一种交互式胎儿心电快速自动提取方法
【专利摘要】一种交互式胎儿心电快速自动提取方法，其步骤是：对母体腹部心电信号进行预处理，去除较易滤掉的工频干扰和高频噪声干扰；将预处理后的母体腹部心电信号进行平稳小波时频变换；对小波细节系数进行特征提取；检测与母体腹部心电信号成分相关的特征并构造出母体心电模板；从预处理后的母体腹部心电信号中除去已构造出来的母体心电模板，得到胎儿心电信号。本发明利用了平稳小波时不变的特性，能准确定位母体心电与胎儿心电的位置，提取到的胎儿心电数据在用于胎儿心率检测上具有高准确率，且交互性特征自动检测方法及联合母体心电模板构造，所需循环少，计算速度快，可以适应实时处理的需求，并能够适应从不同孕妇腹部心电中提取到胎儿心电。
【专利说明】一种交互式胎儿心电快速自动提取方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于医疗器械中非侵入式胎儿心电信号处理【技术领域】，具体是涉及一种可 由一路低信噪比母体腹部心电信号中自动快速提取纯净胎儿心电信号的方法。
【背景技术】
[0002] 非侵入式胎儿心电监护仪的工作原理主要是通过母体腹部外电极测量模拟心电 信号，利用模数转换模块将模拟信号转换为数字信号，再经相应的算法对数字母体腹部信 号进行处理以提取纯净的胎儿心电信号，最后对提取到的胎儿心电信号进行特征提取，将 所提取到的特征提供给医生作诊断。从功能上来说，胎儿心电监护仪需提取到纯净的胎儿 心电信号，否则其所提供的胎儿心电特征信息是不准确的，起不到胎儿健康监护的作用。因 此，胎儿心电提取算法是胎儿心电监护中的关键技术。
[0003] 近几十年来，国内外专家提出了许多胎儿心电提取方法。目前胎儿心电提取的方 法主要基于：匹配滤波法、自适应滤波法、奇异值分解法、小波变换、神经网络和独立分量分 析法。每一种方法都存在着一定的局限性，因此对于准确提取胎儿心电并将算法应用到胎 儿心电实时监护系统中仍然需要继续研究。本发明是基于小波变换的方法，小波变换的方 法能对信号进行多尺度细化进而局部分析信号，因此在非平稳信号(特别是心电信号）的分 析上具有很大优势。有些研究将小波变换方法与盲源分离方法、独立分量分析方法以及神 经网络等方法结合起来提取胎儿心电信号。目前单独基于小波变换的胎儿心电检测算法主 要有两类工作原理：（1)将母体腹部提取到的心电信号进行小波分解，根据每个尺度上(或 每一级）的信号波形进行分析，通过阈值法对小波系数直接处理提取出母体心电成分，通过 反傅里叶变换获取母体心电信号模板，最后用母体腹部信号减去母体心电模板获取胎儿心 电信号；（2)将母体腹部的心电信号进行小波分解，提取每个尺度上(或每一级）信号的特 征，通过对小波系数进行处理获取另外一种表达方式的特征值，检测与母体心电信号相关 的特征，然后利用这些特征来重构母体心电信号的小波系数继而得到母体心电，最后用母 体腹部信号减去母体心电获取胎儿心电信号。本发明提出的胎儿心电提取方法基于第二种 工作原理，在滤波方法、特征检测及构造母体心电信号的算法上进行了较大改进。
[0004] 小波提取胎儿心电的方法是根据经验视采集的腹部信号使用。基于小波变换的胎 儿心电信号提取算法一般先分析母体腹部心电信号的小波分解结果，然后根据分解结果的 特征进行下一步处理。分解结果可能会有很多情况，需根据实际的情况来做不同的处理，很 难找到一个通用的方法来提取纯净胎儿心电信号，需要调整各种参数(如分解层数，小波系 数阈值，特征阈值等)来适应不同的信号。因此，胎儿心电提取的结果受到一定经验的影响， 在自动控制上存在很大困难，对用户知识水平要求高，这样的处理算法难以应用于仪器中。 其原因如下： (1)由于胎儿心电信号个体差异性特征以及不同检测仪器的检测能力问题，检测仪器 所提供的母体腹部心电信号存在着很大的差异。采集到的腹部心电信号除包含小幅值的胎 儿心电信号外，还包含幅值很大的母体心电以及工频干扰、呼吸干扰、肌电干扰等。在这种 低信噪比下，即使利用了小波方法的局部时频分析特性，各种噪声及干扰的处理要求依然 很高，提取胎儿心电存在很大的困难； (2) 部分胎儿心电提取算法基于连续小波变换或是离散小波变换，连续小波变换与离 散小波变换都是时变的，起始点不一样，则变换后的结果不一样。起始点的选取在某种程度 上影响后续信号处理的效果，且这两种时变的变换不易定位母体心电与胎儿心电，易造成 获取到的信号不是胎儿心电的可能； (3) 基于平稳小波变换或者二进小波变换的胎儿心电提取算法，是非时变的变换。只 是，目前无论是直接处理时频域上的各级小波系数，还是先通过小波系数提取特征点再构 造母体心电模板，还是存在需局部考虑信号的缺点。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种操作容易，稳定性好，算法 模型结构简单且提取准确率高，能有效地解决基于小波提取胎儿心电信号算法中难以移植 应用于实时胎儿心电监护系统的弊端的交互式胎儿心电快速自动提取方法。
[0006] 本发明的技术方案是这样实现的： 本发明所述的交互式胎儿心电快速自动提取方法，其特点是包括如下步骤： 1) 对母体腹部心电信号进行预处理，主要去除较易滤掉的工频干扰和高频噪声干扰； 2) 将预处理后的母体腹部心电信号进行平稳小波时频变换； 3) 对小波细节系数进行特征提取； 4) 检测与母体腹部心电信号成分相关的特征并构造出母体心电模板； 5) 从预处理后的母体腹部心电信号中除去已构造出来的母体心电模板，从而得到胎儿 心电信号。
[0007] 具体地，上述步骤1)中仅对易去除的工频干扰和高频噪声干扰分别用巴特沃斯带 阻滤波器和巴特沃斯低通滤波器去除。
[0008] 上述步骤2)和步骤4)中分别对相应参数做接口设计，并给出经验值，给予用户简 单调整以获取更好的效果。
[0009] 上述步骤2)是对预处理后的母体腹部心电信号进行N级平稳小波分解，分解级数 为用户可更改参数，默认分解级数为经验值，依据平稳小波时频变换后的最高级上的小波 概貌系数是否存在胎儿心电成分来提供选择的分解级数，小波分解级数N选择需使最高级 上的小波概貌系数以及细节系数不存在胎儿心电成分，实验经验为分解级数大于或者等于 6均可得到满足要求的分解。
[0010] 上述步骤3)是对平稳小波分解后的每一级小波细节系数计算其模极大值，当小波 模极大值落在尺度s上的％位置时，有：
【权利要求】
1. 一种交互式胎儿心电快速自动提取方法，其特征在于包括如下步骤： 1) 对母体腹部心电信号进行预处理，主要去除较易滤掉的工频干扰和高频噪声干扰； 2) 将预处理后的母体腹部心电信号进行平稳小波时频变换； 3) 对小波细节系数进行特征提取； 4) 检测与母体腹部心电信号成分相关的特征并构造出母体心电模板； 5) 从预处理后的母体腹部心电信号中除去已构造出来的母体心电模板，从而得到胎儿 心电信号。
2. 根据权利要求1所述交互式胎儿心电快速自动提取方法，其特征在于上述步骤1)中 仅对易去除的工频干扰和高频噪声干扰分别用巴特沃斯带阻滤波器和巴特沃斯低通滤波 器去除。
3. 根据权利要求1所述交互式胎儿心电快速自动提取方法，其特征在于上述步骤2 )和 步骤4)中分别对相应参数做接口设计，并给出经验值，给予用户简单调整以获取更好的效 果。
4. 根据权利要求1所述交互式胎儿心电快速自动提取方法，其特征在于上述步骤2)是 对预处理后的母体腹部心电信号进行N级平稳小波分解，分解级数为用户可更改参数，默 认分解级数为经验值，依据平稳小波时频变换后的最高级上的小波概貌系数是否存在胎儿 心电成分来提供选择的分解级数，小波分解级数N选择需使最高级上的小波概貌系数以及 细节系数不存在胎儿心电成分，实验经验为分解级数大于或者等于6均可得到满足要求的 分解。
5. 根据权利要求1所述交互式胎儿心电快速自动提取方法，其特征在于上述步骤4)只 对特定的一级的特征采用阈值法检测出大于阈值的特征，该级的选定标准为：下一级特征 中不含胎儿心电成分，选定级的特征中具有的胎儿心电成分相对母体心电成分小很多；并 对提取到的模极大值进行阈值处理，选定级的值为用户可修改参数，提供参数值为比分解 层数经验值小1或者更小一点的数，经验值为5 ; 选定第k级，阈值定为Γ/ir+++++Cm,C为常量，N为分解的级数，阈值函数为： wpeak (l%:)=wpeak (k,:). *(abs(wpeak (k,; ))>Thr) 其中，为第k级上的小波模极大特征值序列；该处理后，自动将大于该级 的后面几级的模极大值保留，小于该级的前面几级的模极大值设置为零，模极大值选取结 束； 其构造母体心电模板的具体步骤如下： 4. 1)将预处理后母体腹部心电信号平稳小波分解结果的最高级上小波概貌系数保留， 所有级上的小波细节系数都设置为零； 4. 2)将选取的模极大值利用交替投影法构造母体心电模板的小波细节系数，然后使用 预处理后母体腹部心电信号最高级上的小波概貌系数与交替投影法构造的母体心电模板 的小波细节系数作逆平稳小波变换重构母体心电模板，再对重构的母体心电模板进行N级 平稳小波分解，所有级上的小波细节系数为新循环使用，前面所有处理为一个循环，默认循 环次数为经验值； 4. 3)将预处理后母体腹部心电信号平稳小波分解结果的最高级上小波概貌系数与第 二步中构造出来的小波细节系数作逆平稳小波变换构造出最终母体心电模板。
6.根据权利要求1所述交互式胎儿心电快速自动提取方法，其特征在于上述步骤5)中 胎儿心电信号计算公式为： /W=?0*?00)-"W 其中,/(4为母体腹部胎儿心电信号，故1>为工频噪声和高频噪声干扰，&〇!：>为母体心 电模板，母体心电模板还包含基线漂移低频噪声和干扰。
【文档编号】A61B5/0444GK104305992SQ201410311531
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年7月2日 优先权日:2014年7月2日
【发明者】蒋庆, 刘飏, 廖琼 申请人:中山大学