CN102204817B - 胎儿心电信号提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两导联的胎儿心电信号提取装置及方法，属于生物医学信号处理技术领域。第一信号采集模块和第二信号采集模块用于对母体心电信号和母体腹壁混合信号分别进行采集，并且分别将处理后的母体心电数字信号和母体腹壁混合数字信号传输给胎儿心电信号提取模块；胎儿心电信号提取模块运用基于在线最小二乘支持向量机的胎儿心电信号提取方法对母体心电数字信号和母体腹壁混合数字信号进行处理，提取得到胎儿心电信号；信号显示模块用于实时显示该胎儿心电信号。本发明的优点是：导联系统设计简单，便于实现；可实时提取胎儿心电信号，便于临床应用；体积较小，便于携带。

Description

胎儿心电信号提取方法

技术领域

本发明涉及生物医学信号处理技术领域，具体地说，是一种两导联的胎儿心电信号提取装置及其相应的胎儿心电信号提取方法。

背景技术

胎儿心电信号是反映胎儿宫内生理活动的客观指标之一，围产期胎儿监护的质量直接关系到孕妇和胎儿的安全，新生儿的发育成长和远期智力发育。通过围产期胎儿心电监护可以早期诊断妊娠期及分娩期的胎儿宫内缺氧及先天性心脏病等疾病，降低围产儿发病率与死亡率。

取自母体腹壁的胎儿心电信号检测方法因其方便、无创而深受医务工作者和孕妇的欢迎。但由于母体和胎儿的活动，背景噪声极大，特别是母体心电信号产生的的母体心电干扰，其幅度是胎儿心电信号的2～10倍，且与胎儿心电信号的频带相互重叠，用常规的滤波技术很难提取出清晰稳定的胎儿心电信号。

为了消除母体心电信号和其它背景噪声的干扰，国内外学者提出了许多胎儿心电信号提取方法。1975年，Widrow首次运用最小均方误差自适应滤波算法提取胎儿心电信号，该方法计算简单，但对非平稳性较强的胎儿心电信号不能适应。近几年，盲源分离方法被引入胎儿心电信号提取领域，在各导联采集的多个心电信号独立的假设下，可以检测出胎儿心电信号，但存在需要导联数多和不易实现等问题。2005年，Khaled Assaleh采用两导联，运用多项式神经网络提取到较清晰的胎儿心电信号。但人工神经网络以传统统计学为基础，以最小化经验风险为学习目标，存在泛化能力、结构设计、局部极值等许多待解决的问题。支持向量机是Vapnik等人在1995年提出的以有限样本统计学习理论为基础，以最小化结构风险为目标的一种新型机器学习方法，具有较强的逼近能力和泛化能力，能够较好地解决小样本、非线性、高维数和局部极小点等实际问题。为了减少支持向量机的计算复杂度，Suykens提出了最小二乘支持向量机，用等式约束代替标准支持向量机的不等式约束，并把经验风险由偏差的一次方改为二次方，将二次规划问题转化为可用最小二乘法求解的线性方程组求解，从而降低了计算复杂度。然而，传统的最小二乘支持向量机均是离线式的，仅适用于时不变系统的建模。在实际应用中，系统通常都是时变的，需要不断调整模型参数以适应系统的时变特征。基于传统的最小二乘支持向量机的胎儿心电信号提取方法难以充分反映胎儿心电信号的时变特性，不适用于实时的胎儿心电信号提取。

而且传统的胎儿心电信号提取装置通常利用计算机进行胎儿心电信号提取和显示，体积较大，不易携带。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种两导联的胎儿心电信号提取装置，胎儿心电信号的提取和显示不是通过计算机实现，而是通过两个单独的简单模块：胎儿心电信号提取模块和信号显示模块实现，设计更加简单，并且体积较小，便于携带；本发明的另一目的是提供一种胎儿心电信号提取方法，该方法基于在线最小二乘支持向量机，能够更加准确地实时提取胎儿心电信号，满足临床应用的需要。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供一种胎儿心电信号提取方法，包括第一信号采集模块（1）、第二信号采集模块（1’）、胎儿心电信号提取模块（2）和信号显示模块（3），其中所述第一信号采集模块（1）和所述第二信号采集模块（1’）用于对母体心电信号和母体腹壁混合信号分别进行采集，并且分别将处理后的母体心电数字信号和母体腹壁混合数字信号传输给所述胎儿心电信号提取模块（2）；所述胎儿心电信号提取模块（2）基于在线最小二乘支持向量机实时提取胎儿心电信号；所述信号显示模块（3）用于实时显示所述胎儿心电信号；

其特征在于该胎儿心电信号提取方法按照以下步骤进行：

1）将第一信号采集模块（1）中的胸壁导联（4）置于母体胸壁，采集母体心电信号，所述母体心电信号经第一前置放大器（5）放大处理后传输给第一高通滤波器（6），由所述第一高通滤波器（6）滤除高频干扰，再由第一陷波器（7）滤除工频干扰，其后经第一低通滤波器（8）滤除低频干扰，经过三次滤波的母体心电信号经第一主放大器（9）放大，再经第一A/D转换器（10）转换为数字信号，即得到经处理后的母体心电数字信号，第一信号采集模块（1）利用串行接口将所述母体心电数字信号传送给胎儿心电信号提取模块（2）中的DSP（11）；

2）将第二信号采集模块（1’）中的腹壁导联（4’）置于母体腹壁，采集母体腹壁混合信号，所述母体腹壁混合信号经第二前置放大器（5’）放大处理后传输给第二高通滤波器（6’），由所述第二高通滤波器（6’）滤除高频干扰，再由第二陷波器（7’）滤除工频干扰，其后经第二低通滤波器（8’）滤除低频干扰，经过三次滤波的母体腹壁混合信号经第二主放大器（9’）放大，再经第二A/D转换器（10’）转换为数字信号，即得到经处理后的母体腹壁混合数字信号，第二信号采集模块（1’）利用串行接口将所述母体腹壁混合数字信号传送给所述胎儿心电信号提取模块（2）中的所述DSP（11）；

3）所述DSP（11）基于在线最小二乘支持向量机提取胎儿心电信号：

（a）选择径向基函数作为在线最小二乘支持向量机的核函数；

（b）选择训练样本的窗口宽度L；

（c）训练在线最小二乘支持向量机，在k时刻，其中k>0，在线最小二乘支持向量机以与k-1时刻对应的窗口宽度L的母体心电数字信号及其2维时间导数为输入信号，以与k-1时刻对应的窗口宽度L的母体腹壁混合数字信号为目标信号，以结构风险最小化原则进行训练；

（d）胎儿心电信号提取，将k时刻的母体心电数字信号及其2维时间导数输入已完成训练的在线最小二乘支持向量机，输出信号为k时刻的母体腹壁混合数字信号中的母体心电成分的最优估计，从k时刻的母体腹壁混合信号中减去所得到的母体心电成分的最优估计即为提取得到的k时刻的胎儿心电信号；

（e）k+1时刻，返回步骤（b）训练在线最小二乘支持向量机，其中输入信号为与k时刻对应的窗口宽度L的母体心电数字信号及其2维时间导数，目标信号为与k时刻对应的窗口宽度L的母体腹壁混合数字信号，在此基础上提取k+ 1时刻的胎儿心电信号；

（f）如此循环往复，不断提取得到新的时刻的胎儿心电信号，实现胎儿心电信号的实时提取；

4）所述DSP（11）利用串行接口将提取得到的胎儿心电信号传送给信号显示模块（3）中的ARM（16），所述ARM（16）将所述胎儿心电信号通过显示驱动电路（20）传送给LCD（21），并且由所述显示驱动电路（20）驱动所述LCD（21）显示所述胎儿心电信号。

在所述步骤（b）中所述窗口宽度L选用200。

所述胎儿心电信号提取模块（2）还包括第一电源模块（12）、第一电源模块开关（13）、Flash存储器（14）和第一功能按键（15）；

所述第一电源模块（12）的输出端通过电源线与所述DSP（11）的第一输入端相连接，所述第一电源模块（12）向所述DSP（11）提供电源，所述第一电源模块开关（13）通过电缆线与所述第一电源模块（12）相连接，控制所述第一电源模块（12）的开启和关闭，所述Flash存储器（14）的输出端与所述DSP（11）的第二输入端相连接，用于向所述DSP（11）提供胎儿心电信号提取程序，所述第一功能按键（15）的输出端通过电缆线与所述DSP（11）的第三输入端相连接，用于调节信号采集速率，所述DSP（11）将提取得到的胎儿心电信号输出到所述信号显示模块（3）。

所述信号显示模块（3）还包括第二电源模块（17）、第二电源模块开关（18）、第二功能按键（19）、显示驱动电路（20）和LCD（21）；

所述第二电源模块（17）的输出端通过电源线与所述ARM（16）的第一输入端相连接，所述第二电源模块（17）向所述ARM（16）提供电源，所述第二电源模块开关（18）通过电缆线与所述第二电源模块（17）相连接，控制所述第二电源模块（17）的开启和关闭，所述第二功能按键（19）的输出端通过电缆线与所述ARM（16）的第二输入端相连接，用于选择信号显示模式，所述ARM（16）的输出端与所述显示驱动电路（20）的输入端相连接，所述显示驱动电路（20）的输出端与所述LCD（21）的输入端相连接。

本发明的优点是：

（1）采用两个导联提取胎儿心电信号，导联系统设计简单，便于实现；

（2）运用基于在线最小二乘支持向量机的胎儿心电信号提取方法，实时提取胎儿心电信号，便于临床应用；

（3）运用DSP+ARM实现胎儿心电信号提取与显示，与传统的利用计算机的胎儿心电信号提取系统相比较，体积较小，便于携带。

附图说明

图1为本发明的原理方框图；

图2为第一信号采集模块的结构示意图；

图3为第二信号采集模块的结构示意图；

图4为胎儿心电信号提取模块的结构示意图；

图5为信号显示模块的结构示意图。

图中标记：1为第一信号采集模块，1’为第二信号采集模块，2为胎儿心电信号提取模块，3为信号显示模块，4为胸壁导联，5为第一前置放大器，6为第一高通滤波器，7为第一陷波器，8为第一低通滤波器，9为第一主放大器，10为第一A/D转换器，4’为腹壁导联，5’为第二前置放大器，6’为第二高通滤波器，7’为第二陷波器，8’为第二低通滤波器，9’为第二主放大器，10’为第二A/D转换器，11为DSP，12为第一电源模块，13为第一电源模块开关，14为Flash存储器，15为第一功能按键，16为ARM，17为第二电源模块，18为第二电源模块开关，19为第二功能按键，20为显示驱动电路，21为LCD。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步详述；

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供一种两导联的胎儿心电信号提取装置，由第一信号采集模块1、第二信号采集模块1’、胎儿心电信号提取模块2和信号显示模块3组成，第一信号采集模块1和第二信号采集模块1’的输出端分别与胎儿心电信号提取模块2的第一数据输入端和第二数据输入端连接，胎儿心电信号提取模块2的输出端与信号显示模块3的数据输入端连接。

第一信号采集模块1和第二信号采集模块1’用于对母体心电信号和母体腹壁混合信号分别进行采集，对应地得到经处理后的母体心电数字信号和母体腹壁混合数字信号；胎儿心电信号提取模块2用于将母体心电数字信号和母体腹壁混合数字信号根据基于在线最小二乘支持向量机的胎儿心电信号提取方法，实时提取得到胎儿心电信号；信号显示模块3用于实时显示胎儿心电信号。

如图2所示，第一信号采集模块1由胸壁导联4、第一前置放大器5、第一高通滤波器6、第一陷波器7、第一低通滤波器8、第一主放大器9和第一A/D转换器10组成，该胸壁导联4的输出端与第一前置放大器5的输入端相连接，该第一前置放大器5的输出端与第一高通滤波器6的输入端相连接，该第一高通滤波器6的输出端与第一陷波器7的输入端相连接，该第一陷波器7的输出端与第一低通滤波器8的输入端相连接，该第一低通滤波器8的输出端与第一主放大器9的输入端相连接，该第一主放大器9的输出端与第一A/D转换器10的输入端相连接，该第一A/D转换器10将经处理后的母体心电数字信号输出到胎儿心电信号提取模块2。

如图3所示，第二信号采集模块1’由腹壁导联4’、第二前置放大器5’、第二高通滤波器6’、第二陷波器7’、第二低通滤波器8’、第二主放大器9’和第二A/D转换器10’组成，该腹壁导联4’的输出端与第二前置放大器5’的输入端相连接，该第二前置放大器5’的输出端与第二高通滤波器6’的输入端相连接，该第二高通滤波器6’的输出端与第二陷波器7’的输入端相连接，该第二陷波器7’的输出端与第二低通滤波器8’的输入端相连接，该第二低通滤波器8’的输出端与第二主放大器9’的输入端相连接，该第二主放大器9’的输出端与第二A/D转换器10’的输入端相连接，该第二A/D转换器10’将经处理后的母体腹壁混合数字信号输出到胎儿心电信号提取模块2。

如图4所示，胎儿心电信号提取模块2由DSP11、第一电源模块12、第一电源模块开关13、Flash存储器14和第一功能按键15组成，该第一电源模块12的输出端通过电源线与DSP11的第一输入端相连接，该第一电源模块12向DSP11提供电源，该第一电源模块开关13通过电缆线与第一电源模块12相连接，控制第一电源模块12的开启和关闭，该Flash存储器14的输出端与该DSP11的第二输入端相连接，该Flash存储器14用于存储胎儿心电信号提取算法的程序，该第一功能按键15的输出端通过电缆线与DSP 11的第三输入端相连接，该第一功能按键15用于调节信号采集的速率，该DSP 11将提取得到的胎儿心电信号输出到信号显示模块3。

如图5所示，信号显示模块3由ARM 16、第二电源模块17、第二电源模块开关18、第二功能按键19、显示驱动电路20和LCD 21组成，该第二电源模块17的输出端通过电源线与ARM 16的第一输入端相连接，该第二电源模块17向ARM16提供电源，该第二电源模块开关18通过电缆线与第二电源模块17相连接，控制第二电源模块17的开启和关闭，该第二功能按键19的输出端通过电缆线与ARM 16的第二输入端相连接，该第二功能按键19用于选择显示模式，该ARM 16的输出端与显示驱动电路20的输入端相连接，该显示驱动电路20的输出端与LCD 21的输入端相连接。

本发明还提供一种基于在线最小二乘支持向量机的胎儿心电信号提取方法，具体步骤为：

1）将第一信号采集模块1中的胸壁导联4置于母体胸壁，采集母体心电信号，母体心电信号经第一前置放大器5放大处理后传输给第一高通滤波器6，由第一高通滤波器6滤除高频干扰，再由第一陷波器7滤除工频干扰，其后经第一低通滤波器8滤除低频干扰，经过三次滤波的母体心电信号经第一主放大器9放大，再经第一A/D转换器10转换为数字信号，即得到经处理后的母体心电数字信号，第一信号采集模块1利用串行接口将母体心电数字信号传送给胎儿心电信号提取模块2中的DSP 11；

2）将第二信号采集模块1’中的腹壁导联4’置于母体腹壁，采集母体腹壁混合信号，母体腹壁混合信号经第二前置放大器5’放大处理后传输给第二高通滤波器6’，由第二高通滤波器6’滤除高频干扰，再由第二陷波器7’滤除工频干扰，其后经第二低通滤波器8’滤除低频干扰，经过三次滤波的母体腹壁混合信号经第二主放大器9’放大，再经第二A/D转换器10’转换为数字信号，即得到经处理后的母体腹壁混合数字信号，第二信号采集模块1’利用串行接口将母体腹壁混合数字信号传送给胎儿心电信号提取模块2中的DSP 11；

3）所述DSP 11基于在线最小二乘支持向量机提取胎儿心电信号：

（a）选择径向基函数作为在线最小二乘支持向量机的核函数；

（b）选择训练样本的窗口宽度L；

（c）训练在线最小二乘支持向量机，在k时刻，其中k>0，在线最小二乘支持向量机以与k-1时刻对应的窗口宽度L的母体心电数字信号及其2维时间导数为输入信号，以与k-1时刻对应的窗口宽度L的母体腹壁混合数字信号为目标信号，以结构风险最小化原则进行训练；

（d）胎儿心电信号提取，将k时刻的母体心电数字信号及其2维时间导数输入已完成训练的在线最小二乘支持向量机，输出信号为k时刻的母体腹壁混合数字信号中的母体心电成分的最优估计，从k时刻的母体腹壁混合信号中减去所得到的母体心电成分的最优估计即为提取得到的k时刻的胎儿心电信号；

（e）k+1时刻，返回步骤（b）训练在线最小二乘支持向量机，其中输入信号为与k时刻对应的窗口宽度L的母体心电数字信号及其2维时间导数，目标信号为与k时刻对应的窗口宽度L的母体腹壁混合数字信号，在此基础上提取k+ 1时刻的胎儿心电信号；

（f）如此循环往复，不断提取得到新的时刻的胎儿心电信号，实现胎儿心电信号的实时提取；

4）所述DSP 11利用串行接口将提取得到的胎儿心电信号传送给信号显示模块3中的ARM 16，所述ARM 16将胎儿心电信号通过显示驱动电路20传送给LCD 21，并且由显示驱动电路20驱动LCD 21显示胎儿心电信号。

本发明在实施例中所选用的主器件可以是如下型号：

DSP——可以使用TI（德州仪器）公司生产的TMS320C54X；

ARM——可以使用三星（SAMSUNG）公司ARM9系列的S3C2440AL-40；

Flash存储器——可以使用三星（SAMSUNG）公司K9F1208；

A/D转换器——可以使用TI（德州仪器）公司生产的高速十位串行A/D转换芯片TLV1571。

本发明的优点是：

（1）采用两个导联提取胎儿心电信号，导联系统设计简单，便于实现；

（2）运用基于在线最小二乘支持向量机的胎儿心电信号提取方法，实时提取胎儿心电信号，便于临床应用；

（3）运用DSP+ARM实现胎儿心电信号提取与显示，与传统的利用计算机的胎儿心电信号提取系统相比较，体积较小，便于携带。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种胎儿心电信号提取方法，包括第一信号采集模块（1）、第二信号采集模块（1’）、胎儿心电信号提取模块（2）和信号显示模块（3），其中所述第一信号采集模块（1）和所述第二信号采集模块（1’）用于对母体心电信号和母体腹壁混合信号分别进行采集，并且分别将处理后的母体心电数字信号和母体腹壁混合数字信号传输给所述胎儿心电信号提取模块（2）；所述胎儿心电信号提取模块（2）基于在线最小二乘支持向量机实时提取胎儿心电信号；所述信号显示模块（3）用于实时显示所述胎儿心电信号；

其特征在于该胎儿心电信号提取方法按照以下步骤进行：

1）将第一信号采集模块（1）中的胸壁导联（4）置于母体胸壁，采集母体心电信号，所述母体心电信号经第一前置放大器（5）放大处理后传输给第一高通滤波器（6），由所述第一高通滤波器（6）滤除高频干扰，再由第一陷波器（7）滤除工频干扰，其后经第一低通滤波器（8）滤除低频干扰，经过三次滤波的母体心电信号经第一主放大器（9）放大，再经第一A/D转换器（10）转换为数字信号，即得到经处理后的母体心电数字信号，第一信号采集模块（1）利用串行接口将所述母体心电数字信号传送给胎儿心电信号提取模块（2）中的DSP（11）；

2）将第二信号采集模块（1’）中的腹壁导联（4’）置于母体腹壁，采集母体腹壁混合信号，所述母体腹壁混合信号经第二前置放大器（5’）放大处理后传输给第二高通滤波器（6’），由所述第二高通滤波器（6’）滤除高频干扰，再由第二陷波器（7’）滤除工频干扰，其后经第二低通滤波器（8’）滤除低频干扰，经过三次滤波的母体腹壁混合信号经第二主放大器（9’）放大，再经第二A/D转换器（10’）转换为数字信号，即得到经处理后的母体腹壁混合数字信号，第二信号采集模块（1’）利用串行接口将所述母体腹壁混合数字信号传送给所述胎儿心电信号提取模块（2）中的所述DSP（11）；

3）所述DSP（11）基于在线最小二乘支持向量机提取胎儿心电信号：

（a）选择径向基函数作为在线最小二乘支持向量机的核函数；

（b）选择训练样本的窗口宽度L；

（c）训练在线最小二乘支持向量机，在k时刻，其中k>0，在线最小二乘支持向量机以与k-1时刻对应的窗口宽度L的母体心电数字信号及其2维时间导数为输入信号，以与k-1时刻对应的窗口宽度L的母体腹壁混合数字信号为目标信号，以结构风险最小化原则进行训练；

（d）胎儿心电信号提取，将k时刻的母体心电数字信号及其2维时间导数输入已完成训练的在线最小二乘支持向量机，输出信号为k时刻的母体腹壁混合数字信号中的母体心电成分的最优估计，从k时刻的母体腹壁混合信号中减去所得到的母体心电成分的最优估计即为提取得到的k时刻的胎儿心电信号；

（e）k+1时刻，返回步骤（b）训练在线最小二乘支持向量机，其中输入信号为与k时刻对应的窗口宽度L的母体心电数字信号及其2维时间导数，目标信号为与k时刻对应的窗口宽度L的母体腹壁混合数字信号，在此基础上提取k+ 1时刻的胎儿心电信号；

（f）如此循环往复，不断提取得到新的时刻的胎儿心电信号，实现胎儿心电信号的实时提取；

4）所述DSP（11）利用串行接口将提取得到的胎儿心电信号传送给信号显示模块（3）中的ARM（16），所述ARM（16）将所述胎儿心电信号通过显示驱动电路（20）传送给LCD（21），并且由所述显示驱动电路（20）驱动所述LCD（21）显示所述胎儿心电信号。

2.根据权利要求1所述的胎儿心电信号提取方法，其特征在于：

在所述步骤（b）中所述窗口宽度L选用200。

3.根据权利要求1所述的胎儿心电信号提取方法，其特征在于：所述胎儿心电信号提取模块（2）还包括第一电源模块（12）、第一电源模块开关（13）、Flash存储器（14）和第一功能按键（15）；

所述第一电源模块（12）的输出端通过电源线与所述DSP（11）的第一输入端相连接，所述第一电源模块（12）向所述DSP（11）提供电源，所述第一电源模块开关（13）通过电缆线与所述第一电源模块（12）相连接，控制所述第一电源模块（12）的开启和关闭，所述Flash存储器（14）的输出端与所述DSP（11）的第二输入端相连接，用于向所述DSP（11）提供胎儿心电信号提取程序，所述第一功能按键（15）的输出端通过电缆线与所述DSP（11）的第三输入端相连接，用于调节信号采集速率，所述DSP（11）将提取得到的胎儿心电信号输出到所述信号显示模块（3）。

4.根据权利要求1所述的胎儿心电信号提取方法，其特征在于：所述信号显示模块（3）还包括第二电源模块（17）、第二电源模块开关（18）、第二功能按键（19）、显示驱动电路（20）和LCD（21）；

所述第二电源模块（17）的输出端通过电源线与所述ARM（16）的第一输入端相连接，所述第二电源模块（17）向所述ARM（16）提供电源，所述第二电源模块开关（18）通过电缆线与所述第二电源模块（17）相连接，控制所述第二电源模块（17）的开启和关闭，所述第二功能按键（19）的输出端通过电缆线与所述ARM（16）的第二输入端相连接，用于选择信号显示模式，所述ARM（16）的输出端与所述显示驱动电路（20）的输入端相连接，所述显示驱动电路（20）的输出端与所述LCD（21）的输入端相连接。

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