[发明专利]一种胎儿心电信号提取装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于生物医学信号处理技术领域，具体涉及一种胎儿心电信号的提取装置及方法。

背景技术

目前存在很多与心脏相关的疾病，如果在怀孕期间就检测到这些疾病相关的特征，就能有效减少这些疾病的发病率。心率是一个人是否健康的最重要的物理指标，准确的检测出胎儿的心率是一个极其艰巨的任务，而且直接关系到新生儿的发育和成长。

心电图（Electrocardiography，ECG）是利用心电图机从体表记录心脏每一心动周期所产生的电活动变化图形的技术，它是一种低成本、无创的记录心电信号的方法。目前，获取胎儿心电信号主要是将多个电极放置在母亲腹部的不同位置，记录下多导信号，其中就包含了胎儿的心电信号。然而，心电信号很容易受到周围环境的影响，比如测量工具产生的噪声、母亲或胎儿运动导致的电极的移动、母亲自己的心电等。其中，母亲心电对胎儿心电的影响较大，极其容易使胎儿心电淹没在总体检测信号中。此外，胎儿的心率比母亲的心率快，这样胎儿心电和母亲心电在频谱成分差异很小，因此要通过频域上的滤波是很难把它们分开的。

目前，获取胎儿心电信号的方法主要包括侵入式和无侵入式心电信号采集法。侵入式，即头皮电极法，该方法有创伤且只能用在羊膜破裂之后，操作不便。无侵入的方法，即在母亲腹部采集到心电信号，经过消噪、算法分离后提取出胎儿心电信号，该方法对母亲和胎儿都无伤害，但由于母亲和胎儿心电信号的特点，无法用简单的方法提取出清晰的胎儿心电波形。因此，选择一种合适的算法成为决定胎儿心电图质量的关键。

目前也存在一些对胎儿心电信号的提取方法，如匹配滤波法，它是将胸部采集的母亲心电和腹部采集的母亲胎儿的混合信号相减，从而得到含有噪声的胎儿心电来对胎儿心电特征进行判断。当噪声过大时，这种提取方法的效果就很不理想，不能提取出清晰的胎儿心电波形。近年来一种公认能较好地提取胎心电信号的方法是盲信号处理，主要是指主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)和独立成分分析(Independent Component Analysis,ICA)方法。PCA是基于把数据投影到最大方差的方向上的二阶处理方法，把数据投影到和方差相关的正交坐标轴上，将每个成分对应频域的离散能量带,但是每个成分可能在频域的某些部分是重叠的，并不能较好地提出胎儿信号。ICA虽然采用的是更高阶的分析方法，它能够将混合信号所有的成分进行分离，但由于提取的成分较多，导致每种成分的所含能量较低。此外，虽然这两种盲信号处理方法能排除一些噪声(比如运动、肌电)的干扰，但它们均是通过人为的经验判断从分离出的信号中提取出胎儿的心电信号，由于人为判断的个体差异性会影响胎儿心电信号的准确提取。

发明内容

本发明提供了一种胎儿心电信号的提取装置及方法，本发明中胎儿心电信号的提取是通过三个模块来实现的，设计更加简单，操作更加方便，基于该装置提取胎儿心电信号的方法能够很好地去除母亲心电信号和噪声，并且在胎儿心电信号提取过程中没有人为判断，提取的胎儿心电信号更平滑干净，提取的效果更好。

本发明的技术方案如下：

一种胎儿心电信号的提取装置，包括信号采集模块1、胎儿心电信号提取模块2、信号显示模块3，其中信号采集模块1对母亲腹壁混合信号进行采集，并将处理后的母亲腹壁混合信号传输给胎儿心电信号提取模块2，胎儿心电信号提取模块2提取出胎儿心电信号，信号显示模块3用于显示提取出的胎儿心电信号；其中，胎儿心电信号提取模块2根据基于因子分析的方法提取胎儿心电信号，胎儿心电信号提取模块2包括处理单元21、电源模块22、存储器23、电源模块开关24，其中，电源模块22的输出端与处理单元21连接，用于向处理单元21提供电源，电源模块开关24与电源模块连接，控制电源模块的开启和关闭，存储器23的输出端与处理单元21的第二输入端相连接，用于向处理单元21提供胎儿心电信号的提取程序，处理单元21将提取得到的胎儿心电信号输出到信号显示模块3；胎儿心电信号提取模块2基于因子分析的方法提取胎儿心电信号：

a)对处理后的母亲腹壁混合信号进行因子分析，提取因子矩阵F,保存各因子对应的相关系数矩阵C；

b)计算步骤a）中所有因子对应的相关系数矩阵C的特征值矩阵D和特征值向量V,计算出因子矩阵对应的载荷矩阵A＝D^1/2*V；

c)保存信噪比最大的两个因子，将其他因子置零，得到因子矩阵F₁；