基于部分按段重采样的胎儿心电图分离提取方法
【专利摘要】本申请涉及从孕妇腹壁电中分离提取胎儿心电图(FECG)的方法。从腹壁电信号中分离提取胎儿心电图，主要包括两大步骤：第一步，估计腹壁电信号中的母体心电成分，并把估计的母体心电成分从腹壁电信号中去掉，得到胎儿心电图的初步估计结果，不妨称为胎儿心电图的初步估计阶段；第二步，进一步去除初步估计的胎儿心电图信号中的干扰噪声，获得胎儿心电图的精确估计结果，称之为胎儿心电图的增强估计阶段。本发明分别涉及胎儿心电图初步估计阶段的一种方法和胎儿心电图增强估计阶段的一种方法。提出的部分按段重采样提取方法较之前的按段重采样方法提高了估计的鲁棒性。
【专利说明】基于部分按段重采样的胎儿心电图分离提取方法
【技术领域】
[0001] 本专利申请涉及从孕妇腹壁电中分离提取胎儿心电图（FECG)的方法。
[0002] 从孕妇腹部体表采集到的腹壁电信号是一个混合信号，不仅包括了胎儿心电成 分，还包括了母体心电成分和其他干扰噪声。从腹壁电信号中分离提取胎儿心电图，主要包 括两大步骤：第一步，估计腹壁电信号中的母体心电成分，并把估计的母体心电成分从腹壁 电信号中去掉，得到胎儿心电图的初步估计结果，不妨称为胎儿心电图的初步估计阶段；第 二步，进一步去除初步估计的胎儿心电图信号中的干扰噪声，获得胎儿心电图的精确估计 结果，称之为胎儿心电图的增强估计阶段。胎儿心电图分离提取算法的总体框图见附图1。
[0003] 具体地说，本专利申请分别涉及胎儿心电图初步估计阶段的一种方法和胎儿心电 图增强估计阶段的一种方法。
【背景技术】
[0004] 不管是胎儿心电图的初步估计阶段还是增强估计阶段，所采用的胎儿心电分离提 取方法，均有单路方法和多路方法之分。多路方法是指通过对多路信号的融合计算得到对 胎儿心电图信号的初步估计或增强估计，常见的方法有：自适应滤波、主成分分析（PCA)、 独立成分分量（ICA)、周期分量分析（piCA)等。所谓单路方法，即仅依赖一路腹壁电信号或 一路初步估计的胎儿心电图信号，从中得到胎儿心电图的初步估计或增强估计的方法，常 见的方法有：模板法、奇异值分解法、按段重采样方法等。由于单路方法可用于单路信号的 处理、也可用于多路信号的分别处理，因此，它的应用更具普遍性。
[0005] 在单路方法中，按段重采样方法，是对每一 R-R信号段分别重采样并结合梳状滤 波对胎心电进行估计的方法。该方法中，对每一R-R信号段分别进行重采样的目的是：使每 个R-R信号段具有相同的采样点数，以进行梳状滤波。由于该方法考虑了实际心电信号存 在R-R间期长短差异即心率变异性的问题，因此取得了较好的胎心电分离效果。但是，按段 重采样方法对心率变异性的考虑还不够到位，它所基于的"PQRST波群的时间跨度与R-R间 期成正比例"的假设，实践证明存在一定的偏差，因此，当存在严重的心率变异性即R-R间期 长短差异时，按段重采样方法对胎儿心电图的初步估计或增强估计都会产生较大的误差。 也就是说，目前的按段重采样方法对心率变异性的鲁棒性还有待提高。
[0006] 参考文献：
[0007] 1.发明专利申请文件：胎儿心电图的分离提取方法（200910027979. 0)。发明人： 刘红星，郑威，肇莹，蒋鑫，宁新宝。
[0008] 2. Zheng Wei, Liu Hongxing*，He Aijun, Ning Xinbao, Cheng Jianchun ： Single-lead fetal Electrocardiogram Estimation by means of Combining R-peaks Detection，Resampling and Comb Filter，Medical Engineering and Physics, ISSN ： 1350-4533, 32(2010)，NO. 7, 708-719, 2010. 10. 16
【发明内容】
[0009] 要解决的技术问题。
[0010] 不管是胎儿心电图的初步估计阶段还是增强估计阶段，现有的按段重采样估计胎 心电方法，当存在较大心率变异性时估计的胎儿心电图都会产生较大误差，有必要对其进 行改进，以提高方法对心率变异性的鲁棒性，减小估计误差。
[0011] 技术方案。
[0012] 提出了胎儿心电图初步估计的一种方法，该方法包括这些步骤：（1)读取一路从 母体腹部采集的腹壁电信号；（2)预处理，去除腹壁电信号中的基线漂移、工频干扰及高频 噪声；(3)检测腹壁电信号中母体心电的R波波峰位置；(4)标记每个R波波峰前第Lltt点 为Ps点，R波波峰后第Lrt点为Te点，这样每个心动周期Ps-Ps可分割为Ps-Te和Te-Ps两 段，因母体心电具有心率变异性，各个心动周期的Te-Ps段的长度不尽相同；（5)对各Te-Ps 段信号分别进行重采样，使各Te-Ps段具有相同的采样点数，这时各心动周期Ps-Ps段同样 具有相同的采样点数，即进行所谓的部分按段重采样；(6)对部分按段重采样后的信号进 行梳状滤波，得到母体成分的周期均匀化估计；（7)对获得的周期均匀化的母体成分的各 Te-Ps段进行再次重采样恢复原长度，也即恢复母体心电的心率变异性，进而得到母体心电 的估计；(8)从步骤（2)获得的预处理信号中减去估计的母体心电，即可得到胎心电的初步 估计。本方案流程图见附图2。
[0013] 提出了胎儿心电图增强估计的一种方法，该方法包括以下步骤：（1)读取一路胎 心电初步估计阶段估计的胎心电信号；(2)预处理，去除信号中的基线漂移及高频噪声； (3)检测信号中胎心电的R波波峰位置；(4)标记每个R波波峰前第Iltt点为Ps点，R波波 峰后第Irt点为Te点，这样每个心动周期可分割为Ps-Te和Te-Ps两段，因胎心电具有心率 变异性，各心动周期中Te-Ps段的长度不尽相同；（5)对各Te-Ps段信号分别进行重采样， 使各Te-Ps段具有相同的采样点数，这时各心动周期Ps-Ps段同样具有相同的采样点数，即 进行所谓的部分按段重采样；(6)对部分按段重采样后的信号进行梳状滤波，得到胎心电 的周期均匀化估计；(7)对获得的周期均匀化的胎儿成分的各Te-Ps段进行再次重采样恢 复原长度，也即恢复胎心电的心率变异性，进而得到胎心电的增强估计。胎心电分离提取到 此结束。本方案流程图见附图3。
[0014] 上述两方法中，第（2)步中可以使用带通滤波器来去除基线漂移和高频噪声，陷 波器来去除工频干扰。第（3)步中可以使用简单的差分阈值法，也可用基于小波变换等的 方法。
[0015] 上述方法一的第⑷步中L1^ = Tpjfs, Lrt = Trt*fs, fs为采样率，T1^可取为 0. 12-0. 2s范围内的某一固定值，Trt可取为0. 2-0. 4s范围内的某一固定值。
[0016] 上述方法二的第⑷步中Iltt = tpjfs, Irt = fs为采样率，&可取为 0. 06-0. Is范围内的某一固定值，trt可取为0. 1-0. 2s范围内的某一固定值。
[0017] 以上两方案并不是发明人随意提出的，而是根据一已经验证的规律提出的。这一 规律是：对于正常窦性心律，尽管存在心率变异性，但是不同心动周期的PQRST波群的时间 跨度是恒定的，也就是说只有上面方案中提到的Te-Ps段的持续时间随着心动周期长度的 变化而变化。这一规律见附图4所示，图中的各心动周期来自于某一患者的实测心电图。
[0018] 本申请提出的两个阶段的部分按段重采样胎心电提取方案，与现有的按段重采样 提取胎心电方法相比，更好地体现了以上规律的客观要求。
[0019] 有益效果。
[0020] 经用仿真数据和美国MIT Abdominal and Direct Fetal ECG Database胎儿心电 数据库中的数据，测试本申请的两方法，发现本申请方案均能较好的给出胎儿心电的初步 估计和增强估计，尤其在心率变异性较大时本申请方案的优势更加明显。
[0021] 附图 5 为使用本申请方案对MIT Abdominal and Direct Fetal ECG Database 胎 儿心电数据库中的"rOl"数据第一通道的某一段信号进行胎心电提取结果。附图5中，（a) 图为读取的原始腹壁电信号，（b)图为使用本申请方案估计的母体心电，（c)图为使用本申 请方案估计得到的胎心电的初步估计，（d)图为本申请方案得到的胎心电的增强估计。图 中纵坐标刻度的单位为UV。
[0022] 附图6为使用原按段重采样方法对附图5所处理的同一信号进行胎心电提取的结 果。附图6中，（a)图为读取的原始腹壁电信号，（b)图为原按段重采样方法得到的母体心 电，（c)图为原按段重采样方法估计得到的胎心电的初步估计，（d)图为原按段重采样方法 得到的胎心电的增强估计。图中纵坐标刻度的单位为UV。
[0023] 现定义一指标WPR来定量衡量胎心电初步估计的效果，该指标越小说明胎心电初 步估计的质量越1? :
【权利要求】
1. 一种对胎儿心电图初步估计的方法，其特征是，包括以下步骤：（1)读取一路从母 体腹部采集的腹壁电信号；(2)预处理，去除腹壁电信号中的基线漂移、工频干扰及高频噪 声；（3)检测腹壁电信号中母体心电的R波波峰位置；(4)标记每个R波波峰前第k点为 Ps点，R波波峰后第Lrt点为Te点，以使每个心动周期Ps-Ps出现Ps-Te和Te-Ps两段；（5) 对各Te-Ps段信号分别进行重采样，以使各Te-Ps段具有相同的采样点数，这样各心动周期 Ps-Ps段同样具有了相同的采样点数，即进行了所谓的部分按段重采样；(6)对部分按段重 采样后的信号进行梳状滤波，得到母体心电成分的周期均匀化估计；（7)对获得的周期均 匀化的母体心电成分的各Te-Ps段进行再次重采样恢复原长度，也即恢复母体心电成分的 心率变异性，进而得到母体心电的估计；(8)从步骤（2)获得的预处理信号中减去估计的母 体心电成分，即可得到胎心电的初步估计。
2. -种对胎儿心电图增强估计的方法，其特征是，包括以下步骤：（1)读取一路胎心电 初步估计信号；（2)预处理，去除信号中的基线漂移及高频噪声等；(3)检测信号中胎心电 的R波波峰位置；(4)标记每个R波波峰前第1P1?点为Ps点，R波波峰后第lrt点为Te点， 以使每个心动周期Ps-Ps出现Ps-Te和Te-Ps两段；（5)对各Te-Ps段信号分别进行重采 样，以使各Te-Ps段具有相同的采样点数，这时各心动周期Ps-Ps段同样具有了相同的采样 点数，即进行了所谓的部分按段重采样；(6)对部分按段重采样后的信号进行梳状滤波，得 到胎心电成分的周期均匀化估计；（7)对获得的周期均匀化的胎心电成分的各Te-Ps段进 行再次重采样恢复原长度，也即恢复胎心电的心率变异性，进而得到胎心电的增强估计。
3. 根据权利要求1中所述的一种对胎儿心电图初步估计的方法，其第（4)步中关于 和Lrt的确定，其特征是，k = Tpjfs，Lrt = Trt*fs，fs为采样率，t可取为0. 12-0. 2s范 围内的某一固定值，Trt可取为0. 2-0. 4s范围内的某一固定值。
4. 根据权利要求2中所述的一种对胎儿心电图增强估计的方法，其第（4)步中关于1% 和lrt的确定，其特征是，1m = tpjfs，= trt*fs，fs为采样率，U可取为0. 06-0. Is范 围内的某一固定值，trt可取为0. 1-0. 2s范围内的某一固定值。
【文档编号】A61B5/0444GK104382589SQ201410763395
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年12月9日 优先权日:2014年12月9日
【发明者】刘红星, 闫华文, 黄晓林, 肇莹, 司峻峰, 宁新宝 申请人:南京大学