成瞬時胎兒心率信號的數據及圖形顯示、重現，以及數據的存儲，非線性計算機分析處理器可以計算胎兒心率信號的關聯維，最大李氏指數，熵，復雜度，功率譜，自相關函數與互相關函數。醫生可利用胎兒瞬時心率信號的非線性動力學參量的不同分布與胎兒健康狀況的對應關系，給出診斷建議。
關于電路原理圖的相關說明首先由超聲多譜勒探頭提取出胎兒心音信號，隨后連接的是由電阻器R1、電容器C1及運算放大器μA741組成的電纜跟隨器(如圖2所示)，其中電阻器R1可采用可變電阻器，與運算放大器μA741的管腳6連接著的是由電阻器R2、R3、R4、R5與運算放大器μA741組成的放大電路(如圖2所示)，其中電阻器R5可采用可變電阻器，這樣放大器的放大倍數在一定范圍內可調。運算放大器μA741芯片的引腳6與乘法器MC1495的引腳9連接。由電阻R13、R14、R15、R16，穩壓二極管D1、D2及運算放大器μA741組成的方波發生器(如圖3所示)，運算放大器μA741芯片的引腳6與乘法器(如圖4所示)MC1495的引腳4連接。乘法器MC1495的引腳1通過電阻器R8與+15V電源連接，引腳2通過電阻器R10與+15V電源連接，引腳3通過電阻器R7接地，引腳5與引腳6之間接有電阻器R12，引腳7接-15V電源，引腳8接地，引腳10與引腳11之間連接有電阻器R11，引腳12接地，引腳13通過電阻器R6與地連接，引腳14通過電阻器R9與+15V電源連接，同時引腳14直接接地，引腳2與由電阻器R17、R19、R21、R23、R25、R27、R29、R31，電容器C3、C5、C7、C9、C11、C12、C14及4個運算放大器μA741芯片組成的中心頻率為5Hz的8階切比雪夫低通濾波器(如圖5所示)，濾波器的第三個運算放大器μA741芯片引腳6與由電阻器R18、R20、R22、R24、R26、R28、R30、R32，電容器C4、C6、C8、C10、C22、C13、C25、C16及4個運算放大器μA741芯片組成的中心頻率為5Hz的8階切比雪夫低通濾波器(如圖6所示)，濾波器的第三個運算放大器μA741芯片引腳6與由電容器C17、電阻器R33組成的過零電路(如圖7所示)連接，過零電路隨后與由電阻器R34、R35、R36、R37、R38、R39、R40、R41，電容器C8、C9、C10、C11、C23、C24、C26、C27及4個運算放大器μA741芯片組成的中心頻率為5Hz的8階切比雪夫低通濾波器(如圖7所示)，濾波器的第三個μA741芯片的引腳6與電阻器R42、R43、R44及一個運算放大器μA741芯片組成的放大器(如圖8所示)，放大器的引腳6與運算放大器μA741的引腳3連接，此運算放大器μA741的引腳2接地，引腳6與由電阻器R45、R46、二極管D3、D4、，電容器C28組成的電壓限幅電路(如圖8所示)，電阻器R46，電容器C28的連接處，與PC6360模/數接口卡的數字輸入通道相聯。
由超聲多譜勒探頭采集到的胎兒心音信號，首先經過電纜跟隨器，然后是放大器，接著心音信號與95Hz方波信號進行相干檢波，相干檢波后的信號，連續通過2個8階切比雪夫低通濾波器，然后經過零電路，再經過8階切比雪夫低通濾波器，接著對信號進行放大，然后過零比較，電壓限幅，最后經PC6360模/數接口卡的數字輸入通道接入非線性計算機分析處理器。最后運用非線性計算機分析處理器進行數據處理與分析。
所述的非線性計算機分析處理器裝有由VB高級語言編制的人機交互界面和VC高級語言編制的非線性動力學分析軟件包的工作界，并使用TC高級語言編制了非線性動力學分析軟件包中的分析軟件。
本發明的分析軟件是由二維相空間重構程序單元，功率譜程序單元，時間序列程序單元，近似熵程序單元，相關函數程序單元，關聯維程序單元，最大李氏指數單元程序和vc界面單元程序組成，首先，打開vc界面這個程序，展現在我們面前的是一個對話框，他里面的下拉菜單里有7個程序二維相空間重構程序，功率譜程序，時間序列程序，近似熵程序，相關函數程序，關聯維程序，最大李氏指數程序。在運行這7個程序里面的相關函數程序是為關聯維和最大李氏指數的一個參量；所以，在運行關聯維程序和最大李氏指數程序之前是要先運行相關函數程序；根據上述程序所得的數據醫生可以準確地對胎兒心率進行分析，分析判斷胎兒的健康狀況；下面分述各程序的流程
vc++編成的界面程序，開始建一個工程。然后在Dialog中添加一個對話框。在Dialog上添加控件(下拉菜單、三個按鈕、粘貼位圖)，在CmyDlg類添加8個變量和其代表的內容，分別對上面控件添加響應程序，這樣程序就結束了近似熵的程序流程圖，首先打開待分析的數據文件，然后它會計算出這個文件共有的數據總個數；然后，從文件讀出待分析的數據個數N，算出標準差σ，算出0.2*σ→L，輸入嵌入維m，由于算法本身要求為2。重構m維矢量的相空間，計算出這個空間任意兩個點的距離小于L的個數付給count，所以近似熵就是近似熵(ApEn)limN→∝[Φm(L)-Φm+1(L)]]]>而 關聯維的程序流程圖，首先打開待分析的數據文件，然后它會計算出這個文件共有的數據總個數；然后，從文件讀出待分析的數據個數n放到另一個數據文件1中，然后輸入起始維數m，增長的步長mk，和延遲量k。當m＜md進入循環語句，在這個循環里面，首先要重構m維矢量的相空間(其算法與二維相空間重構的流程圖相同)分別放到兩個數據文件2，3中，求出文件2，3中數的距離d存到文件4中，然后就入下一個循環，輸入起始半徑A，增長的半徑步長B，初始化s為0。當r＜C時就入循環從文件4中讀出數據與r比，如果d＜r，s就加1，大于r是就加0。這樣在r＜C這一條件下會求出一組lnC(r)和ln(r)，然后畫出圖形，這圖形的斜率就是要求的維數D。然后m再加上mk又會求出一個維數D，這樣會求出一組；(流程圖中的鋸齒線與直線并未相交)功率譜程序流程圖，首先打開待分析的數據文件，然后它會計算出這個文件共有的數據總個數；然后，從文件讀出待分析的數據個數n放到另一個數據文件1中。用這n個數作自相關函數放到數據文件2中，再用2中的數據作傅立葉變換得到的數據畫圖就是功率譜的圖形了；(自相關的算法就是相關函數程序的流程圖的算法)相關函數的程序流程圖，首先打開待分析的數據文件，然后它會計算出這個文件共有的數據總個數；然后，從文件讀出待分析的數據個數N放到一個數據文件1中。輸入Nb值(想要畫點的個數)，m賦值為0，(N-Nb)賦給T。若m＜Nb，進入外循環，然后把求和變量s賦值為0。進入內循環，j是內循環變量，起始值為0，j＜T。計算兩個延遲量相乘，將s與乘積求和再賦予s，內循環完了就可以求出一個s值來。以m和s作為橫、縱坐標畫圖。(如果是從一個時間序列讀數計算就是自相關，若是從不同的兩個時間序列讀數就是互相關。圖形的第一極小值就是時間延遲量)二維相空間重構的程序流程圖，開始程序會詢問你待分析的數據文件名字，然后會計算出這個文件共有多少個數據；然后，從這個文件讀出你想要分析的數據個數n，然后把它又放到數據文件1中，就著輸入延遲變量值，嵌入維初始值m＝2，延遲量k，初始化變量b為0，計算出點的個數；接著是兩個循環語句。首先，i是外循環，j是那循環，從文件1中讀數付給變量y，當i，j，k，b，m滿足框圖所示的條件時，并且b＝0時就把y寫到文件2中，當b＝1時就寫到文件3中，這樣就可以用2，3中的數據非別作為橫縱坐標畫圖了。(上面的鋸齒線和直線并未相交)時間程序的程序流程圖，這是個計算時間延遲量的程序流程圖，首先打開待分析的數據文件，然后它會計算出這個文件共有的數據總個數。然后，輸入起始點vb，末了點ve，計算總點數ve-vb→n，接著就可以畫圖了，橫坐標是自然數，縱坐標是從數據文件讀出來的數。
最大李氏指數的程序流程圖，首先打開待分析的數據文件，然后它會計算出這個文件共有的數據總個數。然后，從文件讀出待分析的數據個數n放到另一個數據文件1中，然后輸入起始維數m＝mb，增長的步長mp，和延遲量k。當m＜md進入循環語句，在這個循環里面，首先要重構m維矢量的相空間并把其放到數據文件2中，選定一點j(＜n-(m-1)*k)，然后找出其最近鄰點J′，并算出其距離d(0)，經過τ時間后再次算出這兩點的距離d(τ)，畫出d(τ)隨τ的變化曲線、并求其斜率值就是最大李氏指數值，再次把m加上步長mp循環語句處進行計算。
本發明的積極效果是(1)臨床方面可指導臨床醫生依據非線性動力學原理通過對瞬時胎兒心率的觀察與分析判斷胎兒的健康狀況(目前臨床醫生根據胎兒心率監測的基線及其波動直接判斷胎兒健康)；(2)指導計劃生育通過對胎兒健康狀況的分析與研究對改善人口健康狀況，提高人口素質具有十分深遠的意義。
(3)價格便宜，市場前景看好，經二次開發可在全國縣級以上醫院推廣使用。
本發明可在縣級以上醫院臨床推廣使用，可在高等院校臨床醫學教學；教學研究與科研研究領域推廣使用，經濟效益與社會效益明顯。


圖1為本發明整體示意方框圖；圖2為本發明放大電路；圖3為本發明方波發生器；圖4為本發明乘法器；圖5為本發明低通濾波；圖6為本發明低通濾波；圖7為本發明過零及低通濾波；圖8為本發明過零比較及限幅；圖9為本發明操作程序示意圖；圖10為本發明vc++編成的界面程序圖11為本發明近似熵的程序流程圖；圖12為本發明相關函數的程序流程圖；圖13為本發明功率譜程序流程圖；圖14為本發明時間延遲量的程序流程圖；圖15為本發明二維相空間重構的程序流程圖；圖16為本發明關聯維的程序流程圖；圖17為本發明最大李氏指數的程序流程圖。
具體實施例方式
實施例本發明由四部分組成①超聲多普勒傳感器；②由模擬電路與數字電路組成的胎兒心率信號提取器；③胎兒心率信號提取器與PC6360模/數接口卡聯接，完成胎兒心率信號的模/數轉換；④非線性計算機分析處理器；下面結合附圖進一步敘述本發明，所述的胎兒心音信號由超聲多譜勒探頭采集進來，隨后連接的是由電阻器R1、電容器C1及運算放大器μA741組成的電纜跟隨器(如圖2所示)，其中電阻器R1可以采用可變電阻，與電纜跟隨器的運算放大器μA741的引腳6連接著的是由電阻器R2、R3、R4、R5與運算放大器μA741組成的放大電路(如圖2所示)，其中R5可以用可變電阻，這樣放大器的放大倍數在一定范圍內可調；心音信號經過放大后，輸入乘法器MC1495的引腳9，心音信號與方波信號進行相干檢波；由電阻器R13、R14、R15、R16，穩壓二極管D1、D2及運算放大器μA741組成的方波發生器(如圖3所示)，運算放大器μA741的引腳6與乘法器MC1495(如圖4所示)的引腳4連接；乘法器MC1495的引腳1通過電阻器R8與+15V電源連接，引腳2通過電阻器R10與+15V電源連接，引腳3通過電阻器R7接地，引腳5與引腳6之間接有電阻器R12，引腳7接-15V電源，引腳8接地，引腳10與引腳11之間連接有電阻器R11，引腳12接地，引腳13通過電阻器R6與地連接，引腳14通過電阻器R9與+15V電源連接，同時引腳14直接接地，相干檢波后得到心音信號包絡；隨后經過由電阻器R17、R19、R21、R23、R25、R27、R29、R31，電容器C3、C5、C7、C9、C11、C12、C15、C14及4個運算放大器μA741組成的中心頻率為5Hz的8階切比雪夫低通濾波器(如圖5所示)，濾波器的第三個運算放大器μA741的引腳6與由電阻器R18、R20、R22、R24、R26、R28、R30、R32，電容器C4、C6、C8、C10、C22、C13、C25、C16及4個運算放大器μA741芯片組成的中心頻率為5Hz的8階切比雪夫低通濾波器(如圖6所示)，信號由第三個運算放大器的引腳6輸出，經過兩次低通濾波后得到完好的心音包絡；隨后對信號進行過零，去掉直流成分；過零電路(如圖7所示)是由電容器C17、電阻器R33組成；隨后與由電阻器R34、R35、R36、R37、R38、R39、R40、R41，電容器C8、C9、C10、C11、C23、C24、C26、C27及4個運算放大器μA741組成的中心頻率為5Hz的8階切比雪夫低通濾波器9(如圖7所示)連接，去掉由過零引入的干擾，濾波器的第三個運算放大器μA741的引腳6與電阻器R42、R43、R44及一個運算放大器μA741組成的放大器(如圖8所示)，對信號進行放大；放大后的信號經過零比較(如圖8所示)后得到心音包絡的方波信號，經電壓限幅電路(如圖8所示)，去掉信號中的負值部分，得到TTL波，隨后與PC6360模/數接口卡的數字輸入通道相聯接入非線性計算機分析處理器。由非線性計算機分析處理器根據記錄的相鄰兩次方波的時間間隔，計算出瞬時胎兒心率。
前述運算放大器可以用NE532等高集成度的運算放大器來代替。
電路元器件參數R1＝200kΩ；R2＝10kΩ；R3＝20kΩ；R4＝20kΩ；R5＝10kΩ；C1＝120pF；R6＝12kΩ；R7＝12kΩ；R8＝3kΩ；R9＝R10＝20kΩ；R11＝R12＝10kΩ；R13＝R14＝20kΩ；R15＝48.8kΩ；R16＝473kΩ；R17＝R19＝R21＝R23＝R25＝R27＝R29＝R31＝100KΩ；C3＝0.15μF；C5＝0.033μF；C7＝2.2μF；C9＝0.15μF；
C11＝0.047μF；C12＝0.047μF；C15＝0.01μF；C14＝10μF；R18＝R20＝R22＝R24＝R26＝R28＝R30＝R32＝100kΩ；C4＝0.15μF；C6＝0.033μF；C8＝2.2μF；C10＝0.15μF；C22＝0.047μF；C13＝0.047μF；C25＝10μF；C16＝0.01μF；C17＝0.1μF；R33＝410Ω；R34＝R35＝R36＝R37＝R38＝R39＝R40＝R41＝100kΩ；C8＝0.15μF；C9＝0.033μF；C10＝2.2μF；C11＝0.15μF；C23＝0.047μF；C24＝0.047μF；C26＝10μF；C27＝0.01μF；R42＝5kΩ；R43＝7.5kΩ；R44＝15kΩ；R45＝470kΩ；R46＝1.5kΩ；C28＝0.01μF。
其中電阻器全部采用碳膜電阻，電容器C14、C25、C26是電解電容，其余電容均為陶瓷電容，二極管D1、D2、D3、D4均為5.5V穩壓二極管，放大器均為運算放大器μA741。我們也可以用集成度更高的運算放大器，例如使用運算放大器NE5532等來代替運算放大器μA741。
非線性胎兒心率監測儀的操作界面，是用Visual-Basic高級語言編制，由三個部分組成首先是一個彈出界面，然后是一個患者信息錄入界面，可以輸入患者的姓名、年齡、病例號及妊娠周數，最后是工作界面。
工作界面可以實現以下功能(1)瞬時胎兒心率信號的實時顯示與記錄，40-240bpm；(2)瞬時胎兒心率信號的報警顯示，即當瞬時胎兒心率值低于120bpm，或高于160bpm，且持續20秒時界面上黃燈或紅燈亮；(3)具有數據存貯功能；(4)具有數據及圖形的重現功能。
非線性胎兒心率監測儀使用VC高級語言編制了非線性動力學分析軟件包的工作界面，并使用TC高級語言編制了計算程序；可以計算胎兒心率信號的關聯維，最大李氏指數，近似熵，功率譜，自相關函數與互相關函數。利用非線性動力學參量與不同胎兒健康狀況的對應關系，給出診斷建議。
本發明的操作過程將超聲多普勒探頭放置于孕婦腹部，由超聲多普勒探頭提取出胎兒心音信號，將由超聲多普勒傳感器探頭提取出的胎兒心音信號傳遞給由模擬電路與數字電路組成的胎兒心率信號提取器，將胎兒心率信號提取器與PC6360模/數接口卡聯接，完成胎兒心率信號的模/數轉換，由計算機計算出瞬時胎兒心率，并顯示在計算機顯示器上。檢測完畢后計算機自動存儲胎兒瞬時心率數據，最后可由非線性動力學軟件包提供的程序對瞬時胎兒心率數據做非線性動力學分析。首先，打開vc界面這個程序，展現在我們面前的是一個對話框，他里面的下拉菜單里有7個程序二維相空間重構程序，功率譜程序，時間序列程序，近似熵程序，相關函數程序，關聯維程序，最大李氏指數程序。在運行這7個程序里面的相關函數程序是為關聯維和最大李氏指數的一個參量；所以，在運行關聯維程序和最大李氏指數程序之前是要先運行相關函數程序；根據上述程序所得的數據醫生可以準確地對胎兒心率進行分析，分析判斷胎兒的健康狀況。
權利要求
1.一種非線性胎兒心率監測儀，是由超聲多普勒傳感器、胎兒心率信號提取器、模/數轉換器和非線性計算機分析處理器所組成，其特征是采用超聲多普勒傳感器提取出胎兒的心音信號，然后利用胎兒心率信號提取器從胎兒心音的音頻信號中提取出音頻信號的包絡，且將音頻信號的包絡轉換為與之相對應的方波信號，使得一個方波信號與一次胎兒心跳相對應；將由胎兒心率信號提取器得到的方波信號傳遞給PC6360模/數接口卡，完成胎兒心率信號的模/數轉換，并傳遞給非線性計算機分析處理器，由非線性計算機分析處理器根據相鄰兩次方波的時間間隔計算出瞬時胎兒心率，非線性計算機分析處理器進一步可完成瞬時胎兒心率信號的數據及圖形的實時顯示、重現，以及數據的存儲；所述的非線性計算機分析處理器裝有由VB高級語言編制的人機交互界面和VC高級語言編制的非線性動力學分析軟件單元的工作界面，使用TC高級語言編制了非線性動力學分析軟件包中的分析軟件，該分析軟件包括有二維相空間重構程序單元，功率譜程序單元，時間序列程序單元，近似熵程序單元，相關函數程序單元，關聯維程序單元，最大李氏指數程序單元；其中相關函數程序單元是關聯維程序單元和最大李氏指數程序單元的一個參量。
2.根據權利要求1所述的一種非線性胎兒心率監測儀，其特征是所述的二維相空間重構程序單元，功率譜程序單元，相關函數程序單元，時間序列程序單元，根據需要選擇一個，或多個，或全選。
全文摘要
一種非線性胎兒心率監測儀，屬于醫療保健設備技術領域，采用超聲多普勒傳感器提取出胎兒的心音信號，然后利用胎兒心率信號提取器從胎兒心音的音頻信號中提取出音頻信號的包絡，將由胎兒心率信號提取器得到的方波信號傳遞給PC6360模/數入接口卡，完成胎兒心率信號的模/數轉換，并傳遞給非線性計算機分析處理器，所述的非線性計算機分析處理器裝有由VB高級語言編制的人機交互界面和VC高級語言編制的非線性動力學分析軟件包的工作界，并使用TC高級語言編制了非線性動力學分析軟件包中的分析軟件，醫生可做出診斷建議指導臨床；本發明具有價格便宜，市場前景看好，可在全國縣級以上醫院、高等院校臨床醫學教學與科研領域推廣使用，經濟效益與社會效益明顯的積極效果。
文檔編號A61B5/0402GK1792322SQ20051001651
公開日2006年6月28日 申請日期2005年1月11日 優先權日2005年1月11日
發明者肖青, 劉玉萍, 劉春霞, 高思莉, 邱紅梅, 張亮, 徐明奇, 王立媛 申請人:肖青