CN101972145B - 一种基于源信号时域相对稀疏性的胎儿心电盲分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于源信号时域相对稀疏性的胎儿心电盲分离方法，包括以下步骤：首先从母亲腹部体表分两路采集母亲和胎儿心电相互混叠的母亲胎儿混合心电信号，然后对采集到的母亲胎儿混合心电信号进行预处理，包括矫正信号的基线漂移，滤除50Hz工频干扰，滤除高频肌电信号干扰等，在经过预处理的母亲胎儿混合心电信号中对母亲心电和胎儿心电信号分别进行定位，然后搜索母亲心电和胎儿心电相对稀疏的时间段，最后利用以矩阵的广义特征分解为基础的盲源分离算法将母亲心电信号和胎儿心电信号分离。本发明解决了母亲心电信号和胎儿心电信号时域和频域相互重叠难以分离的问题，可高效准确的提取出胎儿心电信号用于医学诊断。

Description

一种基于源信号时域相对稀疏性的胎儿心电盲分离方法

技术领域

本发明属于胎儿心电检测技术领域，具体涉及一种基于源信号时域相对稀疏性的胎儿心电盲分离方法。

背景技术

随着社会对母婴健康和安全的要求日益提高，对胎儿发育的生理和病理研究成为一项重要课题。胎儿监护是采用生物物理和生物化学等手段，对胎儿宫内发育和安危状况进行评价的重要方法。目前，广泛应用于临床的胎儿监护多指胎心率电子监护和胎心宫缩监护。基于超声多普勒技术的胎儿电子监护(EFM，electronic fetal monitoring)敏感性高，在孕时能及时发现胎儿缺氧及酸中毒，但产时EFM有较高的假阳性率(即误报率)，从而导致剖宫产率和阴道手术产率的增加，不利于母婴健康和安全。胎心宫缩监护(CTG，Cardiotocography)监测胎儿处于良好正常状态时是可靠的，但预测胎儿缺氧的可靠性差。

胎儿心电图(Fetal Electrocardiogram，FECG)是从孕妇腹壁体表电极采集胎儿心电信号的一种非侵入性检查手段，能够提供有关胎儿健康的信息。它对母亲和胎儿均无伤害。FECG可记录胎儿心脏每一心动周期活动发生的电位变化及其在心脏的传导过程，可多次检测和动态观察。

与心音和心动信号相比，胎儿心电信号是最能反映心脏活动全貌的生理信号，而且胎儿出现异常时，胎儿心电图形态的变化比基于超声多普勒的胎心率电子监护和胎心宫缩监护等指标的变化发生得更早、更敏感。从胎儿心电图不仅能提取胎儿的平均和瞬时心率的变化，而且能像一般成人心电图(ECG，Electrocardiogram)那样，从描绘的心电波形中得到更多胎儿心脏状况的信息。通过对胎儿心电图这些波形变化(如心率、心律、QRS时限等)的分析，结合临床观察，可及时发现胎儿缺氧、脐带缠绕等妊娠期或分娩期的病理情况以便及早采取措施来保证胎儿健康，降低围产期胎儿的发病率和死亡率。少数异常的胎儿心电图是胎儿先天性心脏病的表现，可及早中止妊娠，或进行宫内心脏修补手术，以达到优生目的。因此，胎儿心电检测在胎儿监护临床应用上具有非常重要的意义。

但是，从母亲腹部表面采集的胎儿心电信号常混有母亲的心电信号以及各种伪迹与噪声。从频域上分析，胎儿心电和母亲心电的频谱相互重叠。从时域上分析，胎儿心电的QRS波群有10％-30％与母亲心电的QRS波群相互重叠，因此为了正确做出临床诊断，非常有必要获取清晰的胎儿心电信号。

传统提取胎儿心电信号的方法主要有匹配滤波法和自适应噪声抵消法。匹配滤波法将从腹部的混合心电信号中用域值检测法检测出母亲心电QRS波群，然后将监测到的母亲心电波制作成一个模板，用腹部的混合心电信号减去这个模板以消去母亲心电。但是，这种相减的方法不能完全去除母亲心电信号，残留的母亲心电信号将严重影响对胎儿心电信号的后期的医学分析诊断。自适应噪声抵消法把母亲心电信号作为参考输入进行自适应滤波运算，最后将母亲心电信号抵消，从而提取胎儿心电信号。但是，需要指出的是，提取的胎儿心电信号实际上是反映在自适应滤波器的误差信号之中。自适应滤波器因为其他因素(如外界干扰，电极滑动产生的伪迹等)在调整滤波器系数的控制过程中产生的误差信号常常会严重干扰提取的胎儿心电信号，甚至造成其无法识别。因此，这种方法实际应用效果不佳。

盲源分离(BSP，Blind Source Separation)技术是20世纪九十年代迅速发展起来的一个研究领域，具有可靠的理论基础和广泛的应用潜力。采用盲源分离方法，能够在对源信号先验知识缺乏的情况下，仅仅根据源信号间的独立性、稀疏性等统计特性，通过一系列数学运算，估计出各个源信号。目前，已有相关的专家提出把盲源分离方法应用到胎儿心电提取中，所采用的方法以ICA方法为主，如FastICA。但是，该类盲源分离方法需要已知源信号的部分统计信息，计算复杂，提取效果很难保证。此外，盲源分离的ICA方法一般需要估计源信号的高阶统计特性，在此过程中，极易受到噪声的干扰，算法的稳健性较差。

因此，需要提供一种可高效准确的提取出胎儿心电信号的方法。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于源信号时域相对稀疏性的胎儿心电盲分离方法，该方法用于围产期胎儿监护，可解决母亲心电信号和胎儿心电信号时域和频域相互重叠难以分离的问题，可高效准确的提取出胎儿心电信号用于医学诊断。

本发明提供了一种基于源信号时域相对稀疏性的胎儿心电盲分离方法，包括以下步骤：

(1)在母亲腹部体表两处不同位置采集母亲和胎儿心电相互混叠的母亲胎儿混合心电信号；

(2)对采集到的两路母亲胎儿混合心电信号进行预处理，预处理包括矫正信号的基线漂移，滤除50Hz工频干扰，滤除高频肌电信号干扰；

(3)在经过预处理的母亲胎儿混合心电信号中按照信噪比进行挑选，然后对母亲心电和胎儿心电信号分别进行定位，搜索母亲心电和胎儿心电相对稀疏的时间段；

(4)利用以矩阵的广义特征分解为基础的盲源分离算法将母亲心电信号和胎儿心电信号分离。

所述步骤(2)中，基线漂移校正方法采用7阶Chebyshev II型IIR数字高通滤波器，滤波器的截止频率为0.05Hz；50Hz工频干扰是采用IIR数字陷波器去除；高频肌电信号是采用5阶Chebyshev II型IIR数字低通滤波器，滤波器的截止频率为200Hz。

所述步骤(3)具体包括如下步骤：

(3-1)从预处理后的两路母亲胎儿混合心电信号中，以母亲心电为信号，其他信号为噪声，挑选信噪比比较大的一路信号；

(3-2)利用成人心电R波定位技术对母亲心电的R波进行定位，根据R波的位置确定母亲整个心电复合波的位置；

(3-3)从预处理后的两路母亲胎儿混合心电信号中，以胎儿心电为信号，其他信号为噪声，挑选信噪比比较大的一路信号；

(3-4)利用胎儿心电R波定位技术对胎儿心电的R波进行定位，根据R波的位置确定胎儿整个心电复合波的位置；

(3-5)在确定母亲和胎儿心电复合波的位置后，搜索母亲胎儿混合心电信号相对稀疏的时间段，具体方法是在母亲心电信噪比较大的那路信号的时间轴t1上将存在母亲心电复合波的采样时刻用数值1标示，在胎儿心电信噪比较大的那路信号时间轴t2上将存在胎儿心电复合波的采样时刻用数值2标示，其余时刻均用数值0标示，然后按照时间轴顺序将各个时刻的标记分别记入母亲心电标记数组和胎儿心电标记数组中；然后将母亲心电标记数组和胎儿心电标记数组对应相加，搜索数值为1或者2的时间段，即为母亲心电与胎儿心电相对稀疏的部分；最后从这些时间段中筛选出宽度分别大于母亲或胎儿心电复合波宽度75％的时间段，用于盲源分离算法。

所述步骤(4)具体包括如下步骤：

(4-1)所述步骤(3)中搜索得到的母亲心电与胎儿心电相对稀疏的部分用x₀(n)表示，采集信号的向量用x(t)表示，估计母亲心电与胎儿心电相对稀疏部分x₀(t)的自相关矩阵

；

(4-2)估计采集信号x(t)的自相关矩阵R_x；

(4-3)对

和R_x进行广义特征分解，得到分离矩阵W和D，然后将W中的各列按照D的对角线元素的大小从左至右顺序排列；

(4-4)所述分离矩阵W的转置左乘x(n)得到的结果即为母亲心电信号和胎儿心电信号组成的向量，从而提取出母亲心电信号和胎儿心电信号。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明方法基于源信号时域相对稀疏性，解决了母亲心电信号和胎儿心电信号时域和频域相互重叠难以分离的问题。

2、本发明方法抗噪能力强，可高效准确的提取出胎儿心电信号用于医学诊断。

3、本发明方法不需要估计源信号的高阶统计特性，具有计算简单的优点。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是本发明方法中搜索母亲胎儿心电复合波相对稀疏部分方法的流程图；

图3是本发明方法中盲源分离算法流程图；

图4是本发明方法对母亲心电和胎儿心电定位的效果图；

图5是本发明方法对母亲胎儿混合心电信号进行盲源分离的效果图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，一种基于源信号时域相对稀疏性的胎儿心电盲分离方法，包括以下步骤：

(1)在母亲腹部体表两处不同位置采集母亲和胎儿心电相互混叠的母亲胎儿混合心电信号；

(2)对采集到的两路母亲胎儿混合心电信号进行预处理，预处理包括矫正信号的基线漂移，滤除50Hz工频干扰，滤除高频肌电信号干扰；

(3)在经过预处理的母亲胎儿混合心电信号中按照信噪比进行挑选，然后对母亲心电和胎儿心电信号分别进行定位，搜索母亲心电和胎儿心电相对稀疏的时间段；

(4)利用以矩阵的广义特征分解为基础的盲源分离算法将母亲心电信号和胎儿心电信号分离。

所述步骤(2)中，基线漂移校正方法采用7阶Chebyshev II型IIR数字高通滤波器，滤波器的截止频率为0.05Hz；50Hz工频干扰是采用IIR数字陷波器去除；高频肌电信号是采用5阶Chebyshev II型IIR数字低通滤波器，滤波器的截止频率为200Hz。

如图2所示，所述步骤(3)具体包括如下步骤：

(3-1)从预处理后的两路母亲胎儿混合心电信号中，以母亲心电为信号，其他信号为噪声，挑选信噪比比较大的一路信号；

(3-2)利用成人心电R波定位技术对母亲心电的R波进行定位，根据R波的位置确定母亲整个心电复合波的位置；

(3-3)从预处理后的两路母亲胎儿混合心电信号中，以胎儿心电为信号，其他信号为噪声，挑选信噪比比较大的一路信号；

(3-4)利用胎儿心电R波定位技术对胎儿心电的R波进行定位，根据R波的位置确定胎儿整个心电复合波的位置；

(3-5)在确定母亲和胎儿心电复合波的位置后，搜索母亲胎儿混合心电信号相对稀疏的时间段，具体方法是在母亲心电信噪比较大的那路信号的时间轴t1上将存在母亲心电复合波的采样时刻用数值1标示，在胎儿心电信噪比较大的那路信号时间轴t2上将存在胎儿心电复合波的采样时刻用数值2标示，其余时刻均用数值0标示，然后按照时间轴顺序将各个时刻的标记分别记入母亲心电标记数组和胎儿心电标记数组中；然后将母亲心电标记数组和胎儿心电标记数组对应相加，搜索数值为1或者2的时间段，即为母亲心电与胎儿心电相对稀疏的部分；最后从这些时间段中筛选出宽度分别大于母亲或胎儿心电复合波宽度75％的时间段，用于盲源分离算法。

如图3所示，所述步骤(4)具体包括如下步骤：

(4-1)所述步骤(3)中搜索得到的母亲心电与胎儿心电相对稀疏的部分用x₀(n)表示，采集信号的向量用x(t)表示，估计母亲心电与胎儿心电相对稀疏部分x₀(t)的自相关矩阵，即

$R_{x_0}=E\left[x_0\left(n\right)x_0^T\left(n\right)\right]$

(4-2)估计采集信号x(t)的自相关矩阵R_x，即

R_x＝E[x(n)x^T(n)]

(4-3)对

和R_x进行广义特征分解，得到分离矩阵W和D，如下，

$[W,D]=\mathrm{eig}(R_{x_0},R_x)$

然后将W中的各列按照D的对角线元素的大小从左至右顺序排列；

(4-4)所述分离矩阵W的转置左乘x(n)得到的结果即为母亲心电信号和胎儿心电信号组成的向量，公式如下，其中，y(n)＝[y₁(n)，y₂(n)]^T表示母亲心电信号和胎儿心电信号组成的向量，从而提取出母亲心电信号和胎儿心电信号。

y(n)＝W^Tx(n)

需要进一步说明的是，在采集信号中母亲心电与胎儿心电相对稀疏的部分可能不只存在一处，如果x₀(n)只包含母亲心电信号，那么经过此算法处理后，y₁(n)是胎儿心电信号，而y₂(n)是母亲心电信号；反之亦反。最后得到的对母亲胎儿混合心电信号进行盲源分离的结果如图5所示，图5(A)为分离出的胎儿心电信号，图5(B)为分离出的母亲心电信号。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于源信号时域相对稀疏性的胎儿心电盲分离方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)在母亲腹部体表两处不同位置采集母亲和胎儿心电相互混叠的母亲胎儿混合心电信号；

(2)对采集到的两路母亲胎儿混合心电信号进行预处理，预处理包括矫正信号的基线漂移，滤除50Hz工频干扰，滤除高频肌电信号干扰；

(3)在经过预处理的母亲胎儿混合心电信号中按照信噪比进行挑选，然后对母亲心电和胎儿心电信号分别进行定位，搜索母亲心电和胎儿心电相对稀疏的时间段；

(4)利用以矩阵的广义特征分解为基础的盲源分离算法将母亲心电信号和胎儿心电信号分离。

2.根据权利要求1所述的一种基于源信号时域相对稀疏性的胎儿心电盲分离方法，其特征在于：所述步骤(2)中，基线漂移校正方法采用7阶ChebyshevII型IIR数字高通滤波器，滤波器的截止频率为0.05Hz；50Hz工频干扰是采用IIR数字陷波器去除；高频肌电信号是采用5阶Chebyshev II型IIR数字低通滤波器，滤波器的截止频率为200Hz。

3.根据权利要求1所述的一种基于源信号时域相对稀疏性的胎儿心电盲分离方法，其特征在于：所述步骤(3)具体包括如下步骤：

(3-1)从预处理后的两路母亲胎儿混合心电信号中，以母亲心电为信号，其他信号为噪声，挑选信噪比比较大的一路信号；

(3-2)利用成人心电R波定位技术对母亲心电的R波进行定位，根据R波的位置确定母亲整个心电复合波的位置；

(3-3)从预处理后的两路母亲胎儿混合心电信号中，以胎儿心电为信号，其他信号为噪声，挑选信噪比比较大的一路信号；

(3-4)利用胎儿心电R波定位技术对胎儿心电的R波进行定位，根据R波的位置确定胎儿整个心电复合波的位置；

(3-5)在确定母亲和胎儿心电复合波的位置后，搜索母亲胎儿混合心电信号相对稀疏的时间段，具体方法是在母亲心电信噪比较大的那路信号的时间轴t1上将存在母亲心电复合波的采样时刻用数值1标示，在胎儿心电信噪比较大的那路信号时间轴t2上将存在胎儿心电复合波的采样时刻用数值2标示，其余时刻均用数值0标示，然后按照时间轴顺序将各个时刻的标记分别记入母亲心电标记数组和胎儿心电标记数组中；然后将母亲心电标记数组和胎儿心电标记数组对应相加，搜索数值为1或者2的时间段，即为母亲心电与胎儿心电相对稀疏的部分；最后从这些时间段中筛选出宽度分别大于母亲或胎儿心电复合波宽度75％的时间段，用于盲源分离算法。

4.根据权利要求1所述的一种基于源信号时域相对稀疏性的胎儿心电盲分离方法，其特征在于：所述步骤(4)具体包括如下步骤：

(4-1)所述步骤(3)中搜索得到的母亲心电与胎儿心电相对稀疏的部分用x₀(n)表示，采集信号的向量用x(t)表示，估计母亲心电与胎儿心电相对稀疏部分x₀(t)的自相关矩阵

；

(4-2)估计采集信号x(t)的自相关矩阵R_x；

(4-3)对

和R_x进行广义特征分解，得到分离矩阵W和D，然后将W中的各列按照D的对角线元素的大小从左至右顺序排列；

(4-4)所述分离矩阵W的转置左乘x(n)得到的结果即为母亲心电信号和胎儿心电信号组成的向量，从而提取出母亲心电信号和胎儿心电信号。

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