CN105411577A - 胎儿心电信号分离方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种胎儿心电信号分离方法，包括如下步骤：从母体腹壁心电信号中，提取出母体心电R波波峰位置；以母体心电R波波峰位置为定位点，在母体心电R波波峰位置的左右段各截取固定长度，对当前R-R间隔的固定数目的模板进行平均，得到平均模板，并以当前模板和平均模板获得递归模板＝a*平均模板+b*当前模板；将母体腹壁心电信号和递归模板进行对消，得到被分离出的胎儿心电信号；对对消后剩余的胎儿心电信号进行逻辑判断，识别出泄漏的母体心电QRS波群分量，并将此处的分量抑制，获得所需的胎儿心电信号波形。所述胎儿心电信号分离方法中不包含大量的矩阵和乘法迭代运算等，将大大地降低实现复杂度，减少资源占用。

Description

胎儿心电信号分离方法及系统
技术领域
本发明涉及生物医学工程技术领域，尤其涉及一种基于腹壁心电信号的胎儿心电信号分离方法及系统。
背景技术
在围产期中，特别是在分娩过程中，胎儿由于脐带压迫或者其他原因，易造成暂时性缺氧，引起窒息、智力迟钝、痴呆甚至死亡，这与围产期胎儿缺乏足够有效的监护有关。因此，围产期监护仪的临床应用将是保证围产期各个阶段的胎儿安全，保障胎儿优生的有力措施之一。
实现胎儿心脏监护，需要先取得反映胎儿健康状况的信号，如胎心心率监测。反映胎儿心脏功能的信号通常有三种，即心音、心动和心电信号。
胎儿心音信号
心音信号是心肌舒缩和瓣膜启闭时振动所产生的声信号，反映了心脏活动的状态。把一个高度灵敏的微音器置于母体腹壁体表就可以记录到胎儿心音信号，根据第一心音和第二心音的时间间隔，即可算出胎心率。
胎儿心动信号
心动信号是指心脏壁在心跳时发生的舒缩、心脏瓣膜的启闭、血管壁的运动所形成的机械运动信号，可以利用超声多普勒效应拾取。将装有超声发射器和接收器的超声换能器置于母体腹壁表面，对准胎儿心脏。这时接收器收到的超声回波将收到频率调制及幅度调制，多普勒频移的角频率和心脏或血管壁的舒缩运动的速度成正比，即可得到胎儿心率曲线。
胎儿心电信号
心电信号是心脏节律性活动的原发性信号，它比心动信号和心音信号更直接地反映心脏活动功能的生理信号，而且心电信号更具有节奏明确、容易确定心动周期的优点。此外，从胎儿心电图中不仅能提取胎儿心率的信息，还可能像成人心电图那样，得到更多的关于胎儿心脏状况的信息。
从上面三个获取胎儿心脏活动信息的途径的分析可见，胎儿心电信号能较准确的反映胎儿心脏活动，特别是绝大多数胎儿窘迫发生在分娩的第一产程末及第二产程中有宫缩的时候，用心音法和超声多普勒法均有一定的困难，虽仍能取得胎儿心脏活动信息，但是不利于提高监护质量。因此通过胎儿心电信号处理后得到胎儿心电图和瞬时胎心率这一途径更有利于提高监护质量。
胎儿心电信号很早就为人们所重视，1906年Gremer就首次用腹部电极记录到胎儿心电信号，1961年Hon开始应用电子计算机作胎儿心电信号处理。之后十几年中不少学者开展了这方面的研究，虽然取得了不少进展，但还没有获得很好的处理方法。这是由于腹部胎儿心电信号处理存在以下一些困难：1)、信噪比低，胎儿心电分量太弱，仅为10～50uV左右，而母亲心电信号则可达750uV,两者可差十倍以上；加上肌电噪声与其它干扰也很强，胎儿心电信号完全淹没于噪声之中。2)、时域中胎儿QRS波与母体QRS波有10～30％的重叠。3)频域中胎儿频谱与母体的频谱大部分重叠。4)信号随机性很强，是非平稳过程，特别是由于胎儿的自由移动造成胎儿心电传输通道的时变性。
基于母体腹壁胎儿心电信号的提取，已引起众多学者的广泛研究和关注，目前，对此问题的解决主要采用以下几个方法：
自适应处理方法：采用自适应处理方法，消除MECG以及其它噪声，自适应处理方法较常用的两个准则是：1)LMS准则，即均方误差最小，可由随机梯度实现。2)LS准则，即最小二乘法，即误差平方和为最小。此外，还有基于独立分量分析(ICA)的胎儿心电提取和基于奇异值分解法(SVD)等。
以上众多方法多集中在学术研究，算法实现较复杂，极大的限制了算法在实际中的实时应用，对于最终实现实时有效的胎儿心电监护的效果仍不理想。
中国专利申请201310674038.2采用LMS准则更新线性FIR滤波器系数，该准则计算比较简单，但收敛速度慢，对具有强烈非平稳的腹部心电信号不能适应，影响了提取质量。
中国专利201310729736.8提出基于广义特征值最大化的胎儿心电信号自适应盲提取方法，计算设定的周期范围内不同延迟的自相关矩阵关于协方差矩阵的特征值及特征向量，由于算法中涉及到大量的矩阵运算，因此，算法运算量较大。
中国专利200910033420.9胎儿心电图的非线性分离提取方法，其中使用了独立分量分析法分离方法，由于各个独立分量结果具有不确定性，需要专业人员通过观测分离的各个分量结果来判断哪个分量是胎儿心电信号，极大地限制了该方法在实际中的实时应用。
发明内容
基于此，本发明提供一种基于腹壁心电信号的胎儿心电信号分离方法及系统，以有效解决现有技术存在的问题。
一种胎儿心电信号分离方法，其包括如下步骤：
S101、从母体腹壁心电信号中，提取出母体心电R波波峰位置；
S103、以母体心电R波波峰位置为定位点，在母体心电R波波峰位置的左右段各截取固定长度，对当前R-R间隔的固定数目的模板进行平均，得到平均模板，并以当前模板和平均模板获得递归模板＝a*平均模板+b*当前模板；
S105、将母体腹壁心电信号和递归模板进行对消，得到被分离出的胎儿心电信号；
S107、对对消后剩余的胎儿心电信号进行逻辑判断，识别出泄漏的母体心电QRS波群分量，并将此处的分量抑制，获得所需的胎儿心电信号波形。
本发明一较佳实施方式中，步骤S101中，对母体腹壁心电信号进行差分运算，获取母体腹壁心电信号的斜率曲线，对斜率曲线做绝对滑动积分运算，记录每秒钟内的最大值，对前n秒内的最大值做平均，则母体心电R波判定阈值＝系数比值*前n秒内的最大值平均；对差分值大于R波判定阈值的段，进行R波波峰位置最大值查找，以确定最终的R波波峰位置点。
本发明一较佳实施方式中，n值为8。
本发明一较佳实施方式中，步骤S103中，对当前R-R间隔的前5个模板进行平均，得到平均模板，设置权值，将平均模板和当前模板按权值进行叠加，生成递归模板。
本发明一较佳实施方式中，步骤S105中，以母体心电R波波峰位置为基准点，将母体腹壁心电信号和递归模板做对消。
本发明另外提供一种胎儿心电信号分离系统，其包括：
识别模块，用于从母体腹壁心电信号中提取出母体心电R波波峰位置；
递归模板获取模块，用于以母体心电R波波峰位置为定位点，在母体心电R波波峰位置的左右段各截取固定长度，对当前R-R间隔的固定数目的模板进行平均，得到平均模板，并以当前模板和平均模板获得递归模板＝a*平均模板+b*当前模板；
对消模块，用于将母体腹壁心电信号和递归模板进行对消，得到被分离出的胎儿心电信号；
逻辑修正模块，用于对对消后剩余的胎儿心电信号进行逻辑判断，识别出泄漏的母体心电QRS波群分量，并将此处的分量抑制，获得所需的胎儿心电信号波形。
本发明一较佳实施方式中，所述识别模块对母体腹壁心电信号进行差分运算，获取母体腹壁心电信号的斜率曲线，对斜率曲线做绝对滑动积分运算，记录每秒钟内的最大值，对前8秒内的最大值做平均，则母体心电R波判定阈值＝系数比值*前8秒内的最大值平均；对差分值大于R波判定阈值的段，进行R波波峰位置最大值查找，以确定最终的R波波峰位置点。
本发明一较佳实施方式中，所述递归模板获取模块对当前R-R间隔的前5个模板进行平均，得到平均模板，并设置权值，将平均模板和当前模板按权值进行叠加，生成递归模板。
本发明一较佳实施方式中，所述对消模块以母体心电R波波峰位置为基准点，将母体腹壁心电信号和递归模板做对消。
相对于现有技术，本发明提供的胎儿心电信号分离方法中不涉及大量的矩阵运算和迭代乘法运算，复杂度大大降低、占用资源少；同时，所述胎儿心电信号分离方法不需要额外的一路母体胸导联心电信号作为参考信号，简化了导联系统；此外，所述胎儿心电信号分离方法设计思路简单直观，针对于异常的临床数据，易于查找原因和添加修正模块。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的胎儿心电信号分离方法的流程图；
图2为图1所示胎儿心电信号分离方法中母体心电R波波峰位置的识别流程图；
图3为图1所示胎儿心电信号分离方法中递归模板生成示意图；
图4为图1所示胎儿心电信号分离方法中逻辑修正流程图；
图5为验证数据中第1-3路母体腹壁心电信号图；
图6为验证数据中第4-5路母体腹壁心电信号图；
图7为基于图1所示胎儿心电信号分离方法的实验结果从三个位置关系的分析图；
图8为本发明第二实施例提供的胎儿心电信号分离系统的示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1，本发明第一实施例提供一种胎儿心电信号分离方法，其包括如下步骤：
S101、从母体腹壁心电信号中，提取出母体心电R波波峰位置。
本发明提供的胎儿心电信号分离方法中，母体心电R波波峰位置将作为递归模板的定时点，因此，母体心电R波波峰位置的准确识别将至关重要。
请参阅图2，为母体心电R波波峰位置的识别流程图，具体地，对母体腹壁心电信号进行差分运算，获取母体腹壁心电信号的斜率曲线，对斜率曲线做绝对滑动积分运算，记录每秒钟内的最大值，对前n秒内的最大值做平均，则母体心电R波判定阈值＝系数比值*前n秒内的最大值平均；对差分值大于R波判定阈值的段，进行R波波峰位置最大值查找，以确定最终的R波波峰位置点。
优选地，n值为8，当然，并不局限于本实施例，也可以根据实际情况进行调节，如选为6、7、9等整数。
S103、以母体心电R波波峰位置为定位点，在母体心电R波波峰位置的左右段各截取固定长度，对当前R-R间隔的固定数目的模板进行平均，得到平均模板，并以当前模板和平均模板获得递归模板＝a*平均模板+b*当前模板。
本实施例中，以母体心电中R波波峰位置为定位点，截取每个母体心电R波波峰位置左右段的固定长度，对当前R-R间隔的前5个模板进行平均，得到平均模板，设置权值，将平均模板和当前模板按权值进行叠加，生成递归模板，具体流程如图3所示。
S105、将母体腹壁心电信号和递归模板进行对消，得到被分离出的胎儿心电信号。
具体地，以母体心电R波波峰位置为基准点，将母体腹壁心电信号和递归模板做对消。由于递归模板是具有当前腹壁心电周期内所对应母体心电波形的信号，并且由于多次递归，基本消除掉了其中的胎儿心电波形，所以递归后，能最大限度地消除母体心电波形，保存胎儿心电分量。
S107、对对消后剩余的胎儿心电信号进行逻辑判断，识别出泄漏的母体心电QRS波群分量，并将此处的分量抑制，获得所需的胎儿心电信号波形。
由于母体心电波形和胎儿心电波形巨大的幅值比，因此，对消后的信号即便有小分量的母体QRS波群分量泄露，也会对胎儿QRS波群的检测造成巨大的干扰，但是泄露出的母体QRS波群分量又不是完全不可以识别和避免，基于此，此步骤从逻辑判断角度，识别出可能泄露出的母体QRS波群分量，进行抑制，以得到去除了母体分量干扰的胎儿心电信号，即获得所需的胎儿心电信号波形，具体流程如图4所示。
以下，本发明通过具体实验进行验证。
本发明验证数据来源为Daisy数据(http://www.esat.kuleuven.ac.be/～tokka/daisyta.html)，其中该数据中包含了5路母体腹壁混合心电信号，每路信号的数据长度为2500个样本点，采样率250Hz，5路信号波形图如图5和图6所示。可知，图5中第1路腹壁信号为胎母心电信噪比最大的一路信号，即此路信号效果最好，图6中第4和5路腹壁心电信号用肉眼已经无法识别出胎儿心电R波峰位置，此两路信号提取效果已不能为本发明提供的胎儿心电信号分离方法所用，故不在本胎儿心电信号分离方法的考虑范围之内，本发明提供的胎儿心电信号分离方法选择第2路信号做为验证数据。
(1)胎儿QRS波群远离母体QRS波群
胎儿QRS波群远离母体QRS波群，如图7中标注a，由图可知，这种情况下的胎儿QRS波分量被提取出，左右的母体QRS波分量被抑制掉。此种胎儿QRS波群和母体QRS波群的位置关系，是腹壁心电中最普遍的位置关系，也是最容易提取出的位置关系。
(2)胎儿QRS波群紧邻母体QRS波群
胎儿QRS波群紧邻母体QRS波群，如图7中标注b所示，可知，这种情况下的胎儿QRS波分量被提取出，紧邻的母体QRS波分量被抑制掉，并未对胎儿心电QRS波群的识别造成影响。此种胎儿QRS波群和母体QRS波群的位置关系，是腹壁心电中少数比例存在的位置关系，也是较难提取出的位置关系。
(3)胎儿QRS波群和母体QRS波群完全重合
胎儿QRS波群完全和母体QRS波群，如图7中标注c所示，可知，这种情况下的胎儿QRS波分量被提取出，重合的母体QRS波分量被抑制掉。此种胎儿QRS波群和母体QRS波群的位置关系，是腹壁心电中少数比例存在的位置关系，也是最难提取出的位置关系。
由以上结果分析可知，本发明提供的胎儿心电信号分离方法中，胎儿QRS波群远离母体QRS波群、胎儿QRS波群紧邻母体QRS波群、胎儿QRS波群和母体QRS波群完全重合三种情况，均有非常理想的提取效果。从胎儿心电信号分离方法的设计思路上，本发明提供的胎儿心电信号分离方法中不包含大量的矩阵和乘法迭代运算等，将大大地降低实现复杂度，减少资源占用，基本可实现胎儿生命信息实时监护。
请参阅图8，本发明另外提供一种胎儿心电信号分离系统，其包括识别模块10、递归模板获取模块20、对消模块30及逻辑修正模块40。
所述识别模块10用于从母体腹壁心电信号中提取出母体心电R波波峰位置。本实施例中，所述识别模块10对母体腹壁心电信号进行差分运算，获取母体腹壁心电信号的斜率曲线，对斜率曲线做绝对滑动积分运算，记录每秒钟内的最大值，对前8秒内的最大值做平均，则母体心电R波判定阈值＝系数比值*前8秒内的最大值平均；对差分值大于R波判定阈值的段，进行R波波峰位置最大值查找，以确定最终的R波波峰位置点。
所述递归模板获取模块20用于以母体心电R波波峰位置为定位点，在母体心电R波波峰位置的左右段各截取固定长度，对当前R-R间隔的固定数目的模板进行平均，得到平均模板，并以当前模板和平均模板获得递归模板＝a*平均模板+b*当前模板。本实施例中，所述递归模板获取模块20对当前R-R间隔的前5个模板进行平均，得到平均模板，并设置权值，将平均模板和当前模板按权值进行叠加，生成递归模板。
所述对消模块30用于将母体腹壁心电信号和递归模板进行对消，得到被分离出的胎儿心电信号。本实施例中，所述对消模块30以母体心电R波波峰位置为基准点，将母体腹壁心电信号和递归模板做对消。
所述逻辑修正模块40，用于对对消后剩余的胎儿心电信号进行逻辑判断，识别出泄漏的母体心电QRS波群分量，并将此处的分量抑制，获得所需的胎儿心电信号波形。
相对于现有技术，本发明提供的胎儿心电信号分离方法中不涉及大量的矩阵运算和迭代乘法运算，复杂度大大降低、占用资源少；同时，所述胎儿心电信号分离方法不需要额外的一路母体胸导联心电信号作为参考信号，简化了导联系统；此外，所述胎儿心电信号分离方法设计思路简单直观，针对于异常的临床数据，易于查找原因和添加修正模块。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种胎儿心电信号分离方法，其特征在于，包括如下步骤：
S101、从母体腹壁心电信号中，提取出母体心电R波波峰位置；
S103、以母体心电R波波峰位置为定位点，在母体心电R波波峰位置的左右段各截取固定长度，对当前R-R间隔的固定数目的模板进行平均，得到平均模板，并以当前模板和平均模板获得递归模板＝a*平均模板+b*当前模板,a和b是指系数；
S105、将母体腹壁心电信号和递归模板进行对消，得到被分离出的胎儿心电信号；
S107、对对消后剩余的胎儿心电信号进行逻辑判断，识别出泄漏的母体心电QRS波群分量，并将此处的分量抑制，获得所需的胎儿心电信号波形。
2.如权利要求1所述的胎儿心电信号分离方法，其特征在于，步骤S101中，对母体腹壁心电信号进行差分运算，获取母体腹壁心电信号的斜率曲线，对斜率曲线做绝对滑动积分运算，记录每秒钟内的最大值，对前n秒内的最大值做平均，则母体心电R波判定阈值＝系数比值*前n秒内的最大值平均；对差分值大于R波判定阈值的段，进行R波波峰位置最大值查找，以确定最终的R波波峰位置点。
3.如权利要求2所述的胎儿心电信号分离方法，其特征在于，n值为8。
4.如权利要求1所述的胎儿心电信号分离方法，其特征在于，步骤S103中，对当前R-R间隔的前5个模板进行平均，得到平均模板，设置权值，将平均模板和当前模板按权值进行叠加，生成递归模板。
5.如权利要求1所述的胎儿心电信号分离方法，其特征在于，步骤S105中，以母体心电R波波峰位置为基准点，将母体腹壁心电信号和递归模板做对消。
6.一种胎儿心电信号分离系统，其特征在于，包括：
识别模块，用于从母体腹壁心电信号中提取出母体心电R波波峰位置；
递归模板获取模块，用于以母体心电R波波峰位置为定位点，在母体心电R波波峰位置的左右段各截取固定长度，对当前R-R间隔的固定数目的模板进行平均，得到平均模板，并以当前模板和平均模板获得递归模板＝a*平均模板+b*当前模板；
对消模块，用于将母体腹壁心电信号和递归模板进行对消，得到被分离出的胎儿心电信号；
逻辑修正模块，用于对对消后剩余的胎儿心电信号进行逻辑判断，识别出泄漏的母体心电QRS波群分量，并将此处的分量抑制，获得所需的胎儿心电信号波形。
7.如权利要求6所述的胎儿心电信号分离系统，其特征在于，所述识别模块对母体腹壁心电信号进行差分运算，获取母体腹壁心电信号的斜率曲线，对斜率曲线做绝对滑动积分运算，记录每秒钟内的最大值，对前8秒内的最大值做平均，则母体心电R波判定阈值＝系数比值*前8秒内的最大值平均；对差分值大于R波判定阈值的段，进行R波波峰位置最大值查找，以确定最终的R波波峰位置点。
8.如权利要求6所述的胎儿心电信号分离系统，其特征在于，所述递归模板获取模块对当前R-R间隔的前5个模板进行平均，得到平均模板，并设置权值，将平均模板和当前模板按权值进行叠加，生成递归模板。
9.如权利要求6所述的胎儿心电信号分离系统，其特征在于，所述对消模块以母体心电R波波峰位置为基准点，将母体腹壁心电信号和递归模板做对消。
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