基于部分按段重采樣的胎兒心電圖分離提取方法
【專利摘要】本申請涉及從孕婦腹壁電中分離提取胎兒心電圖(FECG)的方法。從腹壁電信號中分離提取胎兒心電圖，主要包括兩大步驟：第一步，估計腹壁電信號中的母體心電成分，并把估計的母體心電成分從腹壁電信號中去掉，得到胎兒心電圖的初步估計結(jié)果，不妨稱為胎兒心電圖的初步估計階段；第二步，進一步去除初步估計的胎兒心電圖信號中的干擾噪聲，獲得胎兒心電圖的精確估計結(jié)果，稱之為胎兒心電圖的增強估計階段。本發(fā)明分別涉及胎兒心電圖初步估計階段的一種方法和胎兒心電圖增強估計階段的一種方法。提出的部分按段重采樣提取方法較之前的按段重采樣方法提高了估計的魯棒性。
【專利說明】基于部分按段重采樣的胎兒心電圖分離提取方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本專利申請涉及從孕婦腹壁電中分離提取胎兒心電圖（FECG)的方法。
[0002] 從孕婦腹部體表采集到的腹壁電信號是一個混合信號，不僅包括了胎兒心電成 分，還包括了母體心電成分和其他干擾噪聲。從腹壁電信號中分離提取胎兒心電圖，主要包 括兩大步驟：第一步，估計腹壁電信號中的母體心電成分，并把估計的母體心電成分從腹壁 電信號中去掉，得到胎兒心電圖的初步估計結(jié)果，不妨稱為胎兒心電圖的初步估計階段；第 二步，進一步去除初步估計的胎兒心電圖信號中的干擾噪聲，獲得胎兒心電圖的精確估計 結(jié)果，稱之為胎兒心電圖的增強估計階段。胎兒心電圖分離提取算法的總體框圖見附圖1。
[0003] 具體地說，本專利申請分別涉及胎兒心電圖初步估計階段的一種方法和胎兒心電 圖增強估計階段的一種方法。

【背景技術(shù)】
[0004] 不管是胎兒心電圖的初步估計階段還是增強估計階段，所采用的胎兒心電分離提 取方法，均有單路方法和多路方法之分。多路方法是指通過對多路信號的融合計算得到對 胎兒心電圖信號的初步估計或增強估計，常見的方法有：自適應(yīng)濾波、主成分分析（PCA)、 獨立成分分量（ICA)、周期分量分析（piCA)等。所謂單路方法，即僅依賴一路腹壁電信號或 一路初步估計的胎兒心電圖信號，從中得到胎兒心電圖的初步估計或增強估計的方法，常 見的方法有：模板法、奇異值分解法、按段重采樣方法等。由于單路方法可用于單路信號的 處理、也可用于多路信號的分別處理，因此，它的應(yīng)用更具普遍性。
[0005] 在單路方法中，按段重采樣方法，是對每一 R-R信號段分別重采樣并結(jié)合梳狀濾 波對胎心電進行估計的方法。該方法中，對每一R-R信號段分別進行重采樣的目的是：使每 個R-R信號段具有相同的采樣點數(shù)，以進行梳狀濾波。由于該方法考慮了實際心電信號存 在R-R間期長短差異即心率變異性的問題，因此取得了較好的胎心電分離效果。但是，按段 重采樣方法對心率變異性的考慮還不夠到位，它所基于的"PQRST波群的時間跨度與R-R間 期成正比例"的假設(shè)，實踐證明存在一定的偏差，因此，當存在嚴重的心率變異性即R-R間期 長短差異時，按段重采樣方法對胎兒心電圖的初步估計或增強估計都會產(chǎn)生較大的誤差。 也就是說，目前的按段重采樣方法對心率變異性的魯棒性還有待提高。
[0006] 參考文獻：
[0007] 1.發(fā)明專利申請文件：胎兒心電圖的分離提取方法（200910027979. 0)。發(fā)明人： 劉紅星，鄭威，肇瑩，蔣鑫，寧新寶。
[0008] 2. Zheng Wei, Liu Hongxing*，He Aijun, Ning Xinbao, Cheng Jianchun ： Single-lead fetal Electrocardiogram Estimation by means of Combining R-peaks Detection，Resampling and Comb Filter，Medical Engineering and Physics, ISSN ： 1350-4533, 32(2010)，NO. 7, 708-719, 2010. 10. 16


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 要解決的技術(shù)問題。
[0010] 不管是胎兒心電圖的初步估計階段還是增強估計階段，現(xiàn)有的按段重采樣估計胎 心電方法，當存在較大心率變異性時估計的胎兒心電圖都會產(chǎn)生較大誤差，有必要對其進 行改進，以提高方法對心率變異性的魯棒性，減小估計誤差。
[0011] 技術(shù)方案。
[0012] 提出了胎兒心電圖初步估計的一種方法，該方法包括這些步驟：（1)讀取一路從 母體腹部采集的腹壁電信號；（2)預處理，去除腹壁電信號中的基線漂移、工頻干擾及高頻 噪聲；(3)檢測腹壁電信號中母體心電的R波波峰位置；(4)標記每個R波波峰前第Lltt點 為Ps點，R波波峰后第Lrt點為Te點，這樣每個心動周期Ps-Ps可分割為Ps-Te和Te-Ps兩 段，因母體心電具有心率變異性，各個心動周期的Te-Ps段的長度不盡相同；（5)對各Te-Ps 段信號分別進行重采樣，使各Te-Ps段具有相同的采樣點數(shù)，這時各心動周期Ps-Ps段同樣 具有相同的采樣點數(shù)，即進行所謂的部分按段重采樣；(6)對部分按段重采樣后的信號進 行梳狀濾波，得到母體成分的周期均勻化估計；（7)對獲得的周期均勻化的母體成分的各 Te-Ps段進行再次重采樣恢復原長度，也即恢復母體心電的心率變異性，進而得到母體心電 的估計；(8)從步驟（2)獲得的預處理信號中減去估計的母體心電，即可得到胎心電的初步 估計。本方案流程圖見附圖2。
[0013] 提出了胎兒心電圖增強估計的一種方法，該方法包括以下步驟：（1)讀取一路胎 心電初步估計階段估計的胎心電信號；(2)預處理，去除信號中的基線漂移及高頻噪聲； (3)檢測信號中胎心電的R波波峰位置；(4)標記每個R波波峰前第Iltt點為Ps點，R波波 峰后第Irt點為Te點，這樣每個心動周期可分割為Ps-Te和Te-Ps兩段，因胎心電具有心率 變異性，各心動周期中Te-Ps段的長度不盡相同；（5)對各Te-Ps段信號分別進行重采樣， 使各Te-Ps段具有相同的采樣點數(shù)，這時各心動周期Ps-Ps段同樣具有相同的采樣點數(shù)，即 進行所謂的部分按段重采樣；(6)對部分按段重采樣后的信號進行梳狀濾波，得到胎心電 的周期均勻化估計；(7)對獲得的周期均勻化的胎兒成分的各Te-Ps段進行再次重采樣恢 復原長度，也即恢復胎心電的心率變異性，進而得到胎心電的增強估計。胎心電分離提取到 此結(jié)束。本方案流程圖見附圖3。
[0014] 上述兩方法中，第（2)步中可以使用帶通濾波器來去除基線漂移和高頻噪聲，陷 波器來去除工頻干擾。第（3)步中可以使用簡單的差分閾值法，也可用基于小波變換等的 方法。
[0015] 上述方法一的第⑷步中L1^ = Tpjfs, Lrt = Trt*fs, fs為采樣率，T1^可取為 0. 12-0. 2s范圍內(nèi)的某一固定值，Trt可取為0. 2-0. 4s范圍內(nèi)的某一固定值。
[0016] 上述方法二的第⑷步中Iltt = tpjfs, Irt = fs為采樣率，&可取為 0. 06-0. Is范圍內(nèi)的某一固定值，trt可取為0. 1-0. 2s范圍內(nèi)的某一固定值。
[0017] 以上兩方案并不是發(fā)明人隨意提出的，而是根據(jù)一已經(jīng)驗證的規(guī)律提出的。這一 規(guī)律是：對于正常竇性心律，盡管存在心率變異性，但是不同心動周期的PQRST波群的時間 跨度是恒定的，也就是說只有上面方案中提到的Te-Ps段的持續(xù)時間隨著心動周期長度的 變化而變化。這一規(guī)律見附圖4所示，圖中的各心動周期來自于某一患者的實測心電圖。
[0018] 本申請?zhí)岢龅膬蓚€階段的部分按段重采樣胎心電提取方案，與現(xiàn)有的按段重采樣 提取胎心電方法相比，更好地體現(xiàn)了以上規(guī)律的客觀要求。
[0019] 有益效果。
[0020] 經(jīng)用仿真數(shù)據(jù)和美國MIT Abdominal and Direct Fetal ECG Database胎兒心電 數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，測試本申請的兩方法，發(fā)現(xiàn)本申請方案均能較好的給出胎兒心電的初步 估計和增強估計，尤其在心率變異性較大時本申請方案的優(yōu)勢更加明顯。
[0021] 附圖 5 為使用本申請方案對MIT Abdominal and Direct Fetal ECG Database 胎 兒心電數(shù)據(jù)庫中的"rOl"數(shù)據(jù)第一通道的某一段信號進行胎心電提取結(jié)果。附圖5中，（a) 圖為讀取的原始腹壁電信號，（b)圖為使用本申請方案估計的母體心電，（c)圖為使用本申 請方案估計得到的胎心電的初步估計，（d)圖為本申請方案得到的胎心電的增強估計。圖 中縱坐標刻度的單位為UV。
[0022] 附圖6為使用原按段重采樣方法對附圖5所處理的同一信號進行胎心電提取的結(jié) 果。附圖6中，（a)圖為讀取的原始腹壁電信號，（b)圖為原按段重采樣方法得到的母體心 電，（c)圖為原按段重采樣方法估計得到的胎心電的初步估計，（d)圖為原按段重采樣方法 得到的胎心電的增強估計。圖中縱坐標刻度的單位為UV。
[0023] 現(xiàn)定義一指標WPR來定量衡量胎心電初步估計的效果，該指標越小說明胎心電初 步估計的質(zhì)量越1? :

【權(quán)利要求】
1. 一種對胎兒心電圖初步估計的方法，其特征是，包括以下步驟：（1)讀取一路從母 體腹部采集的腹壁電信號；(2)預處理，去除腹壁電信號中的基線漂移、工頻干擾及高頻噪 聲；（3)檢測腹壁電信號中母體心電的R波波峰位置；(4)標記每個R波波峰前第k點為 Ps點，R波波峰后第Lrt點為Te點，以使每個心動周期Ps-Ps出現(xiàn)Ps-Te和Te-Ps兩段；（5) 對各Te-Ps段信號分別進行重采樣，以使各Te-Ps段具有相同的采樣點數(shù)，這樣各心動周期 Ps-Ps段同樣具有了相同的采樣點數(shù)，即進行了所謂的部分按段重采樣；(6)對部分按段重 采樣后的信號進行梳狀濾波，得到母體心電成分的周期均勻化估計；（7)對獲得的周期均 勻化的母體心電成分的各Te-Ps段進行再次重采樣恢復原長度，也即恢復母體心電成分的 心率變異性，進而得到母體心電的估計；(8)從步驟（2)獲得的預處理信號中減去估計的母 體心電成分，即可得到胎心電的初步估計。
2. -種對胎兒心電圖增強估計的方法，其特征是，包括以下步驟：（1)讀取一路胎心電 初步估計信號；（2)預處理，去除信號中的基線漂移及高頻噪聲等；(3)檢測信號中胎心電 的R波波峰位置；(4)標記每個R波波峰前第1P1?點為Ps點，R波波峰后第lrt點為Te點， 以使每個心動周期Ps-Ps出現(xiàn)Ps-Te和Te-Ps兩段；（5)對各Te-Ps段信號分別進行重采 樣，以使各Te-Ps段具有相同的采樣點數(shù)，這時各心動周期Ps-Ps段同樣具有了相同的采樣 點數(shù)，即進行了所謂的部分按段重采樣；(6)對部分按段重采樣后的信號進行梳狀濾波，得 到胎心電成分的周期均勻化估計；（7)對獲得的周期均勻化的胎心電成分的各Te-Ps段進 行再次重采樣恢復原長度，也即恢復胎心電的心率變異性，進而得到胎心電的增強估計。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種對胎兒心電圖初步估計的方法，其第（4)步中關(guān)于 和Lrt的確定，其特征是，k = Tpjfs，Lrt = Trt*fs，fs為采樣率，t可取為0. 12-0. 2s范 圍內(nèi)的某一固定值，Trt可取為0. 2-0. 4s范圍內(nèi)的某一固定值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2中所述的一種對胎兒心電圖增強估計的方法，其第（4)步中關(guān)于1% 和lrt的確定，其特征是，1m = tpjfs，= trt*fs，fs為采樣率，U可取為0. 06-0. Is范 圍內(nèi)的某一固定值，trt可取為0. 1-0. 2s范圍內(nèi)的某一固定值。
【文檔編號】A61B5/0444GK104382589SQ201410763395
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月9日
【發(fā)明者】劉紅星, 閆華文, 黃曉林, 肇瑩, 司峻峰, 寧新寶 申請人:南京大學