ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОЦЕНКИ СЕРДЕЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПЛОДА С АДАПТИВНЫМ БЛОКОМ ФИЛЬТРАЦИИ ШУМОВ

Газиева Л.Р.¹, Уразбахтина Ю.О.²

¹Магистрант первого года обучения,

Уфимский государственный авиационный технический университет;

²Доцент, кандидат технических наук, декан факультета Авионики, энергетики и инфокоммуникаций,

Уфимский государственный авиационный технический университет

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОЦЕНКИ СЕРДЕЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПЛОДА С АДАПТИВНЫМ БЛОКОМ ФИЛЬТРАЦИИ ШУМОВ

Аннотация

В статье дается краткое описание методов оценки сердцебиения плода. В данной работе предлагается  устройство, с помощью которого можно определять состояние плода путем прослушивания его сердцебиения. Принцип работы устройства основан на эффекте Доплера. Приводится схема структурная системы для оценки сердечной деятельности плода. Подробно описывается принцип действия устройства. Предлагается введение цифрового адаптивного фильтра для устранения помех, вызываемых функционированием органов матери.

Ключевые слова: сердцебиение плода, эффект Доплера, ультразвуковые колебания, частота сердечных сокращений плода.

Gazieva L.R.¹, Urazbaxtina J.О.²

¹Magistr,

Ufa state aviation technical university;

²Associate professor, Candidate of Technical Sciences, dean of faculty of Avionics, power and infokommunication,

Ufa state aviation technical university

INFORMATION AND MEASURING SYSTEM FOR AN ASSESSMENT OF CARDIAC ACTIVITY OF A FETUS WITH THE ADAPTIVE BLOCK OF A FILTRATION OF HUMS

Abstract

The article gives a brief description of the methods for assessing fetal heartbeat. The scheme of structural Doppler device for determining the fetal heart rate with intelligent signal processing unit. Describes in detail the principle of operation of the device. Proposes the introduction of digital adaptive filter to eliminate interference caused by the operation of the mother.

Keywords: heartbeat of a child, Dopler's effect, ultrasonic fluctuations, child heart rate.

Сердцебиение плода — это один из показателей его развития. По частоте и характеру сердцебиения можно определить различные заболевания и отклонения в развитии ребенка, например, аритмия, гипоксия, порок сердца, а также можно установить замершую беременность. Именно поэтому современные врачи, акушеры и гинекологи стараются мониторировать работу сердца плода на протяжении всего хода беременности и, особенно, во время родов.

Для оценки сердцебиения и контроля над всей сердечной деятельностью плода используется различные методы:

• Аускультация
• Эхокардиография
• Электрокардиография плода
• Кардиотокография
• Ультразвуковое исследование
• Фетальный доплер

Нами предлагается устройство, предназначенное для прослушивания сердцебиения и определения ЧСС плода, работа которого основана на эффекте Доплера.

В основу принципа работы разрабатываемого устройства по­ложена способность ультразвуковых колебаний отражаться от границ раздела физических структур, обладающих различным акустическим сопротивлением. При посылке зондирующего импульса ультразвуковых колебаний в исследуемое тело он распространяется в нем прямолинейно со скоростью, зави­сящей от свойств среды. От каждой расположенной на пути импульса границы акустической неоднородности часть уль­тразвуковой энергии отражается, остальная энергия продол­жает распространяться вглубь тела, постепенно затухая из-за поглощения в среде.[1]

На рис.1 приведена структурная схема информационно-измерительной системы для оценки сердечной деятельности плода с адаптивным блоком фильтрации шумов.

Рис. 1 - Структурная схема информационно-измерительной системы для оценки сердечной деятельности плода с адаптивным блоком фильтрации шумов:

1-генератор; 2-блок тестового сигнала; 3-усилитель мощности, 4-согласующее устройство; 5- датчик; 6-излучающая пьезопластина; 7-принимающая пьезопластина; 8-усилитель высоких частот; 9-фильтр полосно-пропускающий; 10 – цифровой адаптивный фильтр; 11-амплитудный детектор; 12- усилитель низких частот; 13-звуковой динамик; 14-коммутатор режима; 15-микроконтроллер;  16-дисплей

Устройство работает следующим образом:

При  включении прибора датчик 5, который состоит из двух пьезопластин 6 и 7, устанавливается на животе беременной женщины.

Датчик представляет собой цилиндрическую трубку, на конце которой размещены две пьезоэлектрические пластины необходимые для получения ультразвуковых импульсов: одна пластина  является излучателем,  вторая – принимающая пластина.

Генератор 1, создает импульсы, которые возбуждают пьезопластину 6. С генератора 1 усиленный в усилителе мощности 3 электрический сигнал через согласующее устройство поступает на пьезопластину 6, в ней электрические сигналы преобразуются в ультразвуковые волны. Ультразвуковые колебания через переднюю брюшную стенку беременной женщины проникают вглубь ее организма. Эти колебания распространяются в организме женщины, отражаясь от различных акустических неоднородностей, в частности от стенок сердца плода.

Отраженный от стенки сердца плода сигнал поступает на приемную пьезопластину 7, в которой акустические сигналы преобразуются в электрические.

Далее сигнал поступает на усилитель высоких частот (УВЧ) 8. Для того чтобы выделить сигнал, соответствующий сердцебиению плода используется фильтр полосно-пропускающий 9.

С помощью амплитудного детектора (АД) 11, выделяются максимальные пики сигнала, соответствующие сердцебиению плода. С АД сигнал поступает на усилитель низких частот (УНЧ) 12 для усиления частоты сигнала до диапазона, которая воспринимается человеческим ухом.

Усиленный сигнал поступает на звуковой динамик 13, с помощью которого можно прослушать сердцебиение плода.

Также сигнал с УНЧ через коммутатор режима поступает на вход микроконтроллера 15, в котором с помощью встроенного таймера происходит подсчет прямоугольных импульсов, соответствующих сердцебиению. Подсчитанное число импульсов выводится на дисплей 16, на котором отображается информация о ЧСС в ударах в минуту.

Точность результата у разрабатываемого устройства, главным образом, будет зависеть от точности подсчета частоты микроконтроллером. В разрабатываемом устройстве предусмотрена функция тестирования, которая позволяет проверить правильность работы устройства.

Для ее реализации используется тестовый сигнал:

Сигнал с генератора поступает на блок тестового сигнала 2. Далее сигнал через коммутатор режима 14 поступает на вход микроконтроллера 15, в котором аналогично расчетам ЧСС производится расчет частоты тестового сигнала.

Для устранения помех, созданных функционированием органов матери в схему введен адаптивный цифровой фильтр 10.

Рис. 2 - Спектр сигнала сердцебиения плода

На рис.2 изображен спектр сигнала сердцебиения плода, который получают без обработки в цифровом адаптивном фильтре. Спектр такого сигнала несет в себе информацию о частоте сердцебиения матери и плода, о кровотоке в венах и артериях,  информацию о функционировании органов матери и плода, а также различные сетевые помехи и шумы, которые могут быть оценены как полезный сигнал. Все помехи являются независимыми случайными процессами, которые не всегда можно устранить с помощью полосовых фильтров. Поэтому в устройство введен цифровой адаптивный фильтр Винера, который дает возможность получить оптимальную фильтрацию, принимая во внимание статистические характеристики сигнала и шума. [2]

Рис. 3 - Спектр сигнала сердцебиения плода после обработки цифровым адаптивным фильтром

На рис.3 показан спектр сигнала сердцебиения плода, отфильтрованного с помощью цифрового адаптивного фильтра (например, фильтр Винера). С помощью такой системы фильтров можно исключить все возможные помехи и шумы из полезного сигнала.

Заключение

Диагностическая аппаратура, предназначенная для регистрации параметров жизнедеятельности плода, находит применение в основном в условиях лечебно-профилактических учреждений. Поэтому весьма актуальным является проведение работ в области проектирования портативных фетальных доплеров – аппаратов самостоятельного наблюдения за сердцебиением плода, что позволит будущей маме самостоятельно отслеживать состояние ребенка, начиная с двенадцатой недели беременности в комфортных условиях дома.

Отличительной особенностью разрабатываемого устройства от аналогов является наличие фильтра, что позволяет уменьшить влияние помех на полезный сигнал. Микроконтроллер обеспечивает точный расчет ЧСС. Наличие блока тестового сигнала позволяет проверить правильность работы устройства. Наличие в системе фильтра Винера позволяет устранить шумы и помехи, создаваемые сердцебиением матери и функционированием различных органов матери и плода.

Литература

1. Попечителев Е.П. и др. Медицинские приборы, аппараты, системы и комплексы [Текст]: Учебник / Н.А. Корнелевский, Е.П. Попечителев, С.П. Серегин; Курск.гос.техн.ун-т. – Курск: ОАО «ИПП «Курск», 2009. – 986с.(физические основы ультразвука)
2. Рангайян Р.М. Анализ биомедицинских сигналов. Практический подход./ Пер.с англ. под ред. А.П. Немирко. – М.:ФИЗМАТЛИТ, 2007. – 440 с. (Фильтрация для устранения артефактов)

References

1. Popechitelev EP et al. Medical devices, machines, systems and complexes [Text]: Tutorial / NA Kornelevsky, EP Trustees, SP Seregin; Kursk.gos.tehn.un-t. - Kursk: "IPP" Kursk ", 2009. - 986s. (Physical principles of ultrasound)
2. Rangayyan RM Analysis of biomedical signals. A Practical Approach. / Per.s Eng. Ed. AP Nemirko. - M.: FIZMATLIT, 2007. - 440 p. (Filtering to eliminate artifacts)