专利名称：一种采用多导信号融合方式分离提取胎儿心电图的方法
技术领域：
本申请涉及一种采用多导信号融合方式分离提取胎儿心电图(FECG)的方法。所谓胎儿心电图是指消除了干扰噪声后的胎儿心电信号的完整波形。有了胎儿心 电图，不仅可以知道胎心率，也可以知道其S-T段、PQRS时限等参数，根据这些参数可对胎 儿的健康状况，如宫内缺氧、先天性心脏病等，做出判断。要获取胎儿心电图，首先要进行胎儿心电数据的采集。比较实用的胎儿心电数据 采集方式是非侵入采集方式，它的特点是——至少要有一个导联来自母体腹部的体表。从孕妇腹部体表采集的心电信号，不仅包括了胎儿心电成分，还包括了母体心电 成分和其他干扰噪声，而且占主要绝对地位的是母体分量和干扰噪声，胎儿心电信号被淹 没其中。如何把胎儿心电信号从母体腹部表面拾取的信噪比极低的母胎混合心电信号中分 离提取出来是获取胎儿心电图的一个技术难题。胎儿心电信号的分离提取包括两大步骤一，估计母体心电成分、把估计的母体心 电成分从母体腹部拾取的母胎混合心电信号中分离出去，获得胎儿心电信号的初步估计或 者说粗略估计，不妨，将这样的分离提取过程称为第一级分离提取；二，从第一级分离提取 获得的胎儿心电信号初步估计中，进一步分离去一些干扰噪声，获得胎儿心电信号的最终 估计或者说精确估计，不妨将这样的过程称为第二级分离提取。第一级分离提取至关重要， 它是第二级分离提取的基础。不管是胎儿心电图的第一级分离提取还是第二级分离提取，其分离提取方法可以 划分为单路信号单独分离提取方法和多路信号融合分离提取方法两大类。单路信号单独分 离提取方法，在一路混合心电信号上单独下功夫、挖掘潜力、分离提取胎儿心电图；多路信 号融合分离提取方法，则通过对多路信号的融合(fusion)处理来分离提取胎儿心电图或 者说提高胎儿心电图的信噪比；通常，认为多路信号融合分离提取方法有更大的潜力。在第一级分离提取中，多路信号融合分离提取方法中的多路信号就是基于多个导 联检测的多导信号。本专利申请就是涉及一种采用多导信号融合方式分离提取胎儿心电图 的方法，它是关于第一级分离提取的一种方法。
背景技术：
现有的在第一级分离提取中采用多导信号融合方式的胎儿心电图分离提取方法， 主要是独立分量分析法(Incbpendent Component Analysis, ICA)和直接自适应建模法。独立分量分析法。独立分量分析法的原理是认为检测的多导信号是未知的三个 独立源信号“母体心电信号”、“胎儿心电信号”和“其他干扰噪声”的线性组合；换句话说， 反过来，未知的三个独立源信号“母体心电信号”、“胎儿心电信号”和“其他噪声干扰”，也是 检测的多导信号的一种线性组合，不妨称为逆线性组合；基于“独立源信号具有最大非高斯 性”这一先验知识作为准则，来优化求解此逆线性组合，可给出三个独立源信号的估计—— 其中一个便是对胎儿心电信号的估计。ICA方法作为一个线性模型方法，用于处理多导信号 间实质存在的非线性和时延关系时，自然具有一定局限性。
直接自适应建模法。此方法的原理是将检测的一路或几路肢导或胸导信号，都 看成纯净的母体心电信号，以它们作为参考信号；将检测的一路腹导信号，看成胎儿心电信 号、干扰噪声和与参考信号线性或非线性相关的一个母体心电成分的组合，以此腹导信号 作为主信号；建立主信号每个点与参考信号对应点的相关模型(考虑到时延因素，建立相 关模型时应将参考信号在时间上的完全对应点及其邻域若干点一并纳入模型)，实现对主 信号中的参考信号相关分量的估计；用主信号减去估计的其中的参考信号相关分量，则得 到胎儿心电图的估计。现有的直接自适应建模法，考虑了信号的时变特征、非线性特征和时 延特征，但没有象ICA那样较好地去利用统计特征，也有一定的局限性。以上两种采用多导信号融合方式的胎儿心电图(FECG)第一级分离提取方法，由 于方法的局限性，在实际分离提取胎儿心电图时，分离提取成功率低或分离提取的波形质 量差。参考文献[ljMonica Healthcare Limited, Fetal Surveillance，欧洲专利EP1941832A1， 申请号:07012903. 6[2]河南华南医电科技有限公司，胎儿心电图机，2006年5月，中国实用新型专利 Z1200520111843. 5[3]E. R. Ferrara and B. ffidrow, "Fetal electrocardiogram enhancement by time sequenced adaptive filtering,，，IEEE Trans. Biomed. Eng. , vol. BME-29, pp.458-460，1982[4]M. Martinez, E. Soria, J. Calpe, J. F. Guerrero, and J. R. Magdalena, "Application of the adaptive impulse correlated filter forrecovering fetal electrocardiogram,，，in Proc. Comput. Cardiol.，Lund, Sweden, 1997, pp. 9-12.[ 5 ] A. Van Oosterom, "Spatial filtering of the fetal electrocardiogram, " J. Perinatal Med.，vol. 14,pp.411-419,1986.[6] V. Zarzoso and A. K. Nandi, "Noninvasive fetal electrocardiogram extraction :blind separation versus adaptive noisecancellation, "IEEE Trans Biomed. Eng, vol. 48, no. 1, pp. 12-18, Jan. 2001.[7]L. De Lathauwer, B.De Moor, and J. Vandewalle, "Fetal electrocardiogram extraction by blind source subspace separation,"IEEE Trans. Biomed. Eng. ,vol. 47, no. 5，pp. 567-572，May 2000.[8]M. G. Jafari and J. A. Chambers, "Fetal electrocardiogram extraction by sequential source separation in the wavelet domain,” IEEE Trans. Biomed. Eng.， vol. 52，no. 3，pp. 390-400，Mar. 2005.[9]De Moor B. L. R. (ed. ) , DaISy database for the Identification of Systems, Department of Electrical Engineering, ESAT/SISTA, K.U. Leuven, Belgium, URL :http://homes, esat. kuleuven. be/ smc/daisy/, 2008, Jun.[10]The MIT :Non_Invasive Fetal Electrocardiogram Database[Online] · Available :http://www. physionet. org/pn3/nifecgdb[11]陆尧胜，梁毓厚用于监测母体子宫收缩活动和控制分娩进程的方法和装置，中国发明专利，申请号03113712. 1[12]刘红星，郑威，肇莹，蒋鑫，宁新宝胎儿心电图的分离提取方法(申请号 200910027979. 0)
发明内容
要解决的技术问题。在胎儿心电图第一级分离提取中，现有的采用多导信号融合方式的方法，分离提 取的成功率低、分离提取的波形质量差。本发明的目的在于，提出更有效的方法，提高多导 信号融合方式分离提取胎儿心电图的成功率和提取波形的质量。技术方案。提出一种采用多导信号融合方式分离提取胎儿心电图的方法，其特征是，包括以 下步骤(1)读取同步采集的孕妇一路腹导电信号和若干路肢导或胸导电信号，把肢导或 胸导电信号统一称为参考信号；(2)基于读取的一路腹导信号和所有路参考信号构造相空 间，将相空间中以每一取样时刻各信号取值为坐标值的点称为状态点，将相空间中各状态 点按时间次序依次连起来，即出现有一定周期特性的演化轨道；(3)对相空间中的每一状 态点，找出位于不同轨道上的离该状态点最近的状态点，将找出的这些状态点称为周期性 关联点；(4)将每一状态点的周期性关联点作为样本点，建立这些样本点中腹导信号与参 考信号间的线性或非线性回归模型，实现对该状态点之腹导信号中的母体心电分量的回归 估计；(5)将每一状态点中的腹导电信号减去回归估计的其母体心电分量，则得到该状态 点腹导信号中胎儿心电分量的估计，至此，该第一级分离提取方法的过程结束。本方法的流 程图见附
图1。以上提出的一种采用多导信号融合方式分离提取胎儿心电图的方法中，第(1)步 读取的作为参考信号的若干路肢导或胸导电信号，可以是一路、也可以是几路，可以全部是 肢导信号，可以全部是胸导信号，也可以部分胸导信号、部分肢导信号。以上提出的一种采用多导信号融合方式分离提取胎儿心电图的方法中，第(2)步 基于读取的一路腹导信号和所有路参考信号构造相空间，将相空间中以每一取样时刻各信 号取值为坐标值的点称为状态点，将相空间中各状态点按时间次序依次连起来形成具有一 定周期特性的演化轨道，这里的相空间就是以一路腹导信号和各参考信号作为坐标轴而张 成的空间。设有两路胸导信号T1(Ii) ^P r2(n)作为参考信号、一路腹导信号ρ (η)作为主信 号，见附图2所示，则以它们为坐标轴可以张成的三维相空间及相空间中的周期性演化轨 道如附图5所示。以上提出的一种采用多导信号融合方式分离提取胎儿心电图的方法中，第(3)步 对相空间中的每一状态点，找出位于不同轨道上的离该状态点最近的状态点——周期性关 联点，这里距离的定义采用欧氏距离，可以找出相空间中全部的周期性关联点用于下一步 建模，也可以仅找出部分的周期性关联点用于下一步建模，但找出的周期性关联点数应多 于参考信号个数。假设还是两路胸导参考信号Α (η)和1~2(11)和一路腹导信号ρ (η)构成的 三维相空间，对相空间中η0取样时刻的状态点s (n0) = Lr1 (η0)，r2 (n0)，ρ (η0)]，在每一个周 期性轨道上都可以找出一个离s ( )最近的一个周期性关联点s (nk)，周期性关联点如附图 5中的“X”符合所示。
5
以上提出的一种采用多导信号融合方式分离提取胎儿心电图的方法中，第(4)步 将每一状态点找出的周期性关联点作为样本点，建立这些样本点中腹导信号与参考信号间 的线性或非线性回归模型，实现对该状态点之腹导信号中母体心电分量的回归估计。设有 对相空间状态点s (n0) = Lr1 (n0)，r2 (n0)，ρ (η0)]找出的周期性关联点集合Cs(n) = {s (n0)，s (Ii1)，· · ·，s Ov1)} (1)= {Lr1 (n0), r2 (n0), ρ (η0) ], Lr1 (Ii1), r2 (Ii1), ρ (η0) ], ···, Lr1 ( ^), r2 ( ^), P (nm-i) 11则可基于此m个周期性关联点作为样本点，建立最小二乘意义下ρ (η)关于参考信 号！^!!)和1~2(11)的线性或非线性回归模型，从而实现对Iltl时刻腹导信号P (Iltl)中的母体心 电分量的估计，不妨记作Pm(IIci)。简单的线性回归建模方法为对两个参考信号的情况，求 解最小二乘意义下方程组O)的一组解￡in，bn，Cn，贝U有pM(nQ) 二知！^!!。)+!^^!!。)+ 。也可 以用支持向量机(SVM)等非线性回归方法实现对Pm(IIci)的估计。
Φο) ri(no) 1 ("l) ^2 ("ι) 权利要求
1. 一种采用多导信号融合方式分离提取胎儿心电图的方法，其特征是，包括以下步骤 (1)读取同步采集的孕妇一路腹导电信号和若干路肢导或胸导电信号，把肢导或胸导电信 号统一称为参考信号；(2)基于读取的一路腹导信号和所有路参考信号构造相空间，将相 空间中以每一取样时刻各信号取值为坐标值的点称为状态点，将相空间中各状态点按时间 次序依次连起来，即出现有一定周期特性的演化轨道；(3)对相空间中的每一状态点，找出 位于不同轨道上的离该状态点最近的状态点，将找出的这些状态点称为周期性关联点；(4) 将每一状态点的周期性关联点作为样本点，建立这些样本点中腹导信号与参考信号间的线 性或非线性回归模型，实现对该状态点之腹导信号中的母体心电分量的回归估计；(5)将 每一状态点中的腹导电信号减去回归估计的其母体心电分量，则得到该状态点腹导信号中 胎儿心电分量的估计。
全文摘要
本发明一种采用多导信号融合方式分离提取胎儿心电图的方法，包括以下步骤(1)读取同步采集的孕妇一路腹导电信号和作为参考信号的若干路肢导或胸导电信号；(2)基于读取的一路腹导信号和参考信号构造相空间，将相空间中各状态点按时间次序依次连起来形成具有一定周期特性的演化轨道；(3)对相空间中的每一状态点，找出位于不同轨道上的离该状态点最近的周期性关联点；(4)将每一状态点的周期性关联点作为样本点，建立这些样本点中腹导信号与参考信号间的线性或非线性回归模型，实现对该状态点腹导信号的母体心电分量的回归估计；(5)腹导电信号减去回归估计的母体心电分量，得到腹导信号中胎儿心电分量的估计。
文档编号A61B5/0444GK102090888SQ201110077240
公开日2011年6月15日 申请日期2011年3月30日 优先权日2011年3月30日
发明者刘红星, 刘铁兵, 吴敏, 宁新宝, 李萍, 汤黎明, 管群, 郑威 申请人:南京大学