CN103263262A

CN103263262A - 测量胎儿心率的系统及方法

Info

Publication number: CN103263262A
Application number: CN2013102031071A
Authority: CN
Inventors: 费晓强
Original assignee: Jabil Circuit Shanghai Ltd
Current assignee: Jabil Circuit Shanghai Ltd
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2033-05-28
Also published as: CN103263262B

Abstract

本发明涉及测量胎儿心率的系统及方法。该系统包括：从母体采集母体心电信号的母体心电信号采集单元；从母体的腹部采集包含母体心电信号及胎儿心电信号的腹部混合信号的腹部混合信号采集单元；心电信号处理单元，配置为接收来自母体心电信号采集单元的母体心电信号及来自腹部混合信号采集单元的腹部混合信号，该心电信号处理单元识别母体心电信号的R波的位置并基于母体心电信号的R波的位置确定母体心电信号的QRS波段信号，该心电信号处理单元将母体心电信号的QRS波段信号从腹部混合信号中去除以得到胎儿心电信号；及胎儿心率计算单元，配置为识别胎儿心电信号的R波的位置并根据胎儿心电信号的相邻的两个R波之间的时间间隔计算胎儿心率。

Description

测量胎儿心率的系统及方法

技术领域

本发明涉及心率测量领域，具体地，涉及一种测量胎儿心率的系统及方法。

背景技术

胎儿心率（FHR）是监测胎儿的生长发育状况的重要指标，通过获取的胎儿心率可以判定胎儿的生长发育中是否发生异常状况，以便可以及早采取补救的措施，保障胎儿及孕妇的健康与安全。当前胎儿心率主要通过多普勒超声的方法检测，如普遍采用各种多普勒胎心仪对胎心进行监护，其根据多普勒效应制成的超声诊断胎心的状况，从而可以得到胎儿心率。

在现有技术中，已公开了多种采用多普勒超声方法测量胎儿心率的设备及方法。例如，在中国专利公布CN102499717A中公开了一种便携式超声多普勒胎儿心率监护仪及其控制方法，该监护仪具备超声波发射接收单元、胎儿心率信号提取及处理单元，通过从回射的超声波信号中提取胎儿心率信号并进行处理而得到胎儿心率。

上述采用多普勒超声的方法虽然能够有效地监护胎儿心率，但是因为超声辐射的能量会进入人体，考虑到该超声辐射会对人体的健康产生影响，因此在采用多普勒超声的方法监护胎儿心率时，在其监护次数及检测方法上都要受到控制，而不能频繁且长期地使用。此外，当胎儿在母体内活动时，采用上述多普勒超声方法测量动态的胎儿心率会产生一定的误差，从而容易导致误诊的情况发生。

此外，由于心脏的每一个心动周期均伴随着生物电变化，这种生物电变化可传达到身体表面的各个部位，由于身体各部分组织不同、距心脏的距离不同，该生物电变化在身体不同的部位所表现出的电位也不同，若通过电极将体表不同部位的电信号检测出来就可得到心电图形，即心电信号（ECG信号）。一个周期的ECG信号包括P波、QRS波及T波。借助于此，可以使用胎儿的心电信号获取胎儿心率。目前已知的方法有基于孕妇心电信号获取胎儿心电信号以得到胎儿心率。

具体的是通过电极方式采集孕妇腹部心电信号，从所采集的孕妇腹部心电信号中分离并计算出胎儿心率。此种方法对胎儿及孕妇来说都是一种无创的方法，可以避免对人体有害的超声能量等进入人体，因此相对于前述采用多普勒超声的方法更为安全，且可实现长期监控。但是由于孕妇腹部心电信号通常包含母体心电信号和胎儿心电信号以及来自胎儿的肌肉运动和呼吸运动所产生的噪声等，因此如何从孕妇腹部心电信号中计算出胎儿心率一直是个难题，采用传统的相干平均法，匹配滤波法，自适应滤波法等识别率较低，效果不是很好。

关于上述基于孕妇腹部心电信号计算出胎儿心率的方法，已知的有如美国专利公开US5372139中所公开的方法，即、使用经由胸部导联采集的纯母体心电信号（MECG）作为触发信号，从经由腹部导联采集的包含MECG信号及胎儿心电信号（FECG）的母体腹部混合信号中抑制MECG信号从而得到完整的FECG信号。

但是，上述美国专利公开US5372139中所公开的方法是使用纯MECG信号作为触发信号，通过平均法得到一个相对准确的MECG心电周期信号，然后从母体腹部混合信号中去除所有的这个平均的MECG信号，以得到完整的包括P波、QRS波及T波的FECG信号，进而根据该FECG信号可得到胎儿心率。此方法不仅可以计算胎儿心率，其目的主要在于能够得到清晰及准确的完整的FECG信号，且通过增强并分析该完整的FECG信号以监测胎儿的心脏活动，因此其算法相对复杂。且由于这个平均的MECG信号同每段的MECG信号还是有一些区别，因此若在母体腹部混合信号中去除所有的MECG信号时，可能会引起额外的误差，反而不利于胎儿心率的计算，导致胎儿心率计算的准确率下降。

发明内容

鉴于以上所述，本发明所要解决的技术问题在于提供一种计算简单且准确率高的测量胎儿心率的系统及方法。

为了解决上述技术问题，根据本发明的一方面，提供一种测量胎儿心率的系统，包括：母体心电信号采集单元，用于从母体采集母体心电信号；腹部混合信号采集单元，用于从母体的腹部采集包含母体心电信号及胎儿心电信号的腹部混合信号；心电信号处理单元，所述心电信号处理单元配置为接收来自所述母体心电信号采集单元的所述母体心电信号及来自所述腹部混合信号采集单元的所述腹部混合信号，所述心电信号处理单元识别所述母体心电信号的R波的位置并基于所述母体心电信号的R波的位置确定所述母体心电信号的QRS波段信号，所述心电信号处理单元将所述母体心电信号的QRS波段信号从所述腹部混合信号中去除以得到胎儿心电信号；以及胎儿心率计算单元，所述胎儿心率计算单元配置为识别所述胎儿心电信号的R波的位置并根据所述胎儿心电信号的相邻的两个R波之间的时间间隔计算胎儿心率。

根据本发明，采用该测量胎儿心率的系统对于胎儿及孕妇来说都是无创的，不会有类似于超声能量等对人体有害的能量进入人体，因此可实现长期监控。且该系统通过识别从母体采集的母体心电信号的R波的位置；并基于该母体心电信号的R波的位置从自母体的腹部采集的腹部混合信号中去除母体心电信号的QRS波段信号以得到胎儿心电信号，通过确定胎儿心电信号的相邻的两个R波之间的时间间隔并基于该时间间隔计算胎儿心率，以此可以有效地识别出胎儿心率，识别率高，且该系统的算法简单易实现。

又，在本发明中，该系统还可以包括设置于所述母体心电信号采集单元、所述腹部混合信号采集单元与所述心电信号处理单元之间对采集到的所述母体心电信号和所述腹部混合信号进行预处理以去除采集到的所述母体心电信号和所述腹部混合信号中的干扰噪声的预处理单元。

根据本发明，通过该预处理单元可以去除母体心电信号和腹部混合信号中的基线漂移、高频噪声、肌电/呼吸等低频噪声，从而得到清晰的母体心电信号和腹部混合信号。

又，在本发明中，所述预处理单元可以包括用于去除所述干扰噪声的小波滤波器。

根据本发明，采用小波滤波器可以有效地进行上述预处理，以消除母体心电信号和腹部混合信号中的各类干扰噪声。

又，在本发明中，该系统还可以包括设置于所述心电信号处理单元与所述胎儿心率计算单元之间以对从所述心电信号处理单元得到的所述胎儿心电信号的R波进行信号增强的信号增强单元。

根据本发明，通过该信号增强单元，可以进一步去除残存的母体心电信号和噪声，从而得到比较干净的胎儿心电信号。

又，在本发明中，所述信号增强单元可以包括PCA处理单元。

根据本发明，通过该PCA处理单元可以有效地对胎儿心电信号的R波进行信号增强。

此外，根据本发明的另一方面，提供一种采用如上所述的系统测量胎儿心率的方法，包括：从母体采集母体心电信号；从母体的腹部采集包含母体心电信号及胎儿心电信号的腹部混合信号；识别所述母体心电信号的R波的位置；基于所述母体心电信号的R波的位置确定所述母体心电信号的QRS波段信号；从所述腹部混合信号中去除所述母体心电信号的QRS波段信号以得到胎儿心电信号；识别所述胎儿心电信号的R波的位置；以及根据所述胎儿心电信号的相邻的两个R波之间的时间间隔计算胎儿心率。

根据本发明的方法，可以有效地识别出胎儿心率，识别率高，系统算法简单易实现，且该方法对于胎儿及孕妇来说都是无创的，可实现长期监控。

又，在本发明中，该方法还可以包括对采集到的所述母体心电信号和所述腹部混合信号进行预处理以去除采集到的所述母体心电信号和所述腹部混合信号中的干扰噪声。

根据本发明，可以去除母体心电信号和腹部混合信号中的基线漂移、高频噪声、肌电/呼吸等低频噪声，从而得到清晰的母体心电信号和腹部混合信号。

又，在本发明中，还可以采用小波滤波器对采集到的所述母体心电信号和所述腹部混合信号进行预处理以去除采集到的所述母体心电信号和所述腹部混合信号中的干扰噪声。

根据本发明，可以有效地进行上述预处理，以消除母体心电信号和腹部混合信号中的各类干扰噪声。

又，在本发明中，该方法还可以包括在计算胎儿心率之前，对所述胎儿心电信号中的R波进行增强处理。

根据本发明，可以有效地对胎儿心电信号的R波进行信号增强，以进一步去除残存的母体心电信号和噪声，得到比较干净的胎儿心电信号。

又，在本发明中，该方法还可以采用PCA方法对所述胎儿心电信号中的R波进行增强处理。

根据本发明，通过该PCA处理的方法可以有效地对胎儿心电信号的R波进行信号增强。

根据下述具体实施方式并参考附图，本发明的上述及其他目的、特征和优点将更加清晰。

附图说明

图1示出了根据本发明的测量胎儿心率的系统的一实施形态的示意结构图；

图2示出了根据本发明的测量胎儿心率的方法的示意流程图；

图3是示出了根据本发明的方法进行预处理步骤后的结果的图；

图4是示出了根据本发明的方法识别母体心电信号的R波位置的结果的图；

图5是示出了根据本发明的方法从腹部混合信号中去除母体心电信号的QRS波段信号后的结果的图；

图6是示出了根据本发明的方法进行信号增强处理步骤后的结果的图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施形态对本发明作进一步详细的说明。

在计算胎儿心率方面，由于从孕妇腹部体表采集到的腹部混合信号，不仅包含了胎儿心电信号，还包含了母体心电信号和其他干扰噪声，且其中从母体体表检测到的胎儿心电信号非常微弱，容易受到母体心电信号、肌电/呼吸等信号的干扰，因此在该腹部混合信号中的主要成分是母体心电信号和干扰噪声。因此如何将胎儿心电信号从母体的腹部混合信号中提取出来并进而计算出胎儿心率是关键。

本发明提供了一种测量胎儿心率的系统，包括：母体心电信号采集单元，用于从母体采集母体心电信号；腹部混合信号采集单元，用于从母体的腹部采集包含母体心电信号及胎儿心电信号的腹部混合信号；心电信号处理单元，所述心电信号处理单元配置为接收来自所述母体心电信号采集单元的所述母体心电信号及来自所述腹部混合信号采集单元的所述腹部混合信号，所述心电信号处理单元识别所述母体心电信号的R波的位置并基于所述母体心电信号的R波的位置确定所述母体心电信号的QRS波段信号，所述心电信号处理单元将所述母体心电信号的QRS波段信号从所述腹部混合信号中去除以得到胎儿心电信号；以及胎儿心率计算单元，所述胎儿心率计算单元配置为识别所述胎儿心电信号的R波的位置并根据所述胎儿心电信号的相邻的两个R波之间的时间间隔计算胎儿心率。

通过本发明，采用该测量胎儿心率的系统对于胎儿及孕妇来说都是无创的，且该系统通过识别从母体采集的母体心电信号的R波的位置；并基于母体心电信号的R波的位置从自母体的腹部采集的腹部混合信号中去除母体心电信号的QRS波段信号以得到胎儿心电信号，即在该腹部混合信号中保留了具有胎儿心电信号的R波的处理信号，从该处理信号中识别胎儿心电信号的R波的位置以确定该胎儿心电信号中的相邻的两个R波之间的时间间隔，基于心电信号中的相邻的两个R波之间的时间间隔的倒数即为心率，因此可以根据以上确定的该时间间隔计算胎儿心率，以此可以有效地识别出胎儿心率，识别率高，且系统算法简单易实现。

具体地，图1示出了根据本发明一实施形态的测量胎儿心率的系统1的示意结构图。如图1所示，该测量胎儿心率的系统1包括用于从母体的胸部采集母体心电信号的母体心电信号采集单元2，以及用于从母体的腹部采集包含母体心电信号及胎儿心电信号的腹部混合信号的腹部混合信号采集单元3。在本发明的一实施形态中，该母体心电信号采集单元2包括连接于母体的胸部的体表以采集母体心电信号的一个或多个电极，即胸部导联；而腹部混合信号采集单元3包括连接于母体的腹部的体表采集包含母体心电信号及胎儿心电信号的腹部混合信号的一个或多个电极，即腹部导联。通过该胸部导联及腹部导联可以有效地采集来自母体的胸部的母体心电信号机及来自母体的腹部的腹部混合信号。也就是说，本发明通过双电极导联采集两路孕妇体表的心电信号，一路为来自孕妇胸部的母体心电信号，另一路为来自孕妇腹部的包含母体心电信号及胎儿心电信号的腹部混合信号。

由于，从孕妇体表检测到的心电信号中往往还包含各类干扰噪声，尤其是从母体的腹部采集到的腹部混合信号中，通常还包含胎儿的肌肉运动或呼吸运动造成的肌电/呼吸低频噪声，以及其他的高频噪声和基线漂移等。因此，如果需要的话，可以对采集到的母体心电信号以及腹部混合信号进行预处理，以去除该母体心电信号和腹部混合信号中的各类干扰噪声。

如图1所示的实施形态中，该测量胎儿心率的系统1可选地可以包括设置于母体心电信号采集单元2、腹部混合信号采集单元3之后以对采集到的母体心电信号和腹部混合信号进行预处理以去除该母体心电信号和腹部混合信号中的干扰噪声的预处理单元6。在本发明的一实施例中，该预处理单元6可以包括用于去除干扰噪声的小波滤波器，但本发明并不限于此，该预处理单元可以是具备能够消除信号中的干扰的任何其他结构的预处理单元。

图3是示出了根据本发明的方法采用小波滤波器进行预处理步骤后的结果的图，其中，图3（a）示出了从母体采集到的原始信号（在图示的示例中，该原始信号为从母体腹部采集到的包含母体心电信号及胎儿心电信号以及噪声等的腹部混合信号），图3（b）示出了通过采用小波滤波器对上述原始信号进行预处理后得到的信号。在本实施例中，通过6层小波变换去除高频段噪声、肌电/呼吸等低频噪声。由图3（b）可见，相对于图3（a）的原始信号，可以得到去除了基线漂移、高频噪声、肌电/呼吸等低频噪声后的清晰的心电信号图。

此外，通过该采用小波滤波器的预处理，还可以从腹部混合信号中去除母体心电信号的ST波段信号。由于母体心电信号的ST波段信号对于胎儿心电信号来说太强，甚至可能比胎儿心电信号的R波信号更强，可能导致在腹部混合信号中难以突显胎儿心电信号的R波。因此，通过上述预处理从腹部混合信号中去除母体心电信号的ST波段，可以避免母体心电信号的ST波段信号对于胎儿心电信号的干扰，从而可以有利于后续步骤中对胎儿心电信号的R波的识别。另外，如图3（c）所示，通过该采用小波滤波器的预处理，也可以实现仅保留母体心电信号的RS波段信号，以此也可以有利于对母体心率的计算。

再次参照图1，该测量胎儿心率的系统1还包括心电信号处理单元4，其可以接收来自母体心电信号采集单元2的母体心电信号及来自腹部混合信号采集单元3的腹部混合信号，或者可以接收经预处理单元处理后的上述母体心电信号及腹部混合信号。该心电信号处理单元4配置为从母体心电信号中识别出该母体心电信号的R波的位置。

例如，在本发明中，可以采用设定阈值的方法识别该母体心电信号的R波的位置。参照图4所示的示例，其中图4（a）示出了经小波强制消噪后的母体心电信号波形图，如图4（a）所示，分别设定小于母体心电信号的最大峰值的最大值和最小值作为阈值，阈值以内的信号制零，然后通过寻找一定区域内的最大值和最小值来确定信号中的R、S峰位置，以此可以识别出该母体心电信号的R波的位置，如图4（b）所示。

此外，该心电信号处理单元4还配置为基于上述识别到的母体心电信号的R波的位置确定母体心电信号的QRS波段信号，进而从腹部混合信号中去除母体心电信号的QRS波段信号。参照图5所示，图5（a）示出了经小波强制消噪后的腹部混合信号波形图，图5（b）示出了从腹部混合信号去除了母体心电信号的QRS波段信号后的波形图，而图5（c）示出了图5（b）的波形图进行削波后的波形图。如图所示，可以得到在该腹部混合信号中保留了胎儿心电信号的R波的处理信号，即在该腹部混合信号中将母体心电信号中最强的RS波段直接去掉，虽然有可能也存在偶尔有胎儿心电信号的R波落于母体心电信号的RS波段的情况，此时该胎儿心电信号的R波也会被去掉，但由于本发明旨在测量胎儿心率，理论上只要有大于一个的相邻的两个胎儿心电信号的R波存在，就可以计算出胎儿的心率。

并且，如图1所示，该系统也可以包括对从心电信号处理单元4得到的胎儿心电信号的R波进行信号增强的信号增强单元7。通过该信号增强单元7，可以进一步去除残存的母体心电信号和噪声，得到比较干净的胎儿心电信号。

又，在本发明的一实施例中，该信号增强单元7例如可以包括PCA（Principal Component Analysis，主元分析）处理单元。通过该PCA处理单元可以有效地对胎儿心电信号的R波进行信号增强。图6示出了根据本发明的方法采用PCA处理进行信号增强的结果的图，其中图6（a）示出了作为原始信号的来自于上述心电信号处理单元4的胎儿心电信号。具体地，该PCA处理可以包括采用非线性小波逼近以去除高频噪声的步骤，图6（b）示出了图6（a）所示的原始信号经非线性滤波后得到的信号。此外，该PCA处理还可以包括建立伪向量空间、计算向量空间的秩并按秩的大小排列向量，得到包含大多数信息的向量集合，然后将这些向量集合重新组成信号，如图6C所示，从而实现对胎儿心电信号的R波的信号增强。

此外，该系统还包括胎儿心率计算单元5，所述胎儿心率计算单元5配置为根据从上述心电信号处理单元4得到的或者可选地如上所述经过PCA信号增强处理的处理信号识别出胎儿心电信号的R波的位置。例如也可以采用如上所述的设定阈值的方法识别胎儿心电信号的R波的位置，进而确定该胎儿心电信号的相邻的两个R波之间的时间间隔并基于该时间间隔的倒数计算出胎儿心率。由此，可以有效地计算出胎儿心率，识别率高，且系统算法简单易实现。此外，虽然胎儿心率在短时间内可以认为是稳定的，但是若为了增强计算得到的胎儿心率的准确性，也可以将一定时间内的多个胎儿心电信号的相邻两个R-R周期累计取平均。

另外，本发明还涉及采用以上所述的系统测量胎儿心率的方法，具体地，如图2所示，包括：步骤S1，从母体的胸部采集母体心电信号及从母体的腹部采集包含母体心电信号及胎儿心电信号的腹部混合信号。接下来，还可以包括步骤S2，对上述采集到的母体心电信号及腹部混合信号进行预处理以消除信号中的噪声，例如通过小波滤波的方式。接下来，在步骤S3中，识别所述母体心电信号的R波的位置，以及在步骤S4中基于所述母体心电信号的R波的位置从所述腹部混合信号中去除所述母体心电信号的QRS波段信号以得到在所述腹部混合信号中保留了所述胎儿心电信号的R波的处理信号。此外，也可以包括步骤S5，对上述处理信号进行信号增强，例如通过PCA处理的方式。接下来，在步骤S6中，根据所述处理信号识别胎儿心电信号的R波的位置，并在步骤S7中，确定所述胎儿心电信号的相邻的两个R波之间的时间间隔；以及基于所述时间间隔计算胎儿心率。本发明的该方法算法简单且对于胎儿心率的识别率高。又，也可以如步骤S8所示，并参照图4，本发明也可以根据母体心电信号的相邻的两个R波之间的时间间隔计算母体心率。

在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。

Claims

1.一种测量胎儿心率的系统，其特征在于，包括：

母体心电信号采集单元，用于从母体采集母体心电信号；

腹部混合信号采集单元，用于从母体的腹部采集包含母体心电信号及胎儿心电信号的腹部混合信号；

心电信号处理单元，所述心电信号处理单元配置为接收来自所述母体心电信号采集单元的所述母体心电信号及来自所述腹部混合信号采集单元的所述腹部混合信号，所述心电信号处理单元识别所述母体心电信号的R波的位置并基于所述母体心电信号的R波的位置确定所述母体心电信号的QRS波段信号，所述心电信号处理单元将所述母体心电信号的QRS波段信号从所述腹部混合信号中去除以得到胎儿心电信号；以及

胎儿心率计算单元，所述胎儿心率计算单元配置为识别所述胎儿心电信号的R波的位置并根据所述胎儿心电信号的相邻的两个R波之间的时间间隔计算胎儿心率。

2.根据权利要求1所述的测量胎儿心率的系统，其特征在于，还包括设置于所述母体心电信号采集单元、所述腹部混合信号采集单元与所述心电信号处理单元之间对采集到的所述母体心电信号和所述腹部混合信号进行预处理以去除采集到的所述母体心电信号和所述腹部混合信号中的干扰噪声的预处理单元。

3.根据权利要求2所述的测量胎儿心率的系统，其特征在于，所述预处理单元包括用于去除所述干扰噪声的小波滤波器。

4.根据权利要求1所述的测量胎儿心率的系统，其特征在于，还包括设置于所述心电信号处理单元与所述胎儿心率计算单元之间以对从所述心电信号处理单元得到的所述胎儿心电信号的R波进行信号增强的信号增强单元。

5.根据权利要求4所述的测量胎儿心率的系统，其特征在于，所述信号增强单元包括PCA处理单元。

6.一种测量胎儿心率的方法，其特征在于，包括：

从母体采集母体心电信号；

从母体的腹部采集包含母体心电信号及胎儿心电信号的腹部混合信号；

识别所述母体心电信号的R波的位置；

基于所述母体心电信号的R波的位置确定所述母体心电信号的QRS波段信号；

从所述腹部混合信号中去除所述母体心电信号的QRS波段信号以得到胎儿心电信号；

识别所述胎儿心电信号的R波的位置；以及

根据所述胎儿心电信号的相邻的两个R波之间的时间间隔计算胎儿心率。

7.根据权利要求6所述的测量胎儿心率的方法，其特征在于，还包括对采集到的所述母体心电信号和所述腹部混合信号进行预处理以去除采集到的所述母体心电信号和所述腹部混合信号中的干扰噪声。

8.根据权利要求7所述的测量胎儿心率的方法，其特征在于，采用小波滤波器对采集到的所述母体心电信号和所述腹部混合信号进行预处理以去除采集到的所述母体心电信号和所述腹部混合信号中的干扰噪声。

9.根据权利要求6所述的测量胎儿心率的方法，其特征在于，在计算胎儿心率之前，对所述胎儿心电信号中的R波进行增强处理。

10.根据权利要求9所述的测量胎儿心率的方法，其特征在于，采用PCA方法对所述胎儿心电信号中的R波进行增强处理。