基于光纤传感的胎心监护托腹带
阅读说明：本技术 基于光纤传感的胎心监护托腹带 (Fetal heart monitoring and supporting abdominal belt based on optical fiber sensing ) 是由 李政颖 赵涛 詹婧 陈可为 于 2021-08-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于光纤传感的胎心监护托腹带,它的每个预弯曲的光纤传感单元均固定于对应的振动敏感膜上,每个预弯曲的光纤传感单元与对应的振动敏感膜内嵌于托腹带本体的织物中；光源用于向每个预弯曲的光纤传感单元发送激光,光信号接收组件用于接收经过各个预弯曲的光纤传感单元时被振动信号调制的激光信号,并将被振动信号调制的激光信号转换为对应的多路带有生理特征信息的电信号；信号处理与分析模块用于分离出胎儿心跳信息。本发明通过基于光纤高灵敏度振动传感技术感知由胎儿心跳、胎动引起的振动信号,通过多路信号的处理分析实现连续实时监测胎儿健康状态。(The invention discloses a fetal heart monitoring abdominal supporting belt based on optical fiber sensing, wherein each pre-bent optical fiber sensing unit is fixed on a corresponding vibration sensitive membrane, and each pre-bent optical fiber sensing unit and the corresponding vibration sensitive membrane are embedded in a fabric of an abdominal supporting belt body; the optical signal receiving assembly is used for receiving laser signals modulated by vibration signals when passing through the pre-bent optical fiber sensing units and converting the laser signals modulated by the vibration signals into corresponding multi-channel electric signals with physiological characteristic information; the signal processing and analyzing module is used for separating fetal heartbeat information. The invention senses the vibration signals caused by the heartbeat and fetal movement of the fetus by the optical fiber-based high-sensitivity vibration sensing technology, and realizes continuous real-time monitoring of the health state of the fetus by processing and analyzing multiple paths of signals.)
技术领域
本发明涉及胎心监护技术领域，具体地指一种基于光纤传感的胎心监护托腹带。
背景技术
在胎儿产前健康诊断中，胎心监护是胎儿健康监测的重要手段。通常围产期胎心监护要求孕妇到医院接受监护，这种传统的监护方式一方面受限于“时间”的限制，孕妇只能在规定的时间内接受监护，但定时监护只能反映孕妇接受监护时胎儿的情况，不能做到按需或逐日连续监护，因此会遗漏一些宫内窘迫引起的急性缺氧或健康异常情况；另一方面受限于“空间”的限制，需要孕妇到医院定点进行接受监护，不能够做到随时随地根据需求进行动态连续监护，难以及时或在早期发现胎儿的健康异常情况。因此，传统的胎心监护方式已经很难满足广大孕妇的对于胎儿健康日常监测的期望和要求。
当前家用智能胎心仪通过胎心音检测方便了孕妇对胎儿健康状况的监测。然而，此类仪器需要手动操作，只能单次测量，无法实现长时间连续监测；同时，其测量对象为胎心音，只能听诊短时心率，无法长时间监测胎儿心率变化，无法确定胎儿是否缺氧，无法监测胎动，无法实现胎儿健康状况监测功能。因此，需求一种可连续同时监测胎儿胎心、胎动等功能的家用设备，结合当前的物联网技术，实现远程胎儿健康状况评估。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种基于光纤传感的胎心监护托腹带。本发明通过基于光纤高灵敏度振动传感技术感知由胎儿心跳、胎动引起的振动信号，通过多路信号的处理分析实现连续实时监测胎儿健康状态。
为实现此目的，本发明所设计的一种基于光纤传感的胎心监护托腹带，它包括托腹带本体、光纤传感阵列、光源、光信号接收组件、信号处理与分析模块，其中，光纤传感阵列包括多个预弯曲的光纤传感单元，每个预弯曲的光纤传感单元均固定于对应的振动敏感膜上，每个预弯曲的光纤传感单元与对应的振动敏感膜内嵌于托腹带本体的织物中；
光源用于向每个预弯曲的光纤传感单元发送激光，光信号接收组件用于接收经过各个预弯曲的光纤传感单元时被振动信号调制的激光信号，并将被振动信号调制的激光信号转换为对应的多路带有生理特征信息的电信号；
信号处理与分析模块用于将多路带有生理特征信息的电信号进行预处理，得到对应的多路包含孕妇和胎儿心跳的混合信号，信号处理与分析模块采用快速独立成分分析算法分别对多路包含孕妇和胎儿心跳的混合信号进行独立成分分析，从多路包含孕妇和胎儿心跳的混合信号中分离出胎儿心跳信息。
本发明的工作原理为：
胎儿的心跳和胎动可以以机械振动的方式表征在孕妇腹部。因此，通过测量孕妇腹部的振动信号可以得到胎儿的心跳与胎动。然而，孕妇的呼吸与心跳振动信息也会以振动的方式在腹部表现出来，这样腹部测量的振动信号就是包含了母婴生命体征信号的混合信号，很难分离。同时，由于孕中期后的胎儿会在腹中改变体位，这就无法在腹部特定位置一直都能监测到高质量的胎心信号。因此，本发明通过围绕胎儿的大概位置布设多个高敏感度振动传感器，既有利于筛选监测信号质量高的传感信号进行分析，也有利于采用独立成分分析的方法将母婴的生命体征信号进行有效分离。
本发明的有益效果：
1、本发明通过检测微弱振动的方法监测胎心，无需接触皮肤，被动式监测，体验感好；
2、本发明采用光纤传感器，传感器本质柔性，不带电，可方便灵活地嵌入到托腹带本体中，增加了使用便利性；
3、本发明光纤传感器安全环保无辐射，可长期监测胎心胎动，不影响胎儿发育。
4、本发明采用分布不同位置的多个独立传感器同时检测，可有效分离母婴生命体征信号，可靠性高；
5、本发明不仅能实时监测胎心胎动，还可根据不同位置传感器信号强度与质量，判断胎儿的体位，从而记录胎儿的活动情况；
6、本发明传感装置结构简单，易于制作，适合工业化生产；
本发明具有结构简单，易于实现，制造成本低，运行可靠，灵敏度高，实时检测等优点，可应用于日常胎心监护场景。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明的原理框图；
图3为本发明中预弯曲的光纤传感单元的结构示意图；
图4为本发明中信号处理与分析过程的流程图。
其中，1—托腹带本体、1.1—侧边带、1.2—侧边带末端、2—光纤传感阵列、2.1—预弯曲的光纤传感单元、2.2—硬质压线、2.3—振动敏感膜、3—光源、4—光信号接收组件、5—信号处理与分析模块。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1～4所示基于光纤传感的胎心监护托腹带，如图1～3所示，它包括托腹带本体1、光纤传感阵列2、光源3、光信号接收组件4、信号处理与分析模块5，其中，光纤传感阵列2包括多个预弯曲的光纤传感单元2.1(本实施例采用6个光纤传感单元)，每个预弯曲的光纤传感单元2.1均固定于对应的振动敏感膜2.3上，每个预弯曲的光纤传感单元2.1与对应的振动敏感膜2.3内嵌于托腹带本体1的织物中，托腹带本体1用于托起孕妇腹部，帮助孕妇保持正确姿态，多个预弯曲的光纤传感单元2.1分别布设于腹部两侧，感知腹部不同部位的振动信号，预弯曲的光纤传感单元2.1和振动敏感膜2.3均为柔性且环保无辐射的材料，两种材料可与托腹带本体有机融合，可用于监测胎儿生理活动引起的微弱振动；
光源3用于向每个预弯曲的光纤传感单元2.1发送激光(优选波长为1550nm的激光)，光信号接收组件4用于接收经过各个预弯曲的光纤传感单元2.1时被振动信号调制的激光信号(弯曲的光纤因弯曲而导致部分光功率泄露，当遇到振动时，弯曲部分会随着振动信号改变光纤的弯曲形状，进而影响光纤中光泄露的强度，即弯曲光纤中传输的光信号强度被振动信号调制)，并将被振动信号调制的激光信号转换为对应的多路带有生理特征信息的电信号(由于孕妇呼吸、脉搏和胎儿的心跳活动等生理活动以振动的方式在孕妇的腹部区域表现出来，从该处信号强度来说，孕妇呼吸信号最强，胎儿心跳次之，孕妇脉搏信号相对较弱，因此，将光纤振动传感单元贴附与孕妇腹部，能有效感知孕妇与胎儿的生理活动引起的振动信号，即传感信号中包含了母婴的生理特征信号)；
信号处理与分析模块5用于将多路带有生理特征信息的电信号进行预处理，得到对应的多路包含孕妇和胎儿心跳的混合信号，由于采集信号的传感器数量大于信号源(孕妇与胎儿的心跳或脉搏)数量，信号处理与分析模块5分别对多路包含孕妇和胎儿心跳的混合信号利用快速独立成分分析算法(FastICA)进行独立成分分析，对多路混合信号去均值并球化预处理，而后进行白化处理得到各分量不相关的新的混合信号，选择并优化初始分离矩阵，计算收敛性得到分离矩阵，从而很容易从多路包含孕妇和胎儿心跳的混合信号中分离出胎儿心跳信息，继而得到胎儿的瞬时心率和平均心率。
上述技术方案中，托腹带本体1中的多个预弯曲的光纤传感单元2.1用于布设于腹部，感知腹部不同部位的振动信号。
上述技术方案中，所述预弯曲的光纤传感单元2.1由光纤上压置硬质压线2.2构成，预弯曲能有效提高光纤传感单元敏感性。
上述技术方案中，所述振动敏感膜2.3为厚度0.1～0.3mm的PVC材料，硬质压线2.2为直径0.5～1.5mm的塑料光纤。光纤传感单元可采用光纤光栅传感器或干涉型光纤传感器。预弯曲的光纤传感单元和振动敏感膜2.3都是柔性的且环保无辐射，两种材料可与托腹带本体有机融合，可用于监测胎儿生理活动引起的微弱振动。
上述技术方案中，信号处理与分析模块5用于将多路带有生理特征信息的电信号进行分段滑窗处理，对窗口内带有生理特征信息的电信号进行能量计算，并根据能量计算的结果判断是否为胎动信息(胎动信号的幅度远大于正常的胎儿心跳信号，通过信号能量的判断区分信号中是否包含胎动)，是胎动信息，则标记胎动后返回滑动数据窗口；非胎动信息则进行贝塞尔滤波的方法去除基线噪声，消除由孕妇呼吸及其他生理运动引起的低频噪声，实现预处理。
上述技术方案中，信号处理与分析模块5用于分别对多路包含孕妇和胎儿心跳的混合信号进行独立成分分析，得到胎儿的瞬时心率和平均心率的具体过程为：
胎儿心跳信息进行自相关计算，采用峰值检测的办法，得到相邻两个胎儿心跳之间的时间间隔，即可计算出胎儿的瞬时心率和平均心率。
上述技术方案中，信号处理与分析模块5用于对每路包含孕妇和胎儿心跳的混合信号利用自相关运算进行基于振动信号强度的信号质量分析，并得到对应的各路混合信号的信号质量评分，将各路混合信号的信号质量评分分别与预设阈值进行比较，达到预设阈值的信号质量评分所对应的混合信号保留，并进行后续的胎儿体位判断(胎儿心脏越靠近传感器，其感知的振动信号就越强，采集的信号质量就越高)，没有达到预设阈值的信号质量评分所对应的混合信号删除；
上述技术方案中，信号处理与分析模块5用于对每路包含孕妇和胎儿心跳的混合信号利用自相关运算进行基于振动信号强度的信号质量分析，并得到对应的各路混合信号的信号质量评分，利用各路混合信号的信号质量评分结果和各个预弯曲的光纤传感单元2.1的分布位置判断胎儿的体位。
上述技术方案中，混合的心跳信号具有很强的周期性，通过信号的自相关运算可以判别出信号中的周期性质量。传感单元感知的振动信号越强，周期性越清晰，信号质量越好，反之，信号质量就越差；
上述技术方案中，所述托腹带本体1的侧边带1.1为松紧带结构，使光纤传感阵列2能紧贴孕妇腹部，并托起腹部；托腹带本体1的侧边带末端1.2采用魔术贴设计，便于固定。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
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