一种胎儿心率检测方法

1.本发明属于胎心监测技术领域，具体地说，是一种胎儿心率检测方法，该方法基于希尔伯特变换和非线性状态空间投影。


背景技术：

2.随着现代电子信息科技的日新月异，使得胎儿电子监护迅速普及，成为产科检查中的必备手段。胎心功能的变化是中枢神经系统调节机能的表现，胎儿中枢神经系统是对子宫内环境恶化最缺少储备能力的脏器，即最缺乏对低氧的耐受力，而且它一次受损会留下终生后遗症。胎心电可及时反映胎儿宫内窘迫，随着孕周增加，其表现越明显，例如胎心电st段的异常改变是判断胎儿缺氧和预后准确可靠的客观指标，持续胎心电监测可协助医师更准确地判断胎儿宫内状态，从胎心电中还可获得真实的瞬时心率，得出胎心率变异的量化参数。
3.胎儿心率的监测作为妊娠期胎儿状况的间接指示，最常见的记录胎心率的技术是多普勒超声方法，但它属于主动测量方式，需要向胎儿发射2mhz的超声信号，不建议长时间记录。
4.现有一种替代方法是利用腹部心电图信号，该信号由放置在孕妇腹部的一些电极获得。该方法是非侵入性的被动测量，无辐射，适合长期记录，这意味着胎心率监测不受时间和频率的限制。而通过腹部心电信号进行胎心率监测，涉及到检测被大量干扰和噪声淹没的小幅度胎儿心跳，其中母体心电图是主要的干扰源。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明披露了一种基于希尔伯特变换和非线性状态空间投影的胎儿心率检测方法，能够从孕妇腹壁心电信号中检测胎儿心率。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.一种胎儿心率检测方法，该方法基于希尔伯特变换和非线性状态空间投影，具体包括以下步骤：
8.步骤一、对采集到的孕妇腹部多通道心电信号ai(n)，i＝1、2、
…
、n进行滤波处理，其中i表示通道索引号，n表示每个通道采集到的样本点索引号，n为每通道样本点总数，消除基线漂移、50hz工频电力线干扰；
9.步骤二、计算每个通道信号的一阶差分信号：di(n)＝ai(n+1)-ai(n)，提取母体和胎儿的心率信息；
10.步骤三、通过对一阶差分信号di(n)进行希尔伯特变换得到每个差分信号的包络ei(n)；
11.步骤四、将所有通道的信号包络ei(n)相加，得到总包络e(n)＝∑
iei
(n)，并将其用状态空间矩阵c表示；
12.步骤五、在状态空间矩阵c中进行非线性状态空间投影处理，去除母体心率包络，
得到胎儿心率包络f(n)；
13.步骤六、对胎儿心率包络f(n)进行希尔伯特变换得到胎儿心率信息。
14.本发明的进一步改进，在所述步骤三中，通过对一阶差分信号di(n)进行希尔伯特变换得到每个差分信号的包络ei(n)，其中信号包络ei(n)定义如下：
[0015][0016][0017][0018]
其中*表示卷积运算符。
[0019]
本发明的进一步改进，在所述步骤四中，将所有通道的信号包络ei(n)相加，得到总包络e(n)＝∑
i ei(n)，并将其用状态空间矩阵c表示，其中参数τ和m分别称为延迟和嵌入维数，(其中τ＝1，m＝10)：
[0020][0021]
状态空间矩阵的每一列用c(k)表示，k＝1、2、
…
、n-(m-1)τ表示状态空间中的一个点，这意味着e(n)在状态空间中由n-(m-1)τ个点表示。
[0022]
本发明的进一步改进，在所述步骤五中，在状态空间矩阵c中进行非线性状态空间投影处理，去除母体心率包络，得到胎儿心率包络f(n)，主要包括5个步骤：
[0023]
(1)确定状态空间中代表母体心率的点集，记为cm，确定方法如下：
[0024]
在状态空间中，计算各点c(k)的最大范数dk：
[0025]dk
＝max(sum(abs(c(ni)-0)))
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0026]
设定阈值参数t，对于dk》t的点确定为代表母体心率的点集，t设为总包络e(n)最大值的三分之一：
[0027]
t＝maxe(n))/3
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0028]
(2)将cm的每一点通过局部主分量分析进行正交投影，得到它代表母体心率包络；
[0029]
(3)去除母体心率包络：
[0030][0031]
(4)将c
mr
转换为时间包络序列f(n)，得到胎儿心率信息：
[0032][0033]
其中τ＝1，m＝10，n＝0、1、
…
、n-1，i、j表示矩阵c
mr
的行和列索引号。
[0034]
本发明的有益效果：在本发明中，信号包络所具有的一个重要性质是它是正的，而且典型的双极r波是只有一个峰值的单极响应，来自多通道的信号可以不考虑它们的极性
进行集成，因此即使在某些通道中错过了胎儿心跳，仍然可以检测到胎儿心跳，这提高了胎儿心率检测的稳健性；该方法既适用于单通道数据，也适用于多通道数据。且多通道输入是首选，因为它们对胎儿心率的描述更全面。此外，信号包络比原始信号更清晰，提高了分离过程的鲁棒性，引入信号包络代替心电信号作为非线性状态空间投影过程的输入，可以提高输入的信噪比，提高非线性状态空间投影的性能，通过实际心电数据验证了该方法的有效性和性能。
附图说明
[0035]
图1为本发明的流程图。
[0036]
图2是本发明的示意图。
[0037]
图3为本发明中计算腹壁信号的一阶差分信号和包络信号示意图。
[0038]
图4为本发明中使用nssp算法去除母体心率包络示意图。
具体实施方式
[0039]
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
[0040]
实施例：如图1和图2所示，一种胎儿心率检测方法，具体包括以下步骤：
[0041]
步骤一：获取孕妇腹壁胎儿心电检测信号：
[0042]
胎儿心电检测是将心电电极置于孕妇腹壁，获得胎儿心电信息的方法，属于非侵入式无创操作，对母体及胎儿皆无损害。与目前临床采用的超声多普勒主动探测方法(需要向胎儿发射2mhz的能量信号，且因胎儿心脏很小不易被超声波射中，易使信号消失或强弱变化不均)不同，经腹胎心电方法属于被动探测，实现真正意义上的无创，可持续监测。从使用者的角度，腹壁胎心电监测使用简单方便，不需要掌握深入的医学专业技能，可在家庭环境下自主使用，安全方便。虽然经腹胎心电蕴含信息丰富，实现安全方便，但胎儿心电信号传输至体表已非常微弱，且受到母体心电的严重干扰，不易获取，需要采用较为复杂的信号分析处理方法从腹壁信号中提取出微弱的胎儿心电信号，从而获得关于胎心的基本指标数据，对胎儿的健康状态进行评估。
[0043]
步骤二、腹壁心电信号预处理：
[0044]
对采集到的孕妇腹部多通道心电信号ai(n)，i＝1、2、
…
、n进行滤波处理，其中i表示通道索引号，n表示每个通道采集到的样本点索引号，n为每通道样本点总数，消除基线漂移、50hz工频电力线干扰。
[0045]
步骤三、计算一阶差分信号：
[0046]
计算每个通道信号的一阶差分信号：di(n)＝ai(n+1)-ai(n)，提取母体和胎儿的心率信息。
[0047]
步骤四、利用希尔伯特变换进行信号包络计算：
[0048]
通过对一阶差分信号di(n)进行希尔伯特变换得到每个差分信号的包络ei(n)。其中信号包络ei(n)定义如下：
[0049]
[0050][0051][0052]
其中*表示卷积运算符，如图3所示。
[0053]
步骤五、计算多通道信号总包络及其状态空间矩阵：
[0054]
将所有通道的信号包络ei(n)相加，得到总包络e(n)＝∑
i ei(n)，并将其用状态空间矩阵c表示，其中参数τ和m分别称为延迟和嵌入维数，(其中τ＝1，m＝10)：
[0055][0056]
状态空间矩阵的每一列用c(k)表示，k＝1，2，
…
，n-(m-1)τ表示状态空间中的一个点，这意味着e(n)在状态空间中由n-(m-1)τ个点表示。
[0057]
步骤六、非线性状态空间投影处理，得到胎儿心率信息，如图4所示：
[0058]
在状态空间矩阵c中进行非线性状态空间投影处理，去除母体心率包络，得到胎儿心率包络f(n)，主要包括5个步骤：
[0059]
(1)确定状态空间中代表母体心率的点集，记为cm，确定方法如下：
[0060]
在状态空间中，计算各点c(k)的最大范数dk：
[0061]dk
＝max(sum(abs(c(ni)-0)))
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0062]
设定阈值参数t，对于dk＞t的点确定为代表母体心率的点集，t设为总包络e(n)最大值的三分之一：
[0063]
t＝max(e(n))/3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0064]
(2)将cm的每一点通过局部主分量分析进行正交投影，得到它代表母体心率包络；
[0065]
(3)去除母体心率包络：
[0066][0067]
(4)将cmr转换为回时间包络序列f(n)，得到胎儿心率信息：
[0068][0069]
其中τ＝1，m＝10，n＝0、1、
…
、n-1，i，j表示矩阵c
mr
的行和列索引号。
[0070]
以上所述为本发明的示例性实施例，并非因此限制本发明专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。