CN109124622A - 一种胎儿心电检测分析系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种胎儿心电检测分析系统及方法，系统包括多通道电信号采集模块、控制单元、显示模块和无线传输装置，多通道电信号采集模块采集多个通道的待测试者的腹部电信号进行AD转化，将模拟的电信号转换为数字信号，送入控制单元；控制单元与显示模块和无线传输装置通信，被配置为对AD转换后的电信号进行处理和分析，提取特征，控制显示模块显示检测到的腹部电信号和分离后的胎儿心电信号及母亲心电信号，并与无线传输装置通讯，将采集到的数据和分析结果上传，本发明操作简便，采用被动测量的方式、无潜在的能量危害。
Description
技术领域
本发明涉及一种胎儿心电检测分析系统及方法。
背景技术
目前，胎心监测多采用多普勒超声的方式，多普勒超声胎心监测的检测方式为：探头发出超声波，母体和胎儿组织反射的超声回波被探头内的传感器检测到，胎儿心跳时的组织位移，导致反射的超声回波出现相位的位移。检测超声反射波的相位位移，可以推算出胎儿心跳的频率。
超声检测胎心的方式存在以下问题：
1)使用不方便。使用中需要使用超声耦合剂涂抹在病人腹部和超声探头上，防止超声探头与病人皮肤的接触面反射太多超声信号，影响测量。需要由专业医护人员或经过培训的人员操作探头，寻找孕妇体表胎儿心跳最强的位置，否则探头放的位置与胎儿心脏较远时，测量不到胎儿心跳。使用过程中需要由操作人员紧压住超声探头，或者用绑带固定住胎心探头，保证探头与孕妇腹部的紧密接触。
2)超声测量属于主动式测量系统，需要向被监测的孕妇和胎儿发出超声波，并检测反射的超声波回声。超声剂的剂量过大或长时间检测，会对胎儿造成损伤。
3)超声检测胎儿心率，只能获得胎儿的短时平均心率或瞬时心率，对胎儿心脏的其他电生理异常不能体现。
市场上有少数几款胎儿心电图机，其功能主要是获取胎儿心电图波形，在记录纸上进行胎儿心电波形的呈现，需要经过专业训练的医生进行胎儿心电的读图，获取胎儿心率等信息。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种胎儿心电检测分析系统及方法，本发明采用多个高精度、高采样率的AD通道同步采集孕妇腹部的电信号的方式，获取多个多通道的孕妇心电和胎儿心电混合的电信号信息。再通过去噪、自适应滤波、主成分分析、特征提取等多种数字信号处理技术，有效分离出其中的孕妇和胎儿的心电信号。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种胎儿心电检测分析系统，包括多通道电信号采集模块、控制单元、显示模块和无线传输装置，其中：
所述多通道电信号采集模块采集多个通道的待测试者的腹部电信号进行AD转化，将模拟的电信号转换为数字信号，送入控制单元；
所述控制单元与显示模块和无线传输装置通信，被配置为对AD转换后的电信号进行处理和分析，提取特征，控制显示模块显示检测到的腹部电信号和分离后的胎儿心电信号及母亲心电信号，并与无线传输装置通讯，将采集到的数据和分析结果上传。
进一步的，所述多通道电信号采集模块，包括多个采集通道和调理通道，每个采集通道包括连接导线和电极片，每个调理通道包括信号调理电路，所述连接导线的一端连接电极片，另一端连接切换单元，所述切换单元将每两个连接导线作为一组，各组差分传输至各个调理通道，各个调理通道均和AD转换模块连接。
进一步的，所述调理通道的输入信号为设定的两个连接导线连接的电极片采集的体表信号。
进一步的，所述调理通道的输出信号以差分方式传输至所述AD转换模块。
进一步的，所述采集通道包括至少四个，所述调理通道包括至少三个。
进一步的，所述电极片包括至少多个采集电极片和一个反馈电极片，所述采集电极片以十字型设置在待测者的腹部，所述反馈电极片在设置在待测者的腹部的右下部。
进一步的，所述AD转换模块将输入信号反馈至反馈电极片。
进一步的，通过控制切换单元切换导通不同组合的连接导线，采集不同方向和通道的电信号。
进一步的，所述控制单元还连接有存储器，以存储采集信号和分析结果。
基于上述系统的工作方法，包括以下步骤：
采集不同通道的待测试者的腹部电信号，对各通道的采集信息进行AD转化，将模拟的电信号转换为数字信号；
对多个通道的信号进行信号质量的评估分析，寻找出多个通道信号中质量最好的一个，作为主分析通道；
对主分析通道转换后的电信号进行处理和分析，提取特征，分离出各通道相关性强的母亲心电信号和各通道间相关性弱的胎儿心电信号，得到母体和胎儿的QRS波，进而根据R-R间期信息计算出母亲心率和胎儿心率。
进一步的，信号质量分析的输入包括高频能量占比、信号能量分段累加、信号低频能量占比和信号复杂度。
进一步的，对数字信号进行预处理，去除孕妇心电信号和胎儿心电信号主频以外的低频干扰、高频干扰和工频干扰，进行窄带的梳状滤波，保留信号的主要有效成分。
进一步的，对数字信号进行小波去噪，对信号进行多尺度的小波分解，在分解后各个尺度上，进行阈值的量化处理，去除噪声。
进一步的，以主分析通道的电信号作为主输入端，其他信号参考信号作为参考输入端，送入到自适应滤波器中，自适应滤波器不断调节参数，以适应噪声和信号随时间变化的统计特性，从主分析通道的输入信号中经过自适应滤波，抵消掉其中的噪声信号，保留母亲心电信号和胎儿心电信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明操作使用简单，只需在孕妇的腹部粘贴电极片，固定电极片在孕妇腹部的粘贴位置，不需要重新粘贴电极片，即可实现物理通道的切换，采集不同方向和通道的电信号；
2、本发明通过多重滤波、去噪的处理过程，能够很好的分离出各通道相关性强的母亲心电信号和各通道间相关性弱的胎儿心电信号，保证分析型号的准确性和稳定性；
3、本发明操作使用方便，采用被动测量的方式、无潜在的能量危害。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为系统架构示意图；
图2为多通道采集系统的结构示意图；
图3为一种实施方式的电极片设置方式示意图；
图4为一种实施方式的电极片连接形成多通道的方式示意图；
图5为图4的实施方式的多通道采集系统的结构示意图；
图6为另一种实施方式的电极片连接形成多通道的方式示意图；
图7为图6的实施方式的多通道采集系统的结构示意图；
图8为本系统的处理流程示意图；
图9为自适应滤波处理流程示意图；
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，系统硬件部分包括多通道电信号采集模块、电源模块、MCU(微控制单元)、显示模块、存储装置和无线传输装置。多通道电信号采集模块通过导联线与孕妇的腹部相连，将多个通道的孕妇腹部电信号采集到系统中，并进行AD转化，将模拟的电信号转换为数字信号，送入MCU中进行分析。MCU对AD转换后孕妇腹部的电信号进行处理和分析，提取各种特征，控制存储模块进行数据和分析结果的存储，控制显示模块显示检测到的母亲腹部电信号和分离后的胎儿心电信号及母亲心电信号，并与无线传输装置通讯，将采集到的数据和分析结果无线上传，并接收开始、结束等无线控制命令。
多通道电信号采集模块采用高精度AD芯片及其他外围模拟信号调理电路组成，可以采集多个通道的电信号，并将其转换为数字信号，通过数字接口输出。
如图2所示，信号采集模块通过导联线与贴在孕妇腹部的电极片连接在一起，获取孕妇体表的电信号。对多个通道的信号分别进行模拟电路上的信号调理，再送入AD转化芯片，进行AD转换，并将结果通过I2C,SPI等形式的数字信号接口输出给MCU。
采用孕妇体表电极位置固定，灵活切换采集通道的方式进行胎儿心电信号的采集。孕妇腹部体表粘贴电极片，系统开始进行Y轴方向、45°方向和135°方向的三通道的胎儿心电信号采集，并送入数字信号处理系统进行母亲/胎儿心电信号的分离和胎儿心电信号的分析；如信号质量不好则控制采集系统进行切换为X轴方向、Y轴方向和135°方向的三通道采集，以适应不同的胎儿体位和胎儿心脏位置。同时系统加入母体腹部反馈电极，将各通道的信号综合反馈至母亲体表，提高系统共模抑制比。操作者也可根据显示的各通道信号，灵活手动切换采集方式，选择较好的信号采集通道。
如图3所示，具体的，母亲腹部贴有5个电极片，并经由导联线连接至信号采集系统，其中4根导联线(导联线A/B/C/D)作为信号采集导联，1根导联线(导联线N)作为信号反馈导联。数字逻辑控制单元采用高性能嵌入式MCU或DSP芯片等，发出控制信号控制导联切换单元分别将4根信号采集导联获得的以两根作为一组，以差分的形式送入3个信号调理通道，经差分后3通道信号送入高精度AD转换单元进行AD转换，并通过数字接口将数字信号传给数字逻辑单元。
如图4所示，作为一种通道组成方式，进行采集时，首先获取Y轴方向(A电极和D电极之间)、45°方向(C电极和D电极之间)和135°方向(B电极和D电极之间)的三通道的胎儿心电信号。体表信号方向及内部的信号连接，形成图5所示的采集系统。
如以上通道间的信号质量不理想，则由数字逻辑单元控制导联切换模块进行导联线的切换，获取Y轴方向(A电极和D电极之间)、X轴方向(B电极和C电极之间)和45°方向(A电极和C电极之间)的三通道的胎儿心电信号。体表信号方向及内部的信号连接如图6所示，形成图7所示的采集系统。
当然了，也可手工实现以上采集通道的切换。
如图8所示，微控制单元进行控制和数字信号处理，数字信号处理部分包括预处理去噪、自适应滤波、主成分分析、特征提取和特征分析流程。
从数字接口中读取信号后，首先进行预处理，去除孕妇心电信号和胎儿心电信号主频以外的低频干扰、高频干扰和工频干扰，保留信号的主要有效成分。胎儿心电的主频谱的范围在0.05Hz到100Hz之间，这个频段中包含了50/60Hz的工频干扰，采用多阶的IIR滤波或FIR滤波，去除主频以外的分量，并进行窄带的梳状滤波，去除50/60Hz的工频干扰及其倍频的频谱分量。
信号进行小波去噪，对信号进行多尺度的小波分解，在分解后各个尺度上，进行软阈值和硬阈值的量化处理，去除噪声。对于包含有效信息较少的层次，其阈值设置较高，对于包含有效信息较多的层次，其阈值设置较低，在多尺度上去噪后，进行重构，恢复心电信号。
对多个通道的信号进行信号质量的评估分析，信号质量分析的输入包括高频能量占比、信号能量分段累加、信号低频能量占比、信号复杂度等，根据以上输入，寻找出多个通道信号中质量最好的一个，作为主分析通道。根据多个通道间信号和噪声的不相干性，进行多个通道信号的自适应滤波，去除随机噪声和部分肌电干扰。对进行如图9所示自适应滤波，以信号较好的通道的电信号作为主输入端，其他信号较差的参考信号作为参考输入端，送入到自适应滤波器中，自适应滤波器不断调节参数，以适应噪声和信号随时间变化的统计特性，从质量较好的输入信号中经过自适应滤波，抵消掉其中的噪声信号，保留母亲心电信号和胎儿心电信号。
对多通道的电信号进行主成分分析(PCA)处理，分离出各通道相关性强的母亲心电信号和各通道间相关性弱的胎儿心电信号。分别对母亲心电信号和胎儿心电信号进行特征提取、模板匹配等处理，得到母体和胎儿的QRS波，进而根据R-R间期等信息计算出母亲心率和胎儿心率。特征提取过程中对QRS波的分析采用如Tompkins差分、形态分析、RS斜率、有限状态机等方法综合分析，并对以上各分析的结果进行分值评判，以确定分析结果是否是有效的QRS波。
在上述实施例提供的心电信号的基础上，还可以绘出胎儿心率的胎心率曲线，并根据胎心率曲线进行胎心评分，评分依据包括欧盟及北美学会的Krebs、Fischer、改良Fischer、NST、OCT、ACOG三类波形评估等评分标准，给出报告内容供医生参考。在此不再赘述。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种胎儿心电检测分析系统，其特征是：包括多通道电信号采集模块、控制单元、显示模块和无线传输装置，其中：
所述多通道电信号采集模块采集多个通道的待测试者的腹部电信号进行AD转化，将模拟的电信号转换为数字信号，送入控制单元；
所述控制单元与显示模块和无线传输装置通信，被配置为对AD转换后的电信号进行处理和分析，提取特征，控制显示模块显示检测到的腹部电信号和分离后的胎儿心电信号及母亲心电信号，并与无线传输装置通讯，将采集到的数据和分析结果上传。
2.如权利要求1所述的一种胎儿心电检测分析系统，其特征是：所述多通道电信号采集模块，包括多个采集通道和调理通道，每个采集通道包括连接导线和电极片，每个调理通道包括信号调理电路，所述连接导线的一端连接电极片，另一端连接切换单元，所述切换单元将每两个连接导线作为一组，各组差分传输至各个调理通道，各个调理通道均和AD转换模块连接。
3.如权利要求1所述的一种胎儿心电检测分析系统，其特征是：所述调理通道的输入信号为设定的两个连接导线连接的电极片采集的体表信号；
进一步的，所述调理通道的输出信号以差分方式传输至所述AD转换模块。
4.如权利要求1所述的一种胎儿心电检测分析系统，其特征是：所述电极片包括至少多个采集电极片和一个反馈电极片，所述采集电极片以十字型设置在待测者的腹部，所述反馈电极片在设置在待测者的腹部的右下部；
进一步的，所述AD转换模块将输入信号反馈至反馈电极片。
5.如权利要求1所述的一种胎儿心电检测分析系统，其特征是：通过控制切换单元切换导通不同组合的连接导线，采集不同方向和通道的电信号。
6.基于如权利要求1-5中任一项所述的系统的工作方法，其特征是：包括以下步骤：
采集不同通道的待测试者的腹部电信号，对各通道的采集信息进行AD转化，将模拟的电信号转换为数字信号；
对多个通道的信号进行信号质量的评估分析，寻找出多个通道信号中质量最好的一个，作为主分析通道；
对主分析通道转换后的电信号进行处理和分析，提取特征，分离出各通道相关性强的母亲心电信号和各通道间相关性弱的胎儿心电信号，得到母体和胎儿的QRS波，进而根据R-R间期信息计算出母亲心率和胎儿心率。
7.如权利要求6所述的工作方法，其特征是：信号质量分析的输入包括高频能量占比、信号能量分段累加、信号低频能量占比和信号复杂度。
8.如权利要求6所述的工作方法，其特征是：对数字信号进行预处理，去除孕妇心电信号和胎儿心电信号主频以外的低频干扰、高频干扰和工频干扰，进行窄带的梳状滤波，保留信号的主要有效成分。
9.如权利要求6所述的工作方法，其特征是：对数字信号进行小波去噪，对信号进行多尺度的小波分解，在分解后各个尺度上，进行阈值的量化处理，去除噪声。
10.如权利要求6所述的工作方法，其特征是：以主分析通道的电信号作为主输入端，其他信号参考信号作为参考输入端，送入到自适应滤波器中，自适应滤波器不断调节参数，以适应噪声和信号随时间变化的统计特性，从主分析通道的输入信号中经过自适应滤波，抵消掉其中的噪声信号，保留母亲心电信号和胎儿心电信号。
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