CN102258368B - 胎心电检测的时域稀疏性线性混叠盲分离模型的判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了胎心电检测的时域稀疏性线性混叠盲分离模型的判别方法，其主要步骤是，在母亲腹部采集多路混叠有母亲和胎儿心电的混合信号；通过阈值限定方法得到混合源信号中母亲心电R波位置，以及母亲心电PQRS波段所占范围；通过阈值限定和波宽限定方法得到胎儿心电R波位置，以及胎儿心电PQRS波段所占范围；根据母亲和胎儿心电PQRS波段所占范围判断是否有混叠，从而找出没有混叠的时段，即得到心电混合信号稀疏区域；然后在稀疏区域中通过计算两路采集信号相关性来对混叠线性程度进行度量。该方法结构简单，易于实现，解决了基于源信号时域相对稀疏性的线性混叠盲分离模型判别的问题。

Description

胎心电检测的时域稀疏性线性混叠盲分离模型的判别方法

技术领域

本发明属于胎儿心电检测技术领域，尤其涉及胎心电检测的时域稀疏性线性混叠盲分离模型的判别方法。

背景技术

随着科学技术的进步和人民生活水平的提高，在当今临床医疗领域，对母体中的胎儿状况进行有效监测的需求越来越旺盛。随之而来的是各种胎儿监护方法的出现。目前临床上对母体中胎儿状况的监护方法主要有超声电子监护和胎儿心电监护等，其中多普勒超声电子监护是目前运用比较广泛的监护方法，但该方法需要仪器主动发送超声信号作用于胎儿，从胎儿各种组织对超声波的不同反射信号中确定胎儿的生长发育状况，因此被认为是一种“入侵式”的监护方法，不适合需要长时间监护的场合；而胎儿心电监护仅使用腹部体表电极被动接收胎儿心电信号，根据胎儿心电信号确定胎儿在母亲体内的状态，因此被认为是一种“非入侵式”的监护方法，不会对母亲及胎儿造成不良影响，适合用于长时间临床监护。

但是，在胎儿心电信号检测的实际应用中，从母亲腹部表面采集的心电信号是混叠有母亲心电信号、胎儿心电信号、肌电信号(EMG)、体表子宫电信号(EHG)以及各种噪声。在时域上这些信号混叠在一起，特别是母亲心电信号，由于幅度比较大，对胎儿心电信号的观察造成很大影响。这样从混叠的源信号中提取出胎儿心电信号显得非常重要。

20世纪90年代以来，盲源分离技术得到了迅速发展。盲源分离的特点在于能够在对源信号缺乏先验知识的情况下，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。

在众多盲源分离技术中，基于稀疏性的盲源分离有这运算相对简单，一定条件下效果较好的优势，同时通过大量测量样本的观测可以得到，在时域上，从母亲腹部表面采集的胎儿心电混合信号在很多时段中具有相对稀疏的特征，也就是说单独的母亲或者胎儿心电信号在很多时刻为零或者接近于零，即混合信号中有很多时刻只有一个源信号取值占优。所以，基于源信号时域相对稀疏性的胎儿心电信号分离是提取胎儿心电信号的一种有效方法。

盲信号分离研究的信号模型主要有线性混合模型和卷积混合模型，其中盲信号线性混合模型是比较简单的一种形式。所谓线性混叠是指观测信号是多个源信号经过线性组合而得到的，典型的BSS/ICA问题就是源于对独立源信号的线性混合过程的研究，在工程上线性混叠模型也是首选的模型。

目前各种基于稀疏性的盲源分离方法一般都首先假定源信号的混叠符合线性混叠模型，并没有真正对这一前提假设进行有效的验证和判别。然而，通过许多工程实践可知，在很多情况下，进入传感器的信号很可能已经发生了非线性的混合或畸变，也就是说很多情况下并不满足线性混叠的盲分离模型，具体到基于盲分离的胎儿心电信号提取中，胎儿生活在一个特殊的环境中，处在胎膜和羊水的包围之中。胎儿心电信号从胎儿心脏传至体表，中间要经过很多肌层，人的肌肉是一个各向异性的复杂有机体，不同的部位在电信号的频谱上差异明显，而且它们的导电性能有很大的差异。另外，胎儿皮肤外包着的胎脂是脂肪层，导电性能差，有隔离作用。胎脂外有两层胎膜，导电性能也较差，所以胎儿心电信号从胎儿心脏传导到腹部体表很可能会有很大的衰减和非线性畸变以及混叠，不满足盲分离的线性混叠模型。

对于不满足盲分离线性混叠模型的情况，一种方法是通过调整传感器的位置，使得观测信号近似满足线性模型，这样就可以利用线性瞬时盲分离的诸多算法进行源信号的分离。具体到基于盲分离的胎儿心电提取的实际应用中，我们可以通过调整电极的位置近似满足盲分离线性模型。

综上所述，实施基于基于母亲心电和胎儿心电混合信号时域相对稀疏性的胎儿心电信号分离之前要做的一个重要工作是在源信号中识别出稀疏的信号段，然后利用该稀疏区域中的数据判别是否符合盲分离线性瞬时混叠的模型，据此调整电极的摆放位置，只有当符合盲分离瞬时线性模型时，才能使用基于稀疏性的盲源分离得到较好的分离结果。而本发明提出了一个高效和准确的基于基于母亲心电胎儿心电混合信号时域相对稀疏性的线性混叠盲分离模型判别方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供胎心电检测的时域稀疏性线性混叠盲分离模型的判别方法；相比现有技术，本发明可从时域上混叠有母亲心电信号、胎儿心电信号以及其他信号的观测信号中找到相对稀疏的信号段，进而在该稀疏段中对混叠线性程度进行测量，从而为后续的基于源信号时域相对稀疏性的胎儿心电信号分离提供方便。

本发明通过下述技术方案实现：

胎心电检测的时域稀疏性线性混叠盲分离模型的判别方法，包括以下步骤：

（1）在母体腹部采集多路母亲和胎儿心电混合的原始信号；

（2）对采集到的原始信号进行预处理，包括消除基线漂移，滤除50Hz工频干扰及其他高频噪声干扰，得到仅存在母亲心电信号和胎儿心电信号的观测信号；

（3）基于阈值的方法先分别识别出母亲心电R波和胎儿心电R波的位置，然后分别确定观测信号中母亲心电复合波和胎儿心电复合波的位置；

（4）根据步骤(3)所确定的母亲心电复合波和胎儿心电复合波的位置，确定观测信号中二者没有发生混叠的区域，母亲心电信号和胎儿心电信号的时域相对稀疏区域；

（5）对步骤(4)确定的时域相对稀疏区域中的多路观测信号进行分析，从而对两种心电信号的混叠程度进行度量。

上述步骤(3)具体包括如下步骤：

(3-1)用差值法以及阈值限定法得到观测信号连续差分值之和数组；

(3-2)用阈值限定法在步骤(3-1)中得到的观测信号连续差分值之和数组中分别对母亲心电R波和胎儿心电R波定位；

(3-3)根据步骤(3-2)中得到的母亲心电R波和胎儿心电R波位置信息，分别确定观测信号中母亲心电复合波和胎儿心电复合波的位置。

上述步骤(4)具体包括如下步骤：

(4-1)根据比较步骤(3)所找出的母亲心电复合波的位置和胎儿心电复合波的位置，找到出现了混叠的点；

(4-2)根据混叠点出现的位置，将相应的母亲心电的一整段心电复合波标记为混叠；

(4-3)除去在步骤(4-2)中被标记为混叠的母亲心电复合波，将余下区域标记为稀疏，从而找到了基于时域的源信号稀疏区域。

上述步骤(5)具体包括如下步骤：

(5-1)在母亲心电和胎儿心电相对稀疏的区域内截取观测信号；

(5-2)将步骤(5-1)获得的信号进行去均值和归一化处理；

(5-3)将步骤(5-2)获得的多路信号进行相关性分析；

(5-4)根据步骤(5-3)的结果判断观测信号中母亲心电和胎儿心电信号的混叠是否满足盲分离线性瞬时混叠模型。

与现有技术相比本发明的优点和效果在于：

在将基于混合信号时域稀疏性的盲源分离技术应用与胎儿心电信号提取领域中时，本发明可以从时域上混叠有母亲心电信号、胎儿心电信号以及其他信号的观测信号中找到相对稀疏的信号段，进而在该稀疏段中对混叠线性程度进行测量，从而为后续的基于源信号时域相对稀疏性的胎儿心电信号分离提供方便。在上述步骤(3)中，采用了对原始信号差分叠加的方法，放大混合信号中各个信号分量的特征，而步骤(3)中采取的阈值法实现简单，运算速度快，准确性较高，适合工程实现；同时本方法在步骤(4)中对漏检的母亲心电R波和胎儿心电R波信号进行估计，提高正确率；本方法在步骤(5)中使用相关运算判断是否符合盲分离线性瞬时混叠模型，使得运算较为简单，具有工程实际意义。

附图说明

图1是本发明的方法流程示意图；

图2中：(a)是源信号；(b)是本发明方法中源心电数据的连续差分值之和效果图；

图3中：(a)是源信号；(b)是本发明方法中得到的母亲心电复合波所在的点示意图；

图4中：(a)是源信号；(b)是本发明方法中胎儿心电复合波所覆盖的点示意图；

图5中：(a)是源信号；(b)是本发明方法中得到的母亲心电复合波所在的点示意图；(c)是本发明方法中胎儿心电复合波所覆盖的点示意图；(d)是本发明方法中获得的源信号中时域稀疏的部分；

图6中：(a)是第一路源信号；(b)是第二路源信号；(c)是源信号时域稀疏区域；

图7中：(a)是第一路源信号稀疏区域中的归一化信号波形；(b)是第二路源信号稀疏区域中的归一化信号波形，两个波形的相关性计算结果为0.9714。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。

实施例

如图1所示，本发明胎心电检测的时域稀疏性线性混叠盲分离模型的判别方法，包括以下步骤：

（1）在母体腹部采集多路母亲和胎儿心电混合的原始信号；

（2）对采集到的原始信号进行预处理，包括消除基线漂移，滤除50Hz工频干扰及其他高频噪声干扰，得到仅存在母亲心电信号和胎儿心电信号的观测信号；

（3）基于阈值的方法先分别识别出母亲心电R波和胎儿心电R波的位置，然后分别确定观测信号中母亲心电复合波和胎儿心电复合波的位置；

（4）根据步骤(3)所确定的母亲心电复合波和胎儿心电复合波的位置，确定观测信号中二者没有发生混叠的区域，母亲心电信号和胎儿心电信号的时域相对稀疏区域；

（5）对步骤(4)确定的时域相对稀疏区域中的多路观测信号进行分析，从而对两种心电信号的混叠程度进行度量。

上述步骤(3)具体包括如下步骤：

(3-1)用差值法以及阈值限定法得到观测信号连续差分值之和数组；

(3-2)用阈值限定法在步骤(3-1)中得到的观测信号连续差分值之和数组中分别对母亲心电R波和胎儿心电R波定位；

(3-3)根据步骤(3-2)中得到的母亲心电R波和胎儿心电R波位置信息，分别确定观测信号中母亲心电复合波和胎儿心电复合波的位置。

上述步骤(4)具体包括如下步骤：

(4-1)根据比较步骤(3)所找出的母亲心电复合波的位置和胎儿心电复合波的位置，找到出现了混叠的点；

(4-2)根据混叠点出现的位置，将相应的母亲心电的一整段心电复合波标记为混叠；

(4-3)除去在步骤(4-2)中被标记为混叠的母亲心电复合波，将余下区域标记为稀疏，从而找到了基于时域的源信号稀疏区域。

上述步骤(5)具体包括如下步骤：

(5-1)在母亲心电和胎儿心电相对稀疏的区域内截取观测信号；

(5-2)将步骤(5-1)获得的信号进行去均值和归一化处理；

(5-3)将步骤(5-2)获得的多路信号进行相关性分析；

(5-4)根据步骤(5-3)的结果判断观测信号中母亲心电和胎儿心电信号的混叠是否满足盲分离线性瞬时混叠模型。

下面进一步具体说明本发明的上述步骤：

（一）、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；

（二）、对采集到的信号进行预处理，包括减小基线漂移，滤除50Hz工频干扰及其他高频噪声干扰，得到混叠有母亲和胎儿心电信号的N路观测信号x_i(n)(i＝1,2,...,N,n=1,2,...,M)，其中M为观测信号长度；

（三）、选取一路较好的观测信号，对观测信号做差分运算

Δx(n)=x(n)-x(n-1)  (n=1,2,...,N)    (1)

（四）对计算出的差分信号Δx(n)进行判断，如果某段连续的差分值大于某个正阈值Δ或小于某个负阈值-Δ，则分别按照公式(2)、公式(3)将它们累加

$a\left(j\right)=\underset{n=j}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δx}\left(n\right),$ 当Δx(n)>Δ    (2)

$a\left(j\right)=\underset{n=j}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;x}\left(n\right),$ 当Δx(n)<-Δ    (3)

其中[j,k]为连续段范围，这样a(n)(n=1,2,...,N)数组中的元素保存的是源心电数据的连续差分值之和，如图2所示。

（五）、通过设置可以得到合理的正负阈值L⁺和L^-；

（六）、根据阈值法判断出母亲心电信号R波的位置，位置信息存在数组P_m(n)(n=1,2,...,L₁)中,L₁为检测出的观测信号段中母亲心电R波个数，另设一个数组A_m(n)(n=1,2,...,N)，通过对相应点置1记录包括P波、T波、QRS波在内的完整的母亲心电复合波位置，如图3所示。

（七）、通过类似的方法并通过波宽阈值和对漏检测的胎儿R波进行人为估计，得到记录胎儿心电R波位置的数组P_f(n)(n=1,2,...,L₂)和记录完整胎儿心电复合波位置的数组A_f(n)(n=1,2,...,N)（复合波所在点置-1），如图4所示，其中L₂为检测出的观测信号段中胎儿心电R波个数。

（八）、将步骤(6)和步骤(7)得到的数组A_m(n)和A_f(n)进行相加运算，

R(n)=A_m(n)+Af(n)  (n=1,2,...,N)    (4)

结果数组R(n)(n=1,2,...,N)中为0的点即为母亲心电波形和胎儿心电波形发生混叠的点，反之，不为0的点为没有发生混叠的点；

（九）、从母亲心电的角度看，数组R(n)中母亲心电波形出现的位置中如果出现值为0的点(即该点出现混叠)则判定该段母亲心电复合波于胎儿心电复合波有混叠，则将数组R(n)中对应母亲心电中该段复合波对应的点置0，即标记为有混叠的母亲心电复合波；

（十）、除去在步骤(九)中被标记为混叠的母亲心电复合波，将余下区域标记为稀疏，即标记为1，如图5所示，这样，我们就找到了源信号中时域稀疏的部分。

（十一）、将从母亲腹部采集到的多路信号中的稀疏区域抽取出来，稀疏区域在步骤(十)中已经获得，如图6所示，组成新的信号s_i(n)(n=1,2,...,M,i＝1,2,...,N)，其中M为稀疏区域的信号长度，s_i(n)表示组成的第i路新信号，然后分别做去平均值处理，使得处理之后的多路信号平均值为0，

$S_i\left(n\right)=S_i\left(n\right)-S_i\left(n\right)/\frac{1}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_i\left(j\right)(n=\mathrm{1,2},...,M)---\left(5\right)$

（十二）对从步骤(十一)中获得的信号做归一化处理，得到如图7所示归一化信号S_{nor_i}(n)(n=1,2,...,M,i＝1,2,...,N)，

S_{nor_i}(n)=S_i(n)/S_i(n)|  (n=1,2,...,M)    (6)

（十三）、对多路信号向量两两做相乘得到衡量两路信号相关性的测量值，

$C_{i,j}=\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_{\mathrm{nor}\_i}\left(n\right)*S_{\mathrm{nor}\_j}\left(n\right)---\left(7\right)$

其中i≠j，例子中两路信号的相关性计算结果为C_i,j＝0.9714；

（十四）、按照上述方法，计算多个稀疏区域的相关性并求出平均值C_ave，

$C_{\mathrm{ave}}=\frac{1}{K}\underset{n-1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_n---\left(8\right)$

其中K为稀疏区域个数；

（十五）根据步骤(十四)中得到的结果C_ave进行判定，规则如下：

其中判别阈值L_corr可根据实际情况具体取值。

如上所述便可较好地实现本发明。

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 (2)

1.胎心电检测的时域稀疏性线性混叠盲分离模型的判别方法，其特征在于，包括以下步骤：  

（1）在母体腹部采集多路母亲和胎儿心电混合的原始信号；

（2）对采集到的原始信号进行预处理，包括消除基线漂移，滤除50Hz工频干扰及其他高频噪声干扰，得到仅存在母亲心电信号和胎儿心电信号的观测信号；

（3）基于差值法以及阈值限定的方法先分别识别出母亲心电R波和胎儿心电R波的位置，然后分别确定观测信号中母亲心电复合波和胎儿心电复合波的位置；

（4）根据步骤(3)所确定的母亲心电复合波和胎儿心电复合波的位置，确定观测信号中二者没有发生混叠的区域，母亲心电信号和胎儿心电信号的时域相对稀疏区域；

（5）对步骤(4)确定的时域相对稀疏区域中的多路观测信号进行分析，从而对两种心电信号的混叠程度进行度量；

所述步骤(3)具体包括如下步骤：

(3-1)用差值法以及阈值限定法得到观测信号连续差分值之和数组；

(3-2)用阈值限定法在步骤(3-1)中得到的观测信号连续差分值之和数组中分别对母亲心电R波和胎儿心电R波定位；

(3-3)根据步骤(3-2)中得到的母亲心电R波和胎儿心电R波位置信息，分别确定观测信号中母亲心电复合波和胎儿心电复合波的位置；

所述步骤(4)具体包括如下步骤：

(4-1)根据比较步骤(3)所找出的母亲心电复合波的位置和胎儿心电复合波的位置，找到出现了混叠的点；

(4-2)根据混叠点出现的位置，将相应的母亲心电的一整段心电复合波标记为混叠；

(4-3)除去在步骤(4-2)中被标记为混叠的母亲心电复合波，将余下区域标记为稀疏，从而找到了基于时域的源信号稀疏区域。

2.根据权利要求1所述的胎心电检测的时域稀疏性线性混叠盲分离模型的判别方法，其特征在于，所述步骤(5)具体包括如下步骤： 

(5-1) 在母亲心电和胎儿心电相对稀疏的区域内截取观测信号；

(5-2)将步骤(5-1)获得的信号进行去均值和归一化处理；

(5-3)将步骤(5-2)获得的多路信号进行相关性分析； 

(5-4)根据步骤(5-3)的结果判断观测信号中母亲心电和胎儿心电信号的混叠是否满足盲分离线性瞬时混叠模型。

Images