基于多标准的胎儿生长发育预警系统构建与实现

石岩

（上海市大数据中心，上海 200072）

0 引言

胎儿宫内发育情况是产科重要研究对象之一，胎儿发育异常是造成围产期胎儿生长受限、巨大儿、甚至死亡的重要原因。胎儿在宫内生长的过程中，如果胎儿与胎盘间的循环及交换被影响，则导致胎儿生长受限发生；孕期母体镉暴露会引发胎儿生长受限等发育毒性［5］；新生儿出生体质量低（体质量<2.5 kg）或出生时生长发育迟缓，其成年后冠心病及相关疾病（如中风、糖尿病、高血压）的发病率较高［1］。因此，胎儿生长发育情况的研究，一直是产科临床研究中难点问题之一。

相关研究表明，体重、双顶径和腹围等参数是用于胎儿生长评价的重要指标，因此许多研究人员通过多个参数的表现来对胎儿发育和健康状况进行综合评估。然而传统的判定标准是以大样本人群为基础进行统计建模并预测，生长曲线的异常判断均采用相同的判断规则，所以目前没有适合全人群的胎儿体重估算标准可用于真实诊断胎儿生长受限。

针对上述问题，本文研究了采用3 种不同标准的胎儿生长曲线作为预警模型，旨在更加准确真实的反映每个胎儿的生长发育情况，同时也为从事相关工作的人员提供更符合该地区胎儿生长规律的胎儿生长曲线预警标准。在该系统中，一方面考虑每个孕妇的多个参数综合判断，包括胎儿估算体重、腹围、双顶径等，充分考虑了其形态学因素对胎儿的影响。另一方面，系统还可观察对比不同标准下各指标生长曲线的变化趋势，以此来选择最适合的预警模型，使得观测结果更为准确，辅助医生及时发现问题并给予相应的诊疗措施。

1 研究内容

本系统整体架构由医患服务模块、预警模型模块、数据管理模块组成。医患服务运用了微服务、微信小程序等作为技术支撑，预警模型提供胎儿发育模型计算及曲线展示、多参数预警模型计算等功能，数据管理模块提供疾病数据存储规范及患者管理等功能，如图1所示。

图1 基于微服务的智能胎儿生长发育预警系统整体架构

1.1 医患服务模块

（1）系统服务通过标准接口进行交互，可以单独或者组合对外提供面向不同场景的服务。

（2）通过微信小程序的方式，为医生和患者提供生长曲线可视化功能，提供结构化参数信息录入界面，实时为用户提供服务。

1.2 预警模型模块

（1）基于超声检查数据，利用香港标准，新加坡标准，Intergrowth-21 等三个标准，针对不同人群提供模型计算和曲线展示。

（2）系统支持切换不同标准进行预警，同时提供对胎儿生长发育主要参数的优化计算。

1.3 数据管理模块

采集孕妇超声检查、胎儿状况等健康档案信息，以孕妇患者为中心进行数据融合，建立包括孕妇基础信息、新生儿信息、生长曲线参数信息在内的多维度数据结构［2］并实时存储。

2 系统功能模块设计

2.1 数据存储模块

根据系统研究目标，制定数据存储规范，进行数据规范核查。数据规范核查是对数据的自然属性进行规范，包括对字段名、类型、取值长度、是否为空等进行核查，解决质量参差不齐、数据不足与错乱［2］、数据标准未履行等问题。数据库的存储规范结构如表1所示。

表1 怀孕患者基本信息表

表2 怀孕患者B超报告数据表

表3 新生儿信息表［2］

2.2 基于个体的胎儿生长预警计算模块

2.2.1 计算标准选择

本系统提供新加坡标准，香港标准、Intergrowth-21三种标准的计算功能，并提供三种标准切换计算，任何一种标准达到预警阈值，均会为使用者推送预警结果。本系统采用的预警阈值为胎儿超声估测体重或腹围低于同孕龄应有体重或腹围第10百分位数以下，其中双顶径、头围、腹围等采用的是B 超测量结果，胎儿体重利用估算公式进行计算，具体如表4所示。

表4 胎儿体重估测公式

2.2.2 参数优化方法

本平台在利用历史积累数据的基础上，以研究人员提供的生长参数估算函数为目标函数，进行回归建模并优化的功能，系统提供了几种曲线拟合的常见函数及优化方法，这几种函数可以进行任意的进行组合，其中t为胎龄。

目标函数可以是（1）—（5）式的任意复合，由于因变量和自变量的并不是简单的线性关系，通过最小二乘的进行曲线拟合和参数优化可以取得较好效果，优化算法采用修正G-N 和L-M 等算法。除了采用最小二乘法进行拟合，同时系统也会推荐传统的回归模型和机器学习模型进行拟合，包括传统的多元回归模型、lasso 回归以及岭回归等，机器学习方法可以选择决策树回归，支持向量回归等模型。在用户选定一种模型或自定义函数之后，系统会根据目标函数通过遗传算法和粒子群算法等对模型进行优化。

2.3 通过微信小程序的方式提供可视化展示

本系统采用了小程序为用户提供可视化信息和数据录入的功能，对于用户来说，相较于各种APP，微信小程序UI 和操作流程会更统一［4］，这也会降低使用难度。在开发的过程中，采用了基于MINA 框架的前端应用，通过视图层描述标签语言（WeiXmMarkupLanguage）WXML 和样式语言（WeiXmStyleSheets，WXSS）以及基于JavaScript 的逻辑层框架［5］，并在视图层与逻辑层间提供了数据传输和事件系统，在WXML 的节点上直接使用双括号绑定Page.data 中的数据（形如{{some_data}}），修改Page.data 中的数据时［5］，页面显示内容实时变换。

在曲线展示过程中，用户可以根据需要切换香港标准、新加坡标准、国际标准Intergrowth-21（默认），切换3%，5%，10%（默认）百分数，切换BPD，HC，AC，FLF，Weight 等重要参数。同时为方便查看结果，测量结果参数以红色点进行清晰地标识。

图2 胎儿生长发育曲线的BPD生长趋势

图3 胎儿体重估测及生长趋势

3 系统应用场景

基于多标准的智能胎儿生长发育预警系统，能够借助移动互利网和医疗信息化工具，对孕产妇胎儿进行量化监控和风险评估，根据孕妇的产前检查指标，采用多标准多生长参数计算方法对胎儿发育状况进行估算，从而提供精准的异常预警信息推送，实现胎儿生长受限、巨大儿等产科专病的早发现、早诊断、早干预、早治疗。自平台在某妇产科医院上线以来，使用量逐月增加，其中2021 年3 月至6 月的每月使用量分别为694、746、778、874 人次，月均使用744 人次。此外，平台还可以基于当前医院大样本数据，对模型参数进行优化，从而为临床研究和实际应用提供更加准确的参考依据。

4 结语

针对当前临床应用中胎儿生长曲线智能化工具不完善等问题，充分考虑了孕妇信息和胎儿发育情况，集成多种计算方法和预测模型，构建了胎儿生长预警及数据综合管理平台。在该平台中，用户可以自定义标准来进一步对胎儿生长趋势进行评估，为相关人员提供临床辅助诊断的方法。未来，系统考虑运用深度学习的方法，强化各指标的表征能力，将已有样本数据传入网络模型，即可实现对复杂参数的映射。本系统是多学科交叉领域应用，需要包括临床医疗、人工智能等多领域人员的协作研发，超出了传统医院研究范畴，因此后续在需要在人才和技术上进行融合，赋能临床科研不断创新。