一种胎儿心电信号提取方法
【专利摘要】本发明属于生物医学信号处理【技术领域】，具体涉及一种从相互混叠的母体胎儿混合心电信号中提取胎儿心电信号的胎儿心电信号提取方法。本发明包括：首先将测试设备的电极放于母体腹壁，记录心电传导所引起的电位差数据，记录多组数据，得到多路母体胎儿混合心电信号；然后构造母体心电信号的参考信号，然后利用该参考信号从母体胎儿混合心电信号中提取出母体心电信号；然后将母体胎儿混合心电信号中和提取出的母体心电信号相关的成分去掉，从而达到了提取胎儿心电信号的目的。本发明的胎儿心电信号提取方法，可以有效地从母体胎儿混合心电信号中提取出胎儿心电信号。该方法计算量小，复杂度低，对参数的依赖性小，提取的信号清晰，达到了预期的目的。
【专利说明】一种胎儿心电信号提取方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物医学信号处理【技术领域】，具体涉及一种从相互混叠的母体胎儿混合心电信号中提取胎儿心电信号的胎儿心电信号提取方法。
【背景技术】
[0002]胎儿心电信号是研究胎儿心脏生理活动一项重要的客观指标，反映了胎儿在母体中的成长状况和健康状况，因此分离或提取清晰的胎儿心电信号成为了一项非常有意义的工作。
[0003]目前的一些方法都是集中于运用盲源分离的方法进行胎儿心电信号的提取。已有的方法主要利用胎儿心电信号的先验信息，构造相应的参考信号，然后采用基于梯度或负熵的盲源分离算法对胎儿心电信号进行分离和提取。这类方法在参考信号选取恰当时能够得到很好的分离效果，然而胎儿的心电信号相比母体的心电信号是微弱的，因此得到胎儿心电信号的恰当参考信号是困难的。同时，在运用盲源分离算法时需要反复地迭代，并且需要选取合适的参数，不然就会影响提取的效果。本发明针对胎儿心电信号的参考信号难以确定的困难，首先得到母体心电信号的参考信号，然后利用此参考信号构造相应的优化式，得到相应的权值向量从而从母体胎儿混合心电信号中提取出母体心电信号，最后从母体胎儿混合心电信号中去除与提取的带有噪声的母体心电信号相关的成分，剩下的就是我们所要提取出来的胎儿心电信号，此方法克服了盲源分离过程中迭代次数多和参数选取困难的问题，具有一定的实用价值。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提出一种从母体胎儿混合心电信号中提取胎儿心电信号的方法。
[0005]本发明的目的是这样实现的:
[0006](1.1)首先将测试设备的电极放于母体腹壁，记录心电传导所引起的电位差数据，记录多组数据，得到多路母体胎儿混合心电信号；
[0007](1.2)然后构造母体心电信号的参考信号，然后利用该参考信号从母体胎儿混合心电信号中提取出母体心电信号；
[0008](1.3)然后将母体胎儿混合心电信号中和提取出的母体心电信号相关的成分去掉，从而达到了提取胎儿心电信号的目的。
[0009]本发明的有益效果在于:采用本发明的胎儿心电信号提取方法，可以有效地从母体胎儿混合心电信号中提取出胎儿心电信号。该方法计算量小，复杂度低，对参数的依赖性小，提取的信号清晰，达到了预期的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1胎儿心电信号提取流程图
[0011]图2母体胎儿混合心电信号；
[0012]图3构造的母体心电信号的参考信号；
[0013]图4提取出的母体心电信号；
[0014]图5提取出的胎儿心电信号。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图和具体实施例对本文作进一步具体说明:
[0016]该方法可以避开盲源分离过程中迭代次数多和参数选取困难的问题。利用母体心电信号强于胎儿心电信号的特点，得到母体心电信号的参考信号，利用此参考信号从母体胎儿混合心电信号中提取出母体心电信号，最后将母体胎儿混合心电信号中和母体心电信号相关的成分去掉从而提取出胎儿心电信号，从提取的胎儿心电信号的效果中可以发现此方法的有效性和合理性。
[0017]本发明的核心技术内容在于提出一种胎儿心电信号提取方法，首先得到多路母体胎儿混合心电信号，然后构造母体心电信号的参考信号，并利用此参考信号从母体胎儿混合心电信号中提取出母体心电信号，最后将母体胎儿混合心电信号中和提取出的母体心电信号相关的成分去掉，从而成功从母体胎儿混合心电信号中提取出了胎儿心电信号；
[0018]本发明包括的提取母体心电信号部分，其主要内容为:母体胎儿心电信号的首先利用母体心电信号的峰值以及母体心电信号的周期性来获得母体心电信号的参考信号，本发明中所指的母体心电信号的参考信号就是和真实的母体心电信号有着相似结构的信号，这里的相似主要指的是周期性相似。获得母体心电信号的参考信号之后，利用母体胎儿混合心电信号和此参考信号构造相应的优化式，通过求导化简得到相应的权值向量，进而提取出母体心电信号。
[0019]本发明包括的提取胎儿心电信号部分，其主要内容为:通过去相关公式将母体胎儿混合心电信号中和提取出的母体心电信号相关的成分去掉，从而最终得到了胎儿心电信号。
[0020]1.获取母体胎儿混合心电信号
[0021]将测试设备的电极放于母体腹壁，记录心电传导所引起的电位差数据，记录多组数据，之所以要有多组数据就是为了方便于盲源提取过程。这里得到的数据就是母体胎儿混合心电信号。在这个混合信号中，胎儿心电信号相当微弱，基本被淹没在母亲心电信号中，并且由于工频干扰，基线漂移，人体电现象所引起的噪声，电极接触噪声，电磁设备干扰等因素的影响，显得胎儿心电信号更加的微弱，因此要想得到纯净的胎儿心电信号，我们需要对这种混合信号采用相应的方法进行处理，具体的胎儿心电信号提取流程如图1所示。
[0022]2.构造母体心电信号的参考信号并提取出相应的母体心电信号
[0023]构造母体心电信号的参考信号有两种方法。我们需要根据母体胎儿混合心电信号来构造相应的参考信号，母体胎儿混合心电信号如附图2所示。
[0024]方法一:就是设置一个合适的阈值，找出所有满足要求的正峰值位置和负峰值位置，之后将正峰值位置的幅值置成+1，将负峰值位置的幅值置成-1，其它位置的幅值置成O0
[0025]方法二:就是设置一个合适的阈值，找出前几个正峰值的位置，然后计算出两两相邻峰值之间的平均间隔，根据这个平均间隔来构造之后的正峰值。负峰值的处理方法和正峰值的处理方法相同。之后将正峰值位置的幅值置成+1，将负峰值位置的幅值置成-1，其它位置的幅值置成O。
[0026]通过上述两种方法都可以构造出母体心电信号的参考信号。采用第二种方法构造的母体心电信号如附图3所示。
[0027]对于任何一种投影跟踪的贪婪优化算法，一个局部最优解一定有其吸引域，也就是说这个区域内的初始点，在这种优化算法下可以收敛到局部最优解上。
[0028]我们可以利用参考信号使初始权值向量处于局部最优解的附近。如果有这样一个投影方向，它能使得在该方向上的投影输出和参考信号的二阶相关系数的函数达到最大，那么我们认为这个投影向量应该离解比较近。根据这个原理可以提出如下优化问题
[0029]最小化JGUwtlX.r)) (I)
[0030]约束条件:I|Wq| I = I (2)
[0031]上式中f(.)为一个连续可微的单调递减函数。！■表示母体心电信号的参考信号向量，X为N维观测信号向量,W0为解混向量。
[0032]式(2)的等式约束条件表明我们只关心投影的方向，所以约束条件可以表示为W0W01 = I。在ICA问题中我们不关心信号方差，那么我们假设N维观测信号向量X是经过PCA白化处理，得到白化后的观测信号向量z = Vx = VAs = Bs (BBt = I)。(V为白化矩阵，A为混合矩阵，B为全局矩阵，s为N维源信号向量)
[0033]我们把这个优化问题的拉格朗日乘子式记为
[0034]L(w0, λ) = f(E{w0z.r})-A (w0w0T-l) (3)
[0035]其中λ为常数，然后我们对上式的权值向量求偏导数，然后令其等于0，那么:
dL(\v(),A) _ a-!./'(E{ -.V0Z./.!-)-Λ(H',,U-J -1)；
dw(,dw^,
[0036],
=f (E{w?z■r})E{zτr}-2λw?(4)
=0
[0037]可以解得:
[0038]w0 = f'(E{W^-r})E{z^r}(5)
2Λ
[0039]因为我们只关心权值向量的方向，所以我们不关心上式右侧的第一个乘积项(标量)f’ (E{w0z τ})/2λ,那么权值向量可以求得为
Iτ
[0040]% = Ii17f r 'I1-gIz -r)(6)
I咏.Γ}|
[0041]通过这种方法，我们可以不通过迭代学习就直接得到一个权值向量，通过这个权值向量我们就可以提取出母体心电信号
[0042]y = w0x (7)
[0043]得到的母体心电信号y如附图4所示。
[0044]3.我们采用一种去相关的方法将母体胎儿混合心电信号中和母体心电信号有关的分量去掉，便得到了胎儿心电信号
[0045]r = r- ￡(/:v) V( S ；
[0046]通过上式，我们就可以达到消掉相关部分的目的，这是因为￡(/?￡!(/?￡(/>’)>’).>] = 0。这样我们就得到了胎儿心电信号，得到的胎儿心电信号户如附图4所示。
[0047]从附图5中我们可以发现，此方法可以很好地从母体胎儿混合心电信号中提取出胎儿心电信号，并且提取效果良好。
[0048]最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。
【权利要求】
1.一种胎儿心电信号提取方法，其特征是: (1)首先将测试设备的电极放于母体腹壁，记录心电传导所引起的电位差数据，记录多组数据，得到多路母体胎儿混合心电信号； (2)然后构造母体心电信号的参考信号，并利用该参考信号从母体胎儿混合心电信号中提取出母体心电信号； (3)最后将母体胎儿混合心电信号中和提取出的母体心电信号相关的成分去掉，从而达到了提取胎儿心电信号的目的。
【文档编号】A61B5/0444GK104161508SQ201410431710
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2014年8月28日
【发明者】李一兵, 聂伟, 林云, 叶方, 王彦欢, 逄金凤, 李一晨, 陈杰 申请人:哈尔滨工程大学