專利名稱：一種基于時(shí)頻變換的胎兒心電盲提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種基于時(shí)頻變換的胎兒心電盲提取方法，屬于基于時(shí)頻變換的胎兒心電盲提取方法的改造技術(shù)。
背景技術(shù)：
研究發(fā)現(xiàn)母親懷孕期間最大的壓力來源于所懷嬰兒的健康狀況。每一年大約有千分之八出生嬰兒患有先天心臟缺陷。因此，圍產(chǎn)期胎兒的監(jiān)護(hù)顯得非常必要，它直接關(guān)系到孕婦和胎兒的安全、新生兒的發(fā)育成長和遠(yuǎn)期的智力發(fā)育。隨著社會(huì)對(duì)母嬰健康和安全的要求日益提高，對(duì)胎兒發(fā)育的生理和病理研究成為一項(xiàng)重要課題。目前，臨床上用于獲取母親懷孕和分娩期間胎兒健康狀況的一項(xiàng)常規(guī)的檢查是胎兒心率的檢測(cè)，這也是判斷胎兒健康狀況最重要的參數(shù)，不正常的胎兒心率或樣式意味著胎兒缺氧或其它問題，有時(shí)則意味著胎兒危險(xiǎn)，需要剖腹產(chǎn)。目前，獲取胎兒心率的方法有多普勒超聲檢測(cè)和胎兒心磁波描記圖(fetal magnetocardiogram,FMCG)0臨床上常用的是多普勒超聲檢測(cè)，但其缺點(diǎn)是不能持續(xù)的測(cè)量，不確定性的加速或減速以及正常的突變都會(huì)被曲解為噪聲，同時(shí)對(duì)胎兒造成輻射傷害。胎兒心磁波描記圖通過檢測(cè)心臟磁場(chǎng)的變化而探測(cè)心臟電生理的變化，以非常敏感的超導(dǎo)量子介入裝置(Supercon-ducting Quantum Interference Device, SQUID)為探頭，將SQUID探頭放于孕婦腹部，可將胎兒的心磁與母親強(qiáng)大的心磁分開，但其設(shè)備笨重，價(jià)格昂貴，多數(shù)醫(yī)院不具備。與此同時(shí)，關(guān)于胎心率檢測(cè)的信號(hào)處理方法也紛紛涌現(xiàn)，這些方法大都基于無侵入式的檢測(cè)，即對(duì)腹部采集到的母親胎兒混合心電信號(hào)進(jìn)行處理，如匹配濾波法(matched filtering),即將胸部采集的母親心電和腹部采集的放大的母親胎兒混合心電進(jìn)行相減，從而得到有噪聲干擾的胎兒心電，從模糊的胎兒心電中判斷胎兒心率；自適應(yīng)濾波法，將母親心電信號(hào)作為參考輸入進(jìn)行自適應(yīng)濾波運(yùn)算，最后將母親心電信號(hào)抵消，從而提取胎兒心電信號(hào)，但這種方法效果不佳，只能算作胎心率檢測(cè)的方法。從生理學(xué)角度，心電波形蘊(yùn)含的豐富的關(guān)于人體健康的信息，F(xiàn)ECG可記錄胎兒心臟每一心動(dòng)周期活動(dòng)發(fā)生的電位變化及其在心臟的傳導(dǎo)過程，可多次檢測(cè)和動(dòng)態(tài)觀察， 清晰的胎兒心電波形不僅能檢測(cè)胎兒心率，更包含有重要的臨床信息，觀察胎兒心電圖 (FECG)的一些特征，如心率、波形、和動(dòng)態(tài)波動(dòng)，能夠非常方便的推測(cè)到胎兒的生長、發(fā)育， 胎兒的成熟度和胎兒窘迫或先天性心臟疾病，能夠協(xié)助醫(yī)生在妊娠期間做出適當(dāng)和緊迫的決定，降低了圍產(chǎn)兒發(fā)病率與死亡率。目前，成人的心電的臨床采集與波形研究已經(jīng)相對(duì)比較成熟，但對(duì)于胎兒心電的研究才剛剛起步，原因是多方面的，首先胎兒心電的微弱，與母親的心電幅度相比要低好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)在信號(hào)傳導(dǎo)和采集過程中伴隨著大量的噪聲， 胎兒的信號(hào)往往要淹沒在這些噪聲中，胎兒心電的信噪比(SNR)不高，其次，沒有完整的關(guān)于胎兒心電波形臨床意義的研究，再者，缺少胎兒心電波形的研究數(shù)據(jù)庫。目前，獲取胎兒心電信號(hào)的方法主要有侵入式和無侵入式心電信號(hào)采集法，侵入式，即頭皮電極法，有創(chuàng)傷且只能又在羊膜破裂之后，操作不便。無侵入的方法，在母親腹部采集到心電心電信號(hào)，經(jīng)過消噪，算法分離后提取出胎兒心電信號(hào)，對(duì)母親和胎兒都無傷害，但由于母親和胎兒心電信號(hào)的特點(diǎn)，無法用簡(jiǎn)單的方法提取出清晰的胎兒心電波形，因此，選擇一種合適、健壯的算法成為決定胎兒心電圖質(zhì)量的關(guān)鍵。盲信號(hào)處理，即獨(dú)立分量分析(ICA)是更好的信號(hào)處理方法，可用來消除母親心電波形，并且減少肌電、運(yùn)動(dòng)和電源的干擾，增強(qiáng)胎兒心電的QRS波群。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于考慮上述問題而提供一種穩(wěn)健、高效、簡(jiǎn)單的基于時(shí)頻變換的胎兒心電盲提取方法。本發(fā)明能有效的提取出胎兒心電供臨床檢測(cè)。本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明的基于時(shí)頻變換的胎兒心電盲提取方法，包括有如下步驟
1)在母親腹部體表多處不同位置放置電極，采集得到母親和胎兒心電相互混合的母親胎兒混合心電信號(hào)；
2)對(duì)采集到的多路母親胎兒混合心電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理包括矯正基線漂移，濾除肌電等高頻信號(hào)干擾，濾除50Hz工頻干擾；
3)對(duì)經(jīng)過預(yù)處理的母親胎兒混合心電信號(hào)按信噪比進(jìn)行挑選，挑選出兩路信號(hào)，兩路混合心電信號(hào)中分別對(duì)母親心電和胎兒心電進(jìn)行定位，并搜索信號(hào)中相對(duì)稀疏的時(shí)間段；
4)利用模糊函數(shù)將相對(duì)稀疏時(shí)間段信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到時(shí)頻域，對(duì)信號(hào)項(xiàng)和交叉項(xiàng)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算得到分離向量從而將胎兒心電信號(hào)從混合信號(hào)中提取出來。上述步驟2)中，基線漂移校正方法采用8階Butterworth型UR數(shù)字高通濾波， 濾波器的截止頻率為0. 03Hz ；50Hz工頻干擾是采用梳狀數(shù)字陷波器去除；高頻肌電信號(hào)是采用4階Butterworth型UR數(shù)字低通濾波器，濾波器的截止頻率為250Hz。上述步驟3)具體包括如下步驟
31)預(yù)處理后的母親胎兒混合心電信號(hào)中，以母親心電為信號(hào)，其它信號(hào)為噪聲，挑選一路信噪比最大的母親胎兒混合心電信號(hào)；
32)利用成人心電R波定位技術(shù)，搜索得到母親心電信號(hào)QRS波群位置；
33)從預(yù)處理后的母親胎兒混合心電信號(hào)中，以胎兒心電為信號(hào)，其它信號(hào)為噪聲，挑選一路信噪比最大的母親胎兒混合心電信號(hào)；
34)利用胎兒心電R波定位技術(shù)，搜索得到胎兒心電信號(hào)的QRS波群的位置；
35)將母親和胎兒的QRS波群在同一時(shí)間軸上展開，有重疊的波群拋棄，沒有重疊且相鄰的母親胎兒QRS波群為母親和胎兒心電相對(duì)稀疏的時(shí)間段。挑選的兩路混合信號(hào)中的母親和胎兒相對(duì)稀疏時(shí)間段用向量
J1
W = [χ，，χψ f表示，其中的母親心電相對(duì)稀疏時(shí)間段用向量Xire = [xf" xj·]表示，
胎兒心電相對(duì)稀疏時(shí)間段用向量Xjj = [x{，χ f表示。上述步驟4)具體包括如下步驟
41)將步驟3)中得到的向量3￡< = [Xff5Xff，其中Xp和Xff分別表示挑選的兩路母親胎兒混合心電信號(hào)中各自的母親和胎兒心電相對(duì)稀疏時(shí)間段，利用模糊函數(shù)將3￡< 變換到時(shí)頻面中，從而得到四個(gè)時(shí)頻分布，D》,jf、U、ij = %2表示模糊函數(shù)分布
(當(dāng)/ = J·)或互模糊函數(shù)分布(當(dāng)/Φρ, οξΗ(t，f) , ij = m f表示在每一個(gè)時(shí)頻分布
中都含有信號(hào)項(xiàng)(當(dāng)i'=i)和交叉項(xiàng)(當(dāng)信號(hào)項(xiàng)位于坐標(biāo)原點(diǎn)，交叉項(xiàng)關(guān)于原點(diǎn)橫向?qū)ΨQ。分別計(jì)算得到四個(gè)時(shí)頻分布中的左邊交叉項(xiàng)的中的最大實(shí)數(shù)，按式(5)中的順序排列這四個(gè)實(shí)數(shù)得到矩陣A；
42)步驟3)中得到的向量Xw=,其和4 分別表示挑選的兩路混合
信號(hào)中各自的母親心電相對(duì)稀疏時(shí)間段，和上步中的方法一樣，利用模糊函數(shù)將Xm變換到時(shí)頻面上，計(jì)算得到每一個(gè)時(shí)頻面中位于坐標(biāo)原點(diǎn)的信號(hào)項(xiàng)中的最大實(shí)數(shù)，按式(5)中的順序排列這四個(gè)實(shí)數(shù)得到矩陣B，同理，也可得到胎兒心電相對(duì)稀疏向量Xi =[xf，xff變換到時(shí)頻域中計(jì)算得到的矩陣C；
43)構(gòu)造對(duì)照函數(shù)min J(w) = wrAw/wTBw 或 min J(w) = wTAw/w" Cw
，W是分離矩陣1W的一個(gè)列向量，用來提取胎兒心電信號(hào)。挑選的兩路信號(hào)用向量 χ = [X1，X2 f表示，則yf = WrX即為分離得到的胎兒心電信號(hào)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果
1、本發(fā)明基于源信號(hào)時(shí)域相對(duì)稀疏性，解決了母親心電和胎兒心電信號(hào)在時(shí)域和頻域相互重疊難以分離的問題。2、將信號(hào)變換到時(shí)頻域的方法抗噪能力強(qiáng)，可高效準(zhǔn)確的提取出胎兒心電信號(hào)用于醫(yī)療診斷。3、本發(fā)明方法不需要估計(jì)源信號(hào)的高階統(tǒng)計(jì)特性，具有計(jì)算簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明是一種設(shè)計(jì)巧妙，性能優(yōu)良，方便實(shí)用的基于時(shí)頻變換的胎兒心電盲提取方法。


圖1是本發(fā)明方法的流程圖2是本發(fā)明方法中搜索母親和胎兒混合心電信號(hào)中相對(duì)稀疏時(shí)間段的流程圖； 圖3是本發(fā)明方法中基于時(shí)頻分析的盲提取算法流程圖； 圖4和圖5是本發(fā)明方法母親心電和胎兒心電定位的效果圖； 圖6是本發(fā)明方法對(duì)母親胎兒混合心電信號(hào)運(yùn)行本算法分離出來的胎兒心電信號(hào)。
具體實(shí)施方式

實(shí)施例
盲分離的技術(shù)是用科恩類(Cohen class)時(shí)頻分布函數(shù)將信號(hào)轉(zhuǎn)換的到時(shí)頻域，從而稱為巧和 的互模糊函數(shù)分布，當(dāng)￡ = J(￡，J = i，2)時(shí)^^ X3^/)則為巧的模糊函
數(shù)分布。 模糊函數(shù)是一種常用的時(shí)頻變換，他將信號(hào)的瞬時(shí)相關(guān)函數(shù)變換到時(shí)延-頻偏平
權(quán)利要求
1.一種基于時(shí)頻變換的胎兒心電盲提取方法，其特征在于包括有如下步驟1)在母親腹部體表多處不同位置放置電極，采集得到母親和胎兒心電相互混合的母親胎兒混合心電信號(hào)；2)對(duì)采集到的多路母親胎兒混合心電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理包括矯正基線漂移，濾除肌電等高頻信號(hào)干擾，濾除50Hz工頻干擾；3)對(duì)經(jīng)過預(yù)處理的母親胎兒混合心電信號(hào)按信噪比進(jìn)行挑選，挑選出兩路信號(hào)，兩路混合心電信號(hào)中分別對(duì)母親心電和胎兒心電進(jìn)行定位，并搜索信號(hào)中相對(duì)稀疏的時(shí)間段；4)利用模糊函數(shù)將相對(duì)稀疏時(shí)間段信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到時(shí)頻域，對(duì)信號(hào)項(xiàng)和交叉項(xiàng)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算得到分離向量從而將胎兒心電信號(hào)從混合信號(hào)中提取出來。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于時(shí)頻變換的胎兒心電盲提取方法，其特征在于上述步驟2)中，基線漂移校正方法采用8階Butterworth型UR數(shù)字高通濾波，濾波器的截止頻率為0. 03Hz ；50Hz工頻干擾是采用梳狀數(shù)字陷波器去除；高頻肌電信號(hào)是采用4階 Butterworth型UR數(shù)字低通濾波器，濾波器的截止頻率為250Hz。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于時(shí)頻變換的胎兒心電盲提取方法，其特征在于上述步驟3)具體包括如下步驟31)從預(yù)處理后的母親胎兒混合心電信號(hào)中，以母親心電為信號(hào)，其它信號(hào)為噪聲，挑選一路信噪比最大的母親胎兒混合心電信號(hào)；32)利用成人心電R波定位技術(shù)，搜索得到母親心電信號(hào)QRS波群位置；33)從預(yù)處理后的母親胎兒混合心電信號(hào)中，以胎兒心電為信號(hào)，其它信號(hào)為噪聲，挑選一路信噪比最大的母親胎兒混合心電信號(hào)；34)利用胎兒心電R波定位技術(shù)，搜索得到胎兒心電信號(hào)的QRS波群的位置；35)將母親和胎兒的QRS波群在同一時(shí)間軸上展開，有重疊的波群拋棄，沒有重疊且相鄰的母親胎兒QRS波群為母親和胎兒心電相對(duì)稀疏的時(shí)間段；挑選的兩路混合信號(hào)中的母親和胎兒相對(duì)稀疏時(shí)間段用向量=[x^\xff表示，其中的母親心電相對(duì)稀疏時(shí)間段用向量Xire =[xj%x『f表示，胎兒心電相對(duì)稀疏時(shí)間段用向量V = [s{ 表示。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于時(shí)頻變換的胎兒心電盲提取方法，其特征在于上述步驟4)具體包括如下步驟41)將步驟3)中得到的向量，其中xp和χ，分別表示挑選的兩路母親胎兒混合心電信號(hào)中各自的母親和胎兒心電相對(duì)稀疏時(shí)間段，利用模糊函數(shù)將Xffi/變換到時(shí)頻面中，從而得到四個(gè)時(shí)頻分布，D^frXfnf (i^f) ij = i:1表示模糊函數(shù)分布α ε*(當(dāng)/ = j·)或互模糊函數(shù)分布(當(dāng)/Ds.,s.(t,f) , ij = m>f表示在每一個(gè)時(shí)頻分布中都含有信號(hào)項(xiàng)(當(dāng)'=J')和交叉項(xiàng)(當(dāng)*'#i)，信號(hào)項(xiàng)位于坐標(biāo)原點(diǎn)，交叉項(xiàng)關(guān)于原點(diǎn)橫向?qū)ΨQ；分別計(jì)算得到四個(gè)時(shí)頻分布中的左邊交叉項(xiàng)的中的最大實(shí)數(shù)，按式(5)中的順序排列這四個(gè)實(shí)數(shù)得到矩陣A；42)將步驟3)中得到的向量Xm= [ΧΡ,Χ〗^ ,其中χ「和< 分別表示挑選的兩路混合信號(hào)中各自的母親心電相對(duì)稀疏時(shí)間段，和上步中的方法一樣，利用模糊函數(shù)將Xm變換到時(shí)頻面上，計(jì)算得到每一個(gè)時(shí)頻面中位于坐標(biāo)原點(diǎn)的信號(hào)項(xiàng)中的最大實(shí)數(shù)，按式(5)中的順序排列這四個(gè)實(shí)數(shù)得到矩陣丑，同理，也可得到胎兒心電相對(duì)稀疏向量Xi =Ixfxif 變換到時(shí)頻域中計(jì)算得到的矩陣C；43)構(gòu)造對(duì)照函數(shù)min J(w) = w^AwZwj Bw 或 min J(w) = wTAw/w1 Cw w是分離矩陣1W的一個(gè)列向量，用來提取胎兒心電信號(hào)；挑選的兩路信號(hào)用向量χ = [x1 x2f表示，則y/ = WrX即為分離得到的胎兒心電信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于時(shí)頻變換的胎兒心電盲提取方法。它基于源信號(hào)的時(shí)域相對(duì)稀疏的特性。包括以下步驟首先從母親腹部不同位置提取多路母親和胎兒混合心電信號(hào)，然后對(duì)采集到的混合信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理包括矯正信號(hào)的基線漂移、濾除50Hz工頻干擾、濾除肌電等高頻噪聲干擾等。接著按照信噪比最大挑選出兩路母親和胎兒混合心電信號(hào)并分別用R波定位技術(shù)搜索兩路混合信號(hào)的母親和胎兒心電QRS波群位置，得到兩路混合信號(hào)中的母親和胎兒心電相對(duì)稀疏的時(shí)間段，最后利用模糊函數(shù)將得到的相對(duì)稀疏時(shí)間段變換到時(shí)頻域中，對(duì)每個(gè)時(shí)頻分布中的信號(hào)項(xiàng)和交叉項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算，利用廣義瑞利商構(gòu)造對(duì)照函數(shù)，最終從兩路母親胎兒混合心電信號(hào)中分離出胎兒心電信號(hào)。本發(fā)明已經(jīng)在實(shí)際采集數(shù)據(jù)上進(jìn)行了測(cè)試，能很好的分離出胎兒心電信號(hào)。
文檔編號(hào)A61B5/0444GK102160787SQ20111014448
公開日2011年8月24日 申請(qǐng)日期2011年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月31日
發(fā)明者周郭許, 謝勝利, 譚越 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)