一种基于非负盲分离胎儿心电特征信号提取方法

摘要

本发明提出了一种基于非负盲分离的胎儿心电特征信号提取方法，包括以下步骤：1）在母体腹部采集一路母亲和胎儿心电混合的观测信号；2）利用模板匹配法消除母亲心电信号，得到纯净的胎儿心电信号；3）提取多个胎儿心电信号；4）将每一个胎儿心电信号变换到非负时频域，并把其拼成一个矩阵；5）利用非负矩阵分解对合成矩阵进行盲分离，从而分离出胎儿心电的R波特征信号。本发明的方法克服了以往的胎儿心电信号处理中往往只进行胎儿心电提取或心率检测等宏观处理的缺点，对每一个胎儿心电信号的特征信号进行提取，更有利于医护人员对胎儿心电信号的每一个特征变化进行临床的监护和研究。

说明书

技术领域

本发明是一种基于非负盲分离胎儿心电特征信号提取方法，属于医疗 器械领域。

背景技术

随着科学技术的进步和人民生活水平的提高，在当今临床医疗领 域，对母体中的胎儿状况进行有效监测的需求越来越旺盛。随之而 来的是各种胎儿监护方法的出现。其中胎儿心电图是一种重要的胎儿 监护手段，是指从母体腹部表面通过电极进行胎儿心电采集的一种技 术，该技术由于其无创性和安全性，现已得到了广泛的应用，是一种 检测胎儿在子宫内健康状况的重要方法，能够反映胎儿心脏的全貌。 健康的胎儿随子宫内环境的不同时刻发生着微妙的变化，而且胎儿心 率的变化是循环系统和中枢神经系统机能调节的表现，因此在围产期 对胎儿进行胎心率检测可以了解胎儿在子宫内的重要监护指标。

但是，在胎儿心电信号检测的实际应用中，从母亲腹部表面采集 的心电信号是混叠有母亲心电信号、胎儿心电信号、肌电信号(EMG)、 体表子宫电信号(EHG)以及各种噪声。在时域上这些信号混叠在一 起，特别是母亲心电信号，由于幅度比较大，对胎儿心电信号的观察 造成很大影响。这样从混叠的源信号中提取出胎儿心电信号显得非常 重要。

而现有胎儿心电信号处理一般只是从母体腹壁信号中提取胎儿心 电信号，如使用相干平均、自相关和互相关、自适应滤波、基于奇异 值分解和主分量分析等方法来对胎儿心电信号进行分离。但是，这些 方法往往对胎儿心电进行提取后，只进行了心率提取等宏观上的分析 研究，而忽略了每一个胎儿心电的信号特征。这些特征信号往往包含 了重要的临床医疗信息，能够给予医护人员对围产期胎儿的监护带来 极大的帮助。

非负矩阵分解(NonnegativeMatrixFactorization，NMF)是近 十年来随着盲信号分离技术的发展而出现的一种新的信号处理技术。 由于它的算法简单，计算量小，适用范围广，已逐渐成为信号处理领 域的热点之一。非负矩阵分解理论是从“对整体的感知是由组成整体 的部分感知构成”这一观点出发而构建的，把问题转换到微观的角度 进行分析。现非负盲分离常用于图像识别的研究当中，如通过人脸的 一些不同的特征来的检测来达到识别的目的，当其应用于胎儿心电信 号时，在提取特征信号时也有着非常显著的效果。本发明提出了一种 基于非负盲分离胎儿心电特征信号提取方法。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于非负盲分离胎儿心电特征信号提 取方法。本发明中的胎儿心电特征信号提取方法是基于非负盲分离 法，该方法在提取胎儿心电特征信号中有着非常显著的效果，实现简 单，运算速度快，准确性较高，使人们对胎儿心电信号有更进一步 的认识。

本发明通过下述技术方案实现：

本发明基于非负盲分离的胎儿心电特征信号提取方法，包括以下 步骤：

1)在母体腹部采集一路母亲和胎儿心电混合的观测信号；

2)利用模板匹配法消除母亲心电信号，得到纯净的胎儿心电信号；

3)提取多个胎儿心电信号；

4)将每一个胎儿心电信号变换到非负时频域，并把其拼成一个矩 阵；

5)利用非负矩阵分解对合成矩阵进行盲分离，从而分离出胎儿心 电的R波特征信号。

上述步骤3)包括如下步骤：

31)在步骤2)所得到的纯净胎儿心电信号的基础上，利用基于 阈值的方法识别出胎儿心电的R波位置；

32)截取多个胎儿心电信号。

上述步骤4)包括如下步骤：

41)将步骤32)所截取到的多个胎儿心电信号分别变换到时频域， 得到多个Hilbert-Huang谱；

42)将步骤41)所得到的Hilbert-Huang谱分别与其共轭复数相 乘，得到非负Hilbert-Huang谱；

43)将步骤42)得到的多个非负Hilbert-Huang谱拼成一个矩阵。

上述步骤5)包括如下步骤：

51)利用非负矩阵分解的方法对步骤43)中所得到的合成矩阵进 行盲分离，从而分离出非负时频特征信号；

52)从步骤51)中所得到的非负时频特征信号中提取出特征分量， 则该分量为胎儿心电的R波特征信号。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和效果：

本发明在提取了胎儿心电信号后，进一步提取胎儿心电的特征信 号，这些特征信号往往包含了重要的临床医疗信息，使研究人员对胎 儿心电信号有了更深入的认识，同时也能够给予医护人员对围产期胎 儿的监护带来极大的帮助。此外，本发明利用模板匹配的方法消除母 亲心电信号，得到纯净的胎儿心电信号，实现简单，运算速度快，准 确性较高，有利于在工程上的实现；另外，本发明将信号变换到非负 时频域，使非负矩阵分解的方法可以应用于心电信号上，突破了胎儿 心电信号有正有负的限制；同时，本发明利用非负矩阵分解的方法来 对胎儿心电特征信号进行盲分离处理，能够快速有效的提取出胎儿心 电的R波特征信号。

附图说明

图1是本发明的方法流程示意图；

图2是源信号的示意图；

图3是本发明中所提取的纯净的胎儿心电信号示意图；

图4是本发明的第一个胎儿心电信号的示意图；

图5是本发明的第二个胎儿心电信号的示意图；

图6本发明截取的第一个胎儿心电信号的非负Hilbert-Huang谱；

图7本发明截取的第二个胎儿心电信号的非负Hilbert-Huang谱；

图8是本发明中经过非负矩阵分解后所得到的混合矩阵；

图9是本发明中经过非负矩阵分解后所得到的胎儿心电特征信 号；

图10是本发明中从胎儿心电特征信号中提取出的胎儿心电R波特 征分量。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明 的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术 进行。

实施例

如图1所示，本发明基于非负盲分离的胎儿心电特征信号提取方 法，包括以下步骤：

1)在母体腹部采集一路母亲和胎儿心电混合的观测信号，如图2 所示；

2)利用模板匹配法消除母亲心电信号，得到纯净的胎儿心电信号；

3)提取多个胎儿心电信号；

4)将每一个胎儿心电信号变换到非负时频域，并把其拼成一个矩 阵；

5)利用非负矩阵分解对合成矩阵进行盲分离，从而分离出胎儿心 电特征信号，所分离出来的特征信号应为胎儿心电信号中的R波特征 信号；

上述步骤2)具体包括如下步骤：

21)利用基于阈值的方法识别出母亲心电的R波位置；

22)利用步骤21)所得到的母亲心电R波位置采用算数平均法提 取出母亲心电模板信号；

23)根据步骤21)所得到的母亲心电R波位置和步骤22)中所得 到的母亲心电模板信号用相减法在相应的母亲QRS波的位置中减去 母亲模板心电信号，从而得到纯净的胎儿心电信号，如图3所示；

步骤22)中采用算数平均法提取出母亲心电模板信号，其定义如 下：

$template=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}$

其中template为母亲心电模板信号，m(1)，m(2)，m(3)，…，m(n) 为母亲心电的QRS波信号。

上述步骤3)具体包括如下步骤：

31)在步骤2)所得到的纯净胎儿心电信号的基础上，利用基于 阈值的方法识别出胎儿心电的R波位置；

32)截取多个胎儿心电信号，如图4、5所示，本实施例截取了两 个胎儿心电信号；

上述步骤4)具体包括如下步骤：

41)将步骤32)所截取到的多个胎儿心电信号分别变换到时频域， 得到多个Hilbert-Huang谱；

42)将步骤41)所得到的多个Hilbert-Huang谱分别与其共轭复 数相乘，得到非负Hilbert-Huang谱，如图6为截取的第一个胎儿心 电的非负Hilbert-Huang谱，图7为截取的第二个胎儿心电的非负 Hilbert-Huang谱；

43)将步骤42)得到的多个Hilbert-Huang谱拼成一个矩阵；

步骤4)中所得到的合成矩阵，其定义如下：

其中X为合成矩阵，X₁，X₂，X₃，…，X_n为n个胎儿心电信号的 非负Hilbert-Huang谱。

上述步骤5)具体包括如下步骤：

51)利用非负矩阵分解的方法对步骤43)中所得到的合成矩阵进 行盲分离，从而分离出时频特征信号；

52)从步骤51)中所得到的非负时频特征信号中提取出特征分量， 则该分量为胎儿心电的特征信号；

步骤51)中，所利用的非负矩阵分解进行盲分离的定义如下：

$H_{rn}=H_{rn}·\frac{{\left[W^{T}X\right]}_{rn}}{{\left[W^{T}WH\right]}_{rn}}$

$W_{mr}=W_{mr}·\frac{{\left[{\mathrm{XH}}^T\right]}_{mr}}{{\left[{\mathrm{WHH}}^T\right]}_{mr}}$

其中，X为多个胎儿心电非负Hilbert-Huang谱拼成的合成矩阵， 经过非负矩阵分解进行盲分离后，得到混合矩阵W和胎儿心电的时频 特征信号H；

如图8所示，为分离得到的混合矩阵W；

如图9所示，为分离得到的胎儿心电的时频特征信号H；

步骤52)中在分离出的时频特征信号H中提取一个行向量，那么 该行向量则为胎儿心电的特征信号，此特征信号应为胎儿心电信号中 的R波特征信号。如图10所示。

如上所述便可较好地实现本发明。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不 受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下 所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都 包含在本发明的保护范围之内。