一种基于时频变换的胎儿心电盲提取方法

摘要

本发明是一种基于时频变换的胎儿心电盲提取方法。它基于源信号的时域相对稀疏的特性。包括以下步骤：首先从母亲腹部不同位置提取多路母亲和胎儿混合心电信号，然后对采集到的混合信号进行预处理，预处理包括矫正信号的基线漂移、滤除50Hz工频干扰、滤除肌电等高频噪声干扰等。接着按照信噪比最大挑选出两路母亲和胎儿混合心电信号并分别用R波定位技术搜索两路混合信号的母亲和胎儿心电QRS波群位置，得到两路混合信号中的母亲和胎儿心电相对稀疏的时间段，最后利用模糊函数将得到的相对稀疏时间段变换到时频域中，对每个时频分布中的信号项和交叉项进行计算，利用广义瑞利商构造对照函数，最终从两路母亲胎儿混合心电信号中分离出胎儿心电信号。本发明已经在实际采集数据上进行了测试，能很好的分离出胎儿心电信号。

说明书

技术领域

本发明是一种基于时频变换的胎儿心电盲提取方法，属于基于时频变换的胎儿心电盲提取方法的改造技术。

背景技术

研究发现母亲怀孕期间最大的压力来源于所怀婴儿的健康状况。每一年大约有千分之八出生婴儿患有先天心脏缺陷。因此，围产期胎儿的监护显得非常必要，它直接关系到孕妇和胎儿的安全、新生儿的发育成长和远期的智力发育。随着社会对母婴健康和安全的要求日益提高，对胎儿发育的生理和病理研究成为一项重要课题。

目前，临床上用于获取母亲怀孕和分娩期间胎儿健康状况的一项常规的检查是胎儿心率的检测，这也是判断胎儿健康状况最重要的参数，不正常的胎儿心率或样式意味着胎儿缺氧或其它问题，有时则意味着胎儿危险，需要剖腹产。目前，获取胎儿心率的方法有多普勒超声检测和胎儿心磁波描记图（fetal magnetocardiogram，FMCG）。临床上常用的是多普勒超声检测，但其缺点是不能持续的测量，不确定性的加速或减速以及正常的突变都会被曲解为噪声，同时对胎儿造成辐射伤害。胎儿心磁波描记图通过检测心脏磁场的变化而探测心脏电生理的变化，以非常敏感的超导量子介入装置（Supercon-ducting Quantum Interference Device, SQUID）为探头，将SQUID探头放于孕妇腹部，可将胎儿的心磁与母亲强大的心磁分开，但其设备笨重，价格昂贵，多数医院不具备。与此同时，关于胎心率检测的信号处理方法也纷纷涌现，这些方法大都基于无侵入式的检测，即对腹部采集到的母亲胎儿混合心电信号进行处理，如匹配滤波法（matched filtering），即将胸部采集的母亲心电和腹部采集的放大的母亲胎儿混合心电进行相减，从而得到有噪声干扰的胎儿心电，从模糊的胎儿心电中判断胎儿心率；自适应滤波法，将母亲心电信号作为参考输入进行自适应滤波运算，最后将母亲心电信号抵消，从而提取胎儿心电信号，但这种方法效果不佳，只能算作胎心率检测的方法。

从生理学角度，心电波形蕴含的丰富的关于人体健康的信息，FECG可记录胎儿心脏每一心动周期活动发生的电位变化及其在心脏的传导过程，可多次检测和动态观察，清晰的胎儿心电波形不仅能检测胎儿心率，更包含有重要的临床信息，观察胎儿心电图（FECG）的一些特征，如心率、波形、和动态波动，能够非常方便的推测到胎儿的生长、发育，胎儿的成熟度和胎儿窘迫或先天性心脏疾病，能够协助医生在妊娠期间做出适当和紧迫的决定，降低了围产儿发病率与死亡率。目前，成人的心电的临床采集与波形研究已经相对比较成熟，但对于胎儿心电的研究才刚刚起步，原因是多方面的，首先胎儿心电的微弱，与母亲的心电幅度相比要低好几个数量级，同时在信号传导和采集过程中伴随着大量的噪声，胎儿的信号往往要淹没在这些噪声中，胎儿心电的信噪比（SNR）不高，其次，没有完整的关于胎儿心电波形临床意义的研究，再者，缺少胎儿心电波形的研究数据库。

目前，获取胎儿心电信号的方法主要有侵入式和无侵入式心电信号采集法，侵入式，即头皮电极法，有创伤且只能又在羊膜破裂之后，操作不便。无侵入的方法，在母亲腹部采集到心电心电信号，经过消噪，算法分离后提取出胎儿心电信号，对母亲和胎儿都无伤害，但由于母亲和胎儿心电信号的特点，无法用简单的方法提取出清晰的胎儿心电波形，因此，选择一种合适、健壮的算法成为决定胎儿心电图质量的关键。

盲信号处理，即独立分量分析（ICA）是更好的信号处理方法，可用来消除母亲心电波形，并且减少肌电、运动和电源的干扰，增强胎儿心电的QRS波群。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种稳健、高效、简单的基于时频变换的胎儿心电盲提取方法。本发明能有效的提取出胎儿心电供临床检测。

本发明的技术方案是：本发明的基于时频变换的胎儿心电盲提取方法，包括有如下步骤：

1）在母亲腹部体表多处不同位置放置电极，采集得到母亲和胎儿心电相互混合的母亲胎儿混合心电信号；

2）对采集到的多路母亲胎儿混合心电信号进行预处理，预处理包括矫正基线漂移，滤除肌电等高频信号干扰，滤除50Hz工频干扰；

3）对经过预处理的母亲胎儿混合心电信号按信噪比进行挑选，挑选出两路信号，两路混合心电信号中分别对母亲心电和胎儿心电进行定位，并搜索信号中相对稀疏的时间段；

4）利用模糊函数将相对稀疏时间段信号从时域转换到时频域，对信号项和交叉项进行数学运算得到分离向量从而将胎儿心电信号从混合信号中提取出来。

上述步骤2）中，基线漂移校正方法采用8阶Butterworth型IIR数字高通滤波，滤波器的截止频率为0.03Hz；50Hz工频干扰是采用梳状数字陷波器去除；高频肌电信号是采用4阶Butterworth型IIR数字低通滤波器，滤波器的截止频率为250Hz。

上述步骤3）具体包括如下步骤：

31）预处理后的母亲胎儿混合心电信号中，以母亲心电为信号，其它信号为噪声，挑选一路信噪比最大的母亲胎儿混合心电信号；

32）利用成人心电R波定位技术，搜索得到母亲心电信号QRS波群位置；

33）从预处理后的母亲胎儿混合心电信号中，以胎儿心电为信号，其它信号为噪声，挑选一路信噪比最大的母亲胎儿混合心电信号；

34）利用胎儿心电R波定位技术，搜索得到胎儿心电信号的QRS波群的位置；

35）将母亲和胎儿的QRS波群在同一时间轴上展开，有重叠的波群抛弃，没有重叠且相邻的母亲胎儿QRS波群为母亲和胎儿心电相对稀疏的时间段。挑选的两路混合信号中的母亲和胎儿相对稀疏时间段用向量                                                表示，其中的母亲心电相对稀疏时间段用向量表示，胎儿心电相对稀疏时间段用向量表示。

上述步骤4）具体包括如下步骤：

41）将步骤3）中得到的向量，其中和分别表示挑选的两路母亲胎儿混合心电信号中各自的母亲和胎儿心电相对稀疏时间段，利用模糊函数将变换到时频面中，从而得到四个时频分布，表示模糊函数分布（当）或互模糊函数分布（当），，表示在每一个时频分布中都含有信号项（当）和交叉项（当），信号项位于坐标原点，交叉项关于原点横向对称。分别计算得到四个时频分布中的左边交叉项的中的最大实数，按式（5）中的顺序排列这四个实数得到矩阵；

42）步骤3）中得到的向量，其中和分别表示挑选的两路混合信号中各自的母亲心电相对稀疏时间段，和上步中的方法一样，利用模糊函数将变换到时频面上，计算得到每一个时频面中位于坐标原点的信号项中的最大实数，按式（5）中的顺序排列这四个实数得到矩阵，同理，也可得到胎儿心电相对稀疏向量变换到时频域中计算得到的矩阵；

43）构造对照函数或，是分离矩阵的一个列向量，用来提取胎儿心电信号。挑选的两路信号用向量表示，则即为分离得到的胎儿心电信号。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明基于源信号时域相对稀疏性，解决了母亲心电和胎儿心电信号在时域和频域相互重叠难以分离的问题。

2、将信号变换到时频域的方法抗噪能力强，可高效准确的提取出胎儿心电信号用于医疗诊断。

3、本发明方法不需要估计源信号的高阶统计特性，具有计算简单的优点。

本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的基于时频变换的胎儿心电盲提取方法。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是本发明方法中搜索母亲和胎儿混合心电信号中相对稀疏时间段的流程图；

图3是本发明方法中基于时频分析的盲提取算法流程图；

图4和图5是本发明方法母亲心电和胎儿心电定位的效果图；

图6是本发明方法对母亲胎儿混合心电信号运行本算法分离出来的胎儿心电信号。

具体实施方式

实施例：

盲分离的技术是用科恩类(Cohen class)时频分布函数将信号转换的到时频域，从而信号的特征在时频面上进行表征。但是二次的时频变换会在时频面上产生及交叉项，从而影响对几个空间时频分布矩阵的联合对角化，因此，要事先用内核函数消除交叉项的干扰，但是，在用时频域变换的盲信号分离母亲胎儿信号的应用中，基于母亲胎儿信号稀疏性的特征，交叉项可以看做对比函数来帮助信号的分离，算法简单快速。

假设母亲胎儿混合心电满足盲分离无噪线性瞬时混叠模型：，观测向量，是母亲和胎儿心电信号向量，是一个2×2列满秩的混合矩阵。

盲分离的目标是找到一个解混矩阵，可以看做是混合矩阵的虚拟反矩阵，使满足

                                （1）

则源信号通过矩阵得以恢复，是源信号的估计。假设母亲和胎儿的心电信号统计不相关，有

       （2）

上式中，，联合我们可以得到

  （3）

对做关于的傅里叶变换，就得到了观测信号的模糊函数频谱(spatial ambiguity function spectrum,SAFS)，

   （4）

称为模糊函数分布（spatial ambiguity function distribution，SAFD），由于观测信号的有限性，可以看做是的估计，可以表示为

                  （5）

其中，

   （6）

称为和的互模糊函数分布，当时则为的模糊函数分布。

模糊函数是一种常用的时频变换，他将信号的瞬时相关函数变换到时延-频偏平面，表示相关，为相关域表示。对于两个复谐波叠加的信号，其模糊函数具有以下特点：模糊函数的两个信号项在一起，以原点（0,0）为中心，而两个交叉项则分开并关于原点对称。

本发明基于时频变换的胎儿心电盲提取方法，包括有如下步骤：

1）在母亲腹部体表多处不同位置放置电极，采集得到母亲和胎儿心电相互混合的母亲胎儿混合心电信号；

2）对采集到的多路母亲胎儿混合心电信号进行预处理，预处理包括矫正基线漂移，滤除肌电等高频信号干扰，滤除50Hz工频干扰；

3）对经过预处理的母亲胎儿混合心电信号按信噪比进行挑选，挑选出两路信号，两路混合心电信号中分别对母亲心电和胎儿心电进行定位，并搜索信号中相对稀疏的时间段；

4）利用模糊函数将相对稀疏时间段信号从时域转换到时频域，对信号项和交叉项进行数学运算得到分离向量从而将胎儿心电信号从混合信号中提取出来。

本实施例中，上述步骤2）中，基线漂移校正方法采用8阶Butterworth型IIR数字高通滤波，滤波器的截止频率为0.03Hz；50Hz工频干扰是采用梳状数字陷波器去除；高频肌电信号是采用4阶Butterworth型IIR数字低通滤波器，滤波器的截止频率为250Hz。

本实施例中，上述步骤3）具体包括如下步骤：

31）从预处理后的母亲胎儿混合心电信号中，以母亲心电为信号，其它信号为噪声，挑选一路信噪比最大的母亲胎儿混合心电信号；

32）利用成人心电R波定位技术，搜索得到母亲心电信号QRS波群位置；

33）从预处理后的母亲胎儿混合心电信号中，以胎儿心电为信号，其它信号为噪声，挑选一路信噪比最大的母亲胎儿混合心电信号；

34） 利用胎儿心电R波定位技术，搜索得到胎儿心电信号的QRS波群的位置；

35）将母亲和胎儿的QRS波群在同一时间轴上展开，有重叠的波群抛弃，没有重叠且相邻的母亲胎儿QRS波群为母亲和胎儿心电相对稀疏的时间段。挑选的两路混合信号中的母亲和胎儿相对稀疏时间段用向量表示，其中的母亲心电相对稀疏时间段用向量表示，胎儿心电相对稀疏时间段用向量表示。

本实施例中，上述步骤4）具体包括如下步骤：

41）将步骤3）中得到的向量，其中和分别表示挑选的两路母亲胎儿混合心电信号中各自的母亲和胎儿心电相对稀疏时间段，利用模糊函数将变换到时频面中，从而得到四个时频分布，表示模糊函数分布（当）或互模糊函数分布（当），，表示在每一个时频分布中都含有信号项（当）和交叉项（当），信号项位于坐标原点，交叉项关于原点横向对称。分别计算得到四个时频分布中的左边交叉项的中的最大实数，按式（5）中的顺序排列这四个实数得到矩阵；

42）将步骤3）中得到的向量，其中和分别表示挑选的两路混合信号中各自的母亲心电相对稀疏时间段，和上步中的方法一样，利用模糊函数将变换到时频面上，计算得到每一个时频面中位于坐标原点的信号项中的最大实数，按式（5）中的顺序排列这四个实数得到矩阵，同理，也可得到胎儿心电相对稀疏向量变换到时频域中计算得到的矩阵；

43）构造对照函数或，是分离矩阵的一个列向量，用来提取胎儿心电信号。挑选的两路信号用向量表示，则即为分离得到的胎儿心电信号。