基于約束盲源分離的胎兒心電檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于約束盲源分離的胎兒心電檢測(cè)方法，首先利用特征值分解對(duì)觀測(cè)信號(hào)X進(jìn)行白化；然后獲取多路參考信號(hào)R，再利用廣義拉格朗日函數(shù)和牛頓學(xué)習(xí)算法調(diào)節(jié)分離向量wi和拉格朗日參數(shù)，使代價(jià)函數(shù)足夠??；求解出的W即為分離矩陣；通過Y＝WX分離出胎兒心電信息及母體心電信息；X為觀測(cè)信號(hào)，Y為期望提取的胎兒心電信息及母體心電信息矩陣。本發(fā)明基于約束盲源分離的胎兒心電檢測(cè)方法在利用二階矩的同時(shí)，引入了參考信號(hào)，加快收斂速度，繼而提高的信息的提取準(zhǔn)確性和快速性。
【專利說明】基于約束盲源分離的胎兒心電檢測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于約束盲源分離的胎兒心電檢測(cè)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 胎兒心電信號(hào)（Fetal Electrocardiogram, FECG)記錄胎兒心臟動(dòng)作電位及其在 心臟傳導(dǎo)過程中的圖形變化，是反映胎兒宮內(nèi)生理活動(dòng)的客觀指標(biāo)之一，其中含有反映胎 兒健康狀況，如發(fā)育程度、位置、是否酸中毒或者心律失常等重要信息，在整個(gè)妊娠期內(nèi)，特 別是存在妊娠風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，F(xiàn)ECG可作為診斷胎兒健康狀況，確定是否中斷妊娠的重要手段和工 具。提取胎FECG主要有浸入式和無創(chuàng)式兩種方法。入侵式提取方法，即在孕婦分娩時(shí)，將 電極放入孕婦子宮內(nèi)的胎兒頭皮上，這種方法得到信號(hào)比較準(zhǔn)確，但是只能在分娩時(shí)使用 且可能對(duì)胎兒和孕婦造成傷害；無創(chuàng)式提取方式將電極放在孕婦腹部盡可能地靠近胎兒位 置測(cè)得信號(hào)，此方法可在整個(gè)妊娠期內(nèi)使用，它可以早期發(fā)現(xiàn)胎兒宮內(nèi)缺氧、窘迫、對(duì)許多 胎兒本身的疾病，如先天性心臟病，新生兒心律失常，胎兒宮內(nèi)發(fā)育遲緩等，能夠提供重要 的診斷依據(jù)。由于FECG比較微弱，無創(chuàng)式提取的胎兒心電信號(hào)一般從母親的腹部采集獲得 的，在采集的過程中不可避免的會(huì)含有許多噪聲（如工頻干擾，母體自身的心電（Maternal Elec-trocardiogram，MECG)，從復(fù)合母體信號(hào)中分離出胎兒心電信號(hào)，準(zhǔn)確提取FECG成為 生物醫(yī)學(xué)工程中一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的問題。
[0003] 盲信號(hào)處理是20世紀(jì)最后十年中迅速發(fā)展起來的一個(gè)研究領(lǐng)域，具有可靠的理 論基礎(chǔ)和廣泛的應(yīng)用潛力。采用盲源分離方法，能夠在對(duì)源信號(hào)基本特性等先驗(yàn)知識(shí)缺乏 的情況下，僅僅根據(jù)源信號(hào)間的統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性特征，通過一系列數(shù)學(xué)推導(dǎo)，以分離出各源信號(hào) 的估計(jì)信號(hào)，最后通過分離處理的信號(hào)的特征來判決所需要的有用信號(hào)。目前，已有盲源 分離方法在胎兒心電檢測(cè)中的應(yīng)用。如普通二階盲源分離、ICA方法或FastICA方法是現(xiàn) 在主要的應(yīng)用方法，但是該類盲源分離方法僅利用了以各類不同信息的矩的信息區(qū)別為基 礎(chǔ)，進(jìn)行計(jì)算，比較復(fù)雜，影響了實(shí)時(shí)性處理；因此，只能通過降低采樣精度和采樣率來完成 算法的運(yùn)算，因此在實(shí)時(shí)觀察中許多細(xì)微特征容易被忽略。
[0004] 電極拾取孕婦腹部電信號(hào)，并經(jīng)過放大、濾波后，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，首先采集 多路的心電信息，然后利用盲源分離算法將從多路信息中有效成分，根據(jù)胎兒心電信號(hào)的 時(shí)頻域特性提取出胎兒心電信號(hào)作為約束性盲源分離算法的參考信號(hào)，再用約束性盲源分 離算法提取純凈的胎兒心電信號(hào)。該方法是從含有噪聲的母體心電信號(hào)中提取胎兒心電信 號(hào)的新技術(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種基于約束盲源分離的胎兒心電檢測(cè)方法，用以解決現(xiàn)有 方法計(jì)算復(fù)雜、實(shí)時(shí)性差的問題。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案包括：
[0007] 基于約束盲源分離的胎兒心電檢測(cè)方法，其特征在于，步驟如下：
[0008] (1)利用特征值分解對(duì)觀測(cè)信號(hào)X進(jìn)行白化；
[0009] (2)獲取多路參考信號(hào)R，
[0010] (3)利用廣義拉格朗日函數(shù)和牛頓學(xué)習(xí)算法調(diào)節(jié)分離向量Wi和拉格朗日參數(shù)，使 J(yi)k+1-J(yi)kl < ε，ε為一個(gè)設(shè)定的、足夠小的數(shù)，J(Yi)為代價(jià)函數(shù)，Y為胎兒心電信 息及母體心電信息的矩陣；求解出的w即為分離矩陣；
[0011] (4)通過Y = wx分離出胎兒心電信息及母體心電信息；X為觀測(cè)信號(hào)，Y為期望提 取的胎兒心電信息及母體心電信息矩陣。
[0012] 觀測(cè)信號(hào)為六導(dǎo)孕婦腹部心電信息，x(t) = [X1U)…x6(t)]T，源信號(hào)為s，s(t)= [SiW-Kt)] 1。
[0013] 利用特征值分解對(duì)觀測(cè)信號(hào)X進(jìn)行白化，即S = QX，其中S滿足E{SST} = I，則
[0014] Wi* = Rf1Pi = E IriSj (5)
[0015] 其中,^為參考信號(hào)；Q為白化矩陣系數(shù),為第i路參考信號(hào)，i表示第i路參考 信號(hào)。
[0016] 特征值白化觀測(cè)信號(hào)為
[0017] E {XXH} = U Σ Uh (6)
[0018] 其中，Σ = CliagU1, λ2，…λ6)為特征值所組成的對(duì)角矩陣，A1 > λ2> 〇2> 〇，λ3 = λ4 = λ5 = λ6 = σ2，σ 2為噪聲方差，

【權(quán)利要求】
1. 基于約束盲源分離的胎兒心電檢測(cè)方法，其特征在于，步驟如下： (1) 利用特征值分解對(duì)觀測(cè)信號(hào)X進(jìn)行白化； (2) 獲取多路參考信號(hào)R， (3) 利用廣義拉格朗日函數(shù)和牛頓學(xué)習(xí)算法調(diào)節(jié)分離向量^和拉格朗日參數(shù)，使 J(yi)k+1-J(yi)kl < ε，ε為一個(gè)設(shè)定的、足夠小的數(shù)，J(yi)為代價(jià)函數(shù)，Y為胎兒心電信 息及母體心電信息的矩陣；求解出的W即為分離矩陣； (4) 通過Y = wx分離出胎兒心電信息及母體心電信息；X為觀測(cè)信號(hào)，Y為期望提取的 胎兒心電信息及母體心電信息矩陣。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于約束盲源分離的胎兒心電檢測(cè)方法，其特征在于，觀測(cè) 信號(hào)為六導(dǎo)孕婦腹部心電信息，x(t) = [xjt)…x6(t)]T，源信號(hào)為s，s(t) = [SA)… sn(t)]T。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于約束盲源分離的胎兒心電檢測(cè)方法，其特征在于，利用 特征值分解對(duì)觀測(cè)信號(hào)X進(jìn)行白化，即S = QX，其中S滿足E {SST} = I，則 Wi* = R^Pi = Ε {γ#} (5) 其中，A為參考信號(hào)；Q為白化矩陣系數(shù)，為第i路參考信號(hào)，i表示第i路參考信 號(hào)； 特征值白化觀測(cè)信號(hào)為 E {XXH} = U Σ UH (6) 其中，Σ =diag(Ai，λ2，…λ6)為特征值所組成的對(duì)角矩陣， λι> λ2> 〇2>〇， Γ -\Η λ3 = λ4 = λ5 = λ6 = σ2，σ2為噪聲方差，為各特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量所 _"4_ 組成的矩陣，U2對(duì)應(yīng)于胎兒心電信號(hào)與母體心電信號(hào)的子空間，U4對(duì)應(yīng)的噪聲子空間；所以 白化矩陣為
(7)
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于約束盲源分離的胎兒心電檢測(cè)方法，其特征在于，獲取 多路參考信號(hào)即母體心電信號(hào)及胎兒心電信號(hào)；其中母體心電信號(hào)參考信號(hào)^為直接從母 體胸部V5導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)，:r2為胎兒心電參考信號(hào)，則戈=[}^，3?：2,\3]為孕婦胸部的心電信號(hào)， X = tx4，x5，xj為孕婦腹部取得混合信號(hào)；則有文=夕+ G + '則[匕毛毛]=玄-i - '
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于約束盲源分離的胎兒心電檢測(cè)方法，其特征在于，混合 矩陣W求解過程為找到最優(yōu)的W滿足Y(t): 計(jì)算最優(yōu)初始化向量力(0) =E{riS}/| |E{riS} | |，其中ri為參考信號(hào)； 選擇拉格朗日參數(shù)的初始值μ和λ ; 利用 wi+1 = Wi+ Δ Wi 求解 r ; 判斷是否滿足< ε，ε為一個(gè)足夠小的數(shù)；若不滿足則更新拉格朗 日參數(shù)更新求解w,.。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于約束盲源分離的胎兒心電檢測(cè)方法，其特征在于，利用 μ i+1 = max {0, μ才γ g (y) }和λ i+1 = λ才γ h (y)更新拉格朗日參數(shù)值。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于約束盲源分離的胎兒心電檢測(cè)方法，其特征在于，代價(jià)

函數(shù) Λν，）= - (νι>?Ε(ΧΧΓ)νι>?Γ) : = E(乃(t).v,· (t- & ))2 o
【文檔編號(hào)】A61B5/0444GK104287724SQ201410269878
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月17日
【發(fā)明者】楊曉利, 李振偉, 胡志剛, 宋衛(wèi)東, 宋霄薇 申請(qǐng)人:河南科技大學(xué)