CN104473631B - 一种基于非负盲分离胎儿心电瞬时心率识别方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于非负盲分离胎儿心电瞬时心率识别方法及系统，该方法包括：对胎儿心电图机采集得到的心电信号进行预处理，小波去噪后利用相干平均法去掉母亲心电成分获取胎儿心电信号，将胎儿心电信号变换到时频域，得到Choi?Williams谱和Born?Jordan谱，再变为非负频谱；利用非负矩阵分解进行盲分离，得到胎儿心电信号的非负时频分量；求瞬时心率，对所求胎儿心电信号的非负时频分量进行极大值检测，设定阈值；采用区间遍历法求信号区间的最大值，求出心电曲线的所有峰值点；将求得心电曲线的所有峰值坐标进行换算，依次进行前向差分，由瞬时心率公式求得胎儿的瞬时心率。本发明的识别具有快速简单，准确率高的特点。

Description

一种基于非负盲分离胎儿心电瞬时心率识别方法及系统

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，更具体地，涉及一种基于非负盲分离胎儿心电瞬时心率识别方法及系统。

背景技术

胎儿心电图是一种重要的胎儿监护手段，是一种检测胎儿在子宫内健康状况的重要方法，能够反映胎儿心脏的全貌。健康的胎儿随子宫内环境的不同时刻发生着微妙的变化，而且胎儿心率的变化是循环系统和中枢神经系统机能调节的表现，因此在围产期对胎儿进行胎心率检测可以了解胎儿在子宫内的重要监护指标。然而由于采集的胎儿心电信号幅度小，信号的噪声比低且大都混杂有幅度大，分布广的噪声干扰，例如常见的工频干扰、呼吸、肌电等引起的噪声，其中最主要的干扰是母体心电信号(Maternal ECG，MECG)，它给医学诊断带来极大的困难。在时域和频域上，这些干扰信号混叠在一起对胎儿心音信号的瞬时心率计算造成很大的影响。因此，研究如何准确、便捷，有效地测量围产期胎心电的瞬时心率具有及其重要的实用价值和临床意义。

目前已经有许多采用其它技术来提取胎儿心电信号(FECG)的报道，如相干平均、自相关和互相关、自适应滤波、基于奇异值分解和主分量分析等。但这些技术的提取方法受很多限制，或计算过于复杂，或需要更多的人工干预。

非负矩阵分解(Nonnegative Matrix Factorization，NMF)是近十年来随着盲信号分离技术的发展而出现的一种新的信号处理技术。由于它的算法简单，计算量小，适用范围广，已逐渐成为信号处理领域的热点之一。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明首先提出一种基于非负盲分离胎儿心电瞬时心率识别方法，针对由胎儿心电图机采集得到的胎儿心电信号，本发明能快速简便的计算出胎儿的瞬时心率，更好的服务于临床胎儿监护。

本发明的又一目的是提出一种基于非负盲分离胎儿心电瞬时心率识别系统。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于非负盲分离胎儿心电瞬时心率识别方法，包括以下步骤：

S1.对胎儿心电图机采集得到的心电信号进行预处理，其预处理包括小波去噪、利用相干平均法去掉心电信号中母亲心电成分获取胎儿心电信号，并将其胎儿心电信号变换到时频域，得到Choi-Williams谱和Born-Jordan谱，再将Choi-Williams谱和Born-Jordan谱变为非负频谱；

S2.利用非负矩阵分解进行盲分离，对胎儿心电信号的Choi-Williams谱和Born-Jordan谱进行处理，得到胎儿心电信号的非负时频分量；

S3.求取瞬时心率，包括峰值点检测和差分法求瞬时心率，其中峰值点检测是对所求胎儿心电信号的非负时频分量进行极大值检测，设定阈值；采用区间遍历法求心电信号区间的最大值，再求出心电曲线的所有峰值点；差分法求瞬时心率是将所求得心电曲线的所有峰值坐标进行换算，然后依次进行前向差分，再根据瞬时心率公式求得胎儿的瞬时心率。

进一步的，所述步骤S1中的小波去噪的具体实现方式为：采用Daubechies小波，小波基为db4，进行2级分解，取小波变换后的细节系数第二级信号xd1进行阈值去噪操作，去噪的阈值取信号幅度绝对值最大值的0.06～0.08倍；

利用相干平均法去掉心电信号中母亲心电成分的具体实现方式为：根据母亲心电信号成分的模板将心电信号中的母亲心电信号依次减去，所得心电信号为预处理后的胎儿心电信号；

所述信号变换到时频域的具体实现方式为：利用Choi-Williams时频变换和Born-Jordan时频变换对胎儿心电信号xd1进行处理得到Choi-Williams谱、Born-Jordan谱，然后分别与它们的共轭复数相乘即可得到非负Choi-Williams谱和Born-Jordan谱，记非负Choi-Williams谱为x₁，非负Born-Jordan谱为x₂，并将x₁和x₂合并为矩阵X＝[x₁,x₂]。

进一步的，所述步骤S2中利用非负矩阵分解进行盲分离的方式为：

$H_{rn}=H_{rn}\·\frac{{\[W^{T}X\]}_{rn}}{{\[W^{T}WH\]}_{rn}}$

$W_{mr}=W_{mr}\·\frac{{\[{\mathrm{XH}}^T\]}_{mr}}{{\[{\mathrm{WHH}}^T\]}_{mr}}$

进行盲分离，得到混合矩阵W和胎儿心电信号H，H即为非负矩阵盲分离得到的胎儿心电信号的非负时频分量。

进一步的，所述步骤S3中峰值点检测的具体方式为：对胎儿心电图非负时频分量进行分解和取值，得到独立非负时频分量1和独立非负时频分量2，然后对独立非负时频分量1进行极大值检测，对结果进行观测，设定对应的阈值；采用区间遍历法求信号区间的最大值，再求出该曲线的所有峰值点；该步骤中采用阈值检测，阈值的定义如下：

$p=\mathrm{\μ}\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\β}}_i$

其中，p为阈值，对取得的结果进行峰值观测，μ取0.3，为所有极值点β_i,i＝1,…，n的幅值的平均值。

进一步的，所述步骤S3中差分法求瞬时心率的具体方式为：将所求得曲线的所有峰值坐标进行换算，然后依次进行前向差分，再根据瞬时心率公式求得胎儿的瞬时心率；

其中瞬时心率为：

$\mathrm{\υ}=\frac{60}{\mathrm{\Δ}t}$

Δt每两相邻峰值的时间间隔，即所求的υ为瞬时心率。

一种基于非负盲分离胎儿心电瞬时心率识别系统，包括：

预处理模块，用于对胎儿心电图机采集得到的心电信号进行预处理，其预处理过程包括小波去噪、利用相干平均法去掉心电信号中母亲心电成分获取胎儿心电信号，并其将胎儿心电信号变换到时频域，得到Choi-Williams谱和Born-Jordan谱，再将Choi-Williams谱和Born-Jordan谱变为非负频谱；

盲分离模块，采用非负矩阵分解进行盲分离，是对胎儿心电信号的Choi-Williams谱和Born-Jordan谱进行处理，得到胎儿心电信号的非负时频分量；

瞬时心率获取模块，用于求取瞬时心率，具体为：包括峰值点检测和差分法求瞬时心率，其中峰值点检测是对所求胎儿心电信号的非负时频分量进行极大值检测，设定阈值；采用区间遍历法求心电信号区间的最大值，再求出心电曲线的所有峰值点；差分法求瞬时心率是将所求得心电曲线的所有峰值坐标进行换算，然后依次进行前向差分，再根据瞬时心率公式求得胎儿的瞬时心率。

进一步的，所述预处理模块中的小波去噪的具体实现方式为：采用Daubechies小波，小波基为db4，进行2级分解，取小波变换后的细节系数第二级信号xd1进行阈值去噪操作，去噪的阈值取信号幅度绝对值最大值的0.06～0.08倍；

利用相干平均法去掉心电信号中母亲心电成分的具体实现方式为：根据母亲心电信号成分的模板将心电信号中的母亲心电信号依次减去，所得心电信号为预处理后的胎儿心电信号；

所述信号变换到时频域的具体实现方式为：利用Choi-Williams时频变换和Born-Jordan时频变换对胎儿心电信号xd1进行处理得到Choi-Williams谱、Born-Jordan谱，然后分别与它们的共轭复数相乘即可得到非负Choi-Williams谱和Born-Jordan谱，记非负Choi-Williams谱为x₁，非负Born-Jordan谱为x₂，并将x₁和x₂合并为矩阵X＝[x₁，x₂]。

进一步的，所述瞬时心率获取模块中峰值点检测的具体方式为：对胎儿心电图非负时频分量进行分解和取值，得到独立非负时频分量1和独立非负时频分量2，然后对独立非负时频分量1进行极大值检测，对结果进行观测，设定对应的阈值；采用区间遍历法求信号区间的最大值，再求出该曲线的所有峰值点；该步骤中采用阈值检测，阈值的定义如下：

$p=\mathrm{\μ}\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\β}}_i$

其中，p为阈值，对取得的结果进行峰值观测，μ取0.3，为所有极值点β_i,i＝1,…,n的幅值的平均值。

进一步的，所述瞬时心率获取模块中差分法求瞬时心率的具体方式为：将所求得曲线的所有峰值坐标进行换算，然后依次进行前向差分，再根据瞬时心率公式求得胎儿的瞬时心率；

其中瞬时心率为：

$\mathrm{\υ}=\frac{60}{\mathrm{\Δ}t}$

Δt每两相邻峰值的时间间隔，即所求的υ为瞬时心率。

与现有技术相比，本发明的优点和效果在于：本发明的胎儿心电瞬时心率识别是利用盲分离方法来计算的，本发明的实现方法简单，能快速计算出胎儿的瞬时心率，且其准确率比常规算法高，能更好的服务于临床胎儿监护。

附图说明

图1是本发明基于非负盲分离胎儿心电瞬时心率识别方法流程图。

图2是胎儿心电信号波形图。

图3是本发明中利用小波去噪和相干平均法预处理后的胎心电信号波形图。

图4是本发明中得到的胎儿心电信号的非负Choi-Williams谱示意图。

图5是本发明中得到的胎儿心电信号的非负Born-Jordan谱示意图。

图6是本发明中得到的非负矩阵盲分离得到的胎儿心电信号的非负时频分量示意图。

图7是本发明中利用非负矩阵进行盲分离得到的胎儿心电信号的非负时频分量1示意图。

图8是本发明中利用非负矩阵进行盲分离得到的胎儿心电信号的非时频分量2示意图。

图9是计算得到的胎心电信号的瞬时心率曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式并不限于此。

如图1所示，本发明的已知基于非负矩阵分解盲分离计算胎儿瞬时心率的识别方法，包括如下步骤：

预处理，图2中胎儿心电图机采集的胎心电信号的采样频率fs＝500Hz，将采集到的心电信号进行小波去噪，利用相干平均法去掉母亲心电成分和将信号变换到时频域，得到Choi-Williams谱和Born-Jordan谱，再将Choi-Williams谱和Born-Jordan谱变为非负频谱，如图3所示；

将胎儿心电信号的非负Choi-Williams谱x₁，非负Born-Jordan谱x₂合并为矩阵X＝[x₁，x₂]，然后利用非负矩阵分解算法对非负信号矩阵X的盲分离，得到胎儿心电信号的非负时频分量。多次实验表明，非负矩阵分解算法的迭代次数设置为10有较好分离效果。通过非负矩阵分解算法得到的胎儿心电信号的非负时频分量，如图6所示；求取瞬时心率，包括：

a、峰值点检测，首先对胎儿心电图非负时频分量进行分解和取值，得到独立非负时频分量1和独立非负时频分量2，胎儿心电信号的非负Choi-Williams谱x₁和非负Born-Jordan谱x₂相互独立，读取胎儿心电信号的非负时频分量第一行数据为非负矩阵盲分离得到的胎儿心电信号的非负时频分量1，第一行数据大小为0-3范围内的噪声作为为非负矩阵盲分离得到的胎儿心电信号的非负时频分量2，如图7、图8所示；进行极大值检测，设定阈值。在此基础上，求信号区间的最大值采用区间遍历法，多次实验表明，设置区间的范围为[1+120*n,120*(n+1)]，n为0，1，2，…，较合适，最后求出该曲线的所有峰值点；

b、差分法求瞬时心率，将所求得曲线的所有峰值坐标进行相关换算，然后依次进行前向差分，再根据瞬时心率公式求得胎儿的瞬时心率。

步骤a中采用阈值检测，阈值的定义如下：

$p=\mathrm{\μ}\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\β}}_i$

其中，p为阈值，这里μ取0.3，为香农包络曲线的所有极值点的幅值的平均值；

步骤b中，将所求得曲线的所有峰值坐标进行相关换算，然后依次进行前向差分，再根据瞬时心率公式求得胎儿的瞬时心率。

瞬时心率的定义如下：

$\mathrm{\υ}=\frac{60}{\mathrm{\Δ}t}$

Δt每两相邻峰值的时间间隔，即所求的υ为瞬时心率，如图8和图9所示。

以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于非负盲分离胎儿心电瞬时心率识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.对胎儿心电图机采集得到的心电信号进行预处理，其预处理过程包括小波去噪、利用相干平均法去掉心电信号中母亲心电成分获取胎儿心电信号，并将其胎儿心电信号变换到时频域，得到Choi-Williams谱和Born-Jordan谱，再将Choi-Williams谱和Born-Jordan谱变为非负频谱；

S2.利用非负矩阵分解进行盲分离，对胎儿心电信号的Choi-Williams谱和Born-Jordan谱进行处理，得到胎儿心电信号的非负时频分量；

S3.求取瞬时心率，包括峰值点检测和差分法求瞬时心率，其中峰值点检测是对所求胎儿心电信号的非负时频分量进行极大值检测，设定阈值；采用区间遍历法求心电信号区间的最大值，再求出心电曲线的所有峰值点；差分法求瞬时心率是将所求得心电曲线的所有峰值坐标进行换算，然后依次进行前向差分，再根据瞬时心率公式求得胎儿的瞬时心率。

2.根据权利要求1所述的基于非负盲分离胎儿心电瞬时心率识别方法，其特征在于，所述步骤S1中的小波去噪的具体实现方式为：采用Daubechies小波，小波基为db4，进行2级分解，取小波变换后的细节系数第二级信号xd1进行阈值去噪操作，去噪的阈值取信号幅度绝对值最大值的0.06～0.08倍；

利用相干平均法去掉心电信号中母亲心电成分的具体实现方式为：根据母亲心电信号成分的模板将心电信号中的母亲心电信号依次减去，所得心电信号为预处理后的胎儿心电信号；

所述信号变换到时频域的具体实现方式为：利用Choi-Williams时频变换和Born-Jordan时频变换对胎儿心电信号xd1进行处理得到Choi-Williams谱、Born-Jordan谱，然后分别与它们的共轭复数相乘即可得到非负Choi-Williams谱和Born-Jordan谱，记非负Choi-Williams谱为x₁，非负Born-Jordan谱为x₂，并将x₁和x₂合并为矩阵X＝[x₁,x₂]。

3.根据权利要求2所述的基于非负盲分离胎儿心电瞬时心率识别方法，其特征在于，所述步骤S3中峰值点检测的具体方式为：对胎儿心电图非负时频分量进行分解和取值，得到独立非负时频分量1和独立非负时频分量2，然后对独立非负时频分量1进行极大值检测，对结果进行观测，设定对应的阈值；采用区间遍历法求信号区间的最大值，再求出该曲线的所有峰值点；该步骤中采用阈值检测，阈值的定义如下：

$p=\mathrm{\μ}\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\β}}_i$

其中，p为阈值，对取得的结果进行峰值观测，μ取0.3，为所有极值点β_i,i＝1,…,n的幅值的平均值。

4.根据权利要求3所述的基于非负盲分离胎儿心电瞬时心率识别方法，其特征在于，所述步骤S3中差分法求瞬时心率的具体方式为：将所求得曲线的所有峰值坐标进行换算，然后依次进行前向差分，再根据瞬时心率公式求得胎儿的瞬时心率；

其中瞬时心率为：

$\mathrm{\υ}=\frac{60}{\mathrm{\Δ}t}$

Δt每两相邻峰值的时间间隔，即所求的υ为瞬时心率。

5.一种基于非负盲分离胎儿心电瞬时心率识别系统，其特征在于，包括：

预处理模块，用于对胎儿心电图机采集得到的心电信号进行预处理，其预处理过程包括小波去噪、利用相干平均法去掉心电信号中母亲心电成分获取胎儿心电信号，并其将胎儿心电信号变换到时频域，得到Choi-Williams谱和Born-Jordan谱，再将Choi-Williams谱和Born-Jordan谱变为非负频谱；

盲分离模块，采用非负矩阵分解进行盲分离，是对胎儿心电信号的Choi-Williams谱和Born-Jordan谱进行处理，得到胎儿心电信号的非负时频分量；

瞬时心率获取模块，用于求取瞬时心率，具体为：包括峰值点检测和差分法求瞬时心率，其中峰值点检测是对所求胎儿心电信号的非负时频分量进行极大值检测，设定阈值；采用区间遍历法求心电信号区间的最大值，再求出心电曲线的所有峰值点；差分法求瞬时心率是将所求得心电曲线的所有峰值坐标进行换算，然后依次进行前向差分，再根据瞬时心率公式求得胎儿的瞬时心率。

6.根据权利要求5所述的基于非负盲分离胎儿心电瞬时心率识别系统，其特征在于，所述预处理模块中的小波去噪的具体实现方式为：采用Daubechies小波，小波基为db4，进行2级分解，取小波变换后的细节系数第二级信号xd1进行阈值去噪操作，去噪的阈值取信号幅度绝对值最大值的0.06～0.08倍；

利用相干平均法去掉心电信号中母亲心电成分的具体实现方式为：根据母亲心电信号成分的模板将心电信号中的母亲心电信号依次减去，所得心电信号为预处理后的胎儿心电信号；

所述信号变换到时频域的具体实现方式为：利用Choi-Williams时频变换和Born-Jordan时频变换对胎儿心电信号xd1进行处理得到Choi-Williams谱、Born-Jordan谱，然后分别与它们的共轭复数相乘即可得到非负Choi-Williams谱和Born-Jordan谱，记非负Choi-Williams谱为x₁，非负Born-Jordan谱为x₂，并将x₁和x₂合并为矩阵X＝[x₁,x₂]。

7.根据权利要求6所述的基于非负盲分离胎儿心电瞬时心率识别系统，其特征在于，所述瞬时心率获取模块中峰值点检测的具体方式为：对胎儿心电图非负时频分量进行分解和取值，得到独立非负时频分量1和独立非负时频分量2，然后对独立非负时频分量1进行极大值检测，对结果进行观测，设定对应的阈值；采用区间遍历法求信号区间的最大值，再求出该曲线的所有峰值点；该步骤中采用阈值检测，阈值的定义如下：

$p=\mathrm{\μ}\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\β}}_i$

其中，p为阈值，对取得的结果进行峰值观测，μ取0.3，为所有极值点β_i,i＝1,…,n的幅值的平均值。

8.根据权利要求7所述的基于非负盲分离胎儿心电瞬时心率识别系统，其特征在于，所述瞬时心率获取模块中差分法求瞬时心率的具体方式为：将所求得曲线的所有峰值坐标进行换算，然后依次进行前向差分，再根据瞬时心率公式求得胎儿的瞬时心率；

其中瞬时心率为：

$\mathrm{\υ}=\frac{60}{\mathrm{\Δ}t}$

Δt每两相邻峰值的时间间隔，即所求的υ为瞬时心率。