CN109998490B - 一种基于子宫肌电信号自动识别宫缩的方法 - Google Patents

一种基于子宫肌电信号自动识别宫缩的方法 Download PDF

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Abstract

一种基于子宫肌电信号自动识别宫缩的方法；属于产科监护技术领域。该方法首先采集子宫肌电信号O；对子宫肌电信号进行预处理，得到预处理后的子宫肌电信号P；计录预处理后的子宫肌电信号P的幅值平均值E，并将预处理后的子宫肌电信号P的幅值上移αE，得到幅值上移后的子宫肌电信号U；计算幅值上移后的子宫肌电信号U的过零率Z，并生成过零率函数Z'；将过零率函数Z'归一化后的结果作为函数M的输入变量，将函数M的输出作为权重函数Q的值；将权重函数Q与预处理后的子宫肌电信号P对应相乘，得到加权后的子宫肌电信号K；求取子宫肌电信号K的包络曲线并以该曲线的幅值为函数生成宫缩发生概率灰度图。本发明实现了宫缩信号的自动识别与宫缩发生概率的直观显示，为监测子宫活动提供了新的途径。

Description

一种基于子宫肌电信号自动识别宫缩的方法
技术领域
本发明属于分娩监护技术领域，涉及一种基于子宫肌电信号自动识别宫缩的方法。
背景技术
提高人口质量、减少出生缺陷是关系到家和国泰的民生大事。随着生育政策的实施，分娩量急剧增加的同时，高危产妇也明显增加。子宫收缩即宫缩直接促使胎儿排出母体，有规律的宫缩是临产的一个重要特征，是推动分娩的动力。可见，宫缩是反映孕妇分娩状态的重要依据，宫缩监测对于保证母胎健康具有重要意义。
在产检中，经常将TOCO压力传感器用松紧带固定于腹部，通过测量腹部形变间接评估宫内压力，这样测得的压力受到测量初始值和皮带捆扎松紧程度的影响，还容易受产妇体位、肥胖的影响。有些孕妇可以感知宫缩，有些则不能。有经验的医生靠触诊孕妇腹部感知宫缩，而此类方法主观性强，不便于长期监测。
近些年，有研究将电极置于孕妇腹部表面，记录体表子宫肌电(electrohysterogram,EHG)信号监测宫缩，EHG信号是从孕妇体表检测到的妊娠子宫的电活动，是无数个子宫平滑肌细胞单个电活动的综合表现。子宫收缩是动作电位以间歇式爆发波的方式沿子宫肌细胞传播的结果。子宫收缩强度与动作电位的传播程度和招募的肌细胞数量有关,随着分娩的临近，子宫肌层细胞兴奋性和连通性增加，导致动作电位的传播增加，EHG信号强度和同步性增大，常对应可被感知的宫缩。
但目前为止，在利用EHG信号识别宫缩的相关研究中，大多基于临床经验，以TOCO压力信号、孕妇和医生感知的宫缩记录作为参考，人工截取EHG信号的宫缩段，训练分类器。此方法不能自动识别宫缩，因而，无法用于临床诊断中。
发明内容
本发明旨在提供一种利用子宫肌电信号识别宫缩的方法，实现分娩期宫缩的自动识别和宫缩发生概率灰度图的直观显示，该方法不仅不需要借助于TOCO压力信号、孕妇和医生感知的宫缩记录就可以较为准确的识别宫缩位置，并且本方法的宫缩识别算法较为简洁，可以嵌入分娩监护医疗产品中进行使用，具有很好的实际应用前景。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
基于子宫肌电信号自动识别宫缩的方法，该方法包括以下步骤：
步骤A1：采集子宫肌电信号O；
步骤A2：对子宫肌电信号进行预处理，得到预处理后的子宫肌电信号P；
步骤A3：计算预处理后的子宫肌电信号P的幅值平均值E，并将预处理后的子宫肌电信号P的幅值上移αE，得到幅值上移后的子宫肌电信号U,α为纯数值，可以根据需要选取，如0.1-10；
步骤A4：计算幅值上移后的子宫肌电信号U的过零率Z，并生成过零率函数Z'；
步骤A5：将过零率函数Z'归一化后的结果作为函数M的输入变量，将函数M的输出作为权重函数Q的值；其中函数M的作用是增强过零率函数Z'幅值较高的部分，并使过零率函数Z'幅值较低的部分得到衰减；
步骤A6：将权重函数Q与预处理后的子宫肌电信号P对应相乘，得到加权后的子宫肌电信号K；
步骤A7：求取加权后的子宫肌电信号K的包络曲线并以该曲线的幅值为函数生成宫缩发生概率灰度图。
作为本发明进一步的技术方案，步骤A2中所述子宫肌电信号预处理的方法包括以下步骤：
步骤B1：设计滤波器对子宫肌电信号O进行低通滤波，得到去除高频干扰的子宫肌电信号O'；
步骤B2：采用中值滤波算法处理子宫肌电信号O'，得到去除基线漂移的子宫肌电信号P即最终得到预处理后的子宫肌电信号P；
作为本发明进一步的技术方案，步骤A3中所述算法包括以下步骤：
步骤C1：对预处理后的子宫肌电信号P的各点幅值求和并除以信号总点数得到幅值平均值E；
步骤C2：将预处理后的子宫肌电信号P与α倍幅值平均值αE相加，得到幅值上移后的子宫肌电信号U；
作为本发明进一步的技术方案，步骤A4中所述过零率算法包括以下步骤：
步骤D1：判断幅值上移后的子宫肌电信号U前后两点连线是否穿过X轴，若穿过X轴则标记前点为过零点点位，若不穿过X轴则不标记点位，重复此操作，标记整个子宫肌电信号U的过零点点位；
步骤D2：设置窗口长度为W，计算窗口内的过零点个数并除以窗口长度得到该窗口内的过零率Z，以步长为N滑动窗口，重复该操作，遍历整个幅值上移后的子宫肌电信号U；以每个窗口中心点的横坐标和窗口内过零率为纵坐标，描绘过零率函数Z'；
作为本发明进一步的技术方案，步骤A5中所述算法包括以下步骤：
步骤E1：对过零率函数Z'进行归一化，使过零率取值在[0,1]之间；
步骤E2：将过零率函数Z'归一化后的结果作为函数M的输入变量，将函数M的输出作为权重函数Q的值；
作为本发明进一步的技术方案，步骤A7中所述包络绘制与灰度算法包括以下步骤：
步骤F1：利用均方根算法对加权后的子宫肌电信号K进行计算得到包络函数R；
步骤F2：用包络函数R作为灰度变量生成宫缩发生概率灰度图P。
本发明相对现有技术的有益效果是：
本发明提供了一种利用子宫肌电信号自动识别宫缩的方法，实现了宫缩信号的自动识别和宫缩发生概率灰度图的直观显示，为监测子宫活动提供了新的途径。
附图说明
图1是本发明宫缩自动识别算法的实施方式流程图。
图2是本发明预处理后的子宫肌电信号O'及其过零点点位图，(a)图是预处理后的子宫肌电信号O'，(b)图是子宫肌电信号O'的过零点点位图。
图3是本发明的信号过零率Z示意图。
图4是本发明的权重函数Q示意图。
图5是本发明的加权后的子宫肌电信号K示意图。
图6是本发明的加权后的子宫肌电信号包络曲线R示意图与宫缩发生概率灰度图。
图7是本发明的子宫肌电信号自动识别宫缩示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
步骤A1：采集子宫肌电信号O；
下面结果具体实施方式和附图对本发明进行详细描述，但是本发明的实施方式不限于此。
根据临床经验，临产宫缩约为10分钟3次，每次持续时间平均为40s，为了记录到较为完整的宫缩信号，且每次记录到的宫缩次数不少于5次，因此记录时长应在15分钟以上。
步骤A2：对子宫肌电信号进行预处理，得到预处理后的子宫肌电信号P；
步骤A3：计算预处理后的子宫肌电信号P的幅值平均值E，并将预处理后的子宫肌电信号P的幅值上移αE，得到幅值上移后的子宫肌电信号U；
步骤A4：计算幅值上移后的子宫肌电信号U的过零率Z，并生成过零率函数Z'；
步骤A5：将过零率函数Z'归一化后的结果作为函数M的输入变量，将函数M的输出作为权重函数Q的值；函数M的作用是增强过零率函数Z'幅值较高的部分，并使过零率函数Z'幅值较低的部分得到衰减；
步骤A6：将权重函数Q与预处理后的子宫肌电信号P对应相乘，得到加权后的子宫肌电信号K；
步骤A7：求取子宫肌电信号K的包络曲线并以该曲线的幅值为函数生成宫缩出现概率灰度图。
作为本发明进一步的技术方案，步骤A2中所述子宫肌电信号预处理的方法包括以下步骤：
步骤B1：由于子宫肌电信号为低频信号，频率在0-3Hz范围内，因此设计0-3HZ低通滤波器，本设计中实际滤波范围为0.1-3HZ；
步骤B2：采用中值滤波算法处理子宫肌电信号O'，得到去除基线漂移的子宫肌电信号P。
中值滤波的计算如公式(1)：
Y(i)＝Med[x(i-η),...,x(i),...,x(i+η)] (1)
公式中x(i)代表子宫肌电信号O(此时O'与O相同)在第i点的幅值，Y代表子宫肌电信号基线漂移，η代表中值滤波窗口长度，由于人体呼吸间隔普遍为4s，设备采样频率为250HZ，因此本设计中η＝1000；
作为本发明进一步的技术方案，步骤A3中所述算法包括以下步骤：
步骤C1：对预处理后的子宫肌电信号P的各点幅值求和并除以信号总长度得到幅值平均值E；
步骤C2：将预处理后的子宫肌电信号P与α倍幅值平均值αE相加，得到幅值上移后的子宫肌电信号U。其中α的取值范围可根据需求选取[0.1,10]，本实施例中取α＝1，预处理后的子宫肌电信号P的幅值平均值E的计算如公式(2)：
Figure BDA0002034377900000031
公式中x(i)代表经预处理后的子宫肌电信号P在第i点的幅值，λ代表信号P的长度；
作为本发明进一步的技术方案，步骤A4中所述过零率算法包括以下步骤：
步骤D1：判断幅值上移后的子宫肌电信号U前后两点连线是否穿过X轴，若穿过X轴则标记前点为过零点点位，若不穿过X轴则不标记点位，重复此操作，标记整个幅值上移后的子宫肌电信号U的过零点点位；
步骤D2：设置窗口长度为W，计算窗口内的过零点个数并除以窗口长度得到该窗口内的过零率Z，以步长为N滑动窗口，重复该操作，遍历整个幅值上移后的子宫肌电信号U。以每个窗口中心点的横坐标和窗口内过零率为纵坐标，描绘过零率函数Z'。实施例中取N＝1。
过零率Z的计算如公式(3)：
Figure BDA0002034377900000041
公式中n代表长度为W的窗口内过零点的个数；
其中窗口长度W可根据采样率与宫缩平均时长进行改变(可采用两者的乘积)，本设计中采样率为250HZ，平均宫缩时长为40s，本实施例中取W＝10000。
作为本发明进一步的技术方案，步骤A5中所述算法包括以下步骤：
步骤E1：对过零率函数Z'进行归一化，使过零率取值在[0,1]之间；
步骤E2：将过零率函数Z'归一化后的结果作为函数M的输入变量，将函数M的输出作为权重函数Q的值；
本实施例中函数M取3次幂函数，则权重函数Q的计算如公式(4)：
Q(i)＝Z'(i)3 (4)
公式中Z'(i)代表过零函数在第i点的幅值，Q(i)代表权重函数在第i点的权重；
作为本发明进一步的技术方案，步骤A7中所述包络绘制与灰度算法包括以下步骤：
步骤F1：利用均方根算法对加权后的子宫肌电信号K进行计算得到包络函数R；
均方根RMS的计算如公式(5)：
Figure BDA0002034377900000042
公式中x(i)代表加权后的子宫肌电信号K在第i点的幅值，ω代表加权后的子宫肌电信号K的长度；
步骤F2：用包络函数R的幅值作为灰度变量生成宫缩出现概率灰度图P，在宫缩出现概率灰度图中，灰度值越大表示宫缩出现概率越高。

Claims (5)

1.一种基于子宫肌电信号自动识别宫缩的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A1：采集子宫肌电信号O；
步骤A2：对子宫肌电信号进行预处理，得到预处理后的子宫肌电信号P；
步骤A3：计算预处理后的子宫肌电信号P的幅值平均值E，并将预处理后的子宫肌电信号P的幅值上移αE，得到幅值上移后的子宫肌电信号U，α为纯数值，选自0.1-10；
步骤A4：计算幅值上移后的子宫肌电信号U的过零率Z，并生成过零率函数Z'；
步骤A5：将过零率函数Z'归一化后的结果作为函数M的输入变量，将函数M的输出作为权重函数Q的值，其中函数M的作用是增强过零率函数Z'幅值较高的部分，并使过零率函数Z'幅值较低的部分得到衰减；
步骤A6：将权重函数Q与预处理后的子宫肌电信号P对应相乘，得到加权后的子宫肌电信号K；
步骤A7：求取加权后的子宫肌电信号K的包络曲线并以该曲线的幅值为函数生成宫缩发生概率灰度图；
步骤A5中包括以下步骤：
步骤E1：对过零率函数Z'进行归一化，使过零率取值在[0,1]之间；
步骤E2：将过零率函数Z'归一化后的结果作为函数M的输入变量，将函数M的输出做为权重函数Q的值；
步骤A4中包括以下步骤：
步骤D1：判断幅值上移后的子宫肌电信号U前后两点连线是否穿过X轴，若穿过X轴则标记前点为过零点点位，若不穿过X轴则不标记点位，重复此操作，标记整个幅值上移后的子宫肌电信号U的过零点点位；
步骤D2：设置窗口长度为W，计算窗口内的过零点个数并除以窗口长度得到该窗口内的过零率Z，以步长为N滑动窗口，重复该操作，遍历整个幅值上移后的子宫肌电信号U；以每个窗口中心点的横坐标和窗口内过零率为纵坐标，描绘过零率函数Z'；
以每个窗口中心点的横坐标和窗口内过零率为纵坐标，描绘过零率函数Z'；
过零率Z的计算如公式(3)：
Figure FDA0003260667670000011
公式中n代表长度为W的窗口内过零点的个数；
其中窗口长度W根据采样率与宫缩平均时长进行改变。
2.根据权利要求1所述的一种基于子宫肌电信号自动识别宫缩的方法，其特征在于，步骤A2中所述子宫肌电信号预处理方法包括以下步骤：
步骤B1：设计滤波器对子宫肌电信号O进行低通滤波，得到了去除高频干扰的子宫肌电信号O'；
步骤B2：采用中值滤波算法处理子宫肌电信号O'，得到去除基线漂移的子宫肌电信号P即预处理后的子宫肌电信号P。
3.根据权利要求1所述的一种基于子宫肌电信号自动识别宫缩的方法，其特征在于，步骤A3中包括以下步骤：
步骤C1：对预处理后的子宫肌电信号P的各点幅值求和并除以信号总点数得到幅值平均值E；
步骤C2：将预处理后的子宫肌电信号P与α倍幅值平均值αE相加，得到幅值上移后的子宫肌电信号U。
4.根据权利要求1所述的一种基于子宫肌电信号自动识别宫缩的方法，其特征在于，步骤A7中包括以下步骤：
步骤F1：利用均方根算法对加权后的子宫肌电信号K进行计算得到包络函数R；
步骤F2：用包络函数R作为灰度变量生成宫缩发生概率灰度图P。
5.根据权利要求2所述的一种基于子宫肌电信号自动识别宫缩的方法，其特征在于，采用0-3HZ低通滤波器。
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