一种基于延时估计的多普勒胎儿心音信号的提取方法
【专利摘要】本发明公开一种基于延时估计的多普勒胎儿心音信号的提取方法，包括以下步骤：采集母亲腹部超声多普勒回波信号；分别取多普勒胎儿心音信号、亲子宫杂音信号和母亲腹部主动脉音信号的延时估计的先验信息；对先验信息做k阶信号差分运算，k为正整数；进行线性无关化处理；求解最优化问题，求得权值向量；分别建立范德蒙方程组并对其求解，确定各信号的延时；取母亲干扰信号的延时；采用基于斜投影的单通道盲分离方法将多普勒胎儿心音从采集的信号中提取出来，获得纯净的多普勒胎儿心音信号。本发明适用于胎儿健康状况检查中的多普勒胎儿心音信号的提取，能够有效分离出母亲干扰信号。
【专利说明】-种基于延时估计的多普勒胎儿心音信号的提取方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及产科胎儿监护【技术领域】，更具体地，涉及一种基于延时估计的多普勒 胎儿心音信号的提取方法。
【背景技术】
[0002] 胎儿心率监护是产科胎儿监护的重要方法，是避免胎儿窘迫，保障母亲和胎儿安 全的重要手段。常见的胎儿心率监护方法有胎儿心电监护方法和胎儿心音监护方法。
[0003] 胎儿心电监护法提取和分析胎儿心电现象的方法。具体的检测方法可分为两种： 一是腹壁置电极的间接法。腹壁胎儿心电法是由母体腹壁置三个电极诱导胎儿心电的方 法，此法会同时检测出母体心电信号和微弱的胎儿心电信号，二者混合在一起，不利于处 理；二是电极直接置胎体的方法。直接胎儿心电法必须等到胎膜破裂或人工破膜后才能使 用，不利于胎儿的前期监护和长期监护。
[0004] 胎儿心音监护方法又可以分为采用心音换能器检测胎儿心音信号的方法和采用 超声多普勒技术检测胎儿心音信号的方法。采用心音换能器检测胎儿心音信号的方法是基 于胎儿心脏收缩、舒张的机械现象。胎儿心脏的一次搏动由心脏的收缩和舒张形成第一音 和第二音。两个第一音或两个第二音的时间间隔是一个完整的心跳周期。但是，胎儿的心 音信号很弱，杂音多，诸如胎动音、血管跳动音、母亲说话及开门声、脚步声等都会很轻易混 入。往往由于心音探头位置稍有不当，心音间隔就不是从两个第一音或两个第二音检测出 来，而是以前一次搏动的第一音和后一次搏动的第二音或前一次搏动的第二音和后一次搏 动的第一音为心音间隔，从而导致测量的瞬时心率具有很大误差。基于超声多普勒技术的 胎儿心音检测方法是利用超声探头产生的超声波束直接作用于胎儿心脏，由于胎儿心脏的 运动会导致反射的超声波束产生多普勒效应，检测反射超声波的多普勒频移就可获得与胎 儿心脏活动有关的心音信号。由于超声波具有很好的方向性，且信号的强度可控制，故采 用超声探头检测来的胎心音信号强，杂音小，受宫缩影响小，并适用妊娠各阶段。超声信号 的回波主要由以下几种成分组成：
[0005] (1)频率在0. 01 %至0. 02%的载波频率处的胎儿心脏壁室的肌肉运动；
[0006] (2)频率在0· 02%至0· 05%的载波频率处的胎儿心脏瓣膜信号；
[0007] (3)频率在0. 05至0. 1 %的载波频率处的胎儿动脉血流信号；
[0008] (4)子宫杂音；
[0009] (5)孕妇腹部主动脉音；
[0010] 其中前三项构成了超声回波的主要部分和有用部分，称为多普勒胎儿心音信号。 第四项和第五项与孕妇的脉搏同步，是超声回波信号的噪声成分。因此需要对超声回波信 号进行一定的技术处理，尽量去除噪声信号成分，从而获得清晰的胎儿心音信号用于医学 分析。然而，由于子宫杂音和孕妇腹部主动脉音基本与胎儿的多普勒心音频带重叠，无法用 常规的频域滤波技术消除干扰，而仅通过调整传感器的位置避免噪声成分过强。
【发明内容】
toon] 本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷（不足），提供一种能够有效分 离母亲干扰信号的基于延时估计的多普勒胎儿心音信号的提取方法。
[0012] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
[0013] 一种基于延时估计的多普勒胎儿心音信号的提取方法，包括以下步骤：
[0014] Sl :采集母亲腹部超声多普勒回波信号，记为X ;
[0015] S2:分别取一个心动周期的常规多普勒胎儿心音离散信号、一个心动周期的常 规母亲子宫杂音离散信号和母亲腹部主动脉音离散信号，作为延时估计的先验信息，记为 F (n)、U (η)和 V (η);
[0016] S3:分别对F(n)、U(n)和V(n)做k阶信号差分运算，k为正整数，并分别与F(n)、 U (η)和V (η) -起构成一个矢量的集合，记为Fc^Utl和V。；
[0017] S4 :分别对集合匕、Utl和VO中的元素进行线性无关化处理，处理结果记为F、U和 V；
[0018] S5 :求解最优化问题min| |χ_α · F-β · U-Y · V| |2，求得权值向量α，β，γ，其 中 α = [ α " α 2，…，a k+1]，β = β " β 2，…，β k+1，Y Υ " Υ 2，…，Y k+1];
[0019] S6:分别建立范德蒙方程组并对其求解，确定各个胎儿心动周期的多普勒胎儿心 音信号及各个母亲心动周期的母亲子宫杂音信号、母亲腹部主动脉音信号相对于信号起始 处的延时；
[0020] S7:对于各个母亲心动周期的母亲子宫杂音信号和母亲腹部主动脉音信号相对于 信号起始处的延时，取二者的算术平均作为母亲干扰信号的延时；
[0021] S8:根据多普勒胎儿心音信号和母亲干扰信号的延时，采用基于斜投影的单通道 盲分离方法将多普勒胎儿心音从采集的信号中提取出来，获得纯净的多普勒胎儿心音信 号；
[0022] 基于斜投影的单通道盲分离方法参考专利CN102525452A。
[0023] 在一种优选的方案中，步骤S3中，分别对F (n)、U (η)和V (η)做k阶信号差分运算 的表达式为：
[0024] F〇 = {F(n)，F' n，F" n，F⑶（η)，...，F(k)n}
[0025] U0 = {U(n)，U，（n)，U〃 （n)，U(3)n，…，U(k)(n)}
[0026] V0 = {V(n)，V，（n)，V〃（n)，V(3)(n)，…，V(k)(n)}
[0027] 其中 n>>k。
[0028] 在一种优选的方案中，步骤S4中，分别对集合Fp Utl和Vtl中的元素进行线性无关 化处理，其具体方法为：
[0029] F = (F1 (n), F2 (η), ···, Fk+1 (η)}
[0030] = (F (η) +aEi (η)，F ' （η) +aE2 (η)，F " (η) +aE3 (η)，F(3) (η)
[0031 ] +aE4 (η)，...，F(k) (η) +aEk+1 (η)}
[0032] U = (U1 (η)，U2*n)，...，Uk+1 (η)}
[0033] = {U (η) +bEi (η)，U ' （η) +bE2 (η)，U " (η) +bE3 (η)，U⑶（η)
[0034] +bE4 (η)，...，U(k) (η) +bEk+1 (η)}
[0035] V = IV1 (η)，V2 (η)，...，Vk+1 (η)}
[0036] = {Vfcl+cEjnhV' （n)+cE2(n)，V〃（n)+cE3(n)，V(3)(n)
[0037] +cE4 (n)，...，V(k) (n) +cEk+1 (n)}
[0038] 其中，a, b，c为互不相等常实数，即a尹b，b尹c，c尹a, |a|, |b|, |c|分别小于 集合Fp Utl和Vtl中元素绝对值的最大值的千分之一，即
【权利要求】
1. 一种基于延时估计的多普勒胎儿心音信号的提取方法，其特征在于，包括以下步 骤： 51 :采集母亲腹部超声多普勒回波信号，记为X ; 52 :分别取一个心动周期的常规多普勒胎儿心音离散信号、一个心动周期的常规母亲 子宫杂音离散信号和母亲腹部主动脉音离散信号，作为延时估计的先验信息，记为F(n)、 U(n)和V(n); 53 :分别对F(n)、U(n)和V(n)做k阶信号差分运算，k为正整数，并分别与F(n)、U(n) 和V(n) -起构成一个矢量的集合，记为Fp%和％; 54 :分别对集合匕、％和％中的元素进行线性无关化处理，处理结果记为F、U和V; 55 :求解最优化问题min| |x_a?F_@ ?U-Y?V| |2，求得权值向量a，@，y，其中a =[a17a2, . . . ,ak+1], ^ ^ ^ 2, . . . , ^ k+1],y= [y17y2, . . . ,yk+1]； 56 :分别建立范德蒙方程组并对其求解，确定各个胎儿心动周期的多普勒胎儿心音信 号及各个母亲心动周期的母亲子宫杂音信号、母亲腹部主动脉音信号相对于信号起始处的 延时； 57 :对于各个母亲心动周期的母亲子宫杂音信号和母亲腹部主动脉音信号相对于信号 起始处的延时，取二者的算术平均作为母亲干扰信号的延时； 58 :根据多普勒胎儿心音信号和母亲干扰信号的延时，采用基于斜投影的单通道盲分 离方法将多普勒胎儿心音从采集的信号中提取出来，获得纯净的多普勒胎儿心音信号。
2. 根据权利要求1所述的基于延时估计的多普勒胎儿心音信号的提取方法，其特征在 于，步骤S3中，分别对F(n)、U(n)和V(n)做k阶信号差分运算的表达式为：
其中n?k。
3. 根据权利要求2所述的基于延时估计的多普勒胎儿心音信号的提取方法，其特征在 于，步骤S4中，分别对集合匕、％和％中的元素进行线性无关化处理， 其具体方法为：
其中，a，b，c为互不相等常实数，|a|，|b|，|c|分别小于集合匕、队和％中元素绝对值 的最大值的千分之一，即
Ejn)，i= 1，2, . . .，k+1表示：n个数据组成的Ejn)中第i个元素为1，其余均为0。
4. 根据权利要求1所述的基于延时估计的多普勒胎儿心音信号的提取方法，其特征在 于，步骤S6中，求解普勒胎儿心音延时的范德蒙方程组表示为：
其中t2，…，\表示采集的母亲腹部超声多普勒回波信号中每一个胎儿心音波 形的延时，m为正整数且m<k+1 ; 求解母亲子宫杂音延时的范德蒙方程组表示为：
其中S2，…，Sp表示采集的超声多普勒回波信号中每一个母亲子宫杂音波形的 延时，P为正整数且P<m彡k+1 ; 求解母亲腹部主动脉音延时的范德蒙方程组表示为：
其中〇1，〇2，…，〇p表示采集的母亲腹部超声多普勒回波信号中每一个母亲腹主动 脉音波形的延时。
5. 根据权利要求4所述的基于延时估计的多普勒胎儿心音信号的提取方法，其特征在 于，步骤S7中，母亲干扰信号的延时表示为：
【文档编号】A61B8/02GK104274211SQ201410508585
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年9月28日 优先权日:2014年9月28日
【发明者】谢胜利, 谢侃, 周郭许, 蔡坤, 林锦荣 申请人:广东工业大学