一種基于自適應flann濾波器的胎兒心電信號提取方法
【專利摘要】一種基于自適應FLANN濾波器的胎兒心電信號提取方法，屬于胎兒心電信號檢測【技術(shù)領域】。解決由于母親心電信號在胸部區(qū)域到腹部區(qū)域之間存在非線性和心電信號的非平穩(wěn)特性，導致胎兒心電信號提取不準確的問題。從母親腹部導聯(lián)獲得母親胎兒混合心電信號以及從母親胸部導聯(lián)獲得母親心電信號；從母親體表獲取的兩類心電信號分別進行預處理；預處理后的母親胎兒混合心電信號和母親心電信號進行歸一化處理，作為自適應FLANN濾波器的原始輸入信號和參考輸入信號；利用自適應LMS算法對FLANN濾波器參數(shù)進行不斷更新，估計母親心電信號從母親胸部區(qū)域到腹部區(qū)域之間的非線性關系；將自適應FLANN濾波器的誤差輸出信號，作為估計得到的胎兒心電信號。用于提取胎兒心電信號。
【專利說明】—種基于自適應FLANN濾波器的胎兒心電信號提取方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明是一種基于自適應FLANN濾波器的胎兒心電信號提取方法，屬于胎兒心電信號檢測【技術(shù)領域】。
【背景技術(shù)】
[0002]優(yōu)生優(yōu)育是提高國家人口素質(zhì)的重要舉措。隨著生活水平的不斷提高，人們對優(yōu)生優(yōu)育的認識逐步加強，同時，現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展也為圍產(chǎn)期的孕婦和胎兒監(jiān)護提供了技術(shù)保障。今后在圍產(chǎn)期對胎兒和孕婦實時監(jiān)護將受到越來越廣泛的重視。
[0003]胎兒心電圖(Fetal Electrocardiogram,簡稱FECG)是胎兒心臟生理活動的客觀指標，它反映了胎兒在孕期中的生長和健康狀況，能夠幫助及早診斷妊娠期和分娩期的胎兒是否有先天性心臟病或?qū)m內(nèi)缺氧等。非侵入式胎兒心電檢測方法，是現(xiàn)代醫(yī)學檢測技術(shù)中常用的方法，對圍產(chǎn)期的醫(yī)學研究和臨床應用，以及提高圍產(chǎn)醫(yī)學質(zhì)量均具有重要意義，在現(xiàn)代醫(yī)療領域具有廣闊的應用前景。
[0004]胎兒心電信號是心臟活動的源發(fā)性信號，這種信號電位變化的方向、次序和時間等都有一定規(guī)律，并反映了整個心臟活動的循環(huán)興奮過程。胎兒心電信號與心音和心動信號相比更能反映心臟活動全貌，而且胎兒出現(xiàn)異常時，胎兒心電圖形態(tài)的變化比心音、心動等發(fā)生的更早、更敏感。從胎兒心電信號不僅能提取胎兒的平均和瞬時心率的變化，而且能像一般成人心電圖(Electrocardiogram,簡稱ECG)那樣,從描繪的心電波形中得到更多胎兒心臟狀況的信息。通過對胎兒心電信號這些波形變化(如心率、心律、QRS時限等)的分析，結(jié)合臨床觀察，可早期發(fā)現(xiàn)胎兒生長發(fā)育過程中的異常狀況，及時采取醫(yī)療措施進行補救。因此為了做出正確的臨床 診斷，非常有必要獲取清晰的胎兒心電信號。
[0005]目前，胎兒心電信號的檢測方法主要分為侵入式和非侵入式兩種，傳統(tǒng)的侵入式方法(頭皮電極法)，只能在羊膜破裂之后測量，且對母體和胎兒均具有創(chuàng)傷，操作比便。非侵入式的測量方法在臨床醫(yī)學中得到廣泛的應用，只需從母親腹部區(qū)域采集到包含胎兒心電信號的混合信號，然后通過去噪和濾波，經(jīng)提取算法得到胎兒心電信號，具有對母親和胎兒無創(chuàng)傷的特點。但是，由于母親信號和胎兒心電信號的特點，在頻域內(nèi)，胎兒心電信號的頻譜和母親心電信號的頻譜相互重疊，在時域內(nèi)，胎兒心電信號和母親心電信號之間存在10%到30%左右的QRS波重疊，通過簡單的去噪和提取方法很難獲得清晰的胎兒心電信號。
[0006]現(xiàn)在臨床應用的胎兒心電信號獲取方法均為非侵入式測量方法:將多個非侵入式電極通過某種導聯(lián)分布放置在母親的腹部和胸部區(qū)域，分別測量母親腹部心電信號(由母親心電信號和胎兒心電信號等構(gòu)成的混合信號)和母親胸部心電信號(主要為母親心電信號和加性噪聲)，進而利用某種胎兒心電信號提取或者分離算法，從具有強噪聲污染的腹部心電信號中分離出胎兒心電信號。然而，從腹部電極獲得的信號主要是母親心電信號，包含的胎兒心電信號的電壓幅度通常達不到母親心電信號的電壓幅度的20%，信噪比(SNR)不高，給胎兒心電信號提取帶來了巨大挑戰(zhàn)。此外，還存在各種不同來源的加性噪聲，淹沒或者污染了待提取的胎兒心電信號，包括50Hz工頻干擾、基線漂移、母親呼吸和肌電信號等干擾或者噪聲。另外，缺少充分的胎兒心電信號數(shù)據(jù)庫，會影響到胎兒心電信號波形的評價指標。經(jīng)過多年的技術(shù)改進，現(xiàn)在臨床應用的胎兒心電信號獲取方法已相對成熟。
[0007]針對胎兒心電信號提取方法，人們已經(jīng)提出許多基于數(shù)字信號處理的技術(shù)，包括自適應濾波算法([1]B.Widrow et al., “Adaptive noise canceling !Principles andapplications, ”Proc.1EEE, vol.63, pp.1692-1716，Dec.1975.)、奇異值分解(SVD)、小波變換(WT)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)、盲源分離(BSS)和獨立分量分析(ICA) ([2]V.Zarzoso1A.K.Nandi, uNoninvasive fetal electrocardiogram extraction:blind separationversus adaptive noise cancellation,，，IEEE Trans.Biomed.Eng., vol.48, n0.1, pp.12-18，Jan.2001.)等。人們已經(jīng)采用自適應LMS、RLS和NLMS等算法解決胎兒心電信號提取的問題([3]Y.Xiao, et al., “Fetal ECG extraction using mult1-sensory linear noisecanceller with multiple reference channels,’Troc.1TC-CSCC2009, pp.131-134, Jul.2
009.)，但是在提取信號的信噪比和計算效率方面仍存在不足之處。盲源分離方法是在母親心電信號從胸部區(qū)域傳遞到腹部區(qū)域之間線性關系的假設下進行的，但實際上母親心電信號從胸部區(qū)域傳遞到腹部區(qū)域之間是存在非線性關系的，并且心電信號和加性噪聲信號往往是非平穩(wěn)的。為了解決這種母親心電信號在胸部區(qū)域傳遞到腹部區(qū)域之間非線性問題，人們已經(jīng)采用一些非線性方法,如神經(jīng)網(wǎng)絡、非線性狀態(tài)空間變換、非線性Volterra濾波([4]M.Shadaydeh, Y.Xiao, R.Ward, “Extraction of fetal ECG using adaptive Volerrafilters,，，Proc.16th European Signal Processing Conference, Lausanne, Aug.2008.)>人工神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)([5]K.Assaleh, “Extraction of Fetal Electrocardiogram UsingAdaptive Neuro-Fuzzy Inference Systems, ” IEEE Trans.Biomed.Eng., vol.54, n0.1, pp? 59-68，Jan.2007.)等。
[0008]因此，在傳統(tǒng)的自適應線性濾波方法的基礎上，需要提供一種可靠有效的胎兒心電信號提取的非線性方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有方法的缺點與不足，提供一種基于自適應FLANN濾波器的胎兒心電信號提取方法，該方法用于胎兒心電信號臨床檢測，可解決由于母親心電信號在胸部區(qū)域到腹部區(qū)域之間存在非線性和心電信號的非平穩(wěn)特性，導致胎兒心電信號提取不準確的問題。
[0010]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是:
[0011]本發(fā)明提供了一種基于自適應FLANN濾波器的胎兒心電信號提取方法，包括以下步驟:
[0012](1)首先從母親腹部導聯(lián)獲得母親胎兒混合心電信號以及從母親胸部導聯(lián)獲得母親心電信號；
[0013](2)對從母親體表獲取的兩類心電信號分別進行預處理，其包括校正信號的低頻基線漂移、濾除50Hz工頻干擾、濾除聞頻肌電/[目號干擾等；
[0014](3)將預處理后的母親胎兒混合心電信號和母親心電信號進行歸一化處理，分別作為自適應FLANN濾波器的原始輸 入信號和參考輸入信號；[0015](4 )利用自適應LMS算法更新FLANN濾波器參數(shù)，估計母親心電信號從母親胸部區(qū)域到腹部區(qū)域之間的非線性關系；
[0016](5)將自適應FLANN濾波器的誤差輸出信號，作為估計得到的胎兒心電信號。
[0017]所述步驟(2)中，采用8階巴特沃斯型IIR數(shù)字高通濾波器校正信號的基線漂移，該濾波器的截止頻率為0.04Hz ;采用IIR數(shù)字陷波器濾除50Hz工頻干擾；采用6階巴特沃斯型IIR數(shù)字低通濾波器濾除肌電干擾等高頻噪聲，該濾波器的截止頻率為200Hz。
[0018]所述步驟(3)具體包括以下步驟:
[0019](3-1)將所述步驟(2)預處理后的一路母親胎兒混合心電信號fm(n)和q路母親心電信號mi (n)、m2 (n)、…、mq(n)，選取自適應FLANN濾波器的長度為N，分別進行連續(xù)N個米樣并歸一化處理；
[0020](3-2)將母親胎兒混合心電信號fm(n)作為自適應FLANN濾波器的原始輸入信號，母親心電信號m1 (n)、m2 (n)、…、mq(n)作為自適應FLANN濾波器的多參考輸入信號，即米用單原始輸入和多參考輸入的自適應FLANN濾波的結(jié)構(gòu)形式。
[0021]所述步驟(4)具體包括以下步驟:
[0022](4-1)將母親胎兒混合心電信號fm(n)和q路母親心電信號m1 (n)、m2(n)、…、mq(n)分別進行以三角基函數(shù){1，cos ( πu)，sinO u)，cos (πu)，sin(πu)，…，cos (N π u), sin (N π u)}為基的N點非線性擴展，u表示待擴展的序列；
[0023](4-2)將非線性擴展得到的序列作為自適應FLANN濾波器輸入，其中線性FIR濾波器系數(shù)為wi.j，i表示參考輸入通道序號，j表示相應濾波器的延遲時間；FLANN濾波器非線性部分系數(shù)中對應正弦分量系數(shù)hs.p.i.j和余弦分量系數(shù)hc.p.i.j表示系數(shù)對應正弦分量，c表示系數(shù)對應余弦分量，P表示FLANN的序號；





[0024](4-3)得到第i參考通道的FIR濾波器線性輸出為
【權(quán)利要求】
1.一種基于自適應FLANN濾波器的胎兒心電信號提取方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟(1)、首先從母親腹部導聯(lián)獲得母親胎兒混合心電信號以及從母親胸部導聯(lián)獲得母親心電信號； 步驟(2)、對從母親體表獲取的兩類心電信號分別進行預處理，其包括校正信號的低頻基線漂移、濾除50Hz工頻干擾、濾除高頻肌電信號干擾； 步驟(3)、將預處理后的母親胎兒混合心電信號和母親心電信號進行歸一化處理，分別作為自適應FLANN濾波器的原始輸入信號和參考輸入信號； 步驟(4)、利用自適應LMS算法更新自適應FLANN濾波器參數(shù)，估計母親心電信號從母親胸部區(qū)域到腹部區(qū)域之間的非線性關系； 步驟(5)、將自適應FLANN濾波器的誤差輸出信號，作為估計得到的胎兒心電信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自適應FLANN濾波器的胎兒心電信號提取方法，其特征在于，所述步驟(2)中， 采用8階巴特沃斯型IIR數(shù)字高通濾波器校正信號的基線漂移，該濾波器的截止頻率為0.04Hz ;采用IIR數(shù)字陷波器濾除50Hz工頻干擾；采用6階巴特沃斯型IIR數(shù)字低通濾波器濾除肌電干擾等高頻噪聲，該濾波器的截止頻率為200Hz。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于自適應FLANN濾波器的胎兒心電信號提取方法，其特征在于，所述步驟(3)具體包括以下步驟: 步驟(3-1)、將所述步驟(2)預處理 后的一路母親胎兒混合心電信號fm(n)和q路母親心電信號Hi1 (n)、m2 (η)、…、mjn)，選取自適應FLANN濾波器的長度為N，分別進行連續(xù)N個米樣并歸一化處理； 步驟(3-2)、將母親胎兒混合心電信號fm(n)作為自適應FLANN濾波器的原始輸入信號，母親心電信號IIi1 (n)、m2 (η)、...> mq(n)作為自適應FLANN濾波器的多參考輸入信號，即采用單原始輸入和多參考輸入的自適應FLANN濾波的結(jié)構(gòu)形式。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于自適應FLANN濾波器的胎兒心電信號提取方法，其特征在于，所述步驟(4)具體包括以下步驟: 步驟(4-1)、將母親胎兒混合心電信號fm(n)和q路母親心電信號Iii1 (n)、m2(n)、…、1? (η)分別進行以三角基函數(shù){1，cos O U)，sinO U)，cos O U)，sinO U)，…，cos (N 31 u), sin (N π u)}為基的N點非線性擴展，u表示待擴展的序列； 步驟(4-2)、將非線性擴展得到的序列作為自適應FLANN濾波器輸入，其中線性FIR濾波器系數(shù)為《U，i表示參考輸入通道序號，j表示相應濾波器的延遲次數(shù)；FLANN濾波器非線性部分系數(shù)中對應正弦分量系數(shù)hs，p^和余弦分量系數(shù)\ρ^_，s表示系數(shù)對應正弦分量，c表示系數(shù)對應余弦分量，P表示FLANN的序號；





況―I 步驟(4-3)、得到第i參考通道的FIR濾波器線性輸出為.).’,(") =(〃一刀，自適應





;=0FLANN濾波器非線性輸出為
P N-X
a⑷=ΣΣ 丨 V'.,.sin["伽,("—./.)]+《W;.,.., cos["獅,("-./)]}
P=Oj=o其中，P為FLANN的個數(shù)，自適應FLANN濾波器的總輸出為’(〃) = i>,(〃) +4(〃)]；





仁I 步驟(4-4)、利用LMS算法不斷更新線性FIR濾波器系數(shù)和FLANN濾波器系數(shù)，線性FIR濾波器系數(shù)更新公式為
wi； j (n+1) =wi； j (η)+ μ 1；ie (n) Hii (n_ j) FLANN濾波器系數(shù)更新公式為
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的一種基于自適應FLANN濾波器的胎兒心電信號提取方法，其特征在于，所述步驟(5)具體包括以下步驟:在所述步驟(4)的基礎上，得到自適應FLANN濾波器的誤差輸出信號:e (n) =fm (n) -y (η) 作為估計得到的胎兒心電信號，式中，fm(n)為母親胎兒混合心電信號，y(n)為自適應FLANN濾波器的總輸出。
【文檔編號】A61B5/0444GK103610460SQ201310674038
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月11日
【發(fā)明者】魏國, 馬亞平, 肖業(yè)貴, 孫金瑋, 黃博妍 申請人:哈爾濱工業(yè)大學