[發明專利]一種基于多腹導和多胸導的自適應胎兒心電信號提取系統及方法

在審

• 申請號: 201710148736.7
• 申請日: 2017-03-10
• 公開（公告）號: CN107049303A
• 公開（公告）日: 2017-08-18
• 發明（設計）人: 馬亞平;魏國;肖業貴;孫金瑋;黃博妍;劉丹
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: A61B5/0444
• 分類號: A61B5/0444;A61B5/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所23109
• 代理人: 楊立超

技術領域

本發明屬于胎兒心電信號檢測技術領域，具體涉及一種基于多腹導和多胸導的自適應胎兒心電信號提取系統及方法。

背景技術

隨著我國經濟水平的提升，人們對優生優育的認識逐步加強，對圍產期中的胎兒和孕婦實時監護提升孕婦的生育水平和質量，將對我國人口素質的進一步改善產生積極影響。同時，日趨成熟的先進醫療儀器和醫療技術將為圍產期的孕婦和胎兒監護提供技術保障，這一發展趨勢引來了人們的廣泛關注。因此，人們必須采用有效的胎兒監護措施，實時監測妊娠期和分娩期的胎兒發育及成長狀況。

胎兒心臟在跳動之前先產生生理電活動，胎兒心臟的生理電活動經胎體組織和母體內臟組織傳導至母體的體表，采用胎兒心電信號檢測儀器把傳到母體腹壁上的胎兒心電活動記錄下來，形成所謂的胎兒心電圖(Fetal Electrocardiogram，FECG)。其產生原理與成人心電圖類似，通過檢測胎兒心臟電生理活動的生理電刺激信號，并在心電圖紙上描記出心臟電生理活動的綜合矢量波形。胎兒心電圖能區分胎兒每一次心臟搏動的微細變化，比傳統的多普勒超聲胎心監護，更能反映心臟活動全貌。胎兒心電圖是胎兒心臟生理活動的客觀指標，它反映了胎兒在孕期中的生長和健康狀況，能夠幫助及早診斷妊娠期和分娩期的胎兒是否有先天性心臟病或宮內缺氧等癥狀。

目前胎兒心電信號的提取質量主要受到如下幾個方面的制約：(1)腹部導聯心電信號中胎兒心電信號成分與胸部心電信號分量之間的信噪比很低；(2)來自腹部導聯的混合心電信號和胸導的母親心電信號之間的存在未知的非線性；(3)體表電極數量和位置將帶來不同的胎兒心電信號波形的信息，進而影響胎兒心電信號波形的重構。

盡管存在上述問題，目前已有許多基于自適應噪聲消除器的胎兒心電信號提取技術，它們均采用腹部導聯(腹導)心電信號作為自適應噪聲消除器的原始通道輸入，采用胸部導聯(胸導)心電信號作為對應的參考通道輸入。1975年，斯坦福大學的Widrow等人采用基于線性FIR(finite impulse response，有限脈沖響應)濾波器的自適應噪聲抵消器結構來提取胎兒心電信號，采用了單個原始通道和多個參考通道(B.Widrow,J.R.Glover,J.M.McCool.Adaptive Noise Cancelling:Principles and Applications[J].Proceedings of the IEEE,1975,63(12):1692–1716.)。該方法能夠快速跟蹤胸部導聯心電信號及其在腹部心電信號成分的變化，但該自適應噪聲抵消器的誤差輸出中仍然包含著殘余的胸部心電信號成分，實驗表明了該結構中的線性FIR濾波器，在估計母體心電信號在胸部區域傳遞到腹部區域之間非線性方面，性能較差。后來，Camps-Valls等人提出了基于FIR神經網絡的非線性自適應噪聲抵消器，利用單個原始通道和單個參考通道的結構(G.Camps-Valls,M.Martinez-Sober,E.Soria-Olivas,et al.FoetalEcg Recovery Using Dynamic Neural Networks[J].Artificial Intelligence in Medicine,2004,31(3):197–209.)。該方法可很好地應對上述非線性問題，但神經網絡的初始化和學習算法需要較高的時間復雜度。2008年，一種基于Volterra非線性濾波器的自適應噪聲抵消器被提出，采用多個原始通道和單個參考通道，用于完成同樣的胎兒心電信號提取任務(M.Shadaydeh,Y.Xiao,R.K.Ward.Extraction of Fetal Ecg Using Adaptive Volterra Filters[C].European Signal Processing Conference.2008:1–5.)。該方法可以良好地近似存在的線性和非線性的問題，但其性能隨著核函數階數增加并沒有明顯的改善，同時帶來沉重的計算負擔。Behar等人提出了基于ESN(echo state neural network，回聲狀態神經網絡)非線性自適應噪聲抵消器(J.Behar,A.Johnson,G.D Clifford,et al.A Comparison of Single Channel Fetal Ecg Extraction Methods[J].Annals of Biomedical Engineering,2014,42(6):1340-1353.)的胎兒心電信號提取方法，采用單原始通道和單參考通道結構。該方法受制于權值的初始化問題，以及尋求合適的神經網絡節點數目需要一個長時間的搜索過程。