技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于孕婦無創(chuàng)傷胎兒胎音的計算機仿真轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
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胎心監(jiān)護技術(shù)能夠幫助臨床醫(yī)生準確、及時的獲得孕婦孕期或者分娩過程中胎兒的生理狀態(tài)信息。胎兒在母親體內(nèi)出現(xiàn)胎兒窘迫等其他問題都會直接反映在胎心率的變化上。目前臨床上的胎心監(jiān)護方法多采用超聲多普勒法，該方法通過將超聲探頭置于母體的腹部并對準胎兒的心臟，依據(jù)多普勒效應(yīng)，識別出胎兒心臟的收縮和舒張，再通過內(nèi)置的揚聲器將胎兒心臟活動變化的聲音，即胎兒胎音播放出來，通過這一聲音對胎兒的生理病理狀態(tài)進行監(jiān)護。但該方法存在著如下的局限性：1.需要孕婦在測量的過程中一直保持不動，不適合進行長時間的監(jiān)護。2.有研究表明，胎兒長時間暴露在超聲輻射下，會影響到出生后的體質(zhì)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于提出一種胎兒心電信號實時轉(zhuǎn)換為胎兒胎音的計算機仿真轉(zhuǎn)換方法，通過將胎兒心電信號直接轉(zhuǎn)換為胎兒心跳聲音信號從而進行胎心監(jiān)護，以克服運用超聲多普勒法對胎兒胎音進行監(jiān)護的缺點。

為了達到上述目的，本發(fā)明的思路是：利用胎兒心電信號中設(shè)定的幅值范圍(與的計算方法見下文)與人耳聽力舒適頻率范圍fmin、fmax(經(jīng)少量人群測試，取fmin＝250hz，fmax＝1000hz)建立線性轉(zhuǎn)換函數(shù)，利用該函數(shù)對胎兒心電信號進行壓頻轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號即為仿真的胎兒心跳聲音信號，最后利用揚聲器將該信號播放出來。

本發(fā)明的特征在于，胎兒心電信號實時轉(zhuǎn)換為胎兒胎音的計算機仿真轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，是一種對胎兒心電信號，采用成段輸入，分批緩存后，用胎兒心電信號和胎兒心跳聲音信號間的線性轉(zhuǎn)換函數(shù)成批并延時地把所述胎兒心電信號轉(zhuǎn)換為胎兒心跳聲音信號的方法，所述線性轉(zhuǎn)換函數(shù)是一種基于人耳聽力允許的頻率區(qū)間以及當設(shè)定長度的采樣窗口按設(shè)定的采樣間隔在每批內(nèi)沿著采樣間隔的序號移動時各個窗口內(nèi)各個采樣點所對應(yīng)的胎兒心電信號中最大幅值的平均值，計算出的各采樣點的胎兒心跳聲音信號的虛擬頻率的函數(shù)，據(jù)此得到了反映胎兒心跳聲音的方波脈沖信號，所述計算機仿真轉(zhuǎn)換方法是在一臺計算機中依次按以下步驟進行的。

步驟(1)，構(gòu)造一個把胎兒心電信號實時轉(zhuǎn)換為胎兒胎音的計算機仿真轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括：胎兒心電信號緩存模塊、胎兒心電信號預處理模塊，胎兒心電信號線性轉(zhuǎn)換模塊，以及用于胎兒胎音輸出的組件，其中：

胎兒心電信號緩存模塊，輸入信號為：thephysionet生理信號數(shù)據(jù)庫中的一段胎兒心電信號，所述胎兒心電信號是來自于用五電極法采自健康孕婦腹部子宮位置的胎兒心電信號，并經(jīng)過離散化后，用mauriziovaranini提出的胎兒心電信號分離算法分離出的，所述健康孕婦是指胎兒心電信號單波時長相同的孕婦，這一段離散的胎兒心電信號的時長為p，采樣頻率為fp，采樣分辨率為η，其中包含了有限個數(shù)的胎兒心電信號的r波，所述r波為胎兒心電信號中幅值最大的qrs波群中最大波的縮寫，反映了胎兒心室肌處理心臟血流的傳導全過程，所述胎兒心電信號緩存模塊把時長為p的這段胎兒心電信號等分成為n批，n＝1,2,…,n，n為總批數(shù)，n為批的序號，并逐批緩存，分批處理時長為tsap秒，每批有i個采樣點，i為采樣點序號，從而使得每批輸出的胎兒心跳聲音信號較同批胎兒心電信號存在tsap秒的延時。

胎兒心電信號預處理模塊，輸入信號來自所述胎兒心電信號緩存模塊的一段胎兒心電信號，按順序號對每批胎兒心電信號依次進行信號標準化、將信號中小于均值的部分倒置，通過巴特沃斯低通濾波器去除信號毛刺，共三步預處理操作，逐批輸出經(jīng)過預處理的胎兒心電信號。

胎兒心電信號線性轉(zhuǎn)換模塊，輸入信號是來自所述胎兒心電信號預處理模塊按順序號逐批輸出的每批預處理后的胎兒心電信號，利用預置的線性轉(zhuǎn)換函數(shù)把每批胎兒心電信號按順序號將逐個r波的轉(zhuǎn)換成對應(yīng)于各個采樣點i上胎兒心電信號幅值的胎兒心跳聲音信號的虛擬頻率fi，i為采樣點數(shù)，再按順序號逐批輸出胎兒心跳聲音信號的虛擬頻率fi，所述虛擬頻率值為胎兒心電信號中包括r波波形在內(nèi)的所有的胎兒心電信號各波形內(nèi)最大幅值所在采樣間隔中的電壓方波經(jīng)傅里葉變換得到的各次諧波中幅值最大值的諧波所對應(yīng)的頻率的限制值。

用于表示胎兒胎音輸出的組件是一個在輸出端接有一個揚聲器的虛擬頻率值-胎兒心電信號波形積分電壓模塊，輸入信號是來自所述線性轉(zhuǎn)換模塊按順序號逐批輸出的胎兒心跳聲音信號的虛擬頻率fi，經(jīng)預處理的胎兒心電信號的時長，采樣點數(shù)，以及每個采樣點i的胎兒心電信號的幅值，輸出為一系列斷續(xù)的包括r波波形在內(nèi)的所有的虛擬頻率為fi的各胎兒心電信號波形電壓方波脈沖，幅度為包括r波波形在內(nèi)的各個的胎兒心電信號波形的幅值的積分值，輸入到所述的揚聲器后逐批斷續(xù)地轉(zhuǎn)換為不同音強的胎兒胎音輸出。

步驟(2)，計算機依次按以下步驟逐批地把胎兒心電信號轉(zhuǎn)換為胎兒胎音輸出：

步驟(2.1)，計算機初始化，設(shè)定：

每批胎兒心電信號時長為p。

巴特沃斯低通濾波器的截止頻率為5hz，階數(shù)為1階。

每一批內(nèi)胎兒心電信號的處理時長為tsap，采樣頻率fp，采樣點序號i為采樣點數(shù)，i＝tsap*fp，符號表示向下取整數(shù)。

胎兒心電信號各個波形的線性轉(zhuǎn)換函數(shù)：

每批胎兒心電信號中均設(shè)立一個同樣時長的采樣窗口w，窗內(nèi)至少有一個胎兒心電信號單波，所述采樣窗口w的時長為m個采樣間隔，m為受限正整數(shù)，初始時，所述采樣窗口的左端點位于橫軸即時間軸的起始點，所述采樣窗口沿時間橫軸右移時的移動步長為m。

為所述采樣窗口w沿每批胎兒心電信號r波時間軸右移時各不同位置的采樣窗口ws內(nèi)各采樣點i所采到的胎兒心電信號幅值中的最大值的算術(shù)平均值，待求取，s＝1,2,…,s，s為窗口移動位置的序號，s為窗口移動的總次數(shù)。

為每批n內(nèi)對應(yīng)于各采樣點i的胎兒心電信號中r波幅值的最小值，待求取，

fmax、fmin為人耳聽力頻率的范圍，為設(shè)定值，fmax＝1000hz，fmin＝250hz。

表示每批n內(nèi)的采樣點i處的胎兒心電信號的幅值。

表示每批n內(nèi)的各采樣點i的虛擬頻率。

所述線性轉(zhuǎn)換函數(shù)表示采樣點i的虛擬頻率受限于以下兩個約束參數(shù)：

k1表示：每批n內(nèi)各采樣點i所采到的胎兒心電信號的幅值處于這個范圍內(nèi)，由的單位漂移值引起的胎兒心電聲音信號虛擬頻率的變化范圍。

k2表示：每批n內(nèi)各采樣點i所采到的胎兒心電信號的幅值在值附近漂移時其單位幅值的漂移值引起的胎兒心跳聲音信號虛擬頻率的改變，應(yīng)小于fmax值；

步驟(2.2)，計算機依次按以下步驟逐批把每批內(nèi)的各胎兒心電信號用線性轉(zhuǎn)換函數(shù)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)于采樣點數(shù)i按順序逐批輸出的胎兒的胎音：

步驟(2.2.1)，胎兒心電信號標準化，步驟如下：

步驟(2.2.1.1)，按下式計算每批n內(nèi)胎兒心電信號的均值和標準差

步驟(2.2.1.2)，按下式計算每批n內(nèi)標準化后的胎兒心電信號

的均值為0，方差為1。

步驟(2.2.2)，把步驟(2.2.1)得到的胎兒心電信號中小于均值的部分倒置。

步驟(2.2.3)，用截止頻率及階數(shù)均為設(shè)定值的巴特沃斯低通濾波器對步驟(2.2.2)的結(jié)果去除信號毛刺。

步驟(2.2.4)，把經(jīng)過步驟(2.2.1)～(2.2.3)各預處理操作的各批胎兒心電信號用所述線性轉(zhuǎn)換函數(shù)計算出各批胎兒心電信號中對應(yīng)于每個采樣點i的胎兒心電信號幅值的胎兒心跳聲音信號的虛擬頻率為每批n內(nèi)的采樣頻率，步驟如下:

步驟(2.2.4.1)，輸出各批胎兒心電信號中采樣點i所對應(yīng)的胎兒心電信號的幅值的最小值窗口w處于不同位置時不同窗口ws內(nèi)胎兒心電信號幅值最大值的平均值

步驟(2.2.4.2)，用所述線性轉(zhuǎn)換函數(shù)計算出各批胎兒心電信號中各采樣點i上的胎兒心電信號幅值所對應(yīng)的胎兒心跳聲音信號的虛擬頻率

步驟(2.2.5)，在經(jīng)過步驟(2.2.1)～(2.2.3)各預處理操作的各批胎兒心電信號中篩選出r波波形，代表了單個r波在一個采樣間隔內(nèi)高頻分量的上限約束值，胎兒心電信號中r波波形的個數(shù)為q個。

步驟(2.2.5.1)，找出包括r波波形在內(nèi)的每批內(nèi)所有的胎兒心電信號波形。

步驟(2.2.5.2)，找出r波波形的左右兩個端點，步驟如下：

步驟(2.2.5.2.1)，將胎兒心電信號中過零點的前一時刻的下降斜率的絕對值明顯小于后一時刻上升斜率的絕對值的點設(shè)為r波波形的左端點，將胎兒心電信號中過零點的前一時刻下降斜率的絕對值明顯大于后一時刻上升斜率的絕對值的點設(shè)為r波波形右端點，且兩端點的時間差大于等于20ms。

步驟(2.2.5.2.2)，順序篩選出各個r波波形。

步驟(2.2.6)，將步驟(2.2.5)中每批內(nèi)所篩選出的r波波形轉(zhuǎn)換為一系列斷續(xù)q個r波波形的電壓方波脈沖，其幅值為步驟(2.2.5)中所篩選出的各r波波形的幅值的積分值，每一個方波脈沖的寬度等于r波波形的時長。

步驟(2.2.7)，通過揚聲器，從每批第一個胎兒心電信號初始點開始，把步驟(2.2.6)得到的結(jié)果轉(zhuǎn)換為胎兒的胎音輸出。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明方法實時的將胎兒心電信號轉(zhuǎn)換為胎兒心跳聲音信號，利用胎兒心跳聲音信號驅(qū)動揚聲器，進而模擬胎兒胎音，本發(fā)明與超聲多普勒法相比，對采集位置的精確程度要求較低，受孕婦運動影響較小，且對于胎兒沒有超聲輻射的影響，經(jīng)過大量實驗仿真驗證，效果良好，且本發(fā)明能夠有效地發(fā)現(xiàn)由于胎兒心電信號單波時長不同且有部分重疊所引起的早搏。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)原理框圖。

圖2為本發(fā)明的主程序流程框圖。

圖3為本發(fā)明一個測試實例，圖3(a)由母體腹部采集得到的胎兒心電信號，圖3(b)為分離得到的胎兒心電信號。

圖4為胎兒心電信號轉(zhuǎn)換為胎兒心跳聲音信號的圖例解釋，圖4(a)為原圖中3-4秒的胎兒心電信號，圖4(b)為圖4(a)所對應(yīng)的胎兒心跳聲音信號。

圖5為虛擬頻率的轉(zhuǎn)換示意圖。

具體實施方式：

以下結(jié)合操作流程圖對本方法一種較為典型的具體實施方式進行詳細描述。

本方法樣例數(shù)據(jù)選擇自physionet生理信號數(shù)據(jù)庫中的一段時長為300秒的胎兒心電信號，該信號的采樣頻率為1000hz，采樣分辨率為16bit，共計包含627個胎兒心電信號r波。該樣例中取批處理時間長度tsap＝4秒，即仿真得到的仿真的胎兒心跳聲音信號較胎兒心電信號存在4秒的延時，因此需要將該信號分割為75批，每批為一個樣例。將每一批胎兒心電信號轉(zhuǎn)換為仿真的胎兒心跳聲音信號并輸出，共計轉(zhuǎn)換75次。以下部分以前4秒，即第一批為樣例，就其具體實施方式進行描述，該段信號如圖3(a)所示。

首先采用mauriziovaranini在2013年提出的算法對胎兒心電信號進行分離，(該算法的文章發(fā)表在computingincardiologyconference會議上，文章名稱為“一種多步驟的胎兒心電分離方法”，“amulti-stepapproachfornon-invasivefetalecganalysis”。是該會議上評分最高的開源算法)。得到胎兒心電信號，見圖3(b)。

轉(zhuǎn)換過程開始前，首先應(yīng)對胎兒心電信號進行預處理操作，第一步是計算信號的均值以及標準差通過公式對信號進行標準化。第二步為將經(jīng)過標準化的信號中小0的部分全部倒置。最后一步為使信號通過截止頻率為5hz的1階巴特沃斯低通濾波器，去除信號毛刺，預處理后信號如圖4(a)所示。

在s202步驟中，利用極小值的特點找出預處理后的胎兒心電信號中的所有的極小值，根據(jù)極小值兩端的斜率值篩選出滿足條件的r波波形左右端點，從而篩選出r波波形。

在s203步驟中，確定以及fmax和fmin的大小，本發(fā)明中取fmax＝1000hz，fmin＝250hz，為胎兒心電信號最小值，設(shè)定一長度為500ms的采樣窗口，并將該窗口以100ms的步長沿胎兒心電信號時間軸位移，取各采樣窗口內(nèi)的最大值的算數(shù)平均值為最后進行線性轉(zhuǎn)換函數(shù)的建立，線性轉(zhuǎn)換函數(shù)的表達式為：

k1,k2的計算公式為：

解二元二次方程可得本樣例中的線性轉(zhuǎn)換函數(shù)：并根據(jù)線性轉(zhuǎn)換函數(shù)計算各采樣點所對應(yīng)的虛擬頻率的值。

在s207步驟中，由胎兒心電信號每一個r波的起始點開始，輸出一系列斷續(xù)的頻率為虛擬頻率的r波波形電壓方波脈沖，其中方波脈沖的總時長為r波的時長，幅值為各個r波波形幅值的積分值。

在方波信號生成的過程中實時的對其進行輸出，驅(qū)動揚聲器模擬胎兒胎音，對全部75個樣例，進行如上轉(zhuǎn)換過程。

經(jīng)過對全部75個樣例的測試，該方法的靈敏度為99.04％，特異度為98.35％，效果良好。