一種交互式胎兒心電快速自動提取方法
【專利摘要】一種交互式胎兒心電快速自動提取方法，其步驟是：對母體腹部心電信號進行預處理，去除較易濾掉的工頻干擾和高頻噪聲干擾；將預處理后的母體腹部心電信號進行平穩(wěn)小波時頻變換；對小波細節(jié)系數(shù)進行特征提??；檢測與母體腹部心電信號成分相關的特征并構造出母體心電模板；從預處理后的母體腹部心電信號中除去已構造出來的母體心電模板，得到胎兒心電信號。本發(fā)明利用了平穩(wěn)小波時不變的特性，能準確定位母體心電與胎兒心電的位置，提取到的胎兒心電數(shù)據(jù)在用于胎兒心率檢測上具有高準確率，且交互性特征自動檢測方法及聯(lián)合母體心電模板構造，所需循環(huán)少，計算速度快，可以適應實時處理的需求，并能夠適應從不同孕婦腹部心電中提取到胎兒心電。
【專利說明】一種交互式胎兒心電快速自動提取方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于醫(yī)療器械中非侵入式胎兒心電信號處理【技術領域】，具體是涉及一種可 由一路低信噪比母體腹部心電信號中自動快速提取純凈胎兒心電信號的方法。

【背景技術】
[0002] 非侵入式胎兒心電監(jiān)護儀的工作原理主要是通過母體腹部外電極測量模擬心電 信號，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再經(jīng)相應的算法對數(shù)字母體腹部信 號進行處理以提取純凈的胎兒心電信號，最后對提取到的胎兒心電信號進行特征提取，將 所提取到的特征提供給醫(yī)生作診斷。從功能上來說，胎兒心電監(jiān)護儀需提取到純凈的胎兒 心電信號，否則其所提供的胎兒心電特征信息是不準確的，起不到胎兒健康監(jiān)護的作用。因 此，胎兒心電提取算法是胎兒心電監(jiān)護中的關鍵技術。
[0003] 近幾十年來，國內(nèi)外專家提出了許多胎兒心電提取方法。目前胎兒心電提取的方 法主要基于：匹配濾波法、自適應濾波法、奇異值分解法、小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡和獨立分量分 析法。每一種方法都存在著一定的局限性，因此對于準確提取胎兒心電并將算法應用到胎 兒心電實時監(jiān)護系統(tǒng)中仍然需要繼續(xù)研究。本發(fā)明是基于小波變換的方法，小波變換的方 法能對信號進行多尺度細化進而局部分析信號，因此在非平穩(wěn)信號(特別是心電信號）的分 析上具有很大優(yōu)勢。有些研究將小波變換方法與盲源分離方法、獨立分量分析方法以及神 經(jīng)網(wǎng)絡等方法結合起來提取胎兒心電信號。目前單獨基于小波變換的胎兒心電檢測算法主 要有兩類工作原理：（1)將母體腹部提取到的心電信號進行小波分解，根據(jù)每個尺度上(或 每一級）的信號波形進行分析，通過閾值法對小波系數(shù)直接處理提取出母體心電成分，通過 反傅里葉變換獲取母體心電信號模板，最后用母體腹部信號減去母體心電模板獲取胎兒心 電信號；（2)將母體腹部的心電信號進行小波分解，提取每個尺度上(或每一級）信號的特 征，通過對小波系數(shù)進行處理獲取另外一種表達方式的特征值，檢測與母體心電信號相關 的特征，然后利用這些特征來重構母體心電信號的小波系數(shù)繼而得到母體心電，最后用母 體腹部信號減去母體心電獲取胎兒心電信號。本發(fā)明提出的胎兒心電提取方法基于第二種 工作原理，在濾波方法、特征檢測及構造母體心電信號的算法上進行了較大改進。
[0004] 小波提取胎兒心電的方法是根據(jù)經(jīng)驗視采集的腹部信號使用?；谛〔ㄗ儞Q的胎 兒心電信號提取算法一般先分析母體腹部心電信號的小波分解結果，然后根據(jù)分解結果的 特征進行下一步處理。分解結果可能會有很多情況，需根據(jù)實際的情況來做不同的處理，很 難找到一個通用的方法來提取純凈胎兒心電信號，需要調(diào)整各種參數(shù)(如分解層數(shù)，小波系 數(shù)閾值，特征閾值等)來適應不同的信號。因此，胎兒心電提取的結果受到一定經(jīng)驗的影響， 在自動控制上存在很大困難，對用戶知識水平要求高，這樣的處理算法難以應用于儀器中。 其原因如下： (1)由于胎兒心電信號個體差異性特征以及不同檢測儀器的檢測能力問題，檢測儀器 所提供的母體腹部心電信號存在著很大的差異。采集到的腹部心電信號除包含小幅值的胎 兒心電信號外，還包含幅值很大的母體心電以及工頻干擾、呼吸干擾、肌電干擾等。在這種 低信噪比下，即使利用了小波方法的局部時頻分析特性，各種噪聲及干擾的處理要求依然 很高，提取胎兒心電存在很大的困難； (2) 部分胎兒心電提取算法基于連續(xù)小波變換或是離散小波變換，連續(xù)小波變換與離 散小波變換都是時變的，起始點不一樣，則變換后的結果不一樣。起始點的選取在某種程度 上影響后續(xù)信號處理的效果，且這兩種時變的變換不易定位母體心電與胎兒心電，易造成 獲取到的信號不是胎兒心電的可能； (3) 基于平穩(wěn)小波變換或者二進小波變換的胎兒心電提取算法，是非時變的變換。只 是，目前無論是直接處理時頻域上的各級小波系數(shù)，還是先通過小波系數(shù)提取特征點再構 造母體心電模板，還是存在需局部考慮信號的缺點。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對上述存在問題和不足，提供一種操作容易，穩(wěn)定性好，算法 模型結構簡單且提取準確率高，能有效地解決基于小波提取胎兒心電信號算法中難以移植 應用于實時胎兒心電監(jiān)護系統(tǒng)的弊端的交互式胎兒心電快速自動提取方法。
[0006] 本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的： 本發(fā)明所述的交互式胎兒心電快速自動提取方法，其特點是包括如下步驟： 1) 對母體腹部心電信號進行預處理，主要去除較易濾掉的工頻干擾和高頻噪聲干擾； 2) 將預處理后的母體腹部心電信號進行平穩(wěn)小波時頻變換； 3) 對小波細節(jié)系數(shù)進行特征提取； 4) 檢測與母體腹部心電信號成分相關的特征并構造出母體心電模板； 5) 從預處理后的母體腹部心電信號中除去已構造出來的母體心電模板，從而得到胎兒 心電信號。
[0007] 具體地，上述步驟1)中僅對易去除的工頻干擾和高頻噪聲干擾分別用巴特沃斯帶 阻濾波器和巴特沃斯低通濾波器去除。
[0008] 上述步驟2)和步驟4)中分別對相應參數(shù)做接口設計，并給出經(jīng)驗值，給予用戶簡 單調(diào)整以獲取更好的效果。
[0009] 上述步驟2)是對預處理后的母體腹部心電信號進行N級平穩(wěn)小波分解，分解級數(shù) 為用戶可更改參數(shù)，默認分解級數(shù)為經(jīng)驗值，依據(jù)平穩(wěn)小波時頻變換后的最高級上的小波 概貌系數(shù)是否存在胎兒心電成分來提供選擇的分解級數(shù)，小波分解級數(shù)N選擇需使最高級 上的小波概貌系數(shù)以及細節(jié)系數(shù)不存在胎兒心電成分，實驗經(jīng)驗為分解級數(shù)大于或者等于 6均可得到滿足要求的分解。
[0010] 上述步驟3)是對平穩(wěn)小波分解后的每一級小波細節(jié)系數(shù)計算其模極大值，當小波 模極大值落在尺度s上的％位置時，有：

【權利要求】
1. 一種交互式胎兒心電快速自動提取方法，其特征在于包括如下步驟： 1) 對母體腹部心電信號進行預處理，主要去除較易濾掉的工頻干擾和高頻噪聲干擾； 2) 將預處理后的母體腹部心電信號進行平穩(wěn)小波時頻變換； 3) 對小波細節(jié)系數(shù)進行特征提取； 4) 檢測與母體腹部心電信號成分相關的特征并構造出母體心電模板； 5) 從預處理后的母體腹部心電信號中除去已構造出來的母體心電模板，從而得到胎兒 心電信號。
2. 根據(jù)權利要求1所述交互式胎兒心電快速自動提取方法，其特征在于上述步驟1)中 僅對易去除的工頻干擾和高頻噪聲干擾分別用巴特沃斯帶阻濾波器和巴特沃斯低通濾波 器去除。
3. 根據(jù)權利要求1所述交互式胎兒心電快速自動提取方法，其特征在于上述步驟2 )和 步驟4)中分別對相應參數(shù)做接口設計，并給出經(jīng)驗值，給予用戶簡單調(diào)整以獲取更好的效 果。
4. 根據(jù)權利要求1所述交互式胎兒心電快速自動提取方法，其特征在于上述步驟2)是 對預處理后的母體腹部心電信號進行N級平穩(wěn)小波分解，分解級數(shù)為用戶可更改參數(shù)，默 認分解級數(shù)為經(jīng)驗值，依據(jù)平穩(wěn)小波時頻變換后的最高級上的小波概貌系數(shù)是否存在胎兒 心電成分來提供選擇的分解級數(shù)，小波分解級數(shù)N選擇需使最高級上的小波概貌系數(shù)以及 細節(jié)系數(shù)不存在胎兒心電成分，實驗經(jīng)驗為分解級數(shù)大于或者等于6均可得到滿足要求的 分解。
5. 根據(jù)權利要求1所述交互式胎兒心電快速自動提取方法，其特征在于上述步驟4)只 對特定的一級的特征采用閾值法檢測出大于閾值的特征，該級的選定標準為：下一級特征 中不含胎兒心電成分，選定級的特征中具有的胎兒心電成分相對母體心電成分小很多；并 對提取到的模極大值進行閾值處理，選定級的值為用戶可修改參數(shù)，提供參數(shù)值為比分解 層數(shù)經(jīng)驗值小1或者更小一點的數(shù)，經(jīng)驗值為5 ; 選定第k級，閾值定為Γ/ir+++++Cm,C為常量，N為分解的級數(shù)，閾值函數(shù)為： wpeak (l%:)=wpeak (k,:). *(abs(wpeak (k,; ))>Thr) 其中，為第k級上的小波模極大特征值序列；該處理后，自動將大于該級 的后面幾級的模極大值保留，小于該級的前面幾級的模極大值設置為零，模極大值選取結 束； 其構造母體心電模板的具體步驟如下： 4. 1)將預處理后母體腹部心電信號平穩(wěn)小波分解結果的最高級上小波概貌系數(shù)保留， 所有級上的小波細節(jié)系數(shù)都設置為零； 4. 2)將選取的模極大值利用交替投影法構造母體心電模板的小波細節(jié)系數(shù)，然后使用 預處理后母體腹部心電信號最高級上的小波概貌系數(shù)與交替投影法構造的母體心電模板 的小波細節(jié)系數(shù)作逆平穩(wěn)小波變換重構母體心電模板，再對重構的母體心電模板進行N級 平穩(wěn)小波分解，所有級上的小波細節(jié)系數(shù)為新循環(huán)使用，前面所有處理為一個循環(huán)，默認循 環(huán)次數(shù)為經(jīng)驗值； 4. 3)將預處理后母體腹部心電信號平穩(wěn)小波分解結果的最高級上小波概貌系數(shù)與第 二步中構造出來的小波細節(jié)系數(shù)作逆平穩(wěn)小波變換構造出最終母體心電模板。
6.根據(jù)權利要求1所述交互式胎兒心電快速自動提取方法，其特征在于上述步驟5)中 胎兒心電信號計算公式為： /W=?0*?00)-"W 其中,/(4為母體腹部胎兒心電信號，故1>為工頻噪聲和高頻噪聲干擾，&〇!：>為母體心 電模板，母體心電模板還包含基線漂移低頻噪聲和干擾。
【文檔編號】A61B5/0444GK104305992SQ201410311531
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權日:2014年7月2日
【發(fā)明者】蔣慶, 劉飏, 廖瓊 申請人:中山大學