[發明專利]一種非負盲分離胎心音分析方法及裝置

有效

• 申請號: 201610157005.4
• 申請日: 2016-03-17
• 公開（公告）號: CN105787946B
• 公開（公告）日: 2019-05-14
• 發明（設計）人: 謝勝利;謝侃;蔡坤;劉輝
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G06T5/00;A61B8/02
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 林麗明

1.一種非負盲分離胎心音分析方法，其特征在于，包括如下步驟：

1)采集胎兒心音信號；

2)對采集到的胎兒心音信號進行預處理，預處理過程采用既能有效去除噪聲又能保持信號的局部奇異性的小波變換；

3)把預處理后的信號變換到時頻域，取得非負頻譜，采用的方法為：對預處理后的信號求wigner-ville分布并求模得到其幅度譜；

4)利用非負矩陣分解進行盲分離，對胎兒心音信號幅度譜進行處理，得到胎兒心音信號的非負時頻特征頻譜信號，取得胎兒心音信號的非負時頻特征分量，并將提取的非負時頻特征分量作為胎兒心音信號的特征信號；

5)利用歸一化平均高階香農熵方法繪制包絡曲線；

6)對取得包絡進行分析，包括：設定雙閾值實現包絡分段，并基于差分法計算瞬時心率。

2.根據權利要求1所述的非負盲分離胎心音分析方法，其特征在于，所述步驟2)中，對采集到的胎兒心音信號進行預處理，具體是：采用時間局部性好、能量集中度高的db6小波對采集到的胎兒心音信號作5層小波分解，選取d3為100～200Hz、d4為50～100Hz和d5為25～50Hz重構信號。

3.根據權利要求1所述的非負盲分離胎心音分析方法，其特征在于，所述步驟3)中，把預處理后的信號變換到時頻域，取得非負頻譜，具體實現方法是：對預處理后的信號求wigner-ville分布，其定義如下：

其中z(·)是預處理信號的解析信號，τ為信號自變量，t是時間變量，f為頻率自變量，Wz(t,f)是一個二維的時頻平面，表示在t時間段，頻率分量f所占該時間段信號能量的大小，對Wz(t,f)求模得到其幅度譜。

4.根據權利要求1所述的非負盲分離胎心音分析方法，其特征在于，所述步驟4)中，利用非負矩陣分解進行盲分離，對胎兒心音信號幅度譜進行處理，取得胎兒心音信號的非負時頻分量，其中非負矩陣分解模型為：

V＝WH，V表示觀測到的非負矩陣，W為混合矩陣，H表示恢復出的源信號矩陣，采用交替迭代的方法更新W和H，即固定第n次迭代的結果W⁽ⁿ⁾來計算第n+1次的矩陣H⁽ⁿ⁺¹⁾，然后利用H⁽ⁿ⁺¹⁾計算下一步的W⁽ⁿ⁺¹⁾，迭代公式如下：

當迭代次數達到一定數量后，非負矩陣W與H均會達到穩定狀態，此時算法停止迭代，所得H即為非負盲分離得到的胎兒心音信號的非負時頻特征分量，該分量即為胎兒心音信號的特征信號。

5.根據權利要求1所述的非負盲分離胎心音分析方法，其特征在于，所述步驟5)中，包絡的提取采用歸一化平均高階香農熵方法，首先，對歸一化后的信號分段，每32點為一段，重疊16點，計算各段的平均高階香農熵，以歸一化平均高階香農熵作為胎兒心音信號非負時頻分量的包絡。

6.根據權利要求1所述的非負盲分離胎心音分析方法，其特征在于，所述步驟6)中，對取得包絡進行分析包括對胎兒心音信號進行分段，采用雙閾值法，在提取的信號包絡中，尋找能量在一定幅度以上的心音段，并確定其邊界，具體是：根據包絡幅值設置兩個軟閾值，大閾值Th1和小閾值Th₂，其中Th₁用于抑制噪聲和雜音對搜索邊界的影響，Th₂用于確定S1和S2的起止點，對幅值大于Th₁的包絡段，以Th₁為基準向前搜索，直到幅值小于Th₂，此時的點為S1或S2的起點，對幅值大于Th₁的包絡段，以Th₁為基準向后搜索，直到幅值小于Th₂，此時的點為S1或S2的終點；

所述步驟6)中，對取得包絡進行分析包括，根據分段信息，將起點到終點之間置1，終點到下一起點之間置0，構造S1和S2的時間門，依次進行前向差分計算所有時間門之間的間隔，計算瞬時胎兒心率，計算公式如下：

其中Δt為每兩相鄰時間門之間的間隔，v為瞬時心率。

7.一種非負盲分離胎心音分析裝置，包括：

信號采集單元、預處理單元、盲分離單元、提取包絡單元、信號分析單元、實時顯示單元和打印單元，所述預處理單元，采用時間局部性好、能量集中度高的db6小波對采集到的胎兒心音信號作5層小波分解，選取d3為100～200Hz、d4為50～100Hz和d5為25～50Hz重構信號；

所述盲分離單元，包括：把預處理后的信號求wigner-ville分布，變換到時頻域，對取得時頻分量求模得到其幅度譜，對該幅度譜進行非負矩陣分解的盲分離運算，其中非負矩陣分解模型為：V＝WH，其中V表示觀測到的非負矩陣，W為混合矩陣，H表示恢復出的源信號矩陣，采用交替迭代的方法更新W和H，得到胎兒心音信號的非負時頻分量；

提取包絡單元，采用歸一化平均高階香農熵方法，首先，對歸一化后的信號分段，每32點為一段，重疊16點，計算各段的平均高階香農熵，以歸一化平均高階香農熵作為胎兒心音信號非負時頻分量的包絡；

信號分析單元，采用雙閾值法對胎兒心音信號進行分段，在提取的信號包絡中，尋找能量在一定幅度以上的心音段，并確定其邊界完成分段；基于分段信息，利用差分法計算所有時間門之間的間隔，并計算瞬時胎兒心率，計算公式為：

其中Δt為每兩相鄰時間門之間的間隔，v為瞬時心率；

顯示單元，用于顯示胎兒心音信號波形及提取的瞬時心率。