一种基于多维度信息融合的宫缩监测方法和系统

摘要

本发明公开了一种基于多维度信息融合的宫缩监测方法和系统，一方面利用六轴传感器分析宫缩过程中孕妇腹部的运动状态，绘制宫缩运动曲线，可以避免因孕妇动作发生的重力加速度干扰和不同姿态对于子宫肌电信号特征提取的干扰，在动态环境下同样可检测到宫缩运动，增加了监测宫缩的维度，有效拓展了使用场景，另一方面对混合生物电信号先进行MECG信号分离，然后再进行EHG特征信号段标记，提取出EHG信号，可有效抑制MECG信号的干扰和传感器的运动伪迹带来的干扰，解决了现有的宫缩运动监测方法难以做到抑制子宫肌电信号的噪声干扰和在静态环境和动态环境下均可有效监测宫缩运动的技术问题。

说明书

技术领域

本发明涉及宫缩监测技术领域，尤其涉及一种基于多维度信息融合的宫缩监测方法和系统。

背景技术

宫缩即子宫有规律地收缩，是临床上孕妇产检的一项重要监测指标。通过放置在孕妇腹部的电极可采集到孕妇宫缩过程中的子宫肌电信号(electrohysterogram，EHG)，但是该信号会受到孕妇心电信号(Maternal Eletrocardiogram，MECG)、传感器运动伪迹等噪声干扰的影响，在动态监测过程中，同时会受到孕妇动作产生的肌电信号的干扰，难以有效对宫缩运动进行监测。

现有的宫缩监测方法是使用三轴加速度传感器配合RMS算法进行监测。RMS算法是目前最常用的提取子宫肌电信号的方法之一，其原理是通过计算子宫肌电的标准差来反映整个EHG信号爆发段和非爆发段信号的能量变化趋势。该方法虽然能够得到较为平滑的EHG波形，有助于宫缩波的识别，但是容易受到传感器运动伪迹的干扰，从而影响宫缩运动的监测效果，且三轴加速度传感器无法在动态情况下得到体位信号信息，难以解决受到孕妇动作产生的肌电信号的干扰的问题。

在当前的宫缩运动监测技术中，如何抑制子宫肌电信号的噪声干扰和在静态环境和动态环境下均可有效监测宫缩运动，仍是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供了一基于多维度信息融合的宫缩监测方法和系统，用于解决现有的宫缩运动监测方法难以做到抑制子宫肌电信号的噪声干扰和在静态环境和动态环境下均可有效监测宫缩运动的技术问题。

有鉴于此，本发明第一方面提供了一种基于多维度信息融合的宫缩监测方法，包括：

将通过六轴传感器获得的孕妇腹部的三轴加速度信号和三轴角速度信号进行信息融合，得到三轴线性加速度信号；

对三轴线性加速度信号的宫缩特征段进行标记，确定宫缩时间点集合；

根据三轴线性加速度信号和宫缩时间点集合构造宫缩运动曲线；

对获取到的孕妇腹部的混合生物电信号进行MECG信号分离，得到中间态信号；

对中间态信号进行EHG特征信号段标记，并根据标记的EHG特征信号段绘制EHG曲线；

将宫缩运动曲线和EHG曲线进行曲线拟合，生成目标宫缩曲线。

可选地，目标宫缩曲线为：

其中，C

可选地，对三轴线性加速度信号的宫缩特征段进行标记，确定宫缩时间点，包括：

对三轴线性加速度信号中满足预置约束条件的信号段标记为宫缩特征段；

其中，预置约束条件为：

其中，t∈T，T为满足

获取宫缩特征段对应的宫缩时间点集合。

可选地，宫缩运动曲线为：

其中，C

可选地，最小宫缩速度为0.1m/s，宫缩时静止状态下腹部表面皮肤相对于躯干位移变化的最大值为0.04m，最短宫缩时间为20s，最长宫缩时间为180s。

可选地，对获取到的孕妇腹部的混合生物电信号进行MECG信号分离，得到中间态信号，包括：

获取孕妇腹部的混合生物电信号S；

采用Pan&Tompkins算法检测混合生物电信号S中的MECG的R波位点；

标记R波位点和对应的信号强度，生成单个的QRS波形；

将混合生物电信号S与生成的单个的QRS波形在整个时间段上线性相减，得到中间态信号S

可选地，标记R波位点和对应的信号强度，生成单个的QRS波形，包括：

标记R波位点；

以R波位点为中心分别向左偏移预置数量个采样点和向右偏移预置数量个采样点确定QRS波采样点，根据QRS波采样点和QRS波采样点对应的信号强度构建QRS矩阵；

对QRS矩阵进行奇异值分解，得到QRS波模板矩阵；

提取QRS波模板矩阵的列向量，得到单个的QRS波形。

可选地，对中间态信号进行EHG特征信号段标记，并根据标记的EHG特征信号段绘制EHG曲线，包括：

使用预置长度的汉宁窗口对中间态信号S

从复数信号矩阵中取出EHG特征频率处的元素合集C

将EHG特征频率处的元素合集C

对特征频率矩阵W中的每一行的元素求和，得到表征EHG信号强度的列向量V，

取列向量V中元素大于0且连续时间大于t

绘制EHG曲线，EHG曲线为：

其中，i的取值为[1,n]。

可选地，EHG特征频率取2个或3个或4个或5个。

本发明第二方面提供了一种基于多维度信息融合的宫缩监测系统，包括：

线性加速度获取模块，用于将通过六轴传感器获得的孕妇腹部的三轴加速度信号和三轴角速度信号进行信息融合，得到三轴线性加速度信号；

宫缩特征标记模块，用于对三轴线性加速度信号的宫缩特征段进行标记，确定宫缩时间点集合；

宫缩运动曲线模块，用于根据三轴线性加速度信号和宫缩时间点集合构造宫缩运动曲线；

MECG信号分离模块，用于对获取到的孕妇腹部的混合生物电信号进行MECG信号分离，得到中间态信号；

EHG曲线模块，用于对中间态信号进行EHG特征信号段标记，并根据标记的EHG特征信号段绘制EHG曲线；

宫缩曲线模块，用于将宫缩运动曲线和EHG曲线进行曲线拟合，生成目标宫缩曲线。从以上技术方案可以看出，本发明提供的基于多维度信息融合的宫缩监测方法和系统具有以下优点：

本发明提供的基于多维度信息融合的宫缩监测方法和系统，一方面利用六轴传感器分析宫缩过程中孕妇腹部的运动状态，绘制宫缩运动曲线，可以避免因孕妇动作发生的重力加速度干扰和不同姿态对于子宫肌电信号特征提取的干扰，在动态环境下同样可检测到宫缩运动，增加了监测宫缩的维度，有效拓展了使用场景，另一方面对混合生物电信号先进行MECG信号分离，然后再进行EHG特征信号段标记，提取出EHG信号，可有效抑制MECG信号的干扰和传感器的运动伪迹带来的干扰，解决了现有的宫缩运动监测方法难以做到抑制子宫肌电信号的噪声干扰和在静态环境和动态环境下均可有效监测宫缩运动的技术问题。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明中提供的一种基于多维度信息融合的宫缩监测方法的流程示意图；

图2为本发明中提供的一种基于多维度信息融合的宫缩监测系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了便于理解，请参阅图1，本发明中提供了一种基于多维度信息融合的宫缩监测方法的实施例，包括：

步骤101、将通过六轴传感器获得的孕妇腹部的三轴加速度信号和三轴角速度信号进行信息融合，得到三轴线性加速度信号。

需要说明的是，本申请实施例中，六轴传感器包括加速度传感器和陀螺仪传感器，通过加速度传感器获得三轴加速度信号，通过陀螺仪传感器获得三轴角速度信号。将三轴加速度信号和三轴角速度信号融合后得到欧拉角数据为

步骤102、对三轴线性加速度信号的宫缩特征段进行标记，确定宫缩时间点集合。

需要说明的是，宫缩在皮肤表面的主要特征为：(1)宫缩的速度小于最小宫缩速度；(2)孕妇静止状态下腹部皮肤表面相对于躯干的位移大于0小于宫缩时静止状态下腹部表面皮肤相对于躯干位移变化的最大值；(3)单次宫缩的时长大于最短宫缩时间小于最长宫缩时间。满足以上三个条件的运动表现为宫缩强度，标记为宫缩特征段。

转换为数学表达形式则为：

其中，t∈T，T为满足

本发明实施例中最小宫缩速度优选0.1m/s，宫缩时静止状态下腹部表面皮肤相对于躯干位移变化的最大值优选0.04m，最短宫缩时间优选20s，最长宫缩时间优选180s。在算法上，三轴线性加速度表示为：

其中，x、y、z分别表示x轴、y轴、z轴方向的线性加速度。

以上三个条件可以转换为：

(1)宫缩强度

(2)宫缩强度

(3)宫缩强度

具体的信号处理流程可以描述为：

存在一个集合T，t∈T，其中，t为时间，并且使得

则有T＝{t

存在一个集合T

那么，集合T

步骤103、根据三轴线性加速度信号和宫缩时间点集合构造宫缩运动曲线。需要说明的是，宫缩运动曲线C

步骤104、对获取到的孕妇腹部的混合生物电信号进行MECG信号分离，得到中间态信号。

需要说明的是，通过采集电极取得孕妇腹部的混合生物电信号S，从混合生物电信号S中将MECG信号S

具体地，采用Pan&Tompkins算法检测混合生物电信号S中的MECG的R波位点，标记R波位点和对应的信号强度，生成单个的QRS波形，将混合生物电信号S与生成的单个的QRS波形在整个时间段上线性相减，得到中间态信号S

(1)标记R波。使用模数转换器对混合生物电信号S采样，生成离散时间序列信号，记作：

其中，n为采样点总数，采样频率为f

使用Pan&Tompkins生成向量：

其中，K为混合生物电信号S中R波的个数，t

设α为QRS波以R波为中心的左边偏移采样点，β为QRS波以R波为中心的右边偏移采样点，矩阵I

(2)生成QRS矩阵。根据向量T

使元素a满足a

其中，元素a∈S，A

α和β分别取经验值：α＝0.25f

(3)构造QRS波模板矩阵。由A

可以求得：

矩阵A

矩阵A

(4)将信号S与向量S

若信号采集含有多个通道，那么可以使用同一个T

步骤105、对中间态信号进行EHG特征信号段标记，并根据标记的EHG特征信号段绘制EHG曲线。

需要说明的是，去除了孕妇心电MECG的电信号S

具体地，本实施例使用短时傅里叶变换，取出频率特征点大于阈值的信号段，标记为EHG特征信号段。信号处理流程为：

使用预置长度N的汉宁窗口对中间态信号S

复数信号矩阵记作C：

频率列向量记作F：

其中，频率列向量F为复数信号C对应的频率向量，E为频率个数，满足奈奎斯特定理，n为采用点总数。

从频率列向量中取出预置数量个(优选2个或3个或4个或5个)频率特征点大于频率特征阈值的信号段，记作：

设置频率特征阈值：

得到频率特征阈值矩阵：

找到矩阵C中对应频率特征向量F

将EHG特征信号段的频率特征数值与频率特征阈值相减，得到特征频率矩阵W：

对特征频率矩阵W中的每一行的元素求和，得到表征EHG信号强度的列向量V：

其中，V中元素大于零的下标中满足连续个数大于20f

使用列向量V绘制EHG曲线，在未标记的区域置零。得到EHG曲线为：

其中，i的取值为[1,n]。

需要说明的是，本申请实施例中，步骤101-步骤103可以与步骤104-步骤105同时进行，步骤101-步骤103和步骤104-步骤105之间不存在执行时间先后顺序关系，即可以在执行步骤101-步骤103时同时执行步骤104-步骤105，也可以先执行步骤101-步骤103后执行步骤104-步骤105。

步骤106、将宫缩运动曲线和EHG曲线进行曲线拟合，生成目标宫缩曲线。

需要说明的是，在经过步骤103得到宫缩运动曲线和步骤105得到EHG曲线后，使用线性叠加的方式，将宫缩运动曲线和EHG曲线进行曲线拟合，生成目标宫缩曲线：

其中，C

本发明实施例提供的基于多维度信息融合的宫缩监测方法，一方面利用六轴传感器分析宫缩过程中孕妇腹部的运动状态，绘制宫缩运动曲线，可以避免因孕妇动作发生的重力加速度干扰和不同姿态对于子宫肌电信号特征提取的干扰，在动态环境下同样可检测到宫缩运动，增加了监测宫缩的维度，有效拓展了使用场景，另一方面对混合生物电信号先进行MECG信号分离，然后再进行EHG特征信号段标记，提取出EHG信号，可有效抑制MECG信号的干扰和传感器的运动伪迹带来的干扰，解决了现有的宫缩运动监测方法难以做到抑制子宫肌电信号的噪声干扰和在静态环境和动态环境下均可有效监测宫缩运动的技术问题。

本发明中还提供了一种基于多维度信息融合的宫缩监测系统的实施例，包括：

线性加速度获取模块，用于将通过六轴传感器获得的孕妇腹部的三轴加速度信号和三轴角速度信号进行信息融合，得到三轴线性加速度信号；

宫缩特征标记模块，用于对三轴线性加速度信号的宫缩特征段进行标记，确定宫缩时间点集合；

宫缩运动曲线模块，用于根据三轴线性加速度信号和宫缩时间点集合构造宫缩运动曲线；

MECG信号分离模块，用于对获取到的孕妇腹部的混合生物电信号进行MECG信号分离，得到中间态信号；

EHG曲线模块，用于对中间态信号进行EHG特征信号段标记，并根据标记的EHG特征信号段绘制EHG曲线；

宫缩曲线模块，用于将宫缩运动曲线和EHG曲线进行曲线拟合，生成目标宫缩曲线。

目标宫缩曲线为：

其中，C

宫缩特征标记模块具体用于：

对三轴线性加速度信号中满足预置约束条件的信号段标记为宫缩特征段；其中，预置约束条件为：

其中，t∈T，T为满足

获取宫缩特征段对应的宫缩时间点。

宫缩运动曲线为：

其中，C

最小宫缩速度为0.1m/s，宫缩时静止状态下腹部表面皮肤相对于躯干位移变化的最大值为0.04m，最短宫缩时间为20s，最长宫缩时间为180s。

对获取到的孕妇腹部的混合生物电信号进行MECG信号分离，得到中间态信号，包括：

获取孕妇腹部的混合生物电信号S；

采用Pan&Tompkins算法检测混合生物电信号S中的MECG的R波位点；

标记R波位点和对应的信号强度，生成单个的QRS波形；

将混合生物电信号S与生成的单个的QRS波形在整个时间段上线性相减，得到中间态信号S

标记R波位点和对应的信号强度，生成单个的QRS波形，包括：

标记R波位点；

以R波位点为中心分别向左偏移预置数量个采样点和向右偏移预置数量个采样点确定QRS波采样点，根据QRS波采样点和QRS波采样点对应的信号强度构建QRS矩阵；

对QRS矩阵进行奇异值分解，得到QRS波模板矩阵；

提取QRS波模板矩阵的列向量，得到单个的QRS波形。

对中间态信号进行EHG特征信号段标记，并根据标记的EHG特征信号段绘制EHG曲线，包括：

使用预置长度的汉宁窗口对中间态信号S

从复数信号矩阵中取出EHG特征频率处的元素合集C

将EHG特征频率处的元素合集C

对特征频率矩阵W中的每一行的元素求和，得到表征EHG信号强度的列向量V，

取列向量V中元素大于0且连续时间大于t

绘制EHG曲线，EHG曲线为：

其中，i的取值为[1,n]。

EHG特征频率取2个或3个或4个或5个。

本发明实施例提供的基于多维度信息融合的宫缩监测系统，一方面利用六轴传感器分析宫缩过程中孕妇腹部的运动状态，绘制宫缩运动曲线，可以避免因孕妇动作发生的重力加速度干扰和不同姿态对于子宫肌电信号特征提取的干扰，在动态环境下同样可检测到宫缩运动，增加了监测宫缩的维度，有效拓展了使用场景，另一方面对混合生物电信号先进行MECG信号分离，然后再进行EHG特征信号段标记，提取出EHG信号，可有效抑制MECG信号的干扰和传感器的运动伪迹带来的干扰，解决了现有的宫缩运动监测方法难以做到抑制子宫肌电信号的噪声干扰和在静态环境和动态环境下均可有效监测宫缩运动的技术问题。

本发明实施例提供的基于多维度信息融合的宫缩监测系统，用于执行前述基于多维度信息融合的宫缩监测方法实施例中的基于多维度信息融合的宫缩监测方法，其原理与前述基于多维度信息融合的宫缩监测方法实施例中的基于多维度信息融合的宫缩监测方法相同，在此不再进行赘述。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。