多普勒胎儿心率提取中的小波降噪和时频分析研究

摘要

对胎儿监护的主要方法是检测胎儿心率，而超声多普勒测量胎儿心率是一种很好的无创方法。但是，由多普勒胎儿监护仪测量得到的原始信号包含有母体运动，胎儿呼吸等干扰信号，从而使得胎心率的提取很困难。本文主要工作是对多普勒胎心率提取算法的改进研究，由于多普勒胎心信号是噪声干扰较严重的非平稳窄带信号，本文将小波消噪和时频分析相结合的方法引入到多普勒胎心信号处理中。本文首先通过讨论Haar小波、dmey小波等六种不同小波基对白噪声信号和仿真多普勒信号的分解后的统计特性，仿真胎心信号的强制消噪、混合型阈值heursure)消噪等五种小波阈值滤波的误差结果，建立了多普勒胎心信号在小波降噪处理中关于小波基函数选择和阈值滤波方法选择的标准。研究表明以dmey小波基和混合型阈值(heursure)消噪对多普勒胎心信号进行小波降噪是合适的。采用dmey小波为小波基，heursure阈值滤波方法对两组实际多普勒胎心信号样本进行了小波消噪实验，取得了较明显的降噪效果(降噪后信号的信噪比均提高20db以上)。其次本文研究分析了短时傅里叶变换(STFT)，Wigner-Vill时频分布(WVD)，平滑伪Wigner-Vill时频分布(SPWD)和连续小波分析(CWT)四种时频分析方法的各自优缺点，讨论了这四种时频分析方法对单分量信号和多分量信号的时频分析精度，研究表明平滑伪Wigner-Vill时频分布对复杂多分量信号的时频分析精度最理想，较适宜对胎心信号进行时频分析。以平滑伪Wigner-Vill时频分析方法对胎心信号样本进行了时频分析实验，得到了较平滑且信噪比高的时频分布曲线，从而可以很简单准确地计算胎心率。再次本文利用数字式胎心仪，数据采集卡，PC机实现了胎心监护系统，实验讨论了传统信号处理方法与本文提出的信号处理方法得出的结果。实验结果表明：传统算法处理得到的包络相关曲线虽然用人眼能大致看出其变化规律，能识别信号的峰值点，但在计算处理时，由于峰点处扰动很大，很难准确地计算出胎儿的心率；而时频分布曲线更平滑，抗干扰能力更强，从而大大提高了胎心率判别的可靠性和精度。本文对一个33周的正常胎儿心率进行了监护实验，得到了比传统方法更稳定合理的实验结果，证明了本文算法的可行性。最后，对本文的工作进行了总结，提出了文中的不足及工作展望。关键词：胎儿心率，超声多普勒胎心信号，小波降噪，时频分析

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章引言

1.1概述

1.2胎儿监护方法的发展历史

1.3超声多普勒效应测量胎心率原理

1.3.1多普勒回波信号的数学模型

1.4多普勒胎心信号的特点

1.5多普勒胎心信号处理的研究现状

1.6本文的主要工作

第2章胎心音信号的小波降噪研究

2.1小波降噪的基本理论

2.1.1连续小波变换

2.1.2离散小波变换

2.1.3多分辨率分析

2.1.4 Mallat算法的信号分解与重建

2.1.5小波降噪的基本原理

2.2胎心信号的小波降噪研究

2.2.1多普勒胎心信号的仿真

2.2.2小波分解仿真实验与小波基的选择

2.2.3仿真多普勒胎心信号的小波消噪实验

2.2.4实际胎心信号的小波降噪实验

2.3本章小结

第3章胎心音信号的时频分析研究

3.1非平稳信号处理的独特性

3.2希尔伯特变换(Hilbert Transform)与瞬时频率

3.3时频分析的改进研究

3.3.1短时傅里叶变换(Short-Time Fourier Transform)

3.3.2 Wigner-Ville分布(WVD)及其改进

3.3.3连续小波分析(CWT)

3.3.4瞬时平均频率的定义

3.4胎心信号的时频分析研究

3.4.1基本信号的时频分析实验

3.4.2仿真多普勒胎心信号的时频分析实验

3.4.3实际胎心信号的时频分析实验

3.5本章小结

第4章胎心率的计算及系统实现

4.1胎心率计算方法

4.1.1正向峰值点的判断

4.1.2心跳周期及频率的计算

4.2胎心监护系统的实现及实验结果

4.2.1胎心监护系统的实现

4.2.2实验结果与讨论

4.3本章小结

第5章总结与展望

5.1本文工作总结

5.2本文的不足及工作展望

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果