综述 | 从穿戴传感器看胎心监护的未来

文章来源：中国妇产科临床杂志 2024 年 5 月 第 25 卷 第 3 期

胎儿及新生儿的死亡率是衡量一个国家经济、文化及医疗等发展水平的重要依据，胎儿宫内窘迫是造成新生儿死亡的重要原因。胎心监护是通过监测胎心率动态变化评估妊娠及分娩期胎儿宫内状况的一种方式，狭义的胎儿监护（fetal monitoring）多指胎心电子监护（electronic fetal monitoring, EFM）或胎心宫缩监护（cardiotocography, CTG）。

正确解读胎心监护图可及时发现胎儿宫内窘迫，减少新生儿缺氧、惊厥和酸中毒、脑性瘫痪，因此对于指导产科临床工作以及改善围产结局具有重要意义[1]。目前多数传统的胎心监护方式需要在医院进行，且对于孕妇体位有一定限制，而穿戴式胎心监护仪作为一种新型的胎心监测手段，可以实现长时间、连续的监测，为胎儿健康提供更加全面的保障。本文就穿戴式传感器在胎心监护中的应用及其未来发展趋势进行论述。

一、胎心监护的现状

1. 传统胎心监护的工作原理及应用：胎儿心率受交感神经和副交感神经调节，通过采集瞬间的胎心变化信号，分析胎动、宫缩前后胎心率的变化关系推测胎儿是否存在缺氧。早在 18 世纪，产科医生采用间断听取胎心率的方式来了解胎儿的宫内状况，自此胎心听诊逐渐成为胎儿监护的常规方法。20 世纪 60 年代，美国人发明了超声多普勒法来探查胎儿心脏搏动，进而发明了基于超声多普勒技术的胎心监护仪，其主要的工作原理是采集胎儿心脏跳动时反射回来的超声波信号，根据多普勒效应计算出胎心率，描记为胎心曲线图形，并模拟出胎心跳动的声音。经过半个多世纪的临床应用，超声多普勒胎心监护仪已发展成为全球所有医院产科标配设备。

主要分为外监护和内监护。内监护是胎儿头皮放置电极并连接检测仪实现胎儿心率信息的采集和传输。外监护属无创监护手段，也是目前最为常见的，主要由床边机、胎心率探头和宫腔压力探头（toco dynamometer, TOCO）构成。部分外监护设备可以连接到中央工作站，将原始数据传输到中央工作站进行保存和分析。设备的胎心率探头是基于超声多普勒技术；TOCO 探头是压力感受器，用于探测宫腔压力或腹腔内压力的变化，计算出宫腔压力或腹腔内压力的相对值。将胎心率、宫腔压力、母体心率共同描记于同一图上，通过分析胎心基线和变异情况，结合随宫缩的减速、加速情况客观评估胎儿宫内状态。它可以准确记录胎心率，形成完整胎心曲线图形供医生分析和判断，且信号采集不受外界环境干扰。美国妇产科医师协会建议，胎儿监护启动时机应在妊娠 32~34 周；对于高危孕妇，胎儿监护开始时间应适当提前。根据孕妇是否存在高危因素及胎心监护结果，实施的频率一般为每周 1~2 次。若孕妇存在肝内胆汁淤积症、过期妊娠、子痫前期、死胎史等高危因素，监护频率每周应至少 2 次，根据产前、产时的高危因素，对高危孕妇实行产时持续监护[1]。孕产期的胎心监护可以帮忙医护人员判断胎盘功能；在分娩过程中，医护人员通过监测胎心率和宫缩的变化，可以判断胎儿的耐受潜力和宫缩情况，从而决定是否需要采取手术助产或剖宫产等干预措施；同时，胎心监护还可以为孕妇提供心理上的安慰和支持，减少孕期焦虑与担忧。

2. 传统胎心监护仪的局限性：当采用超声多普勒仪监测胎心时，需要先在母体腹部涂抹耦合剂，超声探头须尽可能对准胎儿心脏，并不断移动探头，直到找到最佳监测部位后使用弹力绑带将其固定在腹壁。虽然超声设备不良生物学效应的证据不足，但临床工作中均强调尽量减少超声波的暴露[2-3]，因此，使用基于超声多普勒技术的胎心监护设备时，应尽量在院内由经过专业系统培训的医护人员操作和管理。另外，数据采集的精度受到孕妇体型、子宫收缩和胎儿活动等因素的影响，容易出现假阳性；内部胎心监护虽然数据精度较高，但需在胎膜破裂后方可使用，有增加胎儿和母体的感染和出血等风险，属有创监护手段，临床应用受限。上述传统的胎心监护方法目前多数只能在医院内进行，时间一般为 30 分钟到 1 小时，即便目前可实现无线数据传输，但临床应用时需依赖网络信号畅通，对探头和主机的距离有一定的要求，无法实现连续和孕妇自由体位下的监测。

二、穿戴式传感器的发展

穿戴传感器是一种集成分析设备，将即时系统的特点与自主操作单元中的移动连接性相结合，通过无创或微创方式捕捉人体的各种信号并转化为可识别的电信号，从而感知微小的生理变化。其基本构建模块包括基板和电极材料、传感单元（用于接口、采样、生物识别、信号传导和放大的元件）、决策单元（用于数据收集、处理和传输的组件）和动力单元[4]。穿戴式传感器的类型和工作原理因不同的监测对象和监测参数而异。常见的穿戴式传感器包括：压力式传感器：将特定力学信号按一定规律转换成电信号监测心率[5]；光学式传感器：通过红外线或激光等光学信号监测心率；加速度式传感器：通过监测加速度变化来间接监测心率；电极式传感器：通过电极与皮肤接触来监测心电信号；声学式传感器：通过声音信号监测心率[6]。

穿戴传感器最早可追溯到 20 世纪 60 年代，首款穿戴传感器是用于心脏监测的 Holter 监护仪。第一代穿戴器件主要依托于手表、鞋子或耳机，侧重于通过跟踪人体活动、心率或体温，实现生物物理监测[7-9]。随着微纳电子学和材料科学的逐渐发展，第二代产品逐渐转向无创或微创生化多模式监测方向，通过生物识别元件将收集的生物流体分析物转化为可检测信号，皮肤贴片、纹身、牙齿贴片、隐形眼镜、织物等以及更具侵入性的微针和注射形式的新型器件应运而生[10-12]，由此穿戴传感器也真正迈向了个性化健康护理领域，应用于健康监测、慢病治疗、康复护理领域。从产品性质来看，穿戴传感器主要分为消费级和医用级。其中，消费级穿戴传感器主要针对普通健身爱好者，通过监测运动量、心率、呼吸睡眠、热量消耗、体脂测量等健康指标实现自我健康管理；医用级穿戴传感器主要面向各类疾病人群：对特定人群进行体温、血压、血糖、氧合、心电等体征数据进行实时监测[13]，另外对一些慢性病患者人群进行指导管理、干预治疗等。

三、穿戴式传感器在胎心监护中的应用

随着临床需求的不断增加与相关技术的进展，20 世纪 80 年代，出现了穿戴式胎心监护仪，将传感器集成到孕妇的衣物或佩戴设备中，通过贴附于孕妇腹部的穿戴式监测传感器，动态捕获母胎心电信号和子宫肌电信号，经计算机实时处理后描记形成胎心监护图形，实现对胎儿心率的长时间、连续性监测[1]。从传统多普勒超声胎心监护到穿戴式胎心监护是医学技术的进步，也是人性化服务的体现，与前者相比，穿戴式胎心监护仪的优势体现在：① 穿戴式传感器可以实现长时间、连续的监测，不受孕妇 BMI、体位、活动等因素影响，患者接受程度高，监测时间得以显著延长，为胎儿健康提供更加全面的保障；② 穿戴式传感器提高了数据精准性，可以避免胎儿心率和母体心率的混淆，有效解决胎心率断线、加倍、减半的问题，适合高危妊娠和胎心监护图形异常孕妇进行长时间连续监护[14-15]。实时分析和处理方式提高临床诊断的准确性，减少假阳性，减少因误判而导致过多的人为干预措施；③ 便携性：穿戴式传感器体积小、重量轻，便于携带和使用，支持远程监护功能，可以将数据传输到云端或医疗机构，以便医护人员进行远程监测和诊断[16-18]，应用场景也从传统的医院和产房延伸到家庭。

尽管穿戴式传感器在胎心监护上的应用已经取得了很大的进展，但仍然存在一些不能忽视的局限性[14-15]：① 目前所研发的穿戴式胎心监护仪通常只能监测到胎儿的心率情况，无法提供其他生理参数的监测，如宫缩、胎动、胎儿呼吸等；② 由于穿戴式胎心监护仪需要贴附在孕妇腹部，会受到外部因素如衣物摩擦等干扰，还可能会受到来自其他电子设备的信号干扰，导致监测信号不稳定或失真；③ 穿戴式传感器需要贴附到孕妇的皮肤上，对于皮肤敏感孕妇可能会带来不适感；④ 穿戴式胎心监护仪会产生大量的监测数据，如何有效地处理和分析这些数据，提取有用的信息，仍然是一个挑战；⑤ 现有的穿戴式传感器需要电池供电，因此需要经常更换电池或充电。

四、穿戴式胎心监护仪的展望

国家《“十四五”医疗装备产业发展规划》指明，对于穿戴设备用柔性心电图 / 脑电图 / 肌电图 / 血糖及压力传感器作为攻关核心元器件，强化医工协同，推进技术创新、产品创新和服务模式创新，推动医疗装备产业高质量发展，为人民群众生命安全和身体健康提供有力保障。目前穿戴式传感器在胎心监护中的应用面临一些挑战，但随着技术的持续创新和应用场景的不断扩大，这些问题将逐渐得到解决。未来的穿戴式胎心监护仪必将会有更多的发展可能[19-22]：

1. 多参数监测：未来的胎心监护设备可能会集成更多的传感器和功能，不仅可以监测胎儿的心率，还可能会实现对多个生理参数的监测，如胎儿呼吸、体温、体位、母体心率监测、血氧饱和度监测等多种指标，为胎儿健康提供更加全面的保障。

2. 智能化、个体化策略：未来的穿戴式传感器可能会采用人工智能和机器学习等技术，实现对监测数据的自动分析和处理，提高监测精度和效率，能够自动识别异常情况，提供准确的监测结果和预警提示。通过结合孕妇的个体特征、病史以及其他相关因素，胎心监护系统可以提供针对性的监护策略。

3. 优化信号传输和加密：未来的穿戴式传感器采用无线传输技术，实现监测数据的实时传输和远程监控，医生和家属可以通过云端随时查看和监测胎儿的状态。达到实时、远程监护目的。同时提供优化加密技术和网络安全技术保障患者隐私。穿戴式传感器在胎心监护中实现长时间、连续的监测，为胎儿健康提供更加全面的保障，同时也面临着信号干扰、精度问题、佩戴舒适度、数据处理和安全等挑战。相信随着科学研究的不断深入与技术水平的不断升级，未来的穿戴式胎心监护仪必将朝着更加智能化、便携化、精准化的方向发展，从而为孕妇和胎儿提供更加全面、准确、个性化的监护服务。

参考文献略

文章来源：中国妇产科临床杂志 2024 年 5 月 第 25 卷 第 3 期