CN106667478B - 一种多导联联合检测的智能胎儿心电检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多导联联合检测的智能胎儿心电检测方法及系统，该方法包括：a、采集一组多通道母体心电信号J1、J2……Jm，并采集另一组母体与胎儿的多通道混合心电信号V1、V2……Vn；b、确定母体心电信号J1、J2……Jn中的最优母体心电信号Jk，并对最优心电信号Jk进行QRS复波检测，得到其QRS复波检测结果；c、利用QRS复波检测结果，分别从混合心电信号V1、V2……Vn中提取对应的胎儿心电信号V’1、V’2……V’n；d、从胎儿心电信号V’1、V’2……V’n中确定最优胎儿心电信号V’L，并对V’L进行QRS复波检测，计算得到胎儿的实时心率和QRS复波宽度指标。其能有效增强胎儿心电信号提取的稳定性、鲁棒性和噪声敏感性，并提高胎儿心电信号实时正确检出的成功率。
Description
技术领域
本发明属于胎儿心电检测技术领域，尤其涉及一种多导联联合检测的智能胎儿心电检测方法及系统。
背景技术
胎儿心电监护有利于及时发现胎儿缺氧、脐带缠绕等孕期的胎儿病理情况，及早采取措施，保证胎儿健康，降低围产期胎儿的发病率和死亡率。取自母体腹壁表面的胎儿心电检测方法因其方便、无创而深受医务工作者和孕妇的欢迎，是目前较好的无创检测方法，适合孕妇在家日常长时动态监测胎儿心动状况。
如何从孕妇腹壁混合心电信号中有效地提取胎儿心电信号是一大难点：(1)胎儿心电信号经过羊水、子宫壁等最终传递到母体腹壁层，已经非常微弱；(2)胎儿心脏位置很难确定，妊娠期胎儿至母亲腹部的电传导特性经常随着孕周而变化。目前提出的胎儿心电提取算法主要有自适应滤波法、小波变换法、神经网络法和独立成分分析法等。这些算法都有一个共同缺点，即对胎儿位置以及孕妇当前状态高度敏感，进而降低胎儿心电信号提取的稳定性、鲁棒性和噪声敏感性，导致胎儿心电信号实时正确检出的成功率很低。
发明内容
基于此，针对上述问题，有必要提出一种能有效增强胎儿心电信号提取的稳定性、鲁棒性和噪声敏感性、并提高胎儿心电信号实时正确检出成功率的多导联联合检测的智能胎儿心电检测方法及系统。
本发明的技术方案是：一种多导联联合检测的智能胎儿心电检测方法，包括以下步骤：
a、在母体胸腔的不同位置处选取m个测试点，采集一组多通道母体心电信号J1、J2……Jm，m≥2，并在母体腹壁的不同位置处选取n个测试点，采集另一组母体与胎儿的多通道混合心电信号V1、V2……Vn，n≥2；母体心电信号采集点的选取应尽量均匀分布，混合心电信号采集点的选取也应尽量均匀分布；
b、确定所述多通道母体心电信号J1、J2……Jn中的最优母体心电信号Jk，1≤k≤n，并对最优心电信号Jk进行QRS复波检测，得到其QRS复波检测结果；
c、利用所述步骤b中信号Jk的QRS复波检测结果，分别从所述混合心电信号V1、V2……Vn中提取对应的胎儿心电信号V’1、V’2……V’n；
d、从所述胎儿心电信号V’1、V’2……V’n中确定最优胎儿心电信号V’L，1≤L≤n，并对V’L进行QRS复波检测，计算得到胎儿的实时心率和QRS复波宽度指标。
作为本发明的进一步改进，所述步骤b中最优母体心电信号Jk的确定过程如下：
b1、将所述母体心电信号J1设置为默认最优母体心电信号，并对信号J1、J2……Jm进行实时QRS复波检测，得到各通道母体心电信号的QRS复波检测结果；
b2、根据所述步骤b1中各通道母体心电信号的QRS复波检测结果，分别计算各路母体心电信号J1、J2……Jn的信噪比；
b3、将所述步骤b2中信噪比取值最大的母体心电信号Jk更新为默认的最优母体心电信号。
利用最优一路的母体心电信号进行后续的QRS复波检测，准确率比其它路更高，避免错误的QRS复波检测对后面的胎儿心电提取造成错误结果。
作为本发明的进一步改进，所述步骤c具体包括如下过程：
c1、根据所述最优母体心电信号Jk的QRS复波检测结果，在所述多通道混合心电信号V1中查找定位该信号中的母体QRS复波位置，提取得到该混合心电信号V1的母体QRS复波信号；
c2、将所述步骤c1得到的母体QRS复波信号进行滑动平均，得到多通道混合心电信号V1的母体QRS复波模板；
c3、利用所述步骤c2得到的信号V1的母体QRS复波模板，以及根据所述步骤c1确定的信号V1的母体QRS复波位置，合成得到信号V1的母体心电合成信号V”1；
c4、将所述母体心电合成信号V”1和混合心电信号V1分别作为自适应滤波器的参考输入和输入，对混合心电信号V1进行实时滤波提取出胎儿心电信号V’1；
c5、对混合心电信号V2-Vn，重复步骤c1-c4，进行与所述混合心电信号V1相同的处理，依次从混合心电信号V2-Vn中提取对应的胎儿心电信号V’2-V’n。
其中，合成心电信号V”1作为V1路自适应滤波器的参考输入信号，该合成信号V”1与最优母体心电信号Jk相比，QRS复波位置相同，但QRS复波形状不同，合成信号V”1的QRS复波形状更贴近于该路混合心电信号V1中母体QRS复波的形状，使得对该混合通道的自适应滤波效果更好；与传统算法中将实测得到的最优母体心电信号Jk直接作为参考输入信号相比，自适应滤波效果更好。
作为本发明的进一步改进，所述步骤d具体包括如下过程：
d1、计算所述胎儿心电信号V’1-V’n的信噪比，信噪比取值最大的胎儿心电信号V’L为最优胎儿心电信号；
d2、对最优胎儿心电信号V’L进行QRS复波检测，计算得到胎儿的实时心率和QRS复波宽度指标。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤b之前还包括以下过程：
k1、对所述步骤a中采集的母体心电信号J1、J2……Jm和混合心电信号V1、V2……Vn进行0.5Hz-100Hz带通滤波以及50Hz/60Hz陷波，滤除基线漂移、肌电干扰和工频干扰；
k2、对所述步骤k1中滤波后的母体心电信号J1、J2……Jm和混合心电信号V1、V2……Vn，使用中值滤波法进一步消除残余的基线漂移。
本发明还提供基于上述多导联联合检测的智能胎儿心电检测方法的检测系统，其包括信号采集装置和信号处理装置。
信号采集装置用于在母体胸腔的不同位置处采集一组母体心电信号J1、J2……Jm，并在母体腹壁的不同位置处采集一组母体与胎儿的混合心电信号V1、V2……Vn。
信号处理装置用于根据所述母体心电信号J1、J2……Jm从混合心电信号V1、V2……Vn中提取对应的胎儿心电信号V’1、V’2……V’n，并确定提取的胎儿心电信号V’1、V’2……V’n中的最优胎儿心电信号V’L，对V’L进行QRS复波检测，计算得到胎儿的实时心率和QRS复波宽度指标，绘制胎儿的实时心率曲线并展示。
作为本发明的进一步改进，所述信号采集装置包括i个电极片和胎儿心电采集盒，该胎儿心电采集盒内设置有i通道的心电信号采集芯片、无线WIFI传输模块和充电式锂电池模块；所述i个电极片分别与所述心电信号采集芯片的i个信号输入端相连，所述无线WIFI传输模块与心电信号采集芯片之间通信连接，所述充电式锂电池模块与心电信号采集芯片的电源输入端相连；其中，i＝m+n+1。
其中，(i-1)个电极片作为(i-1)个测试通道的心电信号差分输入的P端，另外一个电极片作为(i-1)路心电信号差分输入的公共N端；每个电极片与心电信号采集芯片之间通过导联线连接，该导联线的一端为i根线及暗扣式插头,暗扣式插头方便插入一次性使用的电极片，导联线的另一端为HDMI接口，与胎儿心电采集盒连接。
作为本发明的进一步改进，所述胎儿心电采集盒上还设置有可穿戴式手环。
作为本发明的进一步改进，所述信号处理装置为智能手机、平板电脑或是台式电脑。
其中，智能手机、平板电脑或是台式电脑上运行基于上述方法的胎儿心电检测APP，该胎儿心电检测APP提供如下功能：
对(i-1)个电极片采集的(i-1)路心电信号同步进行0.5Hz-100Hz带通滤波以及50Hz/60Hz陷波，滤除基线漂移、肌电干扰和工频干扰；使用中值滤波法消除残余的基线漂移，进一步提升心电信号质量；使用多导联联合检测算法自动提取最优的胎儿心电信号并显示；根据提取到的胎儿心电信号，自动分析胎儿的心率及QRS时限；自动绘制显示胎儿心率曲线。
本发明的有益效果是：
(1)传统胎儿心电提取算法主要有自适应滤波法、小波变换法、神经网络法和独立成分分析法等，这些算法都有一个共同缺点，即对胎儿位置以及孕妇当前状态高度敏感；本发明对经典的自适应滤波胎儿心电提取算法进行了改进，可以有效增强胎儿心电信号提取的稳定性、鲁棒性和噪声敏感性，提高胎儿心电信号实时正确检出的成功率；
(2)在输出最优质量的胎儿心电信号的同时，实时监测其它通道输出的胎儿心电信号质量；一旦发现质量更优的通道，算法迅速自动切换到该最优通道上，最大程度地增强胎儿心电信号提取的稳定性、鲁棒性和噪声敏感性，提高胎儿心电信号实时正确检出的成功率，降低了传统自适应滤波算法对胎儿位置以及孕妇当前状态高度敏感的缺陷；
(3)利用最优一路的母体心电信号进行后续的QRS复波检测，准确率比其它路更高，避免错误的QRS复波检测对后面的胎儿心电提取造成错误结果，提高胎儿心电信号实时正确检出的成功率；
(4)利用合成心电信号V”1作为V1路自适应滤波器的参考输入信号，与传统算法中将实测得到的最优母体心电信号Jk直接作为参考输入信号相比，自适应滤波效果更好，提高胎儿心电信号实时正确检出的成功率。
附图说明
图1是本发明实施例所述多导联联合检测的智能胎儿心电检测方法的流程图；
图2是本本发明实施例所述多导联联合检测的智能胎儿心电检测系统的原理框图。
附图标记说明：
10电极片，20导联线，201暗扣式插头，202HDMI接口，30胎儿心电采集盒，301心电信号采集芯片，302无线WIFI传输模块，303充电式锂电池模块，40手机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
实施例1
参考图1，一种多导联联合检测的智能胎儿心电检测方法，包括以下步骤：
a、在母体胸腔的不同位置处选取m个测试点，采集一组多通道母体心电信号J1、J2……Jm，m≥2，并在母体腹壁的不同位置处选取n个测试点，采集另一组母体与胎儿的多通道混合心电信号V1、V2……Vn，n≥2；母体心电信号采集点的选取应尽量均匀分布，混合心电信号采集点的选取也应尽量均匀分布；
b、确定所述多通道母体心电信号J1、J2……Jn中的最优母体心电信号Jk，1≤k≤n，并对最优心电信号Jk进行QRS复波检测，得到其QRS复波检测结果；
c、利用所述步骤b中信号Jk的QRS复波检测结果，分别从所述混合心电信号V1、V2……Vn中提取对应的胎儿心电信号V’1、V’2……V’n；
d、从所述胎儿心电信号V’1、V’2……V’n中确定最优胎儿心电信号V’L，1≤L≤n，并对V’L进行QRS复波检测，计算得到胎儿的实时心率和QRS复波宽度指标。
作为本发明的进一步改进，所述步骤b中最优母体心电信号Jk的确定过程如下：
b1、将所述母体心电信号J1设置为默认最优母体心电信号，并对信号J1、J2……Jm进行实时QRS复波检测，得到各通道母体心电信号的QRS复波检测结果；
b2、根据所述步骤b1中各通道母体心电信号的QRS复波检测结果，分别计算各路母体心电信号J1、J2……Jn的信噪比；
b3、将所述步骤b2中信噪比取值最大的母体心电信号Jk更新为默认的最优母体心电信号。
利用最优一路的母体心电信号进行后续的QRS复波检测，准确率比其它路更高，避免错误的QRS复波检测对后面的胎儿心电提取造成错误结果。
作为本发明的进一步改进，所述步骤c具体包括如下过程：
c1、根据所述最优母体心电信号Jk的QRS复波检测结果，在所述多通道混合心电信号V1中查找定位该信号中的母体QRS复波位置，提取得到该混合心电信号V1的母体QRS复波信号；
c2、将所述步骤c1得到的母体QRS复波信号进行滑动平均，得到多通道混合心电信号V1的母体QRS复波模板；
c3、利用所述步骤c2得到的信号V1的母体QRS复波模板，以及根据所述步骤c1确定的信号V1的母体QRS复波位置，合成得到信号V1的母体心电合成信号V”1；
c4、将所述母体心电合成信号V”1和混合心电信号V1分别作为自适应滤波器的参考输入和输入，对混合心电信号V1进行实时滤波提取出胎儿心电信号V’1；
c5、对混合心电信号V2-Vn，重复步骤c1-c4，进行与所述混合心电信号V1相同的处理，依次从混合心电信号V2-Vn中提取对应的胎儿心电信号V’2-V’n。
其中，合成心电信号V”1作为V1路自适应滤波器的参考输入信号，该合成信号V”1与最优母体心电信号Jk相比，QRS复波位置相同，但QRS复波形状不同，合成信号V”1的QRS复波形状更贴近于该路混合心电信号V1中母体QRS复波的形状，使得对该混合通道的自适应滤波效果更好；与传统算法中将实测得到的最优母体心电信号Jk直接作为参考输入信号相比，自适应滤波效果更好。
作为本发明的进一步改进，所述步骤d具体包括如下过程：
d1、计算所述胎儿心电信号V’1-V’n的信噪比，信噪比取值最大的胎儿心电信号V’L为最优胎儿心电信号；
d2、对最优胎儿心电信号V’L进行QRS复波检测，计算得到胎儿的实时心率和QRS复波宽度指标。
其中，所述步骤b2中各路母体心电信号J1、J2……Jn的信噪比的计算方式，以及步骤d1中各个胎儿心电信号V’1-V’n的信噪比的计算方式均相同，以J1为例，其信噪比的计算过程如下：
g1、取信号J1的QRS复波最大峰值点的幅度值作为信号幅值Er，取信号J1的QRS复波前后各20ms区间信号最大值作为噪声幅值Nn，则有信噪比SNR为：
g2、将信号J1当前QRS复波计算得到的信噪比与信号J1的前8个QRS复波计算得到的信噪比做滑动平均，滑动平均滤波输出值为该通道输出信号J1的信噪比值。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤b之前还包括以下过程：
k1、对所述步骤a中采集的母体心电信号J1、J2……Jm和混合心电信号V1、V2……Vn进行0.5Hz-100Hz带通滤波以及50Hz/60Hz陷波，滤除基线漂移、肌电干扰和工频干扰；
k2、对所述步骤k1中滤波后的母体心电信号J1、J2……Jm和混合心电信号V1、V2……Vn，使用中值滤波法进一步消除残余的基线漂移。
本发明还提供基于上述多导联联合检测的智能胎儿心电检测方法的检测系统，其包括信号采集装置和信号处理装置。
信号采集装置用于在母体胸腔的不同位置处采集一组母体心电信号J1、J2……Jm，并在母体腹壁的不同位置处采集一组母体与胎儿的混合心电信号V1、V2……Vn。
信号处理装置用于根据所述母体心电信号J1、J2……Jm从混合心电信号V1、V2……Vn中提取对应的胎儿心电信号V’1、V’2……V’n，并确定提取的胎儿心电信号V’1、V’2……V’n中的最优胎儿心电信号V’L，对V’L进行QRS复波检测，计算得到胎儿的实时心率和QRS复波宽度指标，绘制胎儿的实时心率曲线并展示。
在另一个实施例中，所述信号采集装置包括i个电极片10和胎儿心电采集盒30，该胎儿心电采集盒30内设置有i通道的心电信号采集芯片301、无线WIFI传输模块302和充电式锂电池模块303；所述i个电极片10分别与所述心电信号采集芯片301的i个信号输入端相连，所述无线WIFI传输模块302与心电信号采集芯片301之间通信连接，所述充电式锂电池模块303与心电信号采集芯片301的电源输入端相连；其中，i＝m+n+1。
其中，(i-1)个电极片作为(i-1)个测试通道的心电信号差分输入的P端，每一个P端均作为一个测试通道，这(i-1)个P端中，m个P端用于测试母体心电信号J1、J2……Jm，n个P端用于测试混合心电信号V1、V2……Vn；另外一个电极片作为(i-1)路心电信号差分输入的公共N端；每个电极片10与心电信号采集芯片301之间通过导联线20连接，该导联线20的一端为i根线及暗扣式插头201,暗扣式插头方便插入一次性使用的电极片10，导联线的另一端为HDMI接口202，与胎儿心电采集盒301连接。
在另一个实施例中，所述胎儿心电采集盒30上还设置有可穿戴式手环。
在另一个实施例中，所述信号处理装置为智能手机40，也可以是平板电脑或是台式电脑。
其中，智能手机40上运行基于上述方法的胎儿心电检测APP，该胎儿心电检测APP提供如下功能：
对(i-1)个电极片10采集的(i-1)路心电信号同步进行0.5Hz-100Hz带通滤波以及50Hz/60Hz陷波，滤除基线漂移、肌电干扰和工频干扰；使用中值滤波法消除残余的基线漂移，进一步提升心电信号质量；使用多导联联合检测算法自动提取最优的胎儿心电信号并显示；根据提取到的胎儿心电信号，自动分析胎儿的心率及QRS时限；自动绘制显示胎儿心率曲线。
以上所述实施例仅表达了发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种多导联联合检测的智能胎儿心电检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、在母体胸腔的不同位置处选取m个测试点，采集一组多通道母体心电信号J1、J2……Jm，m≥2，并在母体腹壁的不同位置处选取n个测试点，采集另一组母体与胎儿的多通道混合心电信号V1、V2……Vn，n≥2；
b、确定所述多通道母体心电信号J1、J2……Jn中的最优母体心电信号Jk，1≤k≤n，并对最优心电信号Jk进行QRS复波检测，得到其QRS复波检测结果；
c、利用所述步骤b中信号Jk的QRS复波检测结果，分别从所述混合心电信号V1、V2……Vn中提取对应的胎儿心电信号V’1、V’2……V’n；
d、从所述胎儿心电信号V’1、V’2……V’n中确定最优胎儿心电信号V’L，1≤L≤n，并对V’L进行QRS复波检测，计算得到胎儿的实时心率和QRS复波宽度指标；
所述步骤b中最优母体心电信号Jk的确定过程如下：
b1、将所述母体心电信号J1设置为默认最优母体心电信号，并对信号J1、J2……Jm进行实时QRS复波检测，得到各通道母体心电信号的QRS复波检测结果；
b2、根据所述步骤b1中各通道母体心电信号的QRS复波检测结果，分别计算各路母体心电信号J1、J2……Jn的信噪比；
b3、将所述步骤b2中信噪比取值最大的母体心电信号Jk更新为默认的最优母体心电信号；
所述步骤c具体包括如下过程：
c1、根据所述最优母体心电信号Jk的QRS复波检测结果，在所述多通道混合心电信号V1中查找定位该信号中的母体QRS复波位置，提取得到该混合心电信号V1的母体QRS复波信号；
c2、将所述步骤c1得到的母体QRS复波信号进行滑动平均，得到多通道混合心电信号V1的母体QRS复波模板；
c3、利用所述步骤c2得到的信号V1的母体QRS复波模板，以及根据所述步骤c1确定的信号V1的母体QRS复波位置，合成得到信号V1的母体心电合成信号V”1；
c4、将所述母体心电合成信号V”1和混合心电信号V1分别作为自适应滤波器的参考输入和输入，对混合心电信号V1进行实时滤波提取出胎儿心电信号V’1；
c5、对混合心电信号V2-Vn，重复步骤c1-c4，进行与所述混合心电信号V1相同的处理，依次从混合心电信号V2-Vn中提取对应的胎儿心电信号V’2-V’n；
所述步骤d具体包括如下过程：
d1、计算所述胎儿心电信号V’1-V’n的信噪比，信噪比取值最大的胎儿心电信号V’L为最优胎儿心电信号；
d2、对最优胎儿心电信号V’L进行QRS复波检测，计算得到胎儿的实时心率和QRS复波宽度指标；
其中，所述步骤b2中各路母体心电信号J1、J2……Jn的信噪比的计算方式，以及步骤d1中各个胎儿心电信号V’1-V’n的信噪比的计算方式均相同，以J1为例，其信噪比的计算过程如下：
g1、取信号J1的QRS复波最大峰值点的幅度值作为信号幅值Er，取信号J1的QRS复波前后各20ms区间信号最大值作为噪声幅值Nn，则有信噪比SNR为：
g2、将信号J1当前QRS复波计算得到的信噪比与信号J1的前8个QRS复波计算得到的信噪比做滑动平均，滑动平均滤波输出值为该通道输出信号J1的信噪比值。
2.根据权利要求1所述的多导联联合检测的智能胎儿心电检测方法，其特征在于，在所述步骤b之前还包括以下过程：
k1、对所述步骤a中采集的母体心电信号J1、J2……Jm和混合心电信号V1、V2……Vn进行0.5Hz-100Hz带通滤波以及50Hz/60Hz陷波，滤除基线漂移、肌电干扰和工频干扰；
k2、对所述步骤k1中滤波后的母体心电信号J1、J2……Jm和混合心电信号V1、V2……Vn，使用中值滤波法进一步消除残余的基线漂移。
3.一种基于权利要求1所述的多导联联合检测的智能胎儿心电检测方法的检测系统，其特征在于，包括：
信号采集装置，用于在母体胸腔的不同位置处采集一组母体心电信号J1、J2……Jm，并在母体腹壁的不同位置处采集一组母体与胎儿的混合心电信号V1、V2……Vn；
信号处理装置，用于根据所述母体心电信号J1、J2……Jm从混合心电信号V1、V2……Vn中提取对应的胎儿心电信号V’1、V’2……V’n，并确定提取的胎儿心电信号V’1、V’2……V’n中的最优胎儿心电信号V’L，对V’L进行QRS复波检测，计算得到胎儿的实时心率和QRS复波宽度指标，绘制胎儿的实时心率曲线并展示。
4.根据权利要求3所述的多导联联合检测的智能胎儿心电检测系统，其特征在于：所述信号采集装置包括i个电极片和胎儿心电采集盒，该胎儿心电采集盒内设置有i通道的心电信号采集芯片、无线WIFI传输模块和充电式锂电池模块；所述i个电极片分别与所述心电信号采集芯片的i个信号输入端相连，所述无线WIFI传输模块与心电信号采集芯片之间通信连接，所述充电式锂电池模块与心电信号采集芯片的电源输入端相连；其中，i＝m+n+1。
5.根据权利要求4所述的多导联联合检测的智能胎儿心电检测系统，其特征在于：所述胎儿心电采集盒上还设置有可穿戴式手环。
6.根据权利要求3-5任一所述的多导联联合检测的智能胎儿心电检测系统，其特征在于：所述信号处理装置为智能手机、平板电脑或是台式电脑。
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