CN117918843A - 一种基于数据分析的胎心电监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于数据分析的胎心电监测系统，属于心电监测技术领域，具体包括：采集混合信号，采用IIR陷波器去除工频干扰、中值滤波器去除基线漂移、经验模态分解去除人为脉冲干扰；采用独立成分分析方法提取母体信号，构建奇异值传递矩阵，将母体腹壁心电信号作为空间滤波，通过奇异值分解抵消母体信号；再次使用独立成分分析方法提取胎儿信号；采用时域非线性变换阈值法确定胎儿心电R波尖峰，对R波尖峰进行聚类检测，根据RR间期的时间差，对胎儿心率进行计算；分析母体心率信号中的低频成分LF和高频成分HF，计算母体心率的LF/HF值，判断母体是否存在焦虑情绪；本发明实现了更便捷和准确的胎心监测。
Description
技术领域
本发明涉及心电监测技术领域，具体涉及一种基于数据分析的胎心电监测系统。
背景技术
家用便携式胎心监测仪在当前市场上确实存在一些问题，其中最为突出的就是难以准确分离母胎心率及杂音。这对于孕妇和胎儿的健康状况监测带来了很大的困扰。近年来，随着医学研究的深入，母体在妊娠期的情绪变化和抑郁症筛查已被纳入常规孕检范畴。
当前的胎心监测仪主要通过光电传感器和麦克风来采集信号，但由于信号干扰和信号处理技术的局限，监测结果往往受到环境噪音和母体自身心率的影响，导致难以准确分离母胎心率。
另一方面，产前抑郁症筛查也面临着同样严峻的挑战。妊娠期抑郁症对母婴健康都有很大影响，及早发现和干预至关重要。然而，目前的主观量表筛查方法受限于孕妇自身的认知能力和主观感受，缺乏客观数据支持，可能导致筛查结果的准确性较低。为了提高筛查的客观性和准确性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于数据分析的胎心电监测系统，解决以下技术问题：
现有家用胎心仪难以准确分离母胎心率及杂音，且产前抑郁症筛查也面临很大困扰和挑战。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于数据分析的胎心电监测系统，包括：
信号采集模块，用于采集混合信号，所述混合信号包括母体信号和胎儿信号；
信号过滤模块，用于对混合信号进行预处理，所述预处理包括采用IIR陷波器去除工频干扰、采用中值滤波器去除基线漂移、采用经验模态分解去除人为脉冲干扰；
信号分离模块，用于采用独立成分分析方法提取母体信号，构建奇异值传递矩阵，将母体腹壁心电信号作为空间滤波，通过奇异值分解抵消母体信号；然后再次使用独立成分分析方法提取胎儿信号；
心率计算模块，用于采用时域非线性变换阈值法确定胎儿心电R波尖峰，对R波尖峰进行聚类检测，然后根据RR间期的时间差，对胎儿心率进行计算；
母体评估模块，用于基于pyHRV使用频域分析法分析母体心率信号中的低频成分LF和高频成分HF，计算母体心率的LF/HF值，当LF/HP值大于1.5时，则认为母体存在焦虑情绪。
作为本发明进一步的方案：所述母体评估模块中借助开源Python的工具箱pyHRV分析带有心率指标的母体心率信号，包括但不限于通过心电图、SpO2、血容量脉搏计算心率参数。
作为本发明进一步的方案：所述信号分离模块提取胎儿信号的具体过程为：
对混合信号进行奇异值分解，得到奇异值向量；将奇异值向量按照从大到小的顺序排列，选择前k个奇异值对应的左右奇异向量作为空间滤波器；将空间滤波器应用于混合信号，得到滤波后的胎儿信号。
作为本发明进一步的方案：所述可穿戴式胎心仪包括若干个柔性基板的MEMS传感芯片，每个所述传感芯片均添加有压敏单晶硅，在母体穿戴后自动对传感芯片进行位置矫正。
作为本发明进一步的方案：位置矫正的过程为：
所述胎心仪的任一柔性绷带均设置有两个中心对称的传感芯片，分别采集任一柔性绷带中两个传感芯片测量得到的信号强度A1和A2，根据信号衰减公式分别计算两个传感芯片与胎心的距离d1和d2，公式为：
A1 = A0·e^(-α·d1)，A2= A0·e^(-α·d2)；
其中A0为胎心信号的初始强度，e为自然常数，α为人体介质衰减系数，当d1与d2的差值绝对值大于预设阈值时，提醒母体对柔性绷带的位置进行调整。
作为本发明进一步的方案：调整的具体过程为：
根据柔性绷带的曲率变化，对柔性绷带所形成的近似圆弧进行拟合，生成理想圆弧，计算所述理想圆弧所在理想圆的圆心位置以及直径长度，并标注出距离d1和d2在理想圆中的位置，经过圆心位置和胎心位置做直径线段，分别计算距离d1和直径线段所成夹角对应的圆弧长度L1，以及距离d2和直径线段所成夹角对应的圆弧长度L2，当d1与d2的差值绝对值大于预设阈值时，则该柔性绷带位置异常，计算|L1-L2|/2的数值，并标记为调整距离值发送至胎心仪显示页面。
作为本发明进一步的方案：还包括无线传输模块，用于接收和显示监测结果，监测结果包括胎儿心率、母体情绪和柔性绷带位置，并将所述监测结果传输至预设的医护人员和家庭成员的设备端。
本发明的有益效果：
（1）本发明借助pyHRV使用频域分析法分析心率信号中的低频和高频成分，并计算LF/HF，胎心监测仪可以提供相对汉密顿抑郁量表更敏感的焦虑状况评估；焦虑状态下，母体的心率变异性会减少，高频部分减少而低频部分相对增加；因此，LF/HF可以作为判断焦虑状况的指标之一，当LF/HP值大于1.5时认为母体存在焦虑情绪；
（2）本发明根据每个母体的心率特征进行个体化评估。不同人群的心率变异性可能存在差异，计算LF/HF值时，pyHRV可以定制频段计算参数，从而提供针对每个母体的心率分析结果，有助于更准确地评估焦虑状况；
（3）本发明通过监测母体的心率LF/HF，胎心监测仪可以提供及时的信息，帮助医生或护士进行干预措施；一旦监测结果显示出母体可能存在焦虑状况，医生可以采取相应的措施，如提供心理支持、建议适当的放松和调节方法，以及安排进一步的评估或治疗。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示，本发明为一种基于数据分析的胎心电监测系统，包括：
信号采集模块，用于采集混合信号，所述混合信号包括母体信号和胎儿信号；
信号过滤模块，用于对混合信号进行预处理，所述预处理包括采用IIR陷波器去除工频干扰、采用中值滤波器去除基线漂移、采用经验模态分解去除人为脉冲干扰；
信号分离模块，用于采用独立成分分析方法提取母体信号，构建奇异值传递矩阵，将母体腹壁心电信号作为空间滤波，通过奇异值分解抵消母体信号；然后再次使用独立成分分析方法提取胎儿信号；
心率计算模块，用于采用时域非线性变换阈值法确定胎儿心电R波尖峰，对R波尖峰进行聚类检测，然后根据RR间期的时间差，对胎儿心率进行计算；
母体评估模块，用于基于pyHRV使用频域分析法分析母体心率信号中的低频成分LF和高频成分HF，计算母体心率的LF/HF值，当LF/HP值大于1.5时，则认为母体存在焦虑情绪。
本项目旨在对微型电子机械系统传感芯片(Microelectro Mechanical Systems，MEMS)进行优化设计，以扩展胎心监测仪的功能，实现对孕妇和胎儿心率的独立监测，并分析心率信号中的低频高频比（LF/HF）来判断孕妇的焦虑状况。在监测胎心的同时，实现对孕妇的焦虑状况的客观评估，进而辅助医生诊断和治疗，减少孕妇孕期心理疾病的产生。
通过分析孕妇心率的低频高频比（LF/HF）以判断焦虑状况来自对心率变异性和自主神经系统活动的研究，以及心理生理学、神经科学和临床医学的相关领域的科学知识。心率变异性指的是心脏在不同时间点的心率变化，反映了自主神经系统对心脏的控制状况。自主神经系统分为交感神经系统和副交感神经系统。交感神经系统负责激发应激反应，促进身体的兴奋和应对压力，而副交感神经系统则负责平衡和调节交感神经系统的活动，促进身体的放松和恢复。
在焦虑状态下，交感神经系统活动增加，副交感神经系统活动减少，导致心率变异性降低。这意味着心率变化较小，心率波形变得规律。相反，在放松状态下，副交感神经系统活动增加，心率变异性增加，心率波形变得更加复杂和不规律。分析心率信号的LF/HF，可以间接反映自主神经系统的活动比例。高频成分主要反映副交感神经系统的活动，而低频成分主要反映交感神经系统的活动。因此，当焦虑状态下，交感神经系统活动增加、副交感神经系统活动减少时，LF/HF增高。当LF/HP值大于1.5时认为孕妇存在焦虑情绪。
研究发现，通过分析孕妇心率的LF/HF，可以反映出汉密顿抑郁量表无法测量出的孕妇主观意识认为自己不存在的焦虑状况。这可以为医生提供一个客观评估焦虑状况的指标，预防孕妇出现焦虑等心理问题，辅助孕妇心理状况的评估和诊断。
在本发明的另一种优选的实施例中，所述母体评估模块中借助开源Python的工具箱pyHRV分析带有心率指标的母体心率信号，包括但不限于通过心电图、SpO2、血容量脉搏计算心率参数。
改良胎心监测仪MEMS传感器，基于柔性和接口的MEMS刚性基板向NEMS柔性基板转变，目前家用的胎心仪多为绷带式，部分孕妇佩戴时会产生不适感，因此需要进行柔性上的改良，使之能与可穿戴式传感器相结合，将柔性传感器作为可穿戴设备来实现监控功能，以提升其舒适性及使用便利性。且将每个传感器都增加压敏单晶硅等，使其附着在身体上时可精确测量局部压力，提高其灵敏性。
在本发明的另一种优选的实施例中，所述信号分离模块提取胎儿信号的具体过程为：
对混合信号进行奇异值分解，得到奇异值向量；将奇异值向量按照从大到小的顺序排列，选择前k个奇异值对应的左右奇异向量作为空间滤波器；将空间滤波器应用于混合信号，得到滤波后的胎儿信号。
在本发明的另一种优选的实施例中，所述可穿戴式胎心仪包括若干个柔性基板的MEMS传感芯片，每个所述传感芯片均添加有压敏单晶硅，在母体穿戴后自动对传感芯片进行位置矫正。
在本发明的另一种优选的实施例中，位置矫正的过程为：
所述胎心仪的任一柔性绷带均设置有两个中心对称的传感芯片，分别采集任一柔性绷带中两个传感芯片测量得到的信号强度A1和A2，根据信号衰减公式分别计算两个传感芯片与胎心的距离d1和d2，公式为：
A1 = A0·e^(-α·d1)，A2= A0·e^(-α·d2)；
其中A0为胎心信号的初始强度，e为自然常数，α为人体介质衰减系数，当d1与d2的差值绝对值大于预设阈值时，提醒母体对柔性绷带的位置进行调整。
在本发明的另一种优选的实施例中，调整的具体过程为：
根据柔性绷带的曲率变化，对柔性绷带所形成的近似圆弧进行拟合，生成理想圆弧，计算所述理想圆弧所在理想圆的圆心位置以及直径长度，并标注出距离d1和d2在理想圆中的位置，经过圆心位置和胎心位置做直径线段，分别计算距离d1和直径线段所成夹角对应的圆弧长度L1，以及距离d2和直径线段所成夹角对应的圆弧长度L2，当d1与d2的差值绝对值大于预设阈值时，则该柔性绷带位置异常，计算|L1-L2|/2的数值，并标记为调整距离值发送至胎心仪显示页面。
在本发明的另一种优选的实施例中，还包括无线传输模块，用于接收和显示监测结果，监测结果包括胎儿心率、母体情绪和柔性绷带位置，并将所述监测结果传输至预设的医护人员和家庭成员的设备端。
本发明所解决的关键问题：
（1）优化胎心测量位置的适应性和响应准确度，降低因探头位置偏移所造成胎心测量的不准确。
（2）对胎心信号消噪和均衡处理算法进行进一步优化，探究在胎心信号信噪比较低的情况下准确进行信号的端点检测，研究均衡器通带范围内抖动现象的抑制方法，并识别出胎心信号的噪声。
（3）通过材料的改良及连接方式的改良，优化传感器对压力变化感应，实现可穿戴式对绷带式传统检测的替代。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (7)
1.一种基于数据分析的胎心电监测系统，基于可穿戴式胎心仪，其特征在于，包括：
信号采集模块，用于采集混合信号，所述混合信号包括母体信号和胎儿信号；
信号过滤模块，用于对混合信号进行预处理，所述预处理包括采用IIR陷波器去除工频干扰、采用中值滤波器去除基线漂移、采用经验模态分解去除人为脉冲干扰；
信号分离模块，用于采用独立成分分析方法提取母体信号，构建奇异值传递矩阵，将母体腹壁心电信号作为空间滤波，通过奇异值分解抵消母体信号；然后再次使用独立成分分析方法提取胎儿信号；
心率计算模块，用于采用时域非线性变换阈值法确定胎儿心电R波尖峰，对R波尖峰进行聚类检测，然后根据RR间期的时间差，对胎儿心率进行计算；
母体评估模块，用于基于pyHRV使用频域分析法分析母体心率信号中的低频成分LF和高频成分HF，计算母体心率的LF/HF值，当LF/HP值大于1.5时，则认为母体存在焦虑情绪。
2.根据权利要求1所述的一种基于数据分析的胎心电监测系统，其特征在于，所述母体评估模块中借助开源Python的工具箱pyHRV分析带有心率指标的母体心率信号，包括但不限于通过心电图、SpO2、血容量脉搏计算心率参数。
3.根据权利要求1所述的一种基于数据分析的胎心电监测系统，其特征在于，所述信号分离模块提取胎儿信号的具体过程为：
对混合信号进行奇异值分解，得到奇异值向量；将奇异值向量按照从大到小的顺序排列，选择前k个奇异值对应的左右奇异向量作为空间滤波器；将空间滤波器应用于混合信号，得到滤波后的胎儿信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于数据分析的胎心电监测系统，其特征在于，所述可穿戴式胎心仪包括若干个柔性基板的MEMS传感芯片，每个所述传感芯片均添加有压敏单晶硅，在母体穿戴后自动对传感芯片进行位置矫正。
5.根据权利要求4所述的一种基于数据分析的胎心电监测系统，其特征在于，位置矫正的过程为：
所述胎心仪的任一柔性绷带均设置有两个中心对称的传感芯片，分别采集任一柔性绷带中两个传感芯片测量得到的信号强度A1和A2，根据信号衰减公式分别计算两个传感芯片与胎心的距离d1和d2，公式为：
A1 = A0·e^(-α·d1)，A2= A0·e^(-α·d2)；
其中A0为胎心信号的初始强度，e为自然常数，α为人体介质衰减系数，当d1与d2的差值绝对值大于预设阈值时，提醒母体对柔性绷带的位置进行调整。
6.根据权利要求5所述的一种基于数据分析的胎心电监测系统，其特征在于，调整的具体过程为：
根据柔性绷带的曲率变化，对柔性绷带所形成的近似圆弧进行拟合，生成理想圆弧，计算所述理想圆弧所在理想圆的圆心位置以及直径长度，并标注出距离d1和d2在理想圆中的位置，经过圆心位置和胎心位置做直径线段，分别计算距离d1和直径线段所成夹角对应的圆弧长度L1，以及距离d2和直径线段所成夹角对应的圆弧长度L2，当d1与d2的差值绝对值大于预设阈值时，则该柔性绷带位置异常，计算|L1-L2|/2的数值，并标记为调整距离值发送至胎心仪显示页面。
7.根据权利要求1所述的一种基于数据分析的胎心电监测系统，其特征在于，还包括无线传输模块，用于接收和显示监测结果，监测结果包括胎儿心率、母体情绪和柔性绷带位置，并将所述监测结果传输至预设的医护人员和家庭成员的设备端。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410192712.1A CN117918843A (zh) | 2024-02-21 | 2024-02-21 | 一种基于数据分析的胎心电监测系统 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410192712.1A CN117918843A (zh) | 2024-02-21 | 2024-02-21 | 一种基于数据分析的胎心电监测系统 |
Publications (1)
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|---|---|
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