对家用胎心检测仪器的研究

对家用胎心检测仪器的研究

朱铭洋 杨雨梦 张瑞珂 吕吉烨

（郑州科技学院 机械工程学院，河南 郑州 DC202456）

摘要：超声多普勒效应检测胎心信号是胎心检测仪常用的方法，通过已经建立的超声多普勒效应检测胎心信号的物理模型检测得到了胎心信号的调频信号，利用原理搭建检测电路并通过推导 的胎心检测计算公式。以此来验证该技术的准确性和稳定性。

项目来源:河南省教育厅2024年大学生创新创业训练计划项目“孕途安康——母体与胎儿健康智能检测集成装置的研究”(编号:202412746056)、郑州科技学院2024年大学生创新创业训练计划项目“孕途安康——母体与胎儿健康智能检测集成装置的研究”(编号:DC202456)

引言

孕妈妈在怀孕期间面临着生理上的巨大变化，这些变化不仅涉及多个生理系统，而且具有多样性和复杂性。对孕妈妈进行持续、准确的健康检测对于保障母婴安全至关重要。如果母体内胎儿心率出现异常且没有能及时检测并做相应治疗处理，将对胎儿造成不良影响，甚至可能危及胎儿的生命。传统的胎动检测依赖于孕妈妈的自我感觉和记录，而该技术能够提供更为客观和精确的数据，实时检测胎儿的运动情况，有助于更准确地评估胎儿的健康状况，可以积累大量的孕期健康数据，这些数据对于科学研究、疾病预测和医疗政策制定都具有重要的价值。

1测量原理

胎心信号检测的原理是利用超声多普勒原理检取胎儿的心跳信号，并通过微处理器对信号进行实时处理算法得到胎儿的瞬时心率。

具体过程如下：

设入射超声波的频率为f0,速度为c;入射波与胎心信号速度矢量v 的夹角为θ，反射波的波长为λr；反射波与 v 的夹角为（π－θr ） 。

频率为f0,波速为c的固定探头向胎心发射超声波，而胎心细胞接收信号又以超声波频率 f1与发射频率f0发生第一次频移。

根据多普勒公式得：
f1＝［（c－vcosθi ）／c］f0            （1）

此后，频率为 f1的超声波被胎心细胞反射。这时探头作为接收端静止不动接收到的频率为 f r ，
则，

fr＝［ c／（c＋vcosθr ） ］f1      （2）

由式（1）、式（2）得

fr＝[c/(c+vcosθ)*(c-vcosθ)/c]f0    (3)

当发射端和接收端之间的距离很近即 θ＝ θi＝ θr ＝0时,有

fr ＝(1-2vcosθ/c)f0
则此时发生的频移为:fD＝f0－ fr=2v/c*f0  (5)

从式（5）可以看出超声波的频移 f D 和胎心的运动速度成正比,当胎收缩时,速度v取正fr＜f0；胎心扩张时,速度v取负,fr＞f0；胎心静止时速度v为0,fr＝f0。这样，胎心收缩扩张的过程就可以用接收到的超声波频率变化表示。

单片机集成化

家用的便携式胎心检测设备大多数都依靠的多普勒效应，其目的是把胎儿的心跳信息呈现给使用者，但此仪器却并不能使得大多数人信服，原因就是出现很多报错信息导致引起孕妇焦虑的案例。

通过多次采样调查得知，用胎儿检测仪所得到的胎儿心跳范围是：心率115-155/次范围之间；由于不同周期胎儿的胎心率各不相同，我们采用的范围是妊娠中期至足月，而此阶段的便准范围为心率120-160/次。

此信息仅为使用多普勒原理的胎儿检测仪所得到的结果，但却忽视了孕妇体标的影响。

为此，我们将温度传感器与测量胎心率的加速度传感器集成化，测量数据验证孕妇的体温变化对胎心率是否有影响。

因为准妈妈情绪紧张或者劳累都有可能引起胎心率过快，所以我们测量时排除了因为心理原因发生骤变的数据。

首先，采取孕妇不同体温时胎儿的胎心率，采样次数为5次取平均值。

图2 集成化传感器测量的数据

根据数据得出，在正常体温下，温度虽然能加快胎儿的心跳，但依旧处于正常范围，所以当孕妇体温正常时，胎儿检测仪在正常使用范围内。

但非正常情况下，发热严重或持续时间长:孕妇发热超过39℃或持续时间长时，可能导致孕妇心率加快，胎儿出现缺氧现象，引起胎儿心率加快。

发热轻微或短暂:孕妇发热程度不超过38℃，且症状持续时间短暂，一般不会导致孕妇出现明显的缺氧状态，供给胎儿的氧气相对充足，可胎心率的数据测量却偏离正常值的范围。

可能是因为发烧过热导致孕妇心理出现烦闷心慌的情况，从而导致数据突然偏离，因此导致出现错误信息。

传感器设计

基于 NRF52840 微处理器为核心的加速
度传感器采集胎动信号可穿戴装置，利用双加速度传感器获取孕妇腹壁表面的胎动特征信号，通过微处理器片上集成的无线通信蓝牙协议将数据和识别结果传输到智能手机 APP 端进行可视化观察，实现胎动信号的采集、检测和存储。所设计的可穿戴胎动信号采集和检测系统具有操作灵活方便、穿戴舒适、响应快速等特点。

基于加速度传感器的数据采集技术实现数据的交互，采用ADC系统进行设备与数据的连接，提高系统数据采样模块、算法识别模块和数据上传模块运行的实时性和高效性，深入了解相关高精度算法对胎儿胎动信号预处理以及胎儿胎动信号识别，实时数据采集、处理和分析等功能进行检测胎儿胎动信息。

2.项目成品研究

集中化设计一款检测胎儿胎心和孕妈妈基础生命体征的集成传感器，其功能主要分为对胎儿的检测和对孕妈妈本身的健康监测两个主要部分。

在孕妇方面，我们可以进行心率、体温等生理指标的检测和功能，能够提前预测孕妈妈在户外可能出现的健康风险，帮助孕妇记录历史生理指标数据。

在胎儿方面，我们可以对胎儿进行胎心的测量，通过实时收集和分析胎儿胎心胎动，能够精准评估胎儿的健康状态。通过对胎儿胎心、母体生理参数等数据的采集和历史数据记录功能，以达到提前预测风险、及时咨询就医的目的，提高孕期安全性。

数据处理模块，ADC操作系统采用数据处理较快，收集数据较多的K-均值聚类法进行数据的处理。

App蓝牙连接模块，设计APP，使检测装置与手机蓝牙相连接，以此在手机上显示数据情况

用户使用过程分为以下五个步骤：

第一步：柔性传感器设备与手机软件相连接。

第二步：检测胎儿胎动

第三步：数据收集与处理

第四步：对收集数据进行判断

第五步：状态检测

第六步：通过与检测设备相匹配的软件进行信息发送，具体信息为胎动目前指标、需要注意事项等紧急预警事项。

我们结合国内外研究成果，对家用的的孕妈妈胎压检测设备的关键技术进行了研究与实现，首先是柔性传感器编程指令的实现，做到了对胎儿的基础检测，并使得胎动检测上性能稳定。

胎心胎动检测具体的实现流程是先由电极和柔性压力传感器采集到初始的信号,通过前端信号调理电路完成放大、滤波等处理,再由微控制器内部的ADC模块完成模拟信号到数字信号的转换,转换成数字信号后可以进一步进行数字处理并采用合适的算法提取出数据,最后由蓝牙完成数据的传输。最终搭建一套胎儿胎压的检测设备，总体研究框架如图所示：

图3 研究总体框架图

结语

本文根据超声多普勒的原理进行胎心信号的检测，根据接收到的超声波信号的幅值和频率的变化。提出了单片机进行鉴频和稀疏识别算法进行检擦波动的方式；并进行了胎心检测仪和集成化设备的设计。对于科学研究、疾病预测和医疗政策制定都具有重要的价值，在实际中具有很大的应用价值，具有一定的经济效益。

参考文献：

[1]马瑞亭王辉林陈志敏蔡开云;胎心信号提取及检测仪设计[A]山 东 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版),2010(24)

[2]梁森松;基于智能感知的被动式胎动检测系统研究,广西师范大学，2022(06)