基于胎儿心率曲线的胎儿安静睡眠周期提取方法
【专利摘要】本发明公开了基于胎儿心率曲线的胎儿安静睡眠周期提取方法，包括信号输入模块，减速识别模块，安静睡眠周期识别模块，结果输出模块。其中：信号输入模块包括信号预处理与减速片段提取，胎儿安静睡眠周期识别模块包括有效信号选取、参数计算以及安静睡眠周期识别。结果输出为安静睡眠周期次数、最长持续时间和平均持续时间等参数。该方法可利用胎心监护仪器获得的原始数据提取出胎儿的安静睡眠周期并输出相关参数，有效提高对电子胎心监护图的解读效率。
【专利说明】
基于胎儿心率曲线的胎儿安静睡眠周期提取方法
技术领域
[0001] 本发明涉及生物医学信号处理领域，具体是一种电子胎心监护中基于胎儿心率曲 线的胎儿安静睡眠周期提取方法。
【背景技术】
[0002] 电子胎心监护技术是产科临床应用十分广泛的胎儿心率监测手段，是了解胎儿宫 内情况和胎儿储备能力的重要方法。其中无应激试验(non-stress test，NST)主要用于产 前监测，对胎儿进行20~40分钟的胎儿心率监测并记录得到的胎儿心率图形。胎儿心率曲 线中蕴含着丰富的有关胎儿的神经与心血管功能信息，其所表现出来的形态、振幅强度与 一定的周期性等方面的综合信息在相当程度上反映出胎儿在宫内的生理状态。胎儿心率信 号中的安静睡眠周期作为胎儿电子监护图形中的重要组成部分，是胎儿心率满足基线变异 小于特定阈值、持续时间大于特定阈值的心率片段，在安静睡眠周期内胎儿处于安静睡眠 状态。胎儿在安静睡眠状态下其心率信号在监护图形上的波动较为平缓。
[0003] 目前对胎儿心率信号安静睡眠周期的评估主要是通过对监护图形的手工测量与 计算和肉眼识别的方法来判定，对胎儿心率信号的分析与研究不够准确，对胎儿安静睡眠 周期所含有的信息提取不够充分。利用数字信号处理技术，对胎儿心率信号计算机化分析， 可获取更为客观的参数值，有助于得到更为全面的胎儿安静睡眠相关信息。
【发明内容】
[0004] 现有的技术方案主要是利用多路电极传感器采集孕妇与胎儿的心电信号，对采集 获得的心电信号进行滤波等方法处理并由特定算法得到胎儿心率。利用胎儿心率曲线的形 态学特征来识别胎儿安静睡眠周期。产前胎儿的监护是一个综合复杂的过程，以主观判读 的方法从监护图形中获取的胎儿安静睡眠周期信息不够客观，且不同判读者之间得出的结 果差异性较大，仅依靠肉眼对胎儿安静睡眠周期进行识别，效率较低并且会丢失除时域以 外在频域或者由非线性参数提供的更多信息。
[0005] 为解决上述问题，本发明提出了一种胎儿心率信号曲线的胎儿安静睡眠周期提取 方法，胎儿安静睡眠周期是利用电子胎心监护长时间的胎儿心率数据以及胎儿安静睡眠周 期定义计算获得，具有较明确的生理意义，结合胎儿心率的加速、减速、基线、基线变异以及 其它电子胎心监护中的参数，能够从胎儿心率信号中获得更为全面的信息。应用提取出的 胎儿安静睡眠周期片段，计算相关特征参数，可以对胎儿的安静睡眠状态的相关信息加以 分析。
[0006] 为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为:基于胎儿心率曲线的胎儿安静睡 眠周期提取方法，其特征在于:包括信号输入模块、减速识别模块、安静睡眠周期识别模块、 结果输出模块。信号输入模块、减速识别模块、安静睡眠周期识别模块、结果输出模块依次 相连，胎儿心率信号输入信号输入模块后在减速识别模块对胎儿心率信号进行预处理并识 别出减速片段，在安静睡眠周期识别模块中进行有效信号选取及特定参数计算后提取出胎 儿安静睡眠周期，之后在结果输出模块计算出胎儿安静睡眠周期的最长持续时间、次数、平 均持续时间及安静睡眠周期占整体监护时间的比例，最后将这些参数输出。
[0007] 所述信号输入模块，接收电子胎心监护仪器实测的信号F(t)，F(t)中包含母亲心 率信号、胎儿心率信号、母亲移动次数和子宫肌电信号，并从信号F(t)中分离出胎儿心率信 号f(t)〇
[0008] 所述减速识别模块，对分离得到的胎儿心率信号f(t)进行预处理，并利用减速定 义提取识别出胎儿心率减速片段，以下为减速具体识别方法。
[0009] 首先对胎儿心率信号f(t)进行预处理，将f(t)分为N段特定长度的胎儿心率信号 片段f(k)，每一段胎儿心率信号片段f(k)中胎儿心率等于0的为丢失信号f(ko)，其长度为1 (f(ko))，与该段胎儿心率信号片段f (k)的长度l(f (k))之比作为信号丢失率
?，筛选出满足信号丢失率lost小于特定阈值low的胎儿心率信号片段g(k)，BP 满足条件
其中g(ko)为胎儿心率信号片段g(k)中胎儿心率等于0的丢失 信号，I ( g ( k 〇 ))为g ( k 〇 )的长度。则监护胎儿心率信号时间总长度为
>其中N为满足彳目号丢失率lost小于特定阈值low的胎儿心率彳目号 片段g(k)的个数。
[0010] 然后识别胎儿心率减速片段，对于输入的胎儿心率信号g(k)，若满足胎儿心率g (1〇〇3(1〇成立，则开始计数，当8(1^」）>13(1^」)成立时则停止计数(计数不包括第3」个胎 儿心率，故有0,1,2. . . (aj-Ι)共aj个数值），此时如果计数值aj彡mi且满足g(krXb(kr)-m2 (其中1^#[1^+&厂1]，1111与111 2为特定阈值且都大于零），则该段胎儿心率片段为减速片段8(1 (k) 〇
[0011] 所述安静睡眠周期识别模块，在筛选出有效信号e(t)之后，利用e(t)计算特征参 数c，识别出胎儿安静睡眠周期，以下为胎儿安静睡眠周期具体识别方法。
[0012] 首先是筛选有效信号e(t)。对于胎儿心率信号g(k)，将其分为定长为一分钟的信 号片段min(k)。如果长度为一分钟的胎儿心率信号min(k)满足以下两个条件中任何一个， 则舍弃该段胎心率信号。条件一:信号min(k)中含有判定为胎儿心率减速片段gd(k)的部分 或者全部;条件二:信号min(k)的丢失率lost>40%，其中
，I(min(kQ))为信 号min(k)中胎儿心率等于0的长度，l(min(k))为信号min(k)的长度。在对定长为一分钟的 胎儿心率信号min(k)进行判断并舍弃满足条件的信号之后，剩余一分钟长度的胎儿心率信 号片段为有效信号片段e(k)，所有的一分钟长度信号e(k)的集合则为有效信号e(t)。
[0013] 然后利用有效胎儿心率信号e(t)计算出特征参数c。每一分钟长度的有效信号e (k)都会对应计算出一个特征参数c。计算公式如下：
[0014]
[0015] 其中b(k)为心率信号e(k)对应的基线心率。max(e(k))为e(k)中最大胎儿心率值， min(e(k))为e(k)中最小胎儿心率值。max(b(k))为该段有效信号e(k)对应的最大基线心率 值，min(b(k))为该段有效信号e(k)对应的最小基线心率值。
[0016] 最后识别出胎儿安静睡眠周期。设定有效胎儿心率信号e(t)长度为M分钟，则对应 会计算出特征参数c为M个，其中第i分钟对应的特征参数为c (i )。将M个特征参数c折叠成 (M-5)行6列的矩阵D。矩阵D如下所示：
[0017]
[0018] 矩阵D每行为六分钟有效胎儿心率信号对应的六个特征参数，D(i)表示矩阵第i 行，其包含第i分钟到第i+5分钟有效信号对应的特征参数。对矩阵D的每一行进行如下比 较:D(i)中的六个特征参数C(i) C(i+l)C(i+2)C(i+3)C(i+4)c(i+5)分别与特定阈值m 3第进 行比较，如果六个特征参数中有五个或者六个特征参数小于等于特定阈值m3,则D(i)为胎 儿安静睡眠片段。故胎儿安静睡眠片段持续时间最短为六分钟，如果判定结果D(i)和D(i+ 1)都为胎儿安静睡眠片段，则从第i分钟到i+6分钟总计持续时间七分钟为胎儿安静睡眠片 段。记第j次胎儿安静睡眠周期持续时间为T(j)，胎儿安静睡眠周期出现共计η次。
[0019]所述结果输出模块，在计算出胎儿安静酬民周期的最长持续时间max(T(j))、次数 n、平均持续时间mean(T(j))及胎儿安静睡眠周期占整体监护时间的比例rate之后，将这些 胎儿安静睡眠相关参数输出。
[0020] 首先从胎儿安静睡眠周期片段中选出最长持续时间max(T(j))。计算出胎儿安静 睡眠周期平均持续时间mean(T( j)) meanOX j))计算公式如下：
[0021]
[0022] 胎儿安静睡眠周期占整体监护时间的比例rate计算公式如下：
[0023]
[0024] 最后将上述计算出的胎儿安静睡眠周期参数结果输出。
[0025] 胎儿心率安静睡眠周期提取的有益效果在于：
[0026] 该方法仅需输入电子胎儿心率监护仪器的实测原始信号，即可分从中离出胎儿心 率信号，并通过信号预处理、胎儿心率减速识别、特征参数计算等步骤获取该胎儿心率信号 的安静睡眠周期片段与相关参数。步骤简单方便，提出了一种胎儿安静睡眠周期的提取方 法，并计算出一些相关时域参数，改善了关于胎儿安静睡眠周期较难识别的情况。在实际应 用过程中可减少通过目测方法带来的误差，有效提高关于胎儿心监护图的解读效率。
【附图说明】
[0027] 图1为胎儿安静睡眠周期及其参数提取结构框图。
[0028] 图2为胎儿安静睡眠周期及其特征参数提取操作流程图。
[0029] 图3为胎儿安静睡眠周期对应胎儿心率曲线示意图。
【具体实施方式】
[0030] 以下结合附图对本发明的一种较为典型的【具体实施方式】进行详细描述。
[0031] 本发明的一种典型应用场景在于利用电子胎儿心率监护实测信号获取胎儿安静 睡眠周期及其特征参数。由此可以利用现有电子胎心监护仪采集胎儿心率信号的成熟技术 及胎儿安静睡眠周期识别方法获取更为客观全面的关于胎儿安静睡眠周期的特征信息。 [0032]如图2所示，以一位年龄为29周岁，孕周为39周的被测者为例。
[0033] 步骤Tl中系统开始接收点电子胎儿心率监护仪器实测的信号F(t)，并从F(t)中提 取处胎儿心率信号f(t)。
[0034] 步骤T2将输入的胎儿心率信号f(t)进行分段，计算出每段信号序列f(k)的丢失率 lost以并及整体胎儿心率信号的时间长度Lt，被测者的胎儿心率时间长度Lt为10小时40分 钟。
[0035]步骤T3中根据每段信号的丢失率lost进行判断，不满足丢失率lost低于特定阈值 low的胎儿心率信号片段予以舍弃。满足丢失率lost低于特定阈值low的胎儿心率信号片段 g(k)则进入下一步操作。
[0036]步骤T4对步骤T3中满足要求的胎儿心率信号g(k)进行减速识别提取，提取出的减 速片段为gd(k)。
[0037] 步骤T5中将胎儿心率信号g(k)分为定长为一分钟的信号片段min(k)，并进行有效 信号判断，如果min(k)中含有判定为胎儿心率减速片段gd(k)的部分或信号min(k)的丢失 率lost>40%，则该段信号舍弃;如果min(k)中不含有胎儿心率减速片段gd(k)的部分并且 信号min(k)的丢失率lost<40%则该段信号有效，为有效信号片段e(k)，所有的一分钟长 度信号e(k)的集合则为有效信号e(t)。
[0038] 步骤T6中利用每一分钟长度的有效信号片段e(k)计算出一个特征参数c，计算公 式如下：
[0039]
[0040] 步骤T7中利用特征参数c识别出胎儿安静睡眠周期。
[0041] 步骤T8中计算出胎儿安静睡眠周期的最长持续时间max(T(j))、次数n、平均持续 时间mean(T(j))及胎儿安静睡眠周期占整体监护时间的比例rate之后，将这些胎儿安静睡 眠相关参数输出。被测者的最长持续时间max(T(j )) = 13分钟、次数η = 7次、平均持续时间 mean(T(j ))= 9分钟、胎儿安静睡眠周期占整体监护时间的比例rate = 9.8%。最后将上述 参数按照指定格式输出。
【主权项】
1.基于胎儿屯、率曲线的胎儿安静睡眠周期提取方法，其特征在于:包括信号输入模块、 减速识别模块、安静睡眠周期识别模块、结果输出模块;信号输入模块、减速识别模块、安静 睡眠周期识别模块、结果输出模块依次相连，胎儿屯、率信号输入信号输入模块后在减速识 别模块对胎儿屯、率信号进行预处理并识别出减速片段，在安静睡眠周期识别模块中进行有 效信号选取及特定参数计算后提取出胎儿安静睡眠周期，之后在结果输出模块计算出胎儿 安静睡眠周期的最长持续时间、次数、平均持续时间及安静睡眠周期占整体监护时间的比 例，最后将运些参数输出； 所述信号输入模块，接收电子胎屯、监护仪器实测的信号F(t)，F(t)中包含母亲屯、率信 号、胎儿屯、率信号、母亲移动次数和子宫肌电信号，并从信号F(t)中分离出胎儿屯、率信号f (t); 所述减速识别模块，对分离得到的胎儿屯、率信号f(t)进行预处理，并利用减速定义提 取识别出胎儿屯、率减速片段，W下为减速具体识别方法； 首先对胎儿屯、率信号f(t)进行预处理，将f(t)分为N段特定长度的胎儿屯、率信号片段f 化），每一段胎儿屯、率信号片段f(k)中胎儿屯、率等于0的为丢失信号f(k〇)，其长度为l(f (ko))，与该段胎儿屯、率信号片段f化)的长度l(f化））之比作为信号丢失马筛选出满足信号丢失率lost小于特定阔值low的胎儿屯、率信号片段g(k)，即满足条件，其中g化0)为胎儿屯、率信号片段g化)中胎儿屯、率等于0的丢失信号，l(g 化〇))为g化0)的长度;则监护胎儿屯、率信号时间总长度为；其中N 为满足信号丢失率lost小于特定阔值low的胎儿屯、率信号片段g化)的个数； 然后识别胎儿屯、率减速片段，对于输入的胎儿屯、率信号g化），如若满足胎儿屯、率g化） 《b化)成立，则开始计数，当g化+aj)>b化+aj)成立时则停止计数，计数不包括第aj个胎儿 屯、率，故有〇，1，2. . .(aj-1)共aj个数值，此时如果计数值aj^mi且满足g化r)《Mkr)-m2,其 中kre比，k+arU，mi与m2为特定阔值且都大于零，贝喊段胎儿屯、率片段为减速片段gd化）； 所述安静睡眠周期识别模块，在筛选出有效信号e(t)之后，利用e(t)计算特征参数C， 识别出胎儿安静睡眠周期，W下为胎儿安静睡眠周期具体识别方法； 首先是筛选有效信号e(t);对于胎儿屯、率信号g(k)，将其分为定长为一分钟的信号片 段min化）；如果长度为一分钟的胎儿屯、率信号min化)满足W下两个条件中任何一个，则舍 弃该段胎屯、率信号;条件一:信号min化）中含有判定为胎儿屯、率减速片段gd化)的部分或者 全部;条件二:信号min化)的丢失率lost>40%，其41 (min化〇))为信号min 化)中胎儿屯、率等于0的长度，Kmin化)）为信号min化)的长度;在对定长为一分钟的胎儿屯、 率信号min化)进行判断并舍弃满足条件的信号之后，剩余一分钟长度的胎儿屯、率信号片段 为有效信号片段e化），所有的一分钟长度信号e化)的集合则为有效信号e(t); 然后利用有效胎儿屯、率信号e(t)计算出特征参数C;每一分钟长度的有效信号e化)都 会对应计算出一个特征参数C;计算公式如下：其中Mk)为屯、率信号e化)对应的基线屯、率;max(e化））为e化）中最大胎儿屯、率值，min (e化)）为e化)中最小胎儿屯、率值;max(Mk))为该段有效信号e化)对应的最大基线屯、率值， min(Mk))为该段有效信号e化)对应的最小基线屯、率值； 最后识别出胎儿安静睡眠周期;设定有效胎儿屯、率信号e(t)长度为Μ分钟，则对应会计 算出特征参数C为Μ个，其中第i分钟对应的特征参数为c(i);将Μ个特征参数C折叠成(Μ-5) 行6列的矩阵D;矩阵D如下所示：矩阵D每行为六分钟有效胎儿屯、率信号对应的六个特征参数，如D(i)表示矩阵第i行， 其包含第i分钟到第i巧分钟有效信号对应的特征参数;对矩阵D的每一行进行如下比较:D (i)中的六个特征参数。(;〇。（1+1)。（1+2)。（1+3)。(1+4)。(1+5)分别与特定阔值1]13第进行比 较，如果六个特征参数中有五个或者六个特征参数小于等于特定阔值m3,贝化（i)为胎儿安 静睡眠片段;故胎儿安静睡眠片段持续时间最短为六分钟，如果判定结果D(i)和D(i + 1)都 为胎儿安静睡眠片段，则从第i分钟到i+6分钟总计持续时间屯分钟为胎儿安静睡眠片段； 记第j次胎儿安静睡眠周期持续时间为T(j)，胎儿安静睡眠周期出现共计η次； 所述结果输出模块，在计算出胎儿安静睡眠周期的最长持续时间max(T(j))、次数η、平 均持续时间mean(T(j))及胎儿安静睡眠周期占整体监护时间的比例rate之后，将运些胎儿 安静睡眠相关参数输出； 首先从胎儿安静睡眠周期片段中选出最长持续时间max(T(j));计算出胎儿安静睡眠 周期平均持续时间mean(T( j)) ;mean(T( j))计算公式如下：胎儿安静睡眠周期占整体监护时间的比例rate计算公式如下：最后将上述计算出的胎儿安静睡眠周期参数结果输出。
【文档编号】A61B5/0245GK106073746SQ201610424445
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月15日 公开号201610424445.1, CN 106073746 A, CN 106073746A, CN 201610424445, CN-A-106073746, CN106073746 A, CN106073746A, CN201610424445, CN201610424445.1
【发明人】张松, 李广飞, 杨琳, 杨益民, 李旭雯, 郝冬梅, 王妍, 李淑芳, 张蕾
【申请人】北京工业大学