CN103876731A - 一种胎儿心电信号提取装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种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。信号采集模块用于对母亲腹壁混合信号进行采集，并且将处理后的母亲腹壁混合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因子分析的胎儿心电信号提取方法对母亲腹壁混合信号进行处理，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：采用的装置设计简单，便于实现；基于该装置提取胎儿心电信号过程中不需要人为判断母亲和胎儿心电，避免了人为判断的差异性带来的误差，提取的胎儿心电信号更准确。

Description

一种胎儿心电信号提取装置及方法
技术领域
本发明属于生物医学信号处理技术领域，具体涉及一种胎儿心电信号的提取装置及方法。
背景技术
目前存在很多与心脏相关的疾病，如果在怀孕期间就检测到这些疾病相关的特征，就能有效减少这些疾病的发病率。心率是一个人是否健康的最重要的物理指标，准确的检测出胎儿的心率是一个极其艰巨的任务，而且直接关系到新生儿的发育和成长。
心电图（Electrocardiography，ECG）是利用心电图机从体表记录心脏每一心动周期所产生的电活动变化图形的技术，它是一种低成本、无创的记录心电信号的方法。目前，获取胎儿心电信号主要是将多个电极放置在母亲腹部的不同位置，记录下多导信号，其中就包含了胎儿的心电信号。然而，心电信号很容易受到周围环境的影响，比如测量工具产生的噪声、母亲或胎儿运动导致的电极的移动、母亲自己的心电等。其中，母亲心电对胎儿心电的影响较大，极其容易使胎儿心电淹没在总体检测信号中。此外，胎儿的心率比母亲的心率快，这样胎儿心电和母亲心电在频谱成分差异很小，因此要通过频域上的滤波是很难把它们分开的。
目前，获取胎儿心电信号的方法主要包括侵入式和无侵入式心电信号采集法。侵入式，即头皮电极法，该方法有创伤且只能用在羊膜破裂之后，操作不便。无侵入的方法，即在母亲腹部采集到心电信号，经过消噪、算法分离后提取出胎儿心电信号，该方法对母亲和胎儿都无伤害，但由于母亲和胎儿心电信号的特点，无法用简单的方法提取出清晰的胎儿心电波形。因此，选择一种合适的算法成为决定胎儿心电图质量的关键。
目前也存在一些对胎儿心电信号的提取方法，如匹配滤波法，它是将胸部采集的母亲心电和腹部采集的母亲胎儿的混合信号相减，从而得到含有噪声的胎儿心电来对胎儿心电特征进行判断。当噪声过大时，这种提取方法的效果就很不理想，不能提取出清晰的胎儿心电波形。近年来一种公认能较好地提取胎心电信号的方法是盲信号处理，主要是指主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)和独立成分分析(Independent Component Analysis,ICA)方法。PCA是基于把数据投影到最大方差的方向上的二阶处理方法，把数据投影到和方差相关的正交坐标轴上，将每个成分对应频域的离散能量带,但是每个成分可能在频域的某些部分是重叠的，并不能较好地提出胎儿信号。ICA虽然采用的是更高阶的分析方法，它能够将混合信号所有的成分进行分离，但由于提取的成分较多，导致每种成分的所含能量较低。此外，虽然这两种盲信号处理方法能排除一些噪声(比如运动、肌电)的干扰，但它们均是通过人为的经验判断从分离出的信号中提取出胎儿的心电信号，由于人为判断的个体差异性会影响胎儿心电信号的准确提取。
发明内容
本发明提供了一种胎儿心电信号的提取装置及方法，本发明中胎儿心电信号的提取是通过三个模块来实现的，设计更加简单，操作更加方便，基于该装置提取胎儿心电信号的方法能够很好地去除母亲心电信号和噪声，并且在胎儿心电信号提取过程中没有人为判断，提取的胎儿心电信号更平滑干净，提取的效果更好。
本发明的技术方案如下：
一种胎儿心电信号的提取装置，包括信号采集模块1、胎儿心电信号提取模块2、信号显示模块3，其中信号采集模块1对母亲腹壁混合信号进行采集，并将处理后的母亲腹壁混合信号传输给胎儿心电信号提取模块2，胎儿心电信号提取模块2提取出胎儿心电信号，信号显示模块3用于显示提取出的胎儿心电信号；其中，胎儿心电信号提取模块2根据基于因子分析的方法提取胎儿心电信号，胎儿心电信号提取模块2包括处理单元21、电源模块22、存储器23、电源模块开关24，其中，电源模块22的输出端与处理单元21连接，用于向处理单元21提供电源，电源模块开关24与电源模块连接，控制电源模块的开启和关闭，存储器23的输出端与处理单元21的第二输入端相连接，用于向处理单元21提供胎儿心电信号的提取程序，处理单元21将提取得到的胎儿心电信号输出到信号显示模块3；胎儿心电信号提取模块2基于因子分析的方法提取胎儿心电信号：
a)对处理后的母亲腹壁混合信号进行因子分析，提取因子矩阵F,保存各因子对应的相关系数矩阵C；
b)计算步骤a）中所有因子对应的相关系数矩阵C的特征值矩阵D和特征值向量V,计算出因子矩阵对应的载荷矩阵A＝D1/2*V；
c)保存信噪比最大的两个因子，将其他因子置零，得到因子矩阵F1；
d)利用步骤b)中得到的载荷矩阵A还原保留的两路心电信号X1，计算公式为X1＝A*F1；
e)输出两路信号中幅值较小的信号。
一种胎儿心电信号的提取方法，主要包括以下步骤：
步骤1：在母亲腹部体表n处不同位置放置电极，其中，n大于或等于3，利用心电采集系统记录下母亲、胎儿以及噪声相互混合的心电信号；
步骤2：对采集得到的混合心电信号进行预处理，包括滤掉50Hz工频干扰和去基线漂移，得到预处理后的信号X；
步骤3：对预处理后的信号X进行因子分析，提取因子矩阵F,保存各因子对应的相关系数矩阵C；
步骤4：计算步骤3中所有因子对应的相关系数矩阵C的特征值矩阵D和特征值向量V,计算出因子矩阵对应的载荷矩阵A＝D1/2*V；
步骤5：对因子分析后的所有因子按信噪比进行排序，自动找出信噪比最大的两个因子保留，这两个因子就是母亲心电信号和胎儿心电信号所对应的因子，将其他因子置零，得到因子矩阵F1；
步骤6：利用步骤4中得到的载荷矩阵A还原保留的母亲和胎儿的两路心电信号X1，计算公式为X1＝A*F1；
步骤7：输出两路信号中幅值较小的信号即为胎儿心电信号。
其中，步骤7中输出胎儿心电信号是根据母亲和胎儿心电信号幅值的差异，即胎儿心电信号的幅值约为母亲心电信号幅值的三分之一，因此幅值较小的为胎儿心电信号。
本发明的有益效果为：
1、本发明采用基于因子分析的胎儿心电信号提取模块，设计简单，便于实现。
2、在本发明采用的提取胎儿心电信号的整个信号处理过程中不需要人为判断和分辨母亲心电信号和胎儿心电信号成分，避免了人为判断差异性带来的误差，提取的胎儿心电信号更准确。
3、采用本发明方法提取的胎儿心电信号能够有效去除噪声信号，提取的效果相对常规的独立成分分析更准确，得到的心电信号的波形更干净平滑，为以后的胎儿心电信号的处理和研究提供了一定的帮助。
附图说明
图1是胎儿心电信号提取装置的结构示意图。
图2是本发明胎儿心电信号提取装置中胎儿心电信号提取模块的结构示意图。
图3是本发明提取胎儿心电信号的流程图。
图4是实施例中采集得到的一段10s的胎儿和母亲的混合心电信号。
图5采用本发明方法提取得到的母亲和胎儿的心电信号。图5（a）为本发明方法提取得到的母亲心电信号；图5（b）为本发明方法提取得到的胎儿心电信号。
图6是采用本发明方法和独立成分分析方法得到的胎儿心电信号的对比。其中，图6（a）为本发明方法提取得到的胎儿心电信号；图6（b）为独立成分分析方法提取得到的胎儿心电信号。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，本发明提供了一种胎儿心电信号的提取装置，包括信号采集模块1、胎儿心电信号提取模块2和信号显示模块3，信号采集模块1的输出端与胎儿心电信号提取模块的2的输入端连接，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。信号采集模块1用于对母亲腹壁混合信号进行采集，对应地得到处理后的母亲腹壁混合信号，胎儿心电信号提取模块2用于将母体腹壁混合信号根据基于因子分析的方法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；胎儿心电信号提取模块2基于因子分析的方法提取胎儿心电信号的具体方法为：
a)对处理后的母亲腹壁混合信号进行因子分析，提取因子矩阵F,保存各因子对应的相关系数矩阵C；
b)计算步骤a）中所有因子对应的相关系数矩阵C的特征值矩阵D和特征值向量V,计算出因子矩阵对应的载荷矩阵A＝D1/2*V；
c)保存信噪比最大的两个因子，将其他因子置零，得到因子矩阵F1；
d)利用步骤b)中得到的载荷矩阵A还原保留的两路心电信号X1，计算公式为X1＝A*F1；
e)输出两路信号中幅值较小的信号。
如图2所示，胎儿心电信号提取模块2包括处理单元21、电源模块22、存储器23、电源模块开关24，其中，电源模块22的输出端与处理单元21连接，该电源模块22向处理单元21提供电源，电源模块开关24与电源模块22连接，控制所述电源模块的开启和关闭，存储器23的输出端与处理单元21的第二输入端相连接，用于存储胎儿心电信号提取算法的程序，处理单元21将提取得到的胎儿心电信号输出到所述信号显示模块3。
本发明还提供了胎儿心电信号提取方法，具体步骤为：
步骤1：在母亲腹部体表3处不同位置放置电极，利用心电采集系统记录下母亲和胎儿心电以及噪声相互混合的一段10s的心电信号，采样率为256Hz；
步骤2：对采集得到的混合心电信号进行滤掉50Hz工频干扰和去基线漂移处理，得到信号X；
步骤3：对信号X进行因子分析，提取因子矩阵F,同时保存各因子对应的相关系数矩阵C；
步骤4：计算步骤3中所有因子对应的相关系数矩阵C的特征值矩阵D和特征值向量V,计算出因子矩阵对应的载荷矩阵A＝D1/2*V；
步骤5：对因子分析后的所有因子按信噪比进行排序，自动找出信噪比最大的两个因子保留，这两个因子就是母亲心电信号和胎儿心电信号所对应的因子，将其他因子置零，得到因子矩阵F1；
步骤6：利用步骤4中得到的载荷矩阵A还原保留的母亲和胎儿的两路心电信号X1，具体计算公式为X1＝A*F1；
步骤7：结合母亲心电信号和胎儿心电信号幅值特征的差异，即胎儿心电信号的幅值约为母亲心电信号幅值的三分之一，找出两路心电信号中幅值较小的信号即为胎儿心电信号。
图4为步骤1中采集得到的3导10s的混合心电信号（包含母亲心电、胎儿心电和其他噪声等），由图4可知，该混合心电信号受到很强的噪声干扰，同时胎儿心电被母亲心电淹没，很难从中找出胎儿心电信号。
图5为本发明提取出的母亲和胎儿的心电信号，其中提取出的胎儿心电信号是母亲心电信号的三分之一左右。
图6为采用本发明方法和独立成分分析方法提取得到的胎儿心电信号。图6（a）为本发明方法提取得到的胎儿心电信号；图6（b）为独立成分分析方法提取得到的胎儿心电信号。由图6可知，本发明方法提取得到的胎儿心电信号更加平滑，受噪声影响更小，提取的效果更好。

Claims (2)

1.一种胎儿心电信号的提取装置，包括信号采集模块（1）、胎儿心电信号提取模块（2）、信号显示模块（3），其中所述信号采集模块（1）对母亲腹壁混合信号进行采集，并将处理后的母亲腹壁混合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）提取出胎儿心电信号，所述信号显示模块（3）用于显示提取出的胎儿心电信号；
其特征在于，所述胎儿心电信号提取模块（2）包括处理单元（21）、电源模块（22）、存储器（23）、电源模块开关（24），所述电源模块（22）的输出端与所述处理单元（21）连接，用于向所述处理单元（21）提供电源，所述电源模块开关（24）与所述电源模块连接，控制所述电源模块的开启和关闭，所述存储器（23）的输出端与所述处理单元（21）的第二输入端相连接，用于向所述处理单元（21）提供胎儿心电信号的提取程序，所述处理单元（21）将提取得到的胎儿心电信号输出到所述信号显示模块（3）；
所述胎儿心电信号提取模块（2）基于因子分析的方法提取胎儿心电信号：
a)对处理后的母亲腹壁混合信号进行因子分析，提取因子矩阵F,保存各因子对应的相关系数矩阵C；
b)计算步骤a）中所有因子对应的相关系数矩阵C的特征值矩阵D和特征值向量V,计算出因子矩阵对应的载荷矩阵A＝D1/2*V；
c)保存信噪比最大的两个因子，将其他因子置零，得到因子矩阵F1；
d)利用步骤b)中得到的载荷矩阵A还原保留的两路心电信号X1，计算公式为X1＝A*F1；
e)输出两路信号中幅值较小的信号。
2.一种胎儿心电信号的提取方法，主要包括以下步骤：
步骤1：在母亲腹部体表n处不同位置放置电极，其中,n大于或等于3，采集心电信号；
步骤2：对采集得到的心电信号进行预处理，包括滤掉50Hz工频干扰和去基线漂移，得到预处理后的信号X；
步骤3：对预处理后的信号X进行因子分析，提取因子矩阵F,保存各因子对应的相关系数矩阵C；
步骤4：计算步骤3中所有因子对应的相关系数矩阵C的特征值矩阵D和特征值向量V,计算出因子矩阵对应的载荷矩阵A＝D1/2*V；
步骤5：保存信噪比最大的两个因子，将其他因子置零，得到因子矩阵F1；
步骤6：利用步骤4中得到的载荷矩阵A还原保留的两路心电信号X1，计算公式为X1＝A*F1；
步骤7：输出两路信号中幅值较小的信号。
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