CN102525452B - 一种基于斜投影的单通道胎儿心电盲分离装置及分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于斜投影的单通道胎儿心电盲分离装置及分离方法。本发明的分离装置包括单通道心电信号采集模块、多普勒胎儿心音采集模块、模数转换模块、微处理器、用于信号分离和显示的PC上位机,其中用于采集混叠心电信号的单通道心电信号采集模块的转入端与心电图导联电缆相连接，用于采集胎儿的心音信号的多普勒胎儿心音采集模块的输入端与超声探头相连接，单通道心电信号采集模块和多普勒胎儿心音采集模块的转出端分别与模数转换模块的模拟输入端相连，模数转换模块的数据输出端口与微处理器相连，微处理器与PC上位机相连。本发明的分离方法包括基于斜投影的胎儿心电QRS波群的定位方法和基于斜投影的单通道胎儿心电信号的盲分离，本发明的分离装置设计合理，方便实用；本发明的分离方法方便实用。

Description

一种基于斜投影的单通道胎儿心电盲分离装置及分离方法

技术领域

本发明是一种基于斜投影的单通道胎儿心电盲分离装置及分离方法，属于基于斜投影的单通道胎儿心电盲分离装置及方法的改造技术。

背景技术

胎儿心电(Fetal Electrocardiogram，FECG)是反映胎儿心脏电生理活动的一项客观指标，反映了胎儿在孕期中的生长和健康状况。对围产期的胎儿心电提取及分析可以确定胎儿心率、胎儿心脏功能参数，及时发现胎儿官内缺氧等妊娠期或分娩期的病理情况，以便尽早采取措施保证胎儿健康。

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。因此，研究如何准确、有效地从母体腹部电极中提取胎儿心电信号的方法具有重要的理论价值和临床意义。

传统的多通道线性瞬时混叠盲分离对工程实现要求过高，主要表现在：

1)给硬件电路设计、调试带来了较大困难。多通道信号采集装置中，各通道的系统响应要一致，不可避免地增加了设计和调试的难度。

2)在使用过程中，电极位置的确定存在很多困难。由于人体的各向异性，要求多个通道的观测信号均为母亲心电信号和胎儿心电信号(源信号)的线性混叠，对电极摆放的位置提出了很高要求。

单通道盲分离很好地解决了上述问题，是由于有以下优点：

1)在工程上，单通道混合的模型容易满足。单通道盲分离系统只有一个观测信号，母亲心电和胎儿心电信号只需满足线性叠加原理即可。这在工程上容易实现。

2)硬件电路的设计和调试简单。信号采集装置中只有一个观测通道，设计和调试较容易。

3)电极的数目少，电极位置灵活。单通道系统只需要两个信号电极(差动)，只要能在孕妇腹部上观测到较明显的胎儿心电信号就可以实现胎心电的分离。

但是，目前全盲条件下的单通道盲分离算法还不成熟。本发明基于斜投影单通道盲分离算法利用了源信号的先验信息——母亲心电和胎儿心电信号波群在观测信号中的位置，可以实现单通道胎心电的分离。

母亲心电QRS波群信号强，容易获得母亲心电QRS波群的精确时间位置。但是，胎儿心电信号幅度小，常常淹没在噪声之中，获得胎儿心电QRS波群的精确时间位置就比较困难。为此，可以考虑以胎儿心音作为参考信号引导我们获取胎儿心电QRS波群的在腹部观测信号中的时间位置。但是，许多研究表明，心音信号与心电信号只有粗略的对应关系，并不严格同步，即每一个心音都对应一个心电波群，心电信号以随机时间先于心音信号出现。成人心电信号R波超前第一心音S1音约0.03～0.06秒，而胎儿的情况目前还没有查到相关文献，但估计与成人类似。下面以成人的情况为例计算截取的位置误差。我们自行设计的硬件系统采样率500Hz，那么就会产生15-30个样本点的截取位置误差，因此，腹部观测信号中胎儿心电波群的定位是整个单通道胎心电盲分离算法的重点和难点。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种设计合理，方便实用的基于斜投影的单通道胎儿心电盲分离装置。

本发明的另一目的在于提供一种操作方便的基于斜投影的单通道胎儿心电盲的分离方法。

本发明的技术方案是：本发明的基于斜投影的单通道胎儿心电盲分离装置，包括有单通道心电信号采集模块、多普勒胎儿心音采集模块、模数转换模块、微处理器、用于信号分离和显示的PC上位机，其中用于采集混叠心电信号的单通道心电信号采集模块的转入端与心电图导联电缆相连接，用于采集胎儿的心音信号的多普勒胎儿心音采集模块的输入端与超声探头相连接，单通道心电信号采集模块和多普勒胎儿心音采集模块的转出端分别与模数转换模块的模拟输入端相连，模数转换模块的数据输出端口与微处理器相连，微处理器与PC上位机相连。

上述微处理器通过串口线与PC上位机相连。

上述单通道心电信号采集模块包括前置放大电路、工频陷波电路、带通滤波电路、后级放大电路、定标信号电路和定标控制电路，其中用于接收模拟混叠心电信号的前置放大电路与心电图导连线电连接，前置放大电路的输出端与工频陷波电路电连接，工频陷波电路的输出信号通过带通滤波电路，后经后级放大电路放大，最后输入到模数转换模块，接收微处理器传来的定标信号的定标信号电路与微处理器电连接。

上述模数转换模块采用多路14位高精度的模数转换器。

上述模数转换模块由两路分别用于心电信号和心音信号采集的高精度AD转换器构成。

上述多普勒胎儿心音采集模块包括前置放大电路、放大检波电路和脉冲形成电路，其中前置放大电路的输入端与超声探头电连接，前置放大电路的输出端与放大检波电路电连接，放大检波电路输出端与脉冲形成电路的输入端电连接，脉冲形成电路的输出端将信号送至模数转换模块进行数模转换。

上述微处理器采用ARM芯片；上述ARM通过专用的SPI口与AD转换电连接，进行通信和数据传输。

本发明的基于斜投影的单通道胎儿心电盲分离装置的分离方法，包括以下步骤：

1)利用单通道信号采集装置在母亲腹部采集母亲和胎儿心电相互混叠的母亲胎儿混合心电信号，同时用多普勒超声探头在相应位置采集胎心音信号；

2)对采集到的腹部混叠心电信号进行预处理，包括采用中值滤波去除基线漂移以及IIR数字滤波器进行50Hz工频陷波；

3)采用基于斜投影的方法并结合采集到的胎心音对经过预处理的母亲胎儿混合心电信号中的母亲心电和胎儿心电信号分别进行定位；

4)采用以斜投影算子为基础的盲源分离算法从母亲胎儿混合心电信号中将母亲心电信号和胎儿心电信号分离出来。

上述步骤3)中，基于斜投影的母亲心电和胎儿心电QRS波的定位方法采用斜投影技术利用信号幅度较大的母亲心电QRS波群和与母亲心电波群未重叠的胎儿心电QRS波群，检测相邻的与母亲心电QRS波群重叠的胎儿心电QRS波群的位置，具体包括如下步骤：

31)对经过预处理的混合信号用小波变换进一步剔除母亲心电的P波和T波成分，得到的信号中仅仅包含母体心电的R波与胎儿心电波群；

32)采用差分阈值限定法对母亲心电的R波以及未混叠的胎儿心电进行精确定位；

33)结合胎心音对混叠在母体心电R波中的胎儿心电进行区域限定

34)对混叠的胎儿心电在限定区域内采用穷举法逐点运用斜投影方法对原信号进行盲分离，由产生的一系列误差e中选取最小误差所在的位置，即为与母体心电R波混叠的胎儿心电的位置。

C＝{I_n×k(q)，I_n×k(q+1)，L，I_n×k(q+L-1)}

其中表示从观测信号x截取的一段需要进行胎儿心电波群搜索定位的母亲心电和胎儿心电混合信号。在这段信号中必须包括一个已知的未重叠母亲心电信号波群以确定母亲心电信号模板θ和与之对应的移位矩阵H，以及一个已知的未重叠的胎儿心电信号波群和与之对应的移位矩阵S₂。如果包含一个未重叠母亲心电信号波群不能满足，则需要事先用相干平均法等方法从观测信号中估计母亲心电波群的信号模板θ和移位矩阵H；自变量S₁表示被母亲心电信号波群混叠的胎儿心电信号波群可能的位置所对应的移位矩阵，这里采用类似滑窗的形式从集合C确定S₁的取值；斜投影算子E_H|S表示，沿子空间S＝S₁+S₂平行的方向，到子空间H上的投影；可行域为集合C，它表示搜索窗口滑动时S₁对应的移位矩阵的集合；I_n×k(q)表示n×k的移位矩阵，单位矩阵I_n×k从第q行开始；k表示经胎心音信号粗略定位的胎儿心电信号波群的宽度；待搜索的腹部观测信号窗口的长度为L-1，k和L需要事先确定。

上述步骤4)具体包括如下步骤：

41)将经过步骤3)的定位的一段单通道观测的母亲胎儿混合心电信号用x表示，而

42)根据对信号x中母亲心电和胎儿心电的定位信息及母亲心电波群和胎儿心电波群的数目来分别生成母亲心电波群和胎儿心电波群对应的移位矩阵H和S；

43)查看信号x中母亲心电波群与胎儿心电波群的重叠情况，判断矩阵H、S及[H，S]是否满秩，为了运用基于斜投影算子的分离方法，必须保证矩阵H、S及[H，S]都是满秩矩阵；

44)在生成的矩阵H、S及[H，S]都是满秩的情况下，就可以通过基于斜投影算子的方法生成分离矩阵E_H|S和E_S|H；

45)根据斜投影算子的相关性质，我们可以通过 来分离母亲胎儿混合心电信号得到其中的母亲心电信号分量α和胎儿心电信号分量β。

本发明的基于斜投影的单通道胎儿心电盲分离装置包括有单通道心电信号采集模块、多普勒胎儿心音采集模块、模数转换模块、微处理器、用于信号分离和显示的PC上位机的结构，采集的信号包括母体腹部单通道混叠心电信号以及胎心音信号，通过采集的信号、传输数据及数据分析，实现基于斜投影的胎儿心电QRS波群的定位以及的胎儿心电信号的盲分离，提取出胎儿心电分量并显示出来。本发明基于斜投影的单通道胎儿心电盲分离的方法包括基于斜投影的胎儿心电QRS波群的定位方法和基于斜投影的单通道胎儿心电信号的盲分离，基于斜投影的单通道胎儿心电信号的盲分离主要是将胎儿心电信号和母亲心电信号分别作为两个子空间<H>和<S>的投影，且<H>和<S>无交连。那么<H>和<S>构成空间<H，S>的直和分解，即这样，利用斜投影就可以实现胎儿心电和母亲心电的分离。该发明基于斜投影的单通道胎儿心电信号的盲分离要求事先已知母亲心电QRS波群和胎儿心电QRS波群在腹部观测位置中的精确时间位置。对于母亲心电QRS波群以及未与之混叠的胎儿心电QRS波群的定位利用阈值限定和小波去噪实现，而对于与母亲心电QRS波群相混叠的胎儿心电定位，本发明采用胎心音引导的基于斜投影的定位方法。本发明的基于斜投影的单通道胎儿心电盲的分离方法方便实用。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明单通道采集心电装置的硬件原理图；

图3是本发明中单通道信号采集、胎心音采集及模数转换原理图；

图4是本发明对母亲心电和胎儿心电定位的流程图；

图5是本发明中用小波阈值处理后的效果；其中图5(a)为原始观测信号，图5(b)是经阈值处理后的L＝3尺度的平稳小波分解

图6是本发明中根据阈值法确定的母亲心电QRS波群与未混叠的胎儿心电波群的定位效果；其中图6(a)是原始信号经过阈值处理后L＝3的平稳小波分解；图6(b)是用阈值法检测到的母体心电的QRS波群的定位；图6(c)是用阈值法检测到的未混叠的胎儿心电的定位。

图7是本发明中根据母亲心电波群与胎心音确定的混叠胎儿心电波群区域限定；其中图7(a)是原始信号经过阈值处理后L＝3的平稳小波分解；图7(b)是母亲心电QRS波群的定位；图7(c)是由胎心音得到的对胎儿心电的范围限定；图7(d)是母亲心电QRS波群和胎儿心电范围限定相加的效果。

图8是本发明中定位方法最终的定位效果；其中图8(a)是用本发明中的定位方法确定的混叠胎儿心电的位置，图8(b)是用传统匹配滤波得到的胎儿心电的真实位置。

图9是本发明中基于斜投影的胎儿心电盲分离方法的流程图

图10是本发明对母亲胎儿混合心电信号进行盲源分离的效果图。其中图10(a)为观测到的混合心电信号，图10(b)为分离出的母亲心电信号，图10(c)为分离出的胎儿心电信号。

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，本发明的基于斜投影的单通道胎儿心电盲分离装置，包括有单通道心电信号采集模块1、多普勒胎儿心音采集模块2、模数转换模块3、微处理器4、用于信号分离和显示的PC上位机5，其中用于采集混叠心电信号的单通道心电信号采集模块1的转入端与心电图导联电缆6相连接，用于采集胎儿的心音信号的多普勒胎儿心音采集模块2的输入端与超声探头7相连接，单通道心电信号采集模块1和多普勒胎儿心音采集模块2的转出端分别与模数转换模块3的模拟输入端相连，模数转换模块3的数据输出端口与微处理器4相连，微处理器4与PC上位机5相连。

上述微处理器4通过串口线与PC上位机5相连。

上述单通道心电信号采集模块1包括前置放大电路11、工频陷波电路12、带通滤波电路13、后级放大电路14、定标信号电路15和定标控制电路16，其中用于接收模拟混叠心电信号的前置放大电路11与心电图导连线电连接，前置放大电路11的输出端与工频陷波电路12电连接，工频陷波电路12的输出信号通过带通滤波电路(13)，后经后级放大电路14放大，最后输入到模数转换模块3，接收微处理器4传来的定标信号的定标信号电路15与微处理器4电连接。

上述模数转换模块3采用多路14位高精度的模数转换器。一个采样信号用两个字节表示，用于完成模拟信号到数字信号的转换，方便后面的信号处理。模数转换器的采样方式和采样速率可调。

上述模数转换模块3由两路分别用于心电信号和心音信号采集的高精度AD转换器构成。

上述多普勒胎儿心音采集模块2包括前置放大电路21、放大检波电路22和脉冲形成电路23，其中前置放大电路21的输入端与超声探头电连接，前置放大电路21的输出端与放大检波电路22电连接，放大检波电路22输出端与脉冲形成电路23的输入端电连接，脉冲形成电路23的输出端将信号送至模数转换模块3进行数模转换。

为了更好地实现发明目的，在本实施应用中，微处理器4采用ARM芯片，来对AD转换器转换的数字信号进行处理，但本发明的实施方式并不限于些。ARM通过专用的SPI口与AD转换电连接，进行通信和数据传输。ARM将AD转换器转换的数字信号进行数据格式的转换，然后打包通过串口发往PC上位机，由PC上位机软件通过本发明的算法对心电信号进行分离，然后将分离出来的胎儿心电信号显示出来。

本发明的基于斜投影的单通道胎儿心电盲分离装置的分离方法，包括以下步骤：

1)利用单通道信号采集装置在母亲腹部采集母亲和胎儿心电相互混叠的母亲胎儿混合心电信号，同时用多普勒超声探头在相应位置采集胎心音信号。

2)对采集到的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工频干扰等；

3)采用基于斜投影的方法并结合采集到的胎心音对经过预处理的母亲胎儿混合心电信号中的母亲心电和胎儿心电信号分别进行定位；

4)采用以斜投影算子为基础的盲源分离算法从母亲胎儿混合心电信号中将母亲心电信号和胎儿心电信号分离出来。

所述步骤2)中，对心电信号进行预处理的方法中基线漂移矫正方法采用中值滤波方法，其中将采样窗口长度取为M＝81；而50Hz工频干扰则采用IIR数字陷波器去除。

所述步骤3)中，基于斜投影的母亲心电和胎儿心电QRS波的定位方法采用斜投影技术利用信号幅度较大的母亲心电QRS波群和与母亲心电波群未重叠的胎儿心电QRS波群，检测相邻的与母亲心电QRS波群重叠的胎儿心电QRS波群的位置。如图4所示，具体包括如下步骤：

(3-1)对经过步骤2)预处理的腹部混叠信号进行基于离散平稳小波的去噪处理，剔除混叠信号中母体心电P波和Q波的影响，同时增强胎儿心电的分量，具体包括一下步骤：

(3-1-1)对经过步骤2)预处理的腹部观测信号用db2小波做L＝5的离散平稳小波变换；

(3-1-2)对L＝3尺度上的细节信号D3进行阈值处理，这里采用比较简单的硬阈值函数：

中胎儿心电信号波群对应的L＝3尺度上的细节信号部分的绝对值，其长度为N。

细节信号D₃的波形如图5所示。图5(a)是从混叠信号中截取的一段信号，图5(b)是经过以上小波去噪处理后的小波系数，可见母亲心电P波、T波的影响基本被滤除。

(3-2)对经过小波阈值去噪处理后的系数进行差分阈值限定，可得到母亲心电波群以及未混叠的胎儿心电波群的精确定位；如图6所示，图6(a)是经过小波去噪后的小波系数，图6(b)和图6(c)分别是采用差分阈值限定后母亲心电波群的定位(可能混叠着胎儿心电)和未混叠的胎儿心电波群的定位

(3-3)结合胎心音信号可以估计出混叠在母亲QRS波群的胎儿心电的大致范围，把混叠的胎儿心电标记出来，如图7所示，图7(a)是原信号经过小波阈值处理后的小波系数，图7(b)是母亲心电QRS波群区域限定，图7(c)胎心音所确定的胎儿心电波群区域限定，图7(d)是母亲心电波群与胎儿心电波群叠加的结果，可以看出混叠的区域。

(3-4)对混叠的胎儿心电在限定区域内采用穷举法逐点运用斜投影方法对原信号进行盲分离，由产生的一系列误差e中选取最小误差所在的位置，即为与母体心电R波混叠的胎儿心电的位置。

C＝{I_n×k(q)，I_n×k(q+1)，L，I_n×k(q+L-1)}

其中表示从观测信号x截取的一段需要进行胎儿心电波群搜索定位的母亲心电和胎儿心电混合信号。在这段信号中必须包括一个已知的未重叠母亲心电信号波群以确定母亲心电信号模板θ和与之对应的移位矩阵H，以及一个已知的未重叠的胎儿心电信号波群和与之对应的移位矩阵S₂。如果包含一个未重叠母亲心电信号波群不能满足，则需要事先用相干平均法等方法从观测信号中估计母亲心电波群的信号模板θ和移位矩阵H；自变量S₁表示被母亲心电信号波群混叠的胎儿心电信号波群可能的位置所对应的移位矩阵，这里采用类似滑窗的形式从集合C确定S₁的取值；斜投影算子E_H|S表示，沿子空间S＝S₁+S₂平行的方向，到子空间H上的投影；可行域为集合C，它表示搜索窗口滑动时S₁对应的移位矩阵的集合；I_n×k(q)表示n×k的移位矩阵，单位矩阵I_k×k从第q行开始；k表示经胎心音信号粗略定位的胎儿心电信号波群的宽度；待搜索的腹部观测信号窗口的长度为L-1，k和L需要事先确定。

图8(a)是对图5中截取的一段信号，结合M1，M2，F1，F2的定位信息，用穷举法对F3进行搜索的结果，图8(b)是利用传统的多通道匹配滤波得到的F3的真实位置，可见当x＝1035时斜投影分离算法的误差最小，这与F3的真实位置相吻合。

如图9所示，所述步骤4)具体包括如下步骤：

(4-1)经过所述步骤2)的预处理和步骤3)的定位的一段单通道观测信号用x表示，则

其中x，α，β∈R^n×1，n为信号长度；α和β分别表示x中的母亲心电信号分量和胎儿心电信号分量；和θ∈R^k×1分别为母亲心电信号波群的模板和胎儿心电信号波群的模板，m和k分别表示两模板的长度；H_i∈R^n×m，m＜n和S_j∈R^n×k，k＜n表示第i个母亲心电波群和第j个胎儿心电波群对应的移位矩阵，一般k＜m；a和b分别表示x中母亲心电波群与胎儿心电波群出现的个数。若令 那么上式简写为：

(4-2)根据对信号x中母亲心电和胎儿心电的定位信息及母亲心电波群和胎儿心电波群的数目来分别生成H矩阵和S矩阵。由于在实际算法实现中我们截取的一段单通道观测信号x中包含两个母亲心电波群和两个胎儿心电波群，即a＝2，b＝2，那么就有：

$\stackrel{\&OverBar;}{H}={\left[\begin{array}{ccccc}{0}^T& I_{m\&times;m}^{\left(i\right)}& 0^T& I_{m\&times;m}^{\left(i\right)}& 0^T\end{array}\right]}_{m\&times;n}^T$

$\stackrel{\&OverBar;}{S}={\left[\begin{array}{ccccc}{0}^T& I_{k\&times;k}^{\left(k\right)}& 0^T& I_{k\&times;k}^{\left(l\right)}& 0^T\end{array}\right]}_{k\&times;n}^T$

(4-3)查看信号x中母亲心电波群与胎儿心电波群的重叠情况，判断矩阵H、S及[H，S]是否满秩，为了运用基于斜投影算子的分离方法，必须保证矩阵H、S及[H，S]都是满秩矩阵。而一般观测信号的长度大于两种心电波群模板的长度，所以有 成立，对于我们这里的信号x，有a＝2、b＝2，这种情况只有当两个母亲心电波群和两个胎儿心电波群重合时才有但这意味着母亲的心率和胎儿心率完全一致，现实中不可能出现，而其他情况均满足

(4-4)由于信号x满足矩阵H、S及[H，S]都是满秩的要求，下面就可以通过基于斜投影算子的方法生成分离矩阵E_H|S和E_S|H：

$E_{H|S}=[H,O]{\left[\begin{array}{cc}{H}^{H}H& H^{H}S\\ S^{H}H& S^{H}S\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{H}^H\\ S^H\end{array}\right]$

$E_{S|H}=[O,S]{\left[\begin{array}{cc}{H}^{H}H& H^{H}S\\ S^{H}H& S^{H}S\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{H}^H\\ S^H\end{array}\right]$

(4-5)根据斜投影算子的相关性质，有：

即有：

$\widehat{\mathrm{\&alpha;}}=E_{H|S}x$

$\widehat{\mathrm{\&beta;}}=E_{S|H}x$

因此我们可以通过以上两式分离母亲胎儿混合心电信号得到其中的母亲心电信号分量α和胎儿心电信号分量β。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10所示，其中图10(a)为观测到的混合心电信号，图10(b)为分离出的母亲心电信号，图10(c)为分离出的胎儿心电信号。

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 (8)

1.一种基于斜投影的单通道胎儿心电盲分离装置，包括有单通道心电信号采集模块（1）、多普勒胎儿心音采集模块（2）、模数转换模块（3）、微处理器（4）、用于信号分离和显示的PC上位机（5）,其中用于采集混叠心电信号的单通道心电信号采集模块（1）的输入端与心电图导联电缆（6）相连接，用于采集胎儿的心音信号的多普勒胎儿心音采集模块（2）的输入端与超声探头（7）相连接，单通道心电信号采集模块（1）和多普勒胎儿心音采集模块（2）的输出端分别与模数转换模块（3）的模拟输入端相连，模数转换模块（3）的数据输出端口与微处理器（4）相连，微处理器（4）与PC上位机（5）相连； 

上述PC上位机（5）采用基于斜投影的方法并结合采集到的胎心音对经过预处理的母亲胎儿混合心电信号中的母亲心电和胎儿心电信号分别进行定位； 

上述PC上位机（5）采用以斜投影算子为基础的盲源分离算法从母亲胎儿混合心电信号中将母亲心电信号和胎儿心电信号分离出来； 

上述基于斜投影的母亲心电和胎儿心电QRS波的定位方法采用斜投影技术，利用信号幅度较大的母亲心电QRS波群和与母亲心电波群未重叠的胎儿心电QRS波群，检测相邻的与母亲心电QRS波群重叠的胎儿心电QRS波群的位置，具体包括如下步骤： 

31）对经过预处理的混合信号用小波去噪进一步剔除母亲心电的P波和T波成分，得到的信号中仅仅包含母体心电的QRS波与胎儿心电波群； 

32）采用差分阈值限定法对母亲心电的QRS波以及未混叠的胎儿心电进行精确定位； 

33）结合胎心音对混叠在母体心电QRS波中的胎儿心电进行区域 限定；

34）对混叠的胎儿心电在限定区域内采用穷举法逐点运用斜投影方法对原信号进行盲分离，由产生的一系列误差e中选取最小误差所在的位置，即为与母体心电R波混叠的胎儿心电的位置； 

其中表示从观测信号x截取的一段需要进行胎儿心电波群搜索定位的母亲心电和胎儿心电混合信号；在这段信号中必须包括一个已知的未重叠母亲心电信号波群以确定母亲心电信号模板θ和与之对应的移位矩阵H，以及一个已知的未重叠的胎儿心电信号波群和与之对应的移位矩阵S₂；如果包含一个未重叠母亲心电信号波群不能满足，则需要事先用相干平均法从观测信号中估计母亲心电波群的信号模板θ和移位矩阵H；自变量S₁表示被母亲心电信号波群混叠的胎儿心电信号波群可能的位置所对应的移位矩阵，这里采用类似滑窗的形式从集合C确定S₁的取值；斜投影算子E_H|S表示，沿子空间S＝S₁+S₂平行的方向，到子空间H上的投影；可行域为集合C，它表示搜索窗口滑动时S₁对应的移位矩阵的集合；I_n×k(q)表示n×k的移位矩阵，单位矩阵I_k×k从第q行开始；k表示经胎心音信号粗略定位的胎儿心电信号波群的宽度；待搜索的腹部观测信号窗口的长度为L-1，k和L需要事先确定； 

上述PC上位机（5）采用以斜投影算子为基础的盲源分离算法从母亲胎儿混合心电信号中将母亲心电信号和胎儿心电信号分离出来的具体过程包括如下步骤： 

41）将经过步骤3）的定位的一段单通道观测的母亲胎儿混合心电信号用x表示，而

42）根据对信号x中母亲心电和胎儿心电的定位信息及母亲心电波群和胎儿心电波群的数目来分别生成母亲心电波群和胎儿心电波群对应的移位矩阵H和S； 

43）查看信号x中母亲心电波群与胎儿心电波群的重叠情况，判断矩阵H、S及[H,S]是否满秩，为了运用基于斜投影算子的分离方法，必须保证矩阵H、S及[H,S]都是满秩矩阵； 

44）在生成的矩阵H、S及[H,S]都是满秩的情况下，通过基于斜投影算子的方法生成分离矩阵E_H|S和E_S|H； 

45）根据斜投影算子的相关性质，通过来分离母亲胎儿混合心电信号得到其中的母亲心电信号分量α和胎儿心电信号分量β；和θ∈R^k×1分别为母亲心电信号波群的模板和胎儿心电信号波群的模板，a和b分别表示x中母亲心电波群与胎儿心电波群出现的个数。 

2.根据权利要求1所述的基于斜投影的单通道胎儿心电盲分离装置，其特征在于上述微处理器（4）通过串口线与PC上位机（5）相连。 

3.根据权利要求1所述的基于斜投影的单通道胎儿心电盲分离装置，其特征在于上述单通道心电信号采集模块（1）包括前置放大电路（11）、工频陷波电路（12）、带通滤波电路（13）、后级放大电路（14）、定标信号电路（15）和定标控制电路（16），其中用于接收模拟混叠心电信号的前置放大电路（11）与心电图导联线电连接，前置放大电路（11）的输出端与工频陷波电路（12）电连接，工频陷波电路（12）的输出信号通过带通滤波电路（13），后经后级放大电路（14）放大，最后输入到模数转换模块（3），接收微处理器（4）传来的定标信号的定标信号电路（15）与微处理器（4）电连接。 

4.根据权利要求1所述的基于斜投影的单通道胎儿心电盲分离装置，其特征在于上述模数转换模块（3）采用多路14位高精度的模数转换器。 

5.根据权利要求1所述的基于斜投影的单通道胎儿心电盲分离装置，其特征在于上述模数转换模块（3）由两路分别用于心电信号和心音信号采集的高精度AD转换器构成。 

6.根据权利要求1所述的基于斜投影的单通道胎儿心电盲分离装置，其特征在于上述多普勒胎儿心音采集模块（2）包括前置放大 电路（21）、放大检波电路（22）和脉冲形成电路（23），其中前置放大电路（21）的输入端与超声探头电连接，前置放大电路（21）的输出端与放大检波电路（22）电连接，放大检波电路（22）输出端与脉冲形成电路（23）的输入端电连接，脉冲形成电路（23）的输出端将信号送至模数转换模块（3）进行数模转换。 

7.根据权利要求1所述的基于斜投影的单通道胎儿心电盲分离装置，其特征在于上述微处理器（4）采用ARM芯片；上述ARM通过专用的SPI口与模数转换模块（3）电连接，进行通信和数据传输。 

8.一种根据权利要求1所述的基于斜投影的单通道胎儿心电盲分离装置的分离方法，其特征在于包括以下步骤： 

1）利用单通道心电信号采集模块（1）在母亲腹部采集母亲和胎儿心电相互混叠的母亲胎儿混合心电信号，同时用多普勒超声探头在相应位置采集胎心音信号; 

2）对采集到的腹部混叠心电信号进行预处理，包括采用中值滤波去除基线漂移以及IIR数字滤波器进行50Hz工频陷波； 

3）采用基于斜投影的方法并结合采集到的胎心音对经过预处理的母亲胎儿混合心电信号中的母亲心电和胎儿心电信号分别进行定位； 

4）采用以斜投影算子为基础的盲源分离算法从母亲胎儿混合心电信号中将母亲心电信号和胎儿心电信号分离出来； 

上述步骤3）中，基于斜投影的母亲心电和胎儿心电QRS波的定位方法采用斜投影技术，利用信号幅度较大的母亲心电QRS波群和与母亲心电波群未重叠的胎儿心电QRS波群，检测相邻的与母亲心电QRS波群重叠的胎儿心电QRS波群的位置，具体包括如下步骤： 

31）对经过预处理的混合信号用小波去噪进一步剔除母亲心电的P波和T波成分，得到的信号中仅仅包含母体心电的QRS波与胎儿心电波群； 

32）采用差分阈值限定法对母亲心电的QRS波以及未混叠的胎儿心电进行精确定位； 

33）结合胎心音对混叠在母体心电QRS波中的胎儿心电进行区域 限定；

34）对混叠的胎儿心电在限定区域内采用穷举法逐点运用斜投影方法对原信号进行盲分离，由产生的一系列误差e中选取最小误差所在的位置，即为与母体心电R波混叠的胎儿心电的位置； 

其中表示从观测信号x截取的一段需要进行胎儿心电波群搜索定位的母亲心电和胎儿心电混合信号；在这段信号中必须包括一个已知的未重叠母亲心电信号波群以确定母亲心电信号模板θ和与之对应的移位矩阵H，以及一个已知的未重叠的胎儿心电信号波群和与之对应的移位矩阵S₂；如果包含一个未重叠母亲心电信号波群不能满足，则需要事先用相干平均法从观测信号中估计母亲心电波群的信号模板θ和移位矩阵H；自变量S₁表示被母亲心电信号波群混叠的胎儿心电信号波群可能的位置所对应的移位矩阵，这里采用类似滑窗的形式从集合C确定S₁的取值；斜投影算子E_H|S表示，沿子空间S＝S₁+S₂平行的方向，到子空间H上的投影；可行域为集合C，它表示搜索窗口滑动时S₁对应的移位矩阵的集合；I_n×k(q)表示n×k的移位矩阵，单位矩阵I_k×k从第q行开始；k表示经胎心音信号粗略定位的胎儿心电信号波群的宽度；待搜索的腹部观测信号窗口的长度为L-1，k和L需要事先确定； 

上述步骤4）具体包括如下步骤： 

41）将经过步骤3）的定位的一段单通道观测的母亲胎儿混合心电信号用x表示，而

42）根据对信号x中母亲心电和胎儿心电的定位信息及母亲心电波群和胎儿心电波群的数目来分别生成母亲心电波群和胎儿心电波群对应的移位矩阵H和S； 

43）查看信号x中母亲心电波群与胎儿心电波群的重叠情况，判断矩阵H、S及[H,S]是否满秩，为了运用基于斜投影算子的分离方法，必须保证矩阵H、S及[H,S]都是满秩矩阵； 

44）在生成的矩阵H、S及[H,S]都是满秩的情况下，通过基于斜投影算子的方法生成分离矩阵E_H|S和E_S|H； 

45）根据斜投影算子的相关性质，通过来分离母亲胎儿混合心电信号得到其中的母亲心电信号分量α和胎儿心电信号分量β；和θ∈R^k×1分别为母亲心电信号波群的模板和胎儿心电信号波群的模板，a和b分别表示x中母亲心电波群与胎儿心电波群出现的个数。