基于二階統(tǒng)計(jì)特性的母親和胎兒心電盲提取方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于二階統(tǒng)計(jì)特性的母親和胎兒心電盲提取方法，解決了信噪比較小的混合信號(hào)，不能較好提取和提取過程工作在離線方式的問題。本發(fā)明的步驟為：(1)獲取電生理混合信號(hào)；(2)預(yù)處理；(3)選出信噪比最大的一路混合信號(hào)；(4)估計(jì)周期；(5)獲得最優(yōu)的心電信號(hào)向量；(6)提取心電信號(hào)。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)母親和胎兒心電信號(hào)提取的方法，在保證提取信號(hào)精確度的同時(shí)，還具有實(shí)時(shí)在線提取、提取效率高的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明可用于對(duì)從心電監(jiān)測(cè)機(jī)采集到的母體心電信號(hào)中提取出母親和胎兒心電信號(hào)。
【專利說明】基于二階統(tǒng)計(jì)特性的母親和胎兒心電盲提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及信號(hào)處理【技術(shù)領(lǐng)域】，更進(jìn)一步涉及生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理【技術(shù)領(lǐng)域】中的一種基于二階統(tǒng)計(jì)特性的母親和胎兒心電信號(hào)盲提取方法。本發(fā)明可用于對(duì)從心電監(jiān)測(cè)機(jī)采集到的母體心電信號(hào)中提取出母親和胎兒心電信號(hào)。
【背景技術(shù)】
[0002]人 體心電圖(ECG)是反映人體生理活動(dòng)的一個(gè)客觀指標(biāo)。從孕婦體表測(cè)量得到的電信號(hào)一般包括母親心電(MECG)，胎兒心電(FECG)和人體其他電信號(hào)(例如肌電信號(hào)EMG等)以及觀測(cè)背景噪聲的混合信號(hào)。在獲取的孕婦體表測(cè)量電信號(hào)中，由于母親心電信號(hào)一般強(qiáng)度較大，采用常規(guī)的濾波技術(shù)便可以提取母親心電信號(hào)。而胎兒心電信號(hào)相當(dāng)微弱，其強(qiáng)度不及母親心電信號(hào)的十分之一，而且胎兒心電信號(hào)與母親心電信號(hào)的頻譜相互重疊，因此一般的濾波技術(shù)很難提取出清晰穩(wěn)定的胎兒心電信號(hào)。
[0003]廣東工業(yè)大學(xué)擁有的專利技術(shù)“一種基于時(shí)頻變換的胎兒心電盲提取方法”(專利申請(qǐng)?zhí)?201110144487.7，授權(quán)公布號(hào)CN102160787B)公開了一種基于時(shí)頻變換的胎兒心電盲提取方法。該方法采集獲得包含母親和胎兒電生理信號(hào)的混合信號(hào)，挑選混合信號(hào)中母親和胎兒心電信號(hào)相對(duì)稀疏的時(shí)間段，利用模糊函數(shù)將得到的相對(duì)稀疏時(shí)間段變換到時(shí)頻域中，再利用廣義瑞利熵構(gòu)造對(duì)照函數(shù)，從而提取出胎兒心電信號(hào)。該專利技術(shù)利用母親和胎兒心電混合信號(hào)時(shí)域相對(duì)稀疏的特性，解決了母親和胎兒心電信號(hào)頻譜相互重疊難以分離的問題，但是仍然存在的不足是，該方法工作在離線方式，無法反映胎兒心電信號(hào)的時(shí)變特性。
[0004]上海海事大學(xué)所提出的專利申請(qǐng)“基于廣義特征值最大化的胎兒心電信號(hào)自適應(yīng)盲提取方法”(專利申請(qǐng)?zhí)?201310729736.8，公布號(hào)CN103627796A)公開了一種胎兒心電信號(hào)自適應(yīng)盲提取方法。該方法采`集獲得包含母親及胎兒電生理信號(hào)的混合信號(hào)，基于自適應(yīng)實(shí)時(shí)算法，計(jì)算設(shè)定的周期范圍內(nèi)獲取混合信號(hào)不同延遲協(xié)方差矩陣的特征值及特征向量，并選擇最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量為盲分離向量，從而提取出胎兒心電信號(hào)。該方法雖然利用信號(hào)的二階統(tǒng)計(jì)特性，簡(jiǎn)化計(jì)算復(fù)雜度，提高了胎兒心電信號(hào)盲分離的效率，但是仍然存在的不足是，該方法對(duì)心電信號(hào)的周期估計(jì)不夠精確，且由于過分依賴于采集的母體與胎兒心電混合信號(hào)不同延遲協(xié)方差矩陣的可對(duì)角化性，導(dǎo)致對(duì)于信噪比較小的采集混合信號(hào)，提取效果不佳。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有方法的不足，提出了一種基于二階統(tǒng)計(jì)特性的心電信號(hào)盲提取的方法，實(shí)現(xiàn)了母親和胎兒心電信號(hào)的自適應(yīng)實(shí)時(shí)提取。
[0006]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的基本思想是首先對(duì)獲取的多路電生理混合信號(hào)預(yù)處理，再?gòu)墨@取的多路電生理混合信號(hào)中選出信噪比最大的一路混合信號(hào)，然后估計(jì)該路混合信號(hào)的周期，從該路混合信號(hào)中提取最優(yōu)分離向量，最終使用最優(yōu)分離向量從預(yù)處理后的混合信號(hào)中提取心電信號(hào)。
[0007]本發(fā)明的具體步驟如下:
[0008](1)獲取電生理混合信號(hào):
[0009]獲取同步采集的母體胸部和腹部多路電生理混合信號(hào)；
[0010](2)預(yù)處理:
[0011](2a)使用有限長(zhǎng)數(shù)字低通濾波器，對(duì)多路電生理混合信號(hào)進(jìn)行肌電干擾和噪聲濾除，得到濾除肌電干擾和噪聲后的多路電生理混合信號(hào)；
[0012](2b)使用有限長(zhǎng)數(shù)字陷波器，對(duì)肌電干擾和噪聲濾除后的多路電生理混合信號(hào)進(jìn)行50Hz工頻干擾濾除，得到預(yù)處理后的多路電生理混合信號(hào)；
[0013](3)得到每路電生理混合信號(hào)的信噪比:
[0014](3a)將預(yù)處理后每路電生理混合信號(hào)中母親心電信號(hào)作為信號(hào)，胎兒心電信號(hào)作為噪聲，得到母親心電信號(hào)和胎兒心電信號(hào)的信噪比；
[0015](3b)將預(yù)處理后每路電生理混合信號(hào)中胎兒心電信號(hào)作為信號(hào)，母親心電信號(hào)作為噪聲，得到胎兒心電信號(hào)和母親心電信號(hào)的信噪比；
[0016](4)估計(jì)周期:
[0017](4a)選出母親心電信號(hào)和胎兒心電信號(hào)信噪比最大的一路電生理混合信號(hào)，將其中母親心電信號(hào)相鄰兩個(gè)R波的時(shí)間間隔，作為母親心電信號(hào)周期的預(yù)估計(jì)值；
[0018](4b)采用自相關(guān)系數(shù)公式，計(jì)算母親心電信號(hào)和胎兒心電信號(hào)信噪比最大的一路電生理混合信號(hào)的自相關(guān)系數(shù)；
[0019](4c)將母親心電信號(hào)周期的預(yù)估計(jì)值上下浮動(dòng)誤差0.2作為搜索時(shí)間段，搜索自相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值的最大值，將自相關(guān)系數(shù)取最大值的時(shí)刻作為母親心電信號(hào)周期的精確估計(jì)值；
[0020](4d)選出胎兒心電信號(hào)和母親心電信號(hào)信噪比最大的一路電生理混合信號(hào)，將其中胎兒心電信號(hào)相鄰兩個(gè)R波的時(shí)間間隔，作為胎兒心電信號(hào)周期的預(yù)估計(jì)值；
[0021](4e)采用自相關(guān)系數(shù)公式，計(jì)算胎兒心電信號(hào)和母親心電信號(hào)信噪比最大的一路電生理混合信號(hào)的自相關(guān)系數(shù)；
[0022](4f)將胎兒心電信號(hào)周期的預(yù)估計(jì)值上下浮動(dòng)誤差0.15作為搜索時(shí)間段，搜索自相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值的最大值，將自相關(guān)系數(shù)取最大值的時(shí)刻作為胎兒心電信號(hào)周期的精確估計(jì)值；
[0023](5)獲得最優(yōu)的心電信號(hào)向量:
[0024](5a)采用最速下降方法，獲得最優(yōu)的母親心電信號(hào)向量；
[0025](5b)采用修正牛頓方法，獲得最優(yōu)的胎兒心電信號(hào)向量；
[0026](6)提取心電信號(hào):
[0027](6a)采用投影方法，使用最優(yōu)的母親心電信號(hào)向量從預(yù)處理后的多路電生理混合信號(hào)中提取出母親心電信號(hào)；
[0028](6b)采用投影方法，使用最優(yōu)的胎兒心電信號(hào)向量從預(yù)處理后的多路電生理混合信號(hào)中提取出胎兒心電信號(hào)。
[0029]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0030]第一，由于本發(fā)明通過對(duì)獲取的多路電生理混合信號(hào)先進(jìn)行預(yù)處理，再?gòu)念A(yù)處理后的電生理混合信號(hào)中獲取母親和胎兒心電信號(hào)最優(yōu)向量，克服了現(xiàn)有技術(shù)對(duì)信噪比較小的電生理混合信號(hào)不能較好提取母親和胎兒心電信號(hào)的不足，使得本發(fā)明無需電生理混合信號(hào)信噪比大小的附加條件。
[0031]第二，由于本發(fā)明通過電生理混合信號(hào)的二階統(tǒng)計(jì)特性獲取最優(yōu)的母親和胎兒心電信號(hào)向量，克服了現(xiàn)有技術(shù)工作在離線方式的不足，實(shí)現(xiàn)了母親和胎兒心電信號(hào)的實(shí)時(shí)在線提取，使得提取母親和胎兒心電信號(hào)的效率高，能夠更好的反映母親和胎兒心電信號(hào)的時(shí)變特性。
[0032]第三，由于本發(fā)明通過對(duì)信噪比最大的電生理混合信號(hào)中母親和胎兒心電信號(hào)的周期先進(jìn)行預(yù)估計(jì)，再設(shè)置誤差進(jìn)行精確估計(jì)，克服了現(xiàn)有技術(shù)對(duì)母親和胎兒心電信號(hào)周期估計(jì)不夠精確的不足，使得本發(fā)明對(duì)母親和胎兒心電信號(hào)的提取效果更加良好。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1為本發(fā)明的流程圖；
[0034]圖2為本發(fā)明輸入的8路電生理混合信號(hào)波形圖；
[0035]圖3為采用本發(fā)明獲取到的第I路信號(hào)的自相關(guān)系數(shù)示意圖；
[0036]圖4為采用本發(fā)明獲取到的第8路信號(hào)的自相關(guān)系數(shù)示意圖；
[0037]圖5為采用本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)的四種方法提取母體心電信號(hào)波形對(duì)比圖；
[0038]圖6為采用本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)的四種方法提取胎兒心電信號(hào)波形對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
`[0039]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述:
[0040]參照?qǐng)D1，本發(fā)明的具體實(shí)施步驟如下:
[0041]步驟1，輸入電生理混合信號(hào)。
[0042]本發(fā)明的實(shí)施例是輸入8路電生理混合信號(hào)，該電生理混合信號(hào)同步采集自母體胸部的5路電生理混合信號(hào)和母體腹部的3路電生理混合信號(hào)。參照附圖2所示輸入了 8路電生理混合信號(hào)波形圖，圖2中的橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示信號(hào)幅值，圖2(a)、(b)、(c)、(d)、(e)為采集自母體胸部的5路電生理混合信號(hào)，圖2(f)、(g)、(h)為采集自母體腹部的3路電生理混合信號(hào)。由圖2可以看出，來自胸部的5路電生理混合信號(hào)主要是母親心電信號(hào)，而來自腹部的3路電生理混合信號(hào)中有微弱的胎兒心電信號(hào)。
[0043]步驟2，預(yù)處理。
[0044]第一步，采用基于漢明窗的8階有限長(zhǎng)數(shù)字低通濾波器，對(duì)獲取到的多路混合信號(hào)進(jìn)行肌電干擾和噪聲濾除，得到濾除肌電干擾和噪聲后的多路混合信號(hào)；
[0045]第二步，采用基于漢明窗的40階有限長(zhǎng)數(shù)字陷波器，對(duì)肌電干擾和噪聲濾除后的多路混合信號(hào)進(jìn)行50Hz工頻干擾濾除，得到預(yù)處理后的多路混合信號(hào)。
[0046]步驟3，得到每路電生理混合信號(hào)的信噪比。
[0047]第一步，將預(yù)處理后每路電生理混合信號(hào)中母親心電信號(hào)作為信號(hào)，胎兒心電信號(hào)作為噪聲，得到母親心電信號(hào)和胎兒心電信號(hào)的信噪比；
[0048]第二步，將預(yù)處理后每路電生理混合信號(hào)中胎兒心電信號(hào)作為信號(hào)，母親心電信號(hào)作為噪聲，得到胎兒心電信號(hào)和母親心電信號(hào)的信噪比。[0049]步驟4，估計(jì)周期。
[0050]估計(jì)母親心電信號(hào)周期α，具體步驟包括:
[0051]第一步，從預(yù)處理后的多路混合信號(hào)中選出母親心電信號(hào)和胎兒心電信號(hào)信噪比最大的一路混合信號(hào)，將t時(shí)刻的該混合信號(hào)記為x(t)，將x(t)中母親心電信號(hào)相鄰兩個(gè)R波的時(shí)間間隔作為母親心電信號(hào)周期的預(yù)估計(jì)值。從x(t)中得到母親心電信號(hào)周期的預(yù)估計(jì)值Ct 0=0.8 ；
[0052]第二步，x(t)的自相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種基于二階統(tǒng)計(jì)特性的母親和胎兒心電盲提取方法，包括如下步驟: (1)獲取電生理混合信號(hào): 獲取同步采集的母體胸部和腹部多路電生理混合信號(hào)； (2)預(yù)處理: (2a)使用有限長(zhǎng)數(shù)字低通濾波器，對(duì)多路電生理混合信號(hào)進(jìn)行肌電干擾和噪聲濾除，得到濾除肌電干擾和噪聲后的多路電生理混合信號(hào)； (2b)使用有限長(zhǎng)數(shù)字陷波器，對(duì)肌電干擾和噪聲濾除后的多路電生理混合信號(hào)進(jìn)行50Hz工頻干擾濾除，得到預(yù)處理后的多路電生理混合信號(hào)； (3)得到每路電生理混合信號(hào)的信噪比: (3a)將預(yù)處理后每路電生理混合信號(hào)中母親心電信號(hào)作為信號(hào)，胎兒心電信號(hào)作為噪聲，得到母親心電信號(hào)和胎兒心電信號(hào)的信噪比； (3b)將預(yù)處理后每路電生理混合信號(hào)中胎兒心電信號(hào)作為信號(hào)，母親心電信號(hào)作為噪聲，得到胎兒心電信號(hào)和母親心電信號(hào)的信噪比； (4)估計(jì)周期: (4a)選出母親心電信號(hào)和胎兒心電信號(hào)信噪比最大的一路電生理混合信號(hào)，將其中母親心電信號(hào)相鄰兩個(gè)R波的時(shí)間間隔，作為母親心電信號(hào)周期的預(yù)估計(jì)值； (4b)采用自相關(guān)系數(shù)公式，計(jì)算母親心電信號(hào)和胎兒心電信號(hào)信噪比最大的一路電生理混合信號(hào)的自相關(guān)系數(shù)； (4c)將母親心電信號(hào)周期的預(yù)估計(jì)值上下浮動(dòng)誤差0.2作為搜索時(shí)間段，搜索自相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值的最大值，將自相關(guān)系數(shù)取最大值的時(shí)刻作為母親心電信號(hào)周期的精確估計(jì)值； (4d)選出胎兒心電信號(hào)和母親心電信號(hào)信噪比最大的一路電生理混合信號(hào)，將其中胎兒心電信號(hào)相鄰兩個(gè)R波的時(shí)間間隔，作為胎兒心電信號(hào)周期的預(yù)估計(jì)值； (4e)采用自相關(guān)系數(shù)公式，計(jì)算胎兒心電信號(hào)和母親心電信號(hào)信噪比最大的一路電生理混合信號(hào)的自相關(guān)系數(shù)； (4f)將胎兒心電信號(hào)周期的預(yù)估計(jì)值上下浮動(dòng)誤差0.15作為搜索時(shí)間段，搜索自相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值的最大值，將自相關(guān)系數(shù)取最大值的時(shí)刻作為胎兒心電信號(hào)周期的精確估計(jì)值； (5)獲得最優(yōu)的心電信號(hào)向量: (5a)采用最速下降方法，獲得最優(yōu)的母親心電信號(hào)向量； (5b)采用修正牛頓方法，獲得最優(yōu)的胎兒心電信號(hào)向量； (6)提取心電信號(hào): (6a)采用投影方法，使用最優(yōu)的母親心電信號(hào)向量從預(yù)處理后的多路電生理混合信號(hào)中提取出母親心電信號(hào)； (6b)采用投影方法，使用最優(yōu)的胎兒心電信號(hào)向量從預(yù)處理后的多路電生理混合信號(hào)中提取出胎兒心電信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二階統(tǒng)計(jì)特性的母親和胎兒心電盲提取方法，其特征在于，步驟(4b)中所述的自相關(guān)系數(shù)公式如下:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二階統(tǒng)計(jì)特性的母親和胎兒心電盲提取方法，其特征在于，步驟(4e)中所述的自相關(guān)系數(shù)公式如下:

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二階統(tǒng)計(jì)特性的母親和胎兒心電盲提取方法，其特征在于，步驟(5a)中所述的最速下降方法的步驟如下: 第一步，按照下式，得到母親心電信號(hào)向量與最優(yōu)的母親心電信號(hào)向量的逼近度:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二階統(tǒng)計(jì)特性的母親和胎兒心電盲提取方法，其特征在于，步驟(5b)中所述的修正牛頓方法步驟如下: 第一步，按照下式，得到胎兒心電信號(hào)向量與最優(yōu)的胎兒心電信號(hào)向量的逼近度:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二階統(tǒng)計(jì)特性的母親和胎兒心電盲提取方法，其特征在于，步驟(6a)中所述的投影方法是指按照下式，得到母親心電信號(hào):
h (t) =eTd (t) 其中，h(t)表示t時(shí)刻提取的母親心電信號(hào)，e表示最優(yōu)的母親心電信號(hào)向量，d(t)表示t時(shí)刻預(yù)處理后的電生理混合信號(hào)，(.)τ表示轉(zhuǎn)置操作。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二階統(tǒng)計(jì)特性的母親和胎兒心電盲提取方法，其特征在于，步驟(6b)中所述的投影方法是指按照下式，得到胎兒心電信號(hào):
z (t) =fTd (t) 其中，z(t)表示t時(shí)刻提取得到的胎兒心電信號(hào)，f表示最優(yōu)的胎兒心電信號(hào)向量，d(t)表示t時(shí)刻預(yù)處理后的電生理混合信號(hào)，(.)τ表示轉(zhuǎn)置操作。
【文檔編號(hào)】A61B5/0444GK103876730SQ201410140711
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年4月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月9日
【發(fā)明者】張偉濤, 楊若男, 袁曉光, 樓順天 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)