CN104382589A - 基于部分按段重采样的胎儿心电图分离提取方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及从孕妇腹壁电中分离提取胎儿心电图(FECG)的方法。从腹壁电信号中分离提取胎儿心电图，主要包括两大步骤：第一步，估计腹壁电信号中的母体心电成分，并把估计的母体心电成分从腹壁电信号中去掉，得到胎儿心电图的初步估计结果，不妨称为胎儿心电图的初步估计阶段；第二步，进一步去除初步估计的胎儿心电图信号中的干扰噪声，获得胎儿心电图的精确估计结果，称之为胎儿心电图的增强估计阶段。本发明分别涉及胎儿心电图初步估计阶段的一种方法和胎儿心电图增强估计阶段的一种方法。提出的部分按段重采样提取方法较之前的按段重采样方法提高了估计的鲁棒性。

Description

基于部分按段重采样的胎儿心电图分离提取方法

技术领域

本专利申请涉及从孕妇腹壁电中分离提取胎儿心电图(FECG)的方法。

从孕妇腹部体表采集到的腹壁电信号是一个混合信号，不仅包括了胎儿心电成分，还包括了母体心电成分和其他干扰噪声。从腹壁电信号中分离提取胎儿心电图，主要包括两大步骤：第一步，估计腹壁电信号中的母体心电成分，并把估计的母体心电成分从腹壁电信号中去掉，得到胎儿心电图的初步估计结果，不妨称为胎儿心电图的初步估计阶段；第二步，进一步去除初步估计的胎儿心电图信号中的干扰噪声，获得胎儿心电图的精确估计结果，称之为胎儿心电图的增强估计阶段。胎儿心电图分离提取算法的总体框图见附图1。

具体地说，本专利申请分别涉及胎儿心电图初步估计阶段的一种方法和胎儿心电图增强估计阶段的一种方法。

背景技术

不管是胎儿心电图的初步估计阶段还是增强估计阶段，所采用的胎儿心电分离提取方法，均有单路方法和多路方法之分。多路方法是指通过对多路信号的融合计算得到对胎儿心电图信号的初步估计或增强估计，常见的方法有：自适应滤波、主成分分析(PCA)、独立成分分量(ICA)、周期分量分析(piCA)等。所谓单路方法，即仅依赖一路腹壁电信号或一路初步估计的胎儿心电图信号，从中得到胎儿心电图的初步估计或增强估计的方法，常见的方法有：模板法、奇异值分解法、按段重采样方法等。由于单路方法可用于单路信号的处理、也可用于多路信号的分别处理，因此，它的应用更具普遍性。

在单路方法中，按段重采样方法，是对每一R-R信号段分别重采样并结合梳状滤波对胎心电进行估计的方法。该方法中，对每一R-R信号段分别进行重采样的目的是：使每个R-R信号段具有相同的采样点数，以进行梳状滤波。由于该方法考虑了实际心电信号存在R-R间期长短差异即心率变异性的问题，因此取得了较好的胎心电分离效果。但是，按段重采样方法对心率变异性的考虑还不够到位，它所基于的“PQRST波群的时间跨度与R-R间期成正比例”的假设，实践证明存在一定的偏差，因此，当存在严重的心率变异性即R-R间期长短差异时，按段重采样方法对胎儿心电图的初步估计或增强估计都会产生较大的误差。也就是说，目前的按段重采样方法对心率变异性的鲁棒性还有待提高。

参考文献：

1.发明专利申请文件：胎儿心电图的分离提取方法(200910027979.0)。发明人：刘红星，郑威，肇莹，蒋鑫，宁新宝。

2.Zheng Wei，Liu Hongxing*，He Aijun，Ning Xinbao，Cheng Jianchun：Single-lead fetal ElectrocardiogramEstimation by means of Combining R-peaks Detection，Resampling and Comb Filter，MedicalEngineering and Physics，ISSN：1350-4533，32(2010)，NO.7，708-719，2010.10.16

发明内容

要解决的技术问题。

不管是胎儿心电图的初步估计阶段还是增强估计阶段，现有的按段重采样估计胎心电方法，当存在较大心率变异性时估计的胎儿心电图都会产生较大误差，有必要对其进行改进，以提高方法对心率变异性的鲁棒性，减小估计误差。

技术方案。

提出了胎儿心电图初步估计的一种方法，该方法包括这些步骤：(1)读取一路从母体腹部采集的腹壁电信号；(2)预处理，去除腹壁电信号中的基线漂移、工频干扰及高频噪声；(3)检测腹壁电信号中母体心电的R波波峰位置；(4)标记每个R波波峰前第L_pr点为Ps点，R波波峰后第L_rt点为Te点，这样每个心动周期Ps-Ps可分割为Ps-Te和Te-Ps两段，因母体心电具有心率变异性，各个心动周期的Te-Ps段的长度不尽相同；(5)对各Te-Ps段信号分别进行重采样，使各Te-Ps段具有相同的采样点数，这时各心动周期Ps-Ps段同样具有相同的采样点数，即进行所谓的部分按段重采样；(6)对部分按段重采样后的信号进行梳状滤波，得到母体成分的周期均匀化估计；(7)对获得的周期均匀化的母体成分的各Te-Ps段进行再次重采样恢复原长度，也即恢复母体心电的心率变异性，进而得到母体心电的估计；(8)从步骤(2)获得的预处理信号中减去估计的母体心电，即可得到胎心电的初步估计。本方案流程图见附图2。

提出了胎儿心电图增强估计的一种方法，该方法包括以下步骤：(1)读取一路胎心电初步估计阶段估计的胎心电信号；(2)预处理，去除信号中的基线漂移及高频噪声；(3)检测信号中胎心电的R波波峰位置；(4)标记每个R波波峰前第l_pr点为Ps点，R波波峰后第l_rt点为Te点，这样每个心动周期可分割为Ps-Te和Te-Ps两段，因胎心电具有心率变异性，各心动周期中Te-Ps段的长度不尽相同；(5)对各Te-Ps段信号分别进行重采样，使各Te-Ps段具有相同的采样点数，这时各心动周期Ps-Ps段同样具有相同的采样点数，即进行所谓的部分按段重采样；(6)对部分按段重采样后的信号进行梳状滤波，得到胎心电的周期均匀化估计；(7)对获得的周期均匀化的胎儿成分的各Te-Ps段进行再次重采样恢复原长度，也即恢复胎心电的心率变异性，进而得到胎心电的增强估计。胎心电分离提取到此结束。本方案流程图见附图3。

上述两方法中，第(2)步中可以使用带通滤波器来去除基线漂移和高频噪声，陷波器来去除工频干扰。第(3)步中可以使用简单的差分阈值法，也可用基于小波变换等的方法。

上述方法一的第(4)步中L_pr＝T_pr*fs，L_rt＝T_rt*fs，fs为采样率，T_pr可取为0.12-0.2s范围内的某一固定值，T_rt可取为0.2-0.4s范围内的某一固定值。

上述方法二的第(4)步中l_pr＝t_pr*fs，l_rt＝t_rt*fs，fs为采样率，t_pr可取为0.06-0.1s范围内的某一固定值，t_rt可取为0.1-0.2s范围内的某一固定值。

以上两方案并不是发明人随意提出的，而是根据一已经验证的规律提出的。这一规律是：对于正常窦性心律，尽管存在心率变异性，但是不同心动周期的PQRST波群的时间跨度是恒定的，也就是说只有上面方案中提到的Te-Ps段的持续时间随着心动周期长度的变化而变化。这一规律见附图4所示，图中的各心动周期来自于某一患者的实测心电图。

本申请提出的两个阶段的部分按段重采样胎心电提取方案，与现有的按段重采样提取胎心电方法相比，更好地体现了以上规律的客观要求。

有益效果。

经用仿真数据和美国MIT Abdominal and Direct Fetal ECG Database胎儿心电数据库中的数据，测试本申请的两方法，发现本申请方案均能较好的给出胎儿心电的初步估计和增强估计，尤其在心率变异性较大时本申请方案的优势更加明显。

附图5为使用本申请方案对MIT Abdominal and Direct Fetal ECG Database胎儿心电数据库中的“r01”数据第一通道的某一段信号进行胎心电提取结果。附图5中，(a)图为读取的原始腹壁电信号，(b)图为使用本申请方案估计的母体心电，(c)图为使用本申请方案估计得到的胎心电的初步估计，(d)图为本申请方案得到的胎心电的增强估计。图中纵坐标刻度的单位为μV。

附图6为使用原按段重采样方法对附图5所处理的同一信号进行胎心电提取的结果。附图6中，(a)图为读取的原始腹壁电信号，(b)图为原按段重采样方法得到的母体心电，(c)图为原按段重采样方法估计得到的胎心电的初步估计，(d)图为原按段重采样方法得到的胎心电的增强估计。图中纵坐标刻度的单位为μV。

现定义一指标WPR来定量衡量胎心电初步估计的效果，该指标越小说明胎心电初步估计的质量越高：

$\mathrm{WPR}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{i=N}{\mathrm{\Σ}}_{n=s}^{n=e}r{\mathrm{ECG}}_i^2\left(n\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{i=N}{\mathrm{\Σ}}_{n=s}^{n=e}\mathrm{Abd}{\mathrm{ECG}}_i^2\left(n\right)}$

其中rECG表示对胎心电的初步估计，AbdECG表示预处理后的腹壁电信号，N表示R波个数，s取为R波前0.2秒的一点，e取为R波后0.4秒的一点。经计算，图5(c)中本申请方案得到的WPR为0.0739，图6(c)中原按段重采样方法得到的WPR为0.1098。

附图说明

附图1，胎儿心电图分离提取算法的总体框图

附图2，本申请胎心电初步估计的算法流程图

附图3，本申请胎心电增强估计的算法流程图

附图4，一真实心电的若干心动周期

附图5，本申请方法对一真实腹壁电信号提取胎心电的效果

附图6，原按段重采样方法对一真实腹壁电信号提取胎心电的效果

具体实施方式(实施例)

本申请胎心电初步估计方案的具体实施例。

(1)读取一路母体腹部采集到的腹壁电信号。数据来自MIT Abdominal and Direct FetalECG Database，数据名为r01，该数据包括四路腹导信号，此处读取的是其第一通道的信号，数据长度为60000个样本，采样率(fs)为1000Hz。

(2)信号预处理，去除腹壁电信号中的基线漂移、50或60Hz工频干扰和高频噪声。本例中选择线性相位FIR带通滤波器去除基线漂移和高频噪声干扰，带通频带范围取为0.7-80Hz，滤波器阶数为1001阶；通过幅值频率相位估计的方法去除工频干扰。预处理后的信号如附图5中(a)图所示。

(3)检测腹壁电信号中母体分量的R波波峰位置，据此得到Ps、Te点，Ps点为每个R波波峰前第L_pr个点，Te点为每个R波波峰后第L_rt个点。本例中L_pr＝0.2*fs，L_rt＝0.4*fs。这样每个心动周期Ps-Ps被切割成Ps-Te和Te-Ps两段。本例中检测预处理后信号中母体R波波峰，使用的是差分阈值法。

(4)对各Te-Ps段进行重采样，获得周期均匀的波形，让每个Te-Ps具有相同的采样点数，这样每个Ps-Ps段也具有了相同的采样点数。

(5)对周期均匀化后的信号进行梳状滤波，获得到母体心电周期均匀化的估计结果。

(6)对获得的周期均匀化的母体心电的Te-Ps段再次进行部分重采样，恢复Te-Ps段原来的长度，进而恢复母体心电的心率变异性，从而得到了母体心电的估计结果，如附图5(b)所示。

(7)从预处理后的信号中减去估计的母体心电，得到对胎心电的初步估计结果，如附图5中(c)图所示。

本申请胎儿心电图增强估计方案的具体实施例。

(1)读取一路初步估计的胎心电信号。本例中该信号来自以上具体实践例获得胎心电的初步估计结果，如图5(c)所示。

(2)信号预处理，去除胎心电初步估计结果中的基线漂移和高频噪声。这里使用的是FIR带通滤波器，通带范围为1.5-70Hz，滤波器的阶数为1001。

(3)检测预处理后信号中胎儿的R波波峰位置，据此得到Ps、Te点，Ps点为每个R波波峰前第l_pr个点，Te点为每个R波波峰后第l_rt个点。本例中l_pr＝0.1*fs，l_rt＝0.2*fs s。这样每个心动周期Ps-Ps被切割成Ps-Te和Te-Ps两段。本例中检测预处理后信号胎儿R波波峰，使用的是差分阈值法。

(4)对各Te-Ps段进行重采样，获得周期均匀的波形，让每个Te-Ps段具有相同的采样点数，这样每个Ps-Ps段也具有了相同的采样点数。

(5)对均匀化后的信号进行梳状滤波，获得胎心电周期均匀化的估计结果。

(6)对获得的周期均匀化的胎心电的Te-Ps段再次进行重采样，恢复Te-Ps段原来的长度，进而恢复胎心电的心率变异性，从而得到了胎心电的增强估计结果。如附图5(d)所示。

Claims (4)

1.一种对胎儿心电图初步估计的方法，其特征是，包括以下步骤：(1)读取一路从母体腹部采集的腹壁电信号；(2)预处理，去除腹壁电信号中的基线漂移、工频干扰及高频噪声；(3)检测腹壁电信号中母体心电的R波波峰位置；(4)标记每个R波波峰前第L_pr点为Ps点，R波波峰后第L_rt点为Te点，以使每个心动周期Ps-Ps出现Ps-Te和Te-Ps两段；(5)对各Te-Ps段信号分别进行重采样，以使各Te-Ps段具有相同的采样点数，这样各心动周期Ps-Ps段同样具有了相同的采样点数，即进行了所谓的部分按段重采样；(6)对部分按段重采样后的信号进行梳状滤波，得到母体心电成分的周期均匀化估计；(7)对获得的周期均匀化的母体心电成分的各Te-Ps段进行再次重采样恢复原长度，也即恢复母体心电成分的心率变异性，进而得到母体心电的估计；(8)从步骤(2)获得的预处理信号中减去估计的母体心电成分，即可得到胎心电的初步估计。

2.一种对胎儿心电图增强估计的方法，其特征是，包括以下步骤：(1)读取一路胎心电初步估计信号；(2)预处理，去除信号中的基线漂移及高频噪声等；(3)检测信号中胎心电的R波波峰位置；(4)标记每个R波波峰前第l_pr点为Ps点，R波波峰后第l_rt点为Te点，以使每个心动周期Ps-Ps出现Ps-Te和Te-Ps两段；(5)对各Te-Ps段信号分别进行重采样，以使各Te-Ps段具有相同的采样点数，这时各心动周期Ps-Ps段同样具有了相同的采样点数，即进行了所谓的部分按段重采样；(6)对部分按段重采样后的信号进行梳状滤波，得到胎心电成分的周期均匀化估计；(7)对获得的周期均匀化的胎心电成分的各Te-Ps段进行再次重采样恢复原长度，也即恢复胎心电的心率变异性，进而得到胎心电的增强估计。

3.根据权利要求1中所述的一种对胎儿心电图初步估计的方法，其第(4)步中关于L_pr和L_rt的确定，其特征是，L_pr＝T_pr*fs，L_rt＝T_rt*fs，fs为采样率，T_pr可取为0.12-0.2s范围内的某一固定值，T_rt可取为0.2-0.4s范围内的某一固定值。

4.根据权利要求2中所述的一种对胎儿心电图增强估计的方法，其第(4)步中关于l_pr和l_rt的确定，其特征是，l_pr＝t_pr*fs，l_rt＝t_rt*fs，fs为采样率，t_pr可取为0.06-0.1s范围内的某一固定值，t_rt可取为0.1-0.2s范围内的某一固定值。