一種胎兒心電信號提取裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種胎兒心電信號提取裝置及方法，屬于生物醫(yī)學(xué)信號處理【技術(shù)領(lǐng)域】。信號采集模塊用于對母親腹壁混合信號進(jìn)行采集，并且將處理后的母親腹壁混合信號傳輸給胎兒心電信號提取模塊；胎兒心電信號提取模塊運(yùn)用基于因子分析的胎兒心電信號提取方法對母親腹壁混合信號進(jìn)行處理，提取得到胎兒心電信號；信號顯示模塊用于實(shí)時(shí)顯示該胎兒心電信號。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：采用的裝置設(shè)計(jì)簡單，便于實(shí)現(xiàn)；基于該裝置提取胎兒心電信號過程中不需要人為判斷母親和胎兒心電，避免了人為判斷的差異性帶來的誤差，提取的胎兒心電信號更準(zhǔn)確。
【專利說明】一種胎兒心電信號提取裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)信號處理【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種胎兒心電信號的提取裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前存在很多與心臟相關(guān)的疾病，如果在懷孕期間就檢測到這些疾病相關(guān)的特征，就能有效減少這些疾病的發(fā)病率。心率是一個(gè)人是否健康的最重要的物理指標(biāo)，準(zhǔn)確的檢測出胎兒的心率是一個(gè)極其艱巨的任務(wù)，而且直接關(guān)系到新生兒的發(fā)育和成長。
[0003]心電圖(Electrocardiography,ECG)是利用心電圖機(jī)從體表記錄心臟每一心動(dòng)周期所產(chǎn)生的電活動(dòng)變化圖形的技術(shù)，它是一種低成本、無創(chuàng)的記錄心電信號的方法。目前，獲取胎兒心電信號主要是將多個(gè)電極放置在母親腹部的不同位置，記錄下多導(dǎo)信號，其中就包含了胎兒的心電信號。然而，心電信號很容易受到周圍環(huán)境的影響，比如測量工具產(chǎn)生的噪聲、母親或胎兒運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的電極的移動(dòng)、母親自己的心電等。其中，母親心電對胎兒心電的影響較大，極其容易使胎兒心電淹沒在總體檢測信號中。此外，胎兒的心率比母親的心率快，這樣胎兒心電和母親心電在頻譜成分差異很小，因此要通過頻域上的濾波是很難把它們分開的。
[0004]目前，獲取胎兒心電信號的方法主要包括侵入式和無侵入式心電信號采集法。侵入式，即頭皮電極法，該方法有創(chuàng)傷且只能用在羊膜破裂之后，操作不便。無侵入的方法，即在母親腹部采集到心電信 號，經(jīng)過消噪、算法分離后提取出胎兒心電信號，該方法對母親和胎兒都無傷害，但由于母親和胎兒心電信號的特點(diǎn)，無法用簡單的方法提取出清晰的胎兒心電波形。因此，選擇一種合適的算法成為決定胎兒心電圖質(zhì)量的關(guān)鍵。
[0005]目前也存在一些對胎兒心電信號的提取方法，如匹配濾波法，它是將胸部采集的母親心電和腹部采集的母親胎兒的混合信號相減，從而得到含有噪聲的胎兒心電來對胎兒心電特征進(jìn)行判斷。當(dāng)噪聲過大時(shí)，這種提取方法的效果就很不理想，不能提取出清晰的胎兒心電波形。近年來一種公認(rèn)能較好地提取胎心電信號的方法是盲信號處理，主要是指主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)和獨(dú)立成分分析(IndependentComponent Analysis, ICA)方法。PCA是基于把數(shù)據(jù)投影到最大方差的方向上的二階處理方法，把數(shù)據(jù)投影到和方差相關(guān)的正交坐標(biāo)軸上，將每個(gè)成分對應(yīng)頻域的離散能量帶，但是每個(gè)成分可能在頻域的某些部分是重疊的，并不能較好地提出胎兒信號。ICA雖然采用的是更高階的分析方法，它能夠?qū)⒒旌闲盘査械某煞诌M(jìn)行分離，但由于提取的成分較多，導(dǎo)致每種成分的所含能量較低。此外，雖然這兩種盲信號處理方法能排除一些噪聲(比如運(yùn)動(dòng)、肌電)的干擾，但它們均是通過人為的經(jīng)驗(yàn)判斷從分離出的信號中提取出胎兒的心電信號，由于人為判斷的個(gè)體差異性會(huì)影響胎兒心電信號的準(zhǔn)確提取。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供了一種胎兒心電信號的提取裝置及方法，本發(fā)明中胎兒心電信號的提取是通過三個(gè)模塊來實(shí)現(xiàn)的，設(shè)計(jì)更加簡單，操作更加方便，基于該裝置提取胎兒心電信號的方法能夠很好地去除母親心電信號和噪聲，并且在胎兒心電信號提取過程中沒有人為判斷，提取的胎兒心電信號更平滑干凈，提取的效果更好。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008]一種胎兒心電信號的提取裝置，包括信號采集模塊1、胎兒心電信號提取模塊2、信號顯示模塊3，其中信號采集模塊I對母親腹壁混合信號進(jìn)行采集，并將處理后的母親腹壁混合信號傳輸給胎兒心電信號提取模塊2，胎兒心電信號提取模塊2提取出胎兒心電信號，信號顯示模塊3用于顯示提取出的胎兒心電信號；其中，胎兒心電信號提取模塊2根據(jù)基于因子分析的方法提取胎兒心電信號，胎兒心電信號提取模塊2包括處理單元21、電源模塊22、存儲(chǔ)器23、電源模塊開關(guān)24，其中，電源模塊22的輸出端與處理單元21連接，用于向處理單元21提供電源，電源模塊開關(guān)24與電源模塊連接，控制電源模塊的開啟和關(guān)閉，存儲(chǔ)器23的輸出端與處理單元21的第二輸入端相連接，用于向處理單元21提供胎兒心電信號的提取程序，處理單元21將提取得到的胎兒心電信號輸出到信號顯示模塊3 ;胎兒心電信號提取模塊2基于因子分析的方法提取胎兒心電信號:
[0009]a)對處理后的母親腹壁混合信號進(jìn)行因子分析，提取因子矩陣F，保存各因子對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)矩陣C ；
[0010]b)計(jì)算步驟a)中所有因子對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)矩陣C的特征值矩陣D和特征值向量V,計(jì)算出因子矩陣對應(yīng)的載荷矩陣A = D1/2*V ；
[0011]c)保存信噪比最 大的兩個(gè)因子，將其他因子置零，得到因子矩陣F1 ；
[0012]d)利用步驟b)中得到的載荷矩陣A還原保留的兩路心電信號X1，計(jì)算公式為X1=A^F1 ；
[0013]e)輸出兩路信號中幅值較小的信號。
[0014]一種胎兒心電信號的提取方法，主要包括以下步驟:
[0015]步驟1:在母親腹部體表η處不同位置放置電極，其中，η大于或等于3，利用心電采集系統(tǒng)記錄下母親、胎兒以及噪聲相互混合的心電信號；
[0016]步驟2:對采集得到的混合心電信號進(jìn)行預(yù)處理，包括濾掉50Hz工頻干擾和去基線漂移，得到預(yù)處理后的信號X ；
[0017]步驟3:對預(yù)處理后的信號X進(jìn)行因子分析，提取因子矩陣F，保存各因子對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)矩陣C ；
[0018]步驟4:計(jì)算步驟3中所有因子對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)矩陣C的特征值矩陣D和特征值向量V，計(jì)算出因子矩陣對應(yīng)的載荷矩陣A = D1/2*V ；
[0019]步驟5:對因子分析后的所有因子按信噪比進(jìn)行排序，自動(dòng)找出信噪比最大的兩個(gè)因子保留，這兩個(gè)因子就是母親心電信號和胎兒心電信號所對應(yīng)的因子，將其他因子置零，得到因子矩陣F1;
[0020]步驟6:利用步驟4中得到的載荷矩陣A還原保留的母親和胎兒的兩路心電信號X1，計(jì)算公式為X1 = A*Fi ；
[0021]步驟7:輸出兩路信號中幅值較小的信號即為胎兒心電信號。
[0022]其中，步驟7中輸出胎兒心電信號是根據(jù)母親和胎兒心電信號幅值的差異，即胎兒心電信號的幅值約為母親心電信號幅值的三分之一，因此幅值較小的為胎兒心電信號。[0023]本發(fā)明的有益效果為:
[0024]1、本發(fā)明采用基于因子分析的胎兒心電信號提取模塊，設(shè)計(jì)簡單，便于實(shí)現(xiàn)。
[0025]2、在本發(fā)明采用的提取胎兒心電信號的整個(gè)信號處理過程中不需要人為判斷和分辨母親心電信號和胎兒心電信號成分，避免了人為判斷差異性帶來的誤差，提取的胎兒心電信號更準(zhǔn)確。
[0026]3、采用本發(fā)明方法提取的胎兒心電信號能夠有效去除噪聲信號，提取的效果相對常規(guī)的獨(dú)立成分分析更準(zhǔn)確，得到的心電信號的波形更干凈平滑，為以后的胎兒心電信號的處理和研究提供了一定的幫助。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是胎兒心電信號提取裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖2是本發(fā)明胎兒心電信號提取裝置中胎兒心電信號提取模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖3是本發(fā)明提取胎兒心電信號的流程圖。
[0030]圖4是實(shí)施例中采集得到的一段IOs的胎兒和母親的混合心電信號。
[0031]圖5采用本發(fā)明方法提取得到的母親和胎兒的心電信號。圖5 (a)為本發(fā)明方法提取得到的母親心電信號；圖5 (b)為本發(fā)明方法提取得到的胎兒心電信號。
[0032]圖6是采用本發(fā)明方法和獨(dú)立成分分析方法得到的胎兒心電信號的對比。其中，圖6 (a)為本發(fā)明方法提取得到的胎兒心電信號；圖6 (b)為獨(dú)立成分分析方法提取得到的胎兒心電信號。 【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0034]如圖1所示，本發(fā)明提供了一種胎兒心電信號的提取裝置，包括信號采集模塊1、胎兒心電信號提取模塊2和信號顯示模塊3，信號采集模塊I的輸出端與胎兒心電信號提取模塊的2的輸入端連接，胎兒心電信號提取模塊2的輸出端與信號顯示模塊3的數(shù)據(jù)輸入端連接。信號采集模塊I用于對母親腹壁混合信號進(jìn)行采集，對應(yīng)地得到處理后的母親腹壁混合信號，胎兒心電信號提取模塊2用于將母體腹壁混合信號根據(jù)基于因子分析的方法提取得到胎兒心電信號，信號顯示模塊3用于實(shí)時(shí)顯示胎兒心電信號；胎兒心電信號提取模塊2基于因子分析的方法提取胎兒心電信號的具體方法為:
[0035]a)對處理后的母親腹壁混合信號進(jìn)行因子分析，提取因子矩陣F，保存各因子對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)矩陣C ；
[0036]b)計(jì)算步驟a)中所有因子對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)矩陣C的特征值矩陣D和特征值向量V,計(jì)算出因子矩陣對應(yīng)的載荷矩陣A = D1/2*V ；
[0037]c)保存信噪比最大的兩個(gè)因子，將其他因子置零，得到因子矩陣F1 ；
[0038]d)利用步驟b)中得到的載荷矩陣A還原保留的兩路心電信號X1，計(jì)算公式為X1=A^F1 ；
[0039]e)輸出兩路信號中幅值較小的信號。
[0040]如圖2所示，胎 兒心電信號提取模塊2包括處理單元21、電源模塊22、存儲(chǔ)器23、電源模塊開關(guān)24，其中，電源模塊22的輸出端與處理單元21連接，該電源模塊22向處理單元21提供電源，電源模塊開關(guān)24與電源模塊22連接，控制所述電源模塊的開啟和關(guān)閉，存儲(chǔ)器23的輸出端與處理單元21的第二輸入端相連接，用于存儲(chǔ)胎兒心電信號提取算法的程序，處理單元21將提取得到的胎兒心電信號輸出到所述信號顯示模塊3。
[0041]本發(fā)明還提供了胎兒心電信號提取方法，具體步驟為:
[0042]步驟1:在母親腹部體表3處不同位置放置電極，利用心電采集系統(tǒng)記錄下母親和胎兒心電以及噪聲相互混合的一段IOs的心電信號,米樣率為256Hz ；
[0043]步驟2:對采集得到的混合心電信號進(jìn)行濾掉50Hz工頻干擾和去基線漂移處理，得到號X ；
[0044]步驟3:對信號X進(jìn)行因子分析，提取因子矩陣F，同時(shí)保存各因子對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)矩陣C ；
[0045]步驟4:計(jì)算步驟3中所有因子對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)矩陣C的特征值矩陣D和特征值向量V，計(jì)算出因子矩陣對應(yīng)的載荷矩陣A = D1/2*V ；
[0046]步驟5:對因子分析后的所有因子按信噪比進(jìn)行排序，自動(dòng)找出信噪比最大的兩個(gè)因子保留，這兩個(gè)因子就是母親心電信號和胎兒心電信號所對應(yīng)的因子，將其他因子置零，得到因子矩陣F1;
[0047]步驟6:利用步驟4中得到的載荷矩陣A還原保留的母親和胎兒的兩路心電信號X1，具體計(jì)算公式為X1 = A=KF1 ；
[0048]步驟7:結(jié)合母親心電信號和胎兒心電信號幅值特征的差異，即胎兒心電信號的幅值約為母親心電信號幅值的三分之一，找出兩路心電信號中幅值較小的信號即為胎兒心電信號。
[0049]圖4為步驟I中采集得到的3導(dǎo)10s的混合心電信號(包含母親心電、胎兒心電和其他噪聲等)，由圖4可知，該混合心電信號受到很強(qiáng)的噪聲干擾，同時(shí)胎兒心電被母親心電淹沒，很難從中找出胎兒心電信號。
[0050]圖5為本發(fā)明提取出的母親和胎兒的心電信號，其中提取出的胎兒心電信號是母
親心電信號的三分之一左右。
[0051]圖6為采用本發(fā)明方法和獨(dú)立成分分析方法提取得到的胎兒心電信號。圖6 (a)為本發(fā)明方法提取得到的胎兒心電信號；圖6 (b)為獨(dú)立成分分析方法提取得到的胎兒心電信號。由圖6可知，本發(fā)明方法提取得到的胎兒心電信號更加平滑，受噪聲影響更小，提取的效果更好。
【權(quán)利要求】
1.一種胎兒心電信號的提取裝置，包括信號采集模塊(I)、胎兒心電信號提取模塊(2)、信號顯示模塊(3)，其中所述信號采集模塊(I)對母親腹壁混合信號進(jìn)行采集，并將處理后的母親腹壁混合信號傳輸給所述胎兒心電信號提取模塊(2)，所述胎兒心電信號提取模塊(2)提取出胎兒心電信號，所述信號顯示模塊(3)用于顯示提取出的胎兒心電信號； 其特征在于，所述胎兒心電信號提取模塊(2)包括處理單元(21)、電源模塊(22)、存儲(chǔ)器(23)、電源模塊開關(guān)(24)，所述電源模塊(22)的輸出端與所述處理單元(21)連接，用于向所述處理單元(21)提供電源，所述電源模塊開關(guān)(24)與所述電源模塊連接，控制所述電源模塊的開啟和關(guān)閉，所述存儲(chǔ)器(23)的輸出端與所述處理單元(21)的第二輸入端相連接，用于向所述處理單元(21)提供胎兒心電信號的提取程序，所述處理單元(21)將提取得到的胎兒心電信號輸出到所述信號顯示模塊(3); 所述胎兒心電信號提取模塊(2)基于因子分析的方法提取胎兒心電信號: a)對處理后的母親腹壁混合信號進(jìn)行因子分析，提取因子矩陣F，保存各因子對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)矩陣C ； b)計(jì)算步驟a)中所有因子對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)矩陣C的特征值矩陣D和特征值向量V，計(jì)算出因子矩陣對應(yīng)的載荷矩陣A = D1/2*V ； c)保存信噪比最大的兩個(gè)因子，將其他因子置零，得到因子矩陣F1； d)利用步驟b)中得到的載荷矩陣A還原保留的兩路心電信號X1，計(jì)算公式為X1=A*F!； e)輸出兩路信號中幅值較小的信號。
2.一種胎兒心電信號的提取方法，主要包括以下步驟: 步驟1:在母親腹部體表η處不同位置放置電極，其中，η大于或等于3，采集心電信號； 步驟2:對采集得到的心電信號進(jìn)行預(yù)處理，包括濾掉50Hz工頻干擾和去基線漂移，得到預(yù)處理后的信號X ; 步驟3:對預(yù)處理后的信號X進(jìn)行因子分析，提取因子矩陣F，保存各因子對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)矩陣C ； 步驟4:計(jì)算步驟3中所有因子對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)矩陣C的特征值矩陣D和特征值向量V,計(jì)算出因子矩陣對應(yīng)的載荷矩陣A = D1/2*V ； 步驟5:保存信噪比最大的兩個(gè)因子，將其他因子置零，得到因子矩陣F1 ； 步驟6:利用步驟4中得到的載荷矩陣A還原保留的兩路心電信號X1，計(jì)算公式為X1 =A*F!； 步驟7:輸出兩路信號中幅值較小的信號。
【文檔編號】A61B5/0444GK103876731SQ201410115375
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月25日
【發(fā)明者】李凌, 譚波, 金貞蘭 申請人:電子科技大學(xué)