JP6523288B2 - 母体腹部のecg記録からの胎児心拍数の抽出 - Google Patents
母体腹部のecg記録からの胎児心拍数の抽出 Download PDFInfo
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Description
図3及び4は、図1のS102のサブステップ又はサブモジュールを示す。
ステップ又はモジュールS102の自動補正の後、信号は、上述されたようにS104でスタックされる。ステップS106で、スタックされたバッファは、主成分分析(PCA)又は正投影によって部分的にフィルタをかけられる。この項はPCAについて説明する。
正投影は、胎児の脳磁図(fMEG;fetal Magnetoencephalogram)からの母体及び胎児の心磁図(MCG;magnetocardiogram)の減衰において使用されており、グラム・シュミット直交法に基づく。図2のステップ又はモジュールS106において、OPは、母体寄与を除去するよう、スタックされたマトリクスMに適用される。すなわち、OP及びPCAの両方において、データは、最初にステップ又はモジュールS104においてスタックされる。マトリクスMが最大の振幅に達するデータ点は、mが母体QRS群の数であるとして、次元m×1の第1母体ECG信号空間ベクトルとして選択される。最大振幅の信号空間ベクトルの選択は、二乗平均平方根(rms)推定に基づくことができる。このベクトルは、マトリクスMから投射される。プロシージャは、次いで、残りに対して繰り返され、そして、次の信号空間ベクトルは選択され、投影され、以降同様である。ベクトル選択プロシージャは、残りが指定された閾値、例えば、rmsノイズ推定の倍数を下回る場合に中止される。PCAと同様に、母体寄与が除去されたマトリクスMは、胎児ECGを与えるようアンスタックされる。
図2のステップ又はモジュールS108のPCA方法のサブステップは、図13において示されている。
チャネルの最良の組み合わせ又はチャネルの極性(Rピークの方向)は、記録の間で相違し得る。Rピークを検出するよう、基本的なピーク検出器は、最初に、チャネルと極性との種々の組み合わせに適用される。種々の組み合わせは、検出されたピークの数及び心拍数のばらつきに基づき順位付けされる。最多ピークが検出され且つ心拍数のばらつきが最小であるチャネルの組み合わせは、当確の組み合わせに指名され、そのピークは、次いで、胎児QRS位置として出力される。チャネルのとり得る組み合わせは:
a×ch1+b×ch2+c×ch3+d×ch4
である。a、b、c及びdは、少なくとも1つのチャネルが使用されるべきであるから[a,b,c,d]=[0,0,0,0]除いて、80個の起こり得る一意の組み合わせを4チャネルシステムについてもたらすよう、0、1及び−1の値をとることができる。先行の係数は、Rピークが上向きか又は下向きかどうか(チャネルの極性)が知られていないので、1及び−1であり得る。チャネルのいくつかの極性に関して信頼できるならば、とり得る組み合わせの組を減らすことが可能である。ピーク検出は、チャネルの夫々の組み合わせに対して行われる。異なる組み合わせを順位付けするよう、検出されるピークの数及び結果として得られる心拍数のばらつき(RRインターバルの標準偏差)が測定される。不適切な極性が使用される場合、又はSNRが悪いチャネルしか使用されない場合、結果として得られるピークの数及び心拍数のばらつきは、不良である可能性が高い。当確の組み合わせは、生理学的制約に従って、検出されるピークの数が多く且つ心拍数のばらつきが低いべきである。そのような制約は、母体及び胎児の心拍について相違してよい。図20は、この技術の例及びいかにしてチャネル組み合わせの順位付けが行われるかを示す。図20における夫々の点128は、最良適合線の上に投射されている。最も高く投射された大きさを生じるチャネル組み合わせ130が当確の組み合わせである。この特定の記録において、チャネルの最良の組み合わせは(Ch1+Ch2+Ch3−Ch4)であり、全てのチャネルがより良いピーク検出に寄与することを意味する。チャネル3はSNRが低いが、依然として何らかの有用な情報を提供する。混合からチャネル3を除くことは、2番目の良い解決法を提供する。最良の解決法は、チャネル4の極性を逆にする。
1)欠けている拍動は、RRインターバルが記録全体のメジアンRRインターバルの1.3倍よりも大きい場合に識別される。1つ以上の新しい拍動は、次いで、隣接するピーク内で等しく広げられて位置される。
マージfQRSは、単一チャネル又は方法が全ての状況において最良でないという事実に対処するよう設計される。複数のソースからの提案されるfQRS位置のリストを考えると、マージfQRSは、ありそうなfQRS群を決定するために変形ボーティングルーチンを実施し、次いで、欠けていそうな群及び置き場所を誤った群について解析する。アルゴリズムにおける最初のステップは、ECG記録と同じ存続期間(例えば、夫々1分)の零充てんベクトルを生成することである。夫々の入力拍動リストは、最大の確実性を持った拍動が選択され、その信頼メトリックがベクトルに加えられるプロセスを通じて、順に考慮される。選択された拍動は、拍動がなくなるまでチャネルのリストから削除され、次のリストは、同じようにしてベクトルに加えられる。強い胎児の心臓収縮が複数のチャネルによって記録されるべきであり、故に、対応するビンにおける寄与が加わるべきである。タイミング変動に対処するよう、信号は、更なる解析の前にガウス窓によってフィルタをかけられる。次のステップは、第1段階として進められ、記録における最も高いピークが、群の最も高い信頼の位置として保持され、最初に選択され、その時間がリストに加えられ、それを囲む領域は零に設定される。次に高いピークは選択され、同様に加えられる。このプロセスは、最大ピークが当初の最大値の50%未満になるまで繰り返す。その時点後、適応的なルールに基づいたfQRSにおいて記載されたのと同様の充てん及びシフトのプロセスは、記録を生理学的統計値と一致させるために用いられる。
サンプルデータセットに対する3つの異なった技術の結果は、表1において示されている。それら3つのアルゴリズムの組み合わせは、トレーニングデータセットに対して改善された成績をもたらした。よって、3つの方法を融合することは、検証セットBに対して性能を改善すると期待され、実際に、改善された結果、すなわち、イベント4及び5について夫々52.49及び10.61をもたらした。方法は、PCA−PCA(PCA母体減衰、そして、PCAクラスタリングに基づいたfQRSが続く。)、PCA−適応(PCA母体減衰、そして、適応的なルールに基づいたfQRSが続く。)、及びOP−適応(OP母体減衰、そして、適応的なルールに基づいたfQRSが続く。)を使用した。提案される空間フィルタリング技術(PCA及びOP)は母体ECGを減衰するとはいえ、母体心臓の残留物のシナリオが依然としてある。胎児QRS位置の充てん及びシフトのプロセスは、生理学的である心拍数推定を生成するよう意図されている。しかし、これは、実際の胎児QRS位置を生成しないことがある。
Claims (15)
- コンピュータプロセッサにより、胎児ECG信号、母体ECG信号、及びノイズを含む被測定ECG信号から胎児心拍数を抽出するシステムであって、
患者に取り付けられているセンサから腹部ECG信号を受信し、
夫々の被測定ECG信号を被測定ECG信号バッファにおいて記録しデジタル化し、
命令メモリに記憶されている命令を実行する
よう構成され、
前記命令メモリは、
前記デジタル化された被測定ECG信号において候補ピークを識別するピーク検出部と、
前記デジタル化された被測定ECG信号をスタックし、夫々が少なくとも1つの候補ピークを含む複数の断片に分ける信号スタッカと、
前記被測定ECG信号の前記複数の断片において母体QRS群を識別し減衰させ、原胎児ECGバッファに記録される原胎児ECG信号を生成する空間フィルタであって、主成分分析及び正投影のうちの少なくとも1つを含む空間フィルタと、
主成分分析及びルールに基づいた胎児QRS波抽出を用いるピーク検出のうちの少なくとも1つによって前記原胎児ECG信号においてピークを識別する胎児QRS識別部と、
前記識別されたピークから前記胎児心拍数を計算する計算部と
を含む、システム。 - 前記デジタル化された被測定ECG信号は、
2〜50Hzの範囲において前記被測定ECG信号にバンドパスフィルタをかけること、
前記被測定ECG信号を0.5秒のセグメントに分け、線形トレンドを除き、該トレンド除去されたセグメントを連結させること、並びに
フーリエ変換のパワースペクトルに基づく降順、ヒルベルト変換のパワーの降順、及び標準偏差の昇順で異常な被測定ECG信号及び少なくとも1つの第2の被測定ECG信号を順位付けすること
のうちの少なくとも1つによって前処理される、請求項1に記載のシステム。 - 前記候補ピークは、少なくとも1つの第1の被測定ECG信号チャネル及び少なくとも1つの第2の被測定ECG信号チャネルを含む複数の被測定ECG信号チャネルから、前記胎児心拍数として生理学的にもっともらしい候補ピークを有するチャネルを選択し、該選択されたチャネルから、最も高く順位付けされたチャネルを識別することによって、自動補正され、
当該システムは、
少なくとも1つのチャネルが生理学的にもっともらしい場合には、候補ピークとして前記最も高く順位付けされたチャネルの候補ピークを用い、
チャネルが生理学的にもっともらしくない場合には、
セグメントを生成するよう前記複数の被測定ECG信号チャネルの夫々をセグメント化し、
前記セグメントにおいて第2の複数の候補ピークを自動検出し、
前記セグメントを連結させ、
前記第2の複数の候補ピークを候補ピークとして使用する
ことを更に含む、請求項1又は2に記載のシステム。 - 前記空間フィルタは、主成分分析を含み、前記母体QRS群の識別及び減衰は、
少なくとも1つの主成分を求めるよう、スタックされた前記複数の断片の平均を計算し、
前記少なくとも1つの主成分を母体成分として識別し、
前記母体成分を減衰させる
ことを含む、請求項1に記載のシステム。 - 前記空間フィルタは、正投影を含み、前記母体QRS群の識別及び減衰は、
スタックされた前記複数の断片の最大振幅がバックグラウンドより小さくなるまで、
前記スタックされた複数の断片において最大ベクトルの法線ベクトルを抽出し、
直交化によって前記スタックされた複数の断片から前記法線ベクトルを投影する
ことを繰り返すことを含む、請求項1に記載のシステム。 - 前記原胎児ECG信号におけるピーク、主成分分析によって識別され、該識別は、
零から前記原胎児ECG信号の最大値までの複数の閾値を計算し、
前記複数の閾値の夫々について、複数の閾交差、該複数の閾交差の数、前記複数の閾交差の隣接する閾対どうしの間の複数のインターバル、閾交差の割合、及び前記複数のインターバルの標準偏差を識別し、
閾交差の生理学的にもっともらしくない割合に対応する閾値を削除し、
前記標準偏差に基づき閾値を選択し、低い標準偏差を選択し、前記複数の閾値のうちの少なくとも2つが同様の標準偏差を有する場合には、該少なくとも2つの閾値のうちの低い閾値を選択し、
前記選択された閾値に対応する夫々の閾交差について、該閾交差の周りに窓を構成し、複数の窓を形成し、
少なくとも第1の主成分及び任意に更なる主成分を識別するよう、前記複数の窓に対して主成分分析を実行し、
前記複数の窓を主成分分析空間に投じ掛け、該複数の窓を主成分分析空間へとクラスタ化し、クラスタにおける閾交差の数、閾交差の間の平均インターバル、及びクラスタにおける隣接する閾交差の間のインターバルの標準偏差に基づき複数のクラスタを比較して、最もありそうなクラスタを選択し、
前記最もありそうなクラスタにおいて夫々の閾交差に信頼表示を割り当て、該信頼表示は、当該閾交差に対応する窓が前記主成分分析空間において前記最もありそうなクラスタの中心からどれほど離れているかに基づき、
任意に、高い信頼表示を有する複数の閾交差を胎児心拍として選択し、
任意に、心拍としての前記閾交差の生理学的妥当性を評価することによって前記複数のクラスタを比較し、
任意に、前記原胎児ECG信号から基線変動を除くよう、前記原胎児ECG信号を処理する
ことを含む、請求項1に記載のシステム。 - 前記原胎児ECG信号におけるピークの識別は、ルールに基づいた胎児QRS波抽出を用いるピーク検出を用いることを含み、該識別は、
ピーク検出によりピーク及びメジアンRRインターバルを識別し、
1.1から1.9の間であるミッシングピーク係数を乗じられた前記メジアンRRインターバルよりも大きいインターバルによって分けられる隣接するピークの対をミッシングピークとして識別し、
前記隣接するピークの対の間に拍子を挿入し、
第1のピーク、第2のピーク及び第3のピークを含む3つのピークの組を識別し、前記第1のピーク及び前記第2のピークは、前記メジアンRRインターバルをα倍したものであるインターバルによって分けられ、前記第2のピーク及び前記第3のピークは、前記メジアンRRインターバルを2−α倍したものであるインターバルによって分けられ、αは0.7から0.95の間又は1.05から1.3の間であり、
前記第2のピークが前記第1のピークと前記第3のピークとの間の中途にあるように、前記3つの識別されたピークを動かす
ことを含む、請求項1に記載のシステム。 - 胎児ECG信号、母体ECG信号、及びノイズを含む少なくとも1つの被測定ECG信号から胎児心拍数を抽出する方法であって、
夫々の被測定ECG信号を被測定ECG信号バッファにおいて記録しデジタル化するステップと、
前記デジタル化された被測定ECG信号において候補ピークを識別するステップと、
前記デジタル化された被測定ECG信号をスタックし、夫々が少なくとも1つの候補ピークを含む複数の断片に分けるステップと、
空間フィルタリングによって、前記被測定ECG信号バッファの前記複数の断片において母体QRS群を識別し減衰させ、原胎児ECGバッファに記憶される原胎児ECG信号を生成するステップであって、前記空間フィルタリングは、主成分分析及び正投影のうちの少なくとも1つを含む、ステップと、
主成分分析及びルールに基づいた胎児QRS波抽出を用いるピーク検出のうちの少なくとも1つによって前記原胎児ECG信号においてピークを識別するステップと、
前記識別されたピークから前記胎児心拍数を計算するステップと
を有する方法。 - 前記少なくとも1つの被測定ECG信号をデジタル化した後に、該被測定ECG信号は、
2〜50Hzの範囲において前記少なくとも1つの被測定ECG信号にバンドパスフィルタをかけること、
前記被測定ECG信号を0.5秒のセグメントに分け、線形トレンドを除き、該トレンド除去されたセグメントを連結させること、並びに
フーリエ変換のパワースペクトルに基づく降順、ヒルベルト変換のパワーの降順、及び標準偏差の昇順で前記少なくとも1つの被測定ECG信号及び少なくとも1つの第2の被測定ECG信号を順位付けすること
のうちの少なくとも1つによって前処理される、請求項8に記載の方法。 - 前記候補ピークは、少なくとも1つの第1の被測定ECG信号チャネル及び少なくとも1つの第2の被測定ECG信号チャネルを含む複数の被測定ECG信号チャネルから、前記胎児心拍数として生理学的にもっともらしい候補ピークを有するチャネルを選択し、該選択されたチャネルから、最も高く順位付けされたチャネルを識別することによって、自動訂正され、
当該方法は、
少なくとも1つのチャネルが生理学的にもっともらしい場合には、候補ピークとして前記最も高く順位付けされたチャネルの候補ピークを用いるステップと、
チャネルが生理学的にもっともらしくない場合には、
セグメントを生成するよう前記複数の被測定ECG信号チャネルの夫々をセグメント化するステップと、
前記セグメントにおいて第2の複数の候補ピークを自動検出するステップと、
前記セグメントを連結させるステップと、
前記第2の複数の候補ピークを候補ピークとして使用するステップと
を更に含む、請求項8又は9に記載の方法。 - 前記空間フィルタリングは、
少なくとも1つの主成分を求めるよう、スタックされた前記複数の断片の平均を計算することと、前記少なくとも1つの主成分を母体成分として識別することと、前記母体成分を減衰させることとを含む、主成分分析による前記母体QRS群の識別及び減衰、又は
スタックされた前記複数の断片の最大振幅がバックグラウンドより小さくなるまで、前記スタックされた複数の断片において最大ベクトルのノルムベクトルを抽出し、直交化によって前記スタックされた複数の断片から前記ノルムベクトルを投影することを繰り返すことを含む、正投影による前記母体QRS群の識別及び減衰
の1つを含む、請求項8に記載の方法。 - 前記原胎児ECG信号におけるピークは、主成分分析によって識別され、該識別は、
零から前記原胎児ECG信号の最大値までの複数の閾値を計算し、
前記複数の閾値の夫々について、複数の閾交差、該複数の閾交差の数、前記複数の閾交差の隣接する閾対どうしの間の複数のインターバル、閾交差の割合、及び前記複数のインターバルの標準偏差を識別し、
閾交差の生理学的にもっともらしくない割合に対応する閾値を削除し、
前記標準偏差に基づき閾値を選択し、低い標準偏差を選択し、前記複数の閾値のうちの少なくとも2つが同様の標準偏差を有する場合には、該少なくとも2つの閾値のうちの低い閾値を選択し、
前記選択された閾値に対応する夫々の閾交差について、該閾交差の周りに窓を構成し、複数の窓を形成し、
少なくとも第1の主成分及び任意に更なる主成分を識別するよう、前記複数の窓に対して主成分分析を実行し、
前記複数の窓を主成分分析空間に投じ掛け、該複数の窓を主成分分析空間へとクラスタ化し、クラスタにおける閾交差の数、閾交差の間の平均インターバル、及びクラスタにおける隣接する閾交差の間のインターバルの標準偏差に基づき複数のクラスタを比較して、最もありそうなクラスタを選択し、
前記最もありそうなクラスタにおいて夫々の閾交差に信頼表示を割り当て、該信頼表示は、当該閾交差に対応する窓が前記主成分分析空間において前記最もありそうなクラスタの中心からどれほど離れているかに基づき、
任意に、高い信頼表示を有する複数の閾交差を胎児心拍として選択し、
任意に、心拍としての前記閾交差の生理学的妥当性を評価することによって前記複数のクラスタを比較し、
任意に、前記原胎児ECG信号から基線変動を除くよう、前記原胎児ECG信号を処理する
ことを含む、請求項8に記載の方法。 - 前記原胎児ECG信号におけるピークの識別は、ルールに基づいた胎児QRS波抽出を用いるピーク検出を用いることを含み、該識別は、
ピーク検出によりピーク及びメジアンRRインターバルを識別し、
1.1から1.9の間であるミッシングピーク係数を乗じられた前記メジアンRRインターバルよりも大きいインターバルによって分けられる隣接するピークの対をミッシングピークとして識別し、
前記隣接するピークの対の間に拍子を挿入し、
第1のピーク、第2のピーク及び第3のピークを含む3つのピークの組を識別し、前記第1のピーク及び前記第2のピークは、前記メジアンRRインターバルをα倍したものであるインターバルによって分けられ、前記第2のピーク及び前記第3のピークは、前記メジアンRRインターバルを2−α倍したものであるインターバルによって分けられ、αは0.7から0.95の間又は1.05から1.3の間であり、
前記第2のピークが前記第1のピークと前記第3のピークとの間の中途にあるように、前記3つの識別されたピークを動かす
ことを含む、請求項8に記載の方法。 - 前記少なくとも1つの被測定ECG信号は、少なくとも第1及び第2の原胎児ECG信号を生成するよう請求項8に記載の方法に従って処理される少なくとも第1及び第2の被測定ECG信号を含み、
前記第1及び第2の原胎児ECG信号におけるピークの識別は、
前記原胎児ECG信号の夫々に係数を割り当て、
1つの0、+1及び−1の値を夫々の係数に割り当て、夫々の原胎児ECG信号に各自の係数を乗じ、積算チャネルを生成するようチャネルを積算し、係数の全ての組み合わせについて前記割り当て及び積算を繰り返し、全ての零係数の組み合わせを除いて複数の積算チャネルを生成し、
ピーク検出部により前記複数の積算チャネルにおいてピークを識別し、
ピークの最大数及び最低標準偏差によって前記複数の積算チャネルを順位付けし、前記ピークの最大数及び前記最低標準偏差に基づき前記複数の積算チャネルの最良の組み合わせを選択する
ことを含む、前記ピーク検出を含む、請求項8に記載の方法。 - 複数の原胎児ECG信号は、複数の起こり得るピークの組を識別するよう処理され、
前記胎児心拍数を計算するステップは、
係数を夫々のピークに割り当てるステップと、
異なる原胎児ECG信号から時間において重なり合うピークの信頼度を積算するステップと
前記積算された信頼度に基づき複数のピークを実際の胎児心拍として採取するステップと、
前記実際の胎児心拍から前記胎児心拍数を計算するステップと
を更に有する、請求項8に記載の方法。
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US201361875209P | 2013-09-09 | 2013-09-09 | |
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