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1. 可穿戴式系統設計 期末報告
指導教授: 鍾明桉 教授
電子工程所 學生: 賴紀廷
學號: 111368544
2023/01/06

2. A Wearable Device for Evaluation of
Relative Position, Force, and Duration of
Fetal Movement for Pregnant Woman Care
• 用於評估孕婦護理中胎動相對位置、力量和持續時間的可穿戴設備
Yi-Chun Du , Lim Bee Yen, Pao-Lin Kuo, and Pei-Yin Tsai

3. 【摘要】：
• 胎動(Fetal movement,FM)是臨床觀察胎兒活動(如胎動的位置、持續時間、相
對力度等)的重要指標之一,隨著孕產婦家庭監護需求的日益增長,可穿戴式產
檢設備應運而生。
• 長期監測胎動越來越受到重視。
• 本研究將多點傳感慣性測量單元(IMU)與創新的實時分類方法相結合，以構
建用於長期監測胎兒運動的設備，包括相對位置、力量和持續時間的評估。
• 為了驗證該裝置的靈敏度和臨床可行性，本研究對13名孕婦進行了體模模擬
試驗和臨床試驗。體模測試結果表明，該裝置對12個胎動位置的識別準確率
較（>90.3%），相對力相關性較高（R2>0.98），胎動時長誤差較低
（<10%）。
• 臨床測試結果表明，該方法檢測到的胎動數量與孕婦的自我認知相吻合，問
卷調查結果表明孕婦對該裝置的接受度較高。

4. Outline
• I. INTRODUCTION
• II. METHODS
A. 系統架構
B. 可穿戴設備設計
C. 數據收集
D. 能源評估
E. 特徵提取
1) 胎動持續時間計算:
2) 胎動相對力計算:
3)胎動位置評估
F. 設計胎動仿真系統
1)孕婦腹部結構設計:
2)模擬胎動 Stewart Platform:
• III. EXPERIMENT DESIGN AND RESULT
A. Phantom Design-胎動刺激系統
B. 胎動測試位置
C. 胎動測試期間
D. 多點慣性測量單元感應數值
E. Clinical Trial
• IV. DISCUSSION
• V. CONCLUSION

5. I. INTRODUCTION
慣性測量單元 (IMU) 是一種感測器，它可以檢測和計算物體的旋
轉和運動。
慣性測量單元 通常包括加速度計、陀螺儀和磁力計。加速度計測
量物體的加速度，陀螺儀測量角速度，磁力計測量磁場強度。這
些感測器的輸出可以用來計算物體的位置、速度和方向。
因此，本研究提出了一種利用多通道傳感計算分析基礎的多點慣
性測量單元傳感方法，可以廣泛準確地測量來自孕婦腹部的胎動
信號，並可以得到相對胎動位置、力和時間參數
該方法被集成到可穿戴設備的架構中，並通過人體模型和臨床測
試驗證了準確性和可行性。

6. II. METHODS
A.系統結構
本研究提出的胎動測量
方法採用多點慣性測量
單元檢測孕婦腹部的胎
動信號。
通過能量評估即時檢測
到胎動信號，並提取信
號間隔作為分析的基
礎。
慣性測量單元接收到的
所有信號都經過內部集
成電路 (I2C)，硬件濾
波器濾除 60 Hz 噪聲，
並將數據發送到
MCU。
來自各個通道的信號通
過卡爾曼濾波器進行降
噪處理，然後根據能量
評估產生的信號間隔計
算出
胎動的位置、
持續時間和
相對力（RF）。

7. II. METHODS
B.可穿戴設備設計
MPU6050

8. II. METHODS
C.數據採集
由於胎兒在孕婦腹中運動不快且不易改變位置，本研究重點關注
每秒運動次數小於 2 次（2 Hz）的 胎動。
本研究中每個慣性測量單元的信號採樣率為 10 Hz。
相關數據可以採集到設備內部的SD卡中，通過有線傳輸發送到
PC進行分析，胎動信息通過二維成像顯示在用戶界面上。
然而，陀螺儀的信號在積分運算中經常會產生信號誤差，從而導
致信號漂移現象。
本研究採用卡爾曼濾波器校正積分引起的累積誤差，減少測量過
程中的噪聲干擾，從而提高後續胎動分析的精度。

9. II. METHODS
D.能源評估

10. II. METHODS
E.特徵提取
1) 胎動持續時間計算:
該設備根據預設的閾值判斷胎動的持續時間。
在實驗中，最大角偏轉的能量取為Emax。當胎動能量幅值大於Emax×0.4時，從該點向
前10秒內找到最小值，定義該點為初始時間點ts。
之後，繼續向後搜索；
當胎動能量幅值小於Emax×0.2時，從該點向後10秒內求最小值，定義該點為結束時間
點te。
起點和終點之間的時間間隔被確定為胎動持續時間，表示為Eq。 (2):
其中 ts 是持續時間確定的起點，te 是持續時間確定的終點，FMd 是胎動的持續時間。
然後，利用胎動的出現時間間隔來提取胎動分析區間作為胎動位置分析的標準。

11. • 為了獲得一個相對的胎動幅度，讓臨床工作人員
了解孕婦一系列胎動之間胎動幅度的變化程度，
必須定義相對力量參數。
• 相對力量參數主要來自各慣性測量單元計算的區
間E胎動總能量。(後面實驗結果定義)
• 將數值歸一化，將最大偏離角的計算值（暫定為
±40°）作為Emax，使相對力量歸一化在0和1之間。
如果由於噪聲干擾，E胎動大於Emax 或其他因素，
該值設置為 1。
• 如果這種情況持續時間超過預設的時間限制，系
統將發出警報以警告用戶。
II. METHODS
E.特徵提取
2)胎動相對力計算:

12. II. METHODS
E.特徵提取
3) 胎動位置評估
位置評估和信號
分割示例，10-
15s，20-25s、
30-35s、40-45s
為胎動模擬的時
間間隔。
紅色的虛線表示
胎動的評估期。

13. II. METHODS
F.設計胎動仿真系統
1)孕婦腹部結構設計:
最外層（A）以人造皮膚為材料
腹部表面
中間層 (B) 使用模擬孕婦子宮的
人造矽膠球體。
最大的子宮內徑設定為（C）37
cm。
在子宮內設計了一個 (D) 胎動生
成機制，包括一個 (E) 電動推
桿。
因此可以模擬胎動位置和信號
（例如，不同的力強度、不同的
發生位置和不同的持續時間）。
模擬28-40週不同大小的孕婦腹
部。

14. II. METHODS
F.設計胎動仿真系統
2)模擬胎動 Stewart Platform(1/2)

15. II. METHODS
F.設計胎動仿真系統
2)模擬胎動 Stewart Platform(2)
該平台有六個自由度，包括 ϕ（滾動）、θ
（俯仰）和 ψ（偏航）歐拉角，以及 x
（波動）、y（搖擺）和 z（起伏）平移運
動。
六個自由度可以在平台上排列組合產生不
同的運動類型，利用自主設計的樞軸結構
製作出全長85毫米，可延長40毫米的電動
推桿。電動推桿的長度可以通過伺服電機
調節模擬不同的胎動信號幅度。
該胎動仿真係統可以通過控制界面（例
如，不同的力強度、位置和持續時間）。

16. III. EXPERIMENT DESIGN AND RESULT
A. Phantom Design-FM Simulation System(1/2)

17. III. EXPERIMENT DESIGN AND RESULT
A. Phantom Design-FM Simulation System(2/2)
旋轉半徑來定
義相對但不能
超過1

18. III.胎動測試位置
B.胎動測試位置(1/2)

19. III. EXPERIMENT DESIGN AND RESULT
B.胎動測試位置(2/2)
根據圖9測試模擬相對作用力
準確率

20. III. EXPERIMENT DESIGN AND RESULT
C.胎動測試期間
胎動持續時間針對 12 個胎動區域進行了測試。
電動推桿連續輸出6mm、7mm、8mm的位移，設置了三種不同的時長（5秒、10秒、
15秒）。
單次測試定義為從 P1 到 P12 的胎動區域代表一個週期，每個測試進行10次。
之後，將設備計算的持續時間與系統設置進行比較。
測試結果表明，該裝置可以在不同的持續時間進行準確的估計。
5秒時長測試中，P1到P12的平均值為4.82±0.28秒，誤差為3.7%。
在10秒時長測試中，平均值為9.36±0.23秒，誤差為6.1%。
在15秒時長測試中，平均值為14.01±0.18秒，誤差為7.1%。

21. III. EXPERIMENT DESIGN AND RESULT
D.多點慣性測量單元感應數值

22. III. EXPERIMENT DESIGN AND RESULT
E. Clinical Trial
13 voluntary subjects
28 weeks of pregnancy, aged
24 to 37 years
左圖為媽媽覺得胎動位置時間
跟儀器做對比

23. VI. DISCUSSION
在體模設計的改進中發現，每個孕婦腹部脂肪的厚
度都不一樣，這些變化可能會呈現出不同的胎動情
況。
為了使胎動模擬系統更符合臨床情況，未來可以改
變模擬腹部的厚度來設計不同規格的胎動模擬系
統，從而更貼近實際情況。
另一方面，隨著胎兒在羊水中的移動，空氣中的推
力可能會產生誤差，這個變量可以在未來的體模設
計中考慮。

24. V. CONCLUSION
本文提出了一種測量胎動的方法，並設計了一種可長期在家測量的可穿戴設備，以有效獲
取胎動的位置、持續時間和相對力。
通過自製的胎動仿真系統驗證了該裝置的可行性。
測試結果證明該裝置在區分胎動位置、胎動持續時間精度和相對胎動力方面具有良好的性
能。
本研究中提出的胎動仿真係統可以作為未來研究的參考。在臨床試驗中，該裝置的結果與
孕婦的主觀意識高度相關。
除了作為未來臨床試驗的參考，收集到的胎動加速度數據還可用於幫助建立初始數據庫，
用於對傳感器記錄的胎兒行為進行特定醫學分析。
本研究結果有助於更客觀地掌握孕婦胎動狀況，為更多孕婦提供在家進行自我監測的能
力。
例如，當孕婦整夜睡覺時，她們可以長時間測量和分析信號，相關的胎動參數可能是未來
精準醫學的基礎。
此外，相關的 AI 方法可能會應用於提高該設備的特異性，並將胎動感測器與MCU分開
來，以用於未來的設備開發。