基于子宫肌电信号识别宫缩的方法及装置与流程

本发明属于分娩监护技术领域，尤其涉及一种基于子宫肌电信号识别宫缩的方法及装置。

背景技术：

提高人口质量、减少出生缺陷是关系到家和国泰的民生大事。随着生育政策的实施，分娩量急剧增加的同时，高危产妇也明显增加。子宫收缩即宫缩直接促使胎儿排出母体，是推动分娩的动力。临产宫缩是由弱至强，维持一定时间，随后由强逐渐减弱，进入间歇期，如此反复直至分娩结束，有规律的宫缩是临产的一个重要特征。对于有先兆性早产的孕妇，由于无法判断是否为临产宫缩，会导致过度治疗或治疗不足；宫缩乏力则导致产程活跃期延缓或停滞，造成胎儿宫内缺氧；宫缩过强引起急产，可使新生儿发生颅内出血，这些均是导致围产儿发病和死亡的主要原因。可见，宫缩是反映孕妇分娩状态的重要依据，宫缩监测对于保证母胎健康具有重要意义。

在产检中，经常通过宫内压力导管(Intrauterine pressure catheter,IUPC)、分娩压力计(tocodynamometer,TOCO)和医生触摸孕妇腹部监测宫缩。IUPC法是将导管通过阴道置入子宫腔内，利用导管上的传感器测量宫内或羊水压力，反映宫缩压力值、持续时间、间歇时间等，它是有创测量法，如果操作不慎可能引起感染，因而无法用作常规监测。TOCO是无创测量法，将压力传感器用松紧带固定于腹部，通过测量腹部形变间接评估宫内压力，这样测得的压力受到测量初始值和皮带捆扎松紧程度的影响，还容易受产妇体位、肥胖的影响。有些孕妇可以感知宫缩，有些则不能。有经验的医生靠触诊孕妇腹部感知宫缩，而此类方法主观性强，不便于长期监测。目前，临床上并无可靠、有效地监测宫缩的方法。

体表子宫肌电(eletrohystrogram,EHG)是从孕妇体表检测到的妊娠子宫的电活动，是无数个子宫平滑肌细胞单个电活动的综合表现。子宫收缩是动作电位以间歇式爆发波的方式沿子宫肌细胞传播的结果。子宫收缩强度与动作电位的传播程度和招募的肌细胞数量有关,随着分娩的临近，子宫肌层细胞兴奋性和连通性增加，导致动作电位的传播增加，EHG信号强度和同步性增大，常对应可被感知的宫缩。EHG信号与宫缩强度有较好的相关性，对宫缩的敏感性和可靠性优于TOCO。识别宫缩对应的EHG信号是宫缩监测中的关键技术。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种利用子宫肌电信号识别宫缩的方法及装置，实现分娩期宫缩的自动识别和宫缩特征参数的计算。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

基于子宫肌电信号识别宫缩的方法，该方法包括以下步骤：

步骤A1:采集一定时长的子宫肌电信号；

步骤A2:对子宫肌电信号进行预处理去除干扰；

步骤A3:设置窗口长度L，提取窗口内子宫肌电信号的特征，滑动窗口，重复此操作，舍弃最后不足一个窗口长度的采样点；

步骤A4:采用模糊聚类算法将所有窗口特征聚成两类，若两类中心距离小于等于设定的阈值D，则认为没有宫缩信号；若两类中心距离大于设定阈值，则认为类中心值较大的类为宫缩对应的类；

步骤A5:在宫缩类中，计算每两个窗口中心的时间间隔，若时间间隔小于设定阈值T，则合并为一个窗口，否则窗口不变。在新生成的所有窗口中，搜索宫缩的起点、终点和峰值点；

步骤A6:计算宫缩参数，宫缩参数包括宫缩次数、平均持续时间、平均强度和平均间隔。

作为本发明进一步的技术方案，步骤A2中所述子宫肌电信号预处理方法包括以下步骤：

步骤B1:设计低通滤波器；

步骤B2:设定宽度为w的窗口，对窗口数据从大到小排序，取中间值代替窗口内的数值，依照此方法提取低通滤波后信号中的漂移成分，并在低通滤波后的信号中减去该漂移成分。

作为本发明进一步的技术方案，步骤A3中所述特征，包括样本熵、Lyapunov指数和中值频率，峰值频率，信号能量，标准差和均方根。

作为本发明进一步的技术方案，步骤A4中所述模糊聚类算法，采用模糊C均值算法，隶属度函数采用高斯函数，设定聚类数目为2，两类中心距离为欧式距离。

作为本发明进一步的技术方案，步骤A5中所述搜索宫缩的起点、终点和峰值点，包括以下步骤：

步骤C1:用经验模态分解法求出宫缩段子宫肌电信号的包络线；

步骤C2:在包络线上若连续m点幅值增加且幅值增加超过阈值Ts，则第一个幅值增加的点判定为宫缩起点；从宫缩起点后，从连续m点幅值增加到连续m点幅值下降的拐点判定为峰值点；从连续m点幅值下降且幅值下降超过阈值Te到连续m点幅值变化不超过阈值Te的拐点判定为宫缩的终点。

作为本发明进一步的技术方案，步骤A6中所述宫缩参数计算，包括以下步骤：

步骤D1:对A4中所有宫缩窗口数求和，定义为此时间段内的宫缩次数。

步骤D2：对每一个宫缩窗口，计算宫缩起点和终点间的时间间隔作为此次宫缩的持续时间；对所有窗口的宫缩持续时间求均值，定义为平均持续时间。

步骤D3：对每一个宫缩窗口，计算宫缩起点和终点间的包络线下面积作为此次宫缩的强度；对所有窗口的宫缩强度求均值，定义为平均强度。

步骤D4：计算相邻两次宫缩峰值点间的时间间隔并求均值，定义为平均间隔。

作为本发明进一步的技术方案，基于子宫肌电信号识别宫缩的装置，识别宫缩的装置包括：多通道子宫肌电信号采集模块和处理模块，多通道子宫肌电信号采集模块和处理模块相连。处理模块包括预处理模块、识别模块和计算模块，预处理模块、识别模块和计算模块顺次连接。预处理模块用于消除各种干扰；识别模块用于判断宫缩对应的子宫肌电信号；计算模块用于计算宫缩次数、宫缩平均持续时间和强度。

本发明相对现有技术的有益效果是：

本发明提供了一种利用子宫肌电信号识别宫缩的方法及装置，实现了宫缩信号的自动识别和宫缩特征参数的计算，为监测子宫活动提供了新的途径。

附图说明

图1是本发明宫缩识别的一种实施方式流程图。

图2是本发明采集到的子宫肌电信号及其包络线，(a)是原始子宫肌电信号(b)是子宫肌电信号包络线。

图3是本发明的宫缩参数示意图。

图4是本发明的宫缩识别装置示意图。

具体实施方式

下面结果具体实施方式和附图对本发明进行详细描述，但是本发明的实施方式不限于此。

步骤A1:采集一定时长的子宫肌电信号；

根据临床经验，临产宫缩约为10分钟3次，为了记录到宫缩时的子宫肌电信号，记录时长在20分钟以上。

步骤A2:对子宫肌电信号进行预处理去除干扰；

步骤A3:设置窗口长度L，提取窗口内子宫肌电信号的特征，滑动窗口，重复此操作，舍弃最后不足一个窗口长度的采样点；

根据临床经验，宫缩持续时间一般在30～60s，所以，L取30～60s。

步骤A4:采用模糊聚类算法将所有窗口特征聚成两类，若两类中心距离小于等于设定阈值D，则认为没有宫缩信号；若两类中心距离大于设定阈值，则认为类中心值较大的类为宫缩对应的类；

步骤A5:在宫缩类中，计算每两个窗口中心的时间间隔，若时间间隔小于设定阈值T，则合并为一个窗口，否则窗口不变。在新生成的所有窗口中，搜索宫缩的起点、终点和峰值点；

步骤A6:计算宫缩参数，包括宫缩次数、平均持续时间、平均强度和平均间隔。

作为本发明进一步的技术方案，步骤A2中所述子宫肌电信号预处理方法包括以下步骤：

步骤B1:设计0-3Hz的低通滤波器，或者在这个频率范围内的带通滤波器，如0.08-3Hz；

步骤B2:设定宽度为w的窗口，对窗口数据从大到小排序，取中间值代替窗口内的数值，依照此方法提取低通滤波后信号中的漂移成分，并在低通滤波后的信号中减去该漂移成分。

窗口宽度根据经验确定，如采样频率250Hz时，w＝700.

作为本发明进一步的技术方案，步骤A3中所述特征，包括样本熵、Lyapunov指数和功率谱中值频率，峰值频率，信号能量，标准差和均方根。

样本熵和Lyapunov指数的计算方法参考G,G,Jager F.A comparison of various linear and non-linear signal processing techniques to separate uterine EMG records ofterm and pre-term delivery groups[J].Medical&Biological Engineering&Computing,2008,46(9):911.。

中值频率fmed计算如公式(1)

其中，P为x(t)的功率谱密度函数，其中t＝0，1…N-1，x(t)是采样信号的时间序列，fs是采样频率，N是采样信号长度。i表示采样序号，i＝0，1…N-1；m是i的编号，im是指第m个采样序号。

峰值频率fpeak计算如公式(2)

信号能量e的计算如公式(3)

标准差STD计算如公式(4)

均方根RMS的计算如公式(5)

作为本发明进一步的技术方案，步骤A4中所述模糊聚类算法，采用模糊C均值算法，隶属度函数采用高斯函数，设定聚类数目为2，两类中心距离为欧式距离。

模糊C均值算法可以参考边肇祺，张学工等.模式识别.清华大学出版社2000年1月第2版

作为本发明进一步的技术方案，步骤A5中所述搜索宫缩的起点、终点和峰值点，包括以下步骤：

步骤C1:用经验模态分解法求出宫缩段子宫肌电信号的包络线；

经验模态分解法可以参考Djemili R,Bourouba H,Amara Korba M.C.Application of empirical mode decomposition and artificial neural network for the classification ofnormal and epileptic EEG signals[J].Biocybernetics and Biomedical Engineering,2016,36:285-291.。

步骤C2:在包络线上若连续m点幅值增加且幅值增加超过阈值Ts，则第一个幅值增加的点判定为宫缩起点；从宫缩起点后，从连续m点幅值增加到连续m点幅值下降的拐点判定为峰值点；从连续m点幅值下降且幅值下降超过阈值Te到连续m点幅值变化不超过阈值Te的拐点判定为宫缩的终点。

采样频率250Hz时，优先选择m＝30-50，Ts,Te可以根据多个包络的上升和下降段斜率均值的2/3确定。

作为本发明进一步的技术方案，步骤A6中所述宫缩参数计算，包括以下步骤：

步骤D1:对A4中所有宫缩窗口数求和，定义为此时间段内的宫缩次数。

步骤D2：对每一个宫缩窗口，计算宫缩起点和终点间的时间间隔作为此次宫缩的持续时间；对所有窗口的宫缩持续时间求均值，定义为平均持续时间。

也可以用宫缩段子宫肌电信号包络的半波宽度作为宫缩的持续时间。

步骤D3：对每一个宫缩窗口，计算宫缩起点和终点间的包络线下面积作为此次宫缩的强度；对所有窗口的宫缩强度求均值，定义为平均强度。

用离散求和的方式求包络线下面积，或用宫缩的峰值作为宫缩强度。

步骤D4：计算相邻两次宫缩峰值点间的时间间隔并求均值，定义为平均间隔。

宫缩识别装置包括：多通道子宫肌电信号采集模块和信号处理模块。其中，采集模块可以记录多通道子宫肌电信号，也可以记录宫缩压力信号。信号处理模块包括预处理模块、识别模块和计算模块。预处理模块可以包括多种去除干扰和噪声的方法；宫缩识别模块可以提取和选择子宫肌电信号特征，采用现代模式识别技术识别宫缩对应的子宫肌电信号；计算模块可以根据特征点计算多种宫缩参数，如宫缩次数、宫缩平均持续时间和宫缩强度。