从孕妇腹壁电信号中提取胎儿心电的方法研究

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1、毕业论文题目：从孕妇腹壁电信号中提取胎儿心电的方法研究电路与系统专业2QQ2级博士生姓名：郑威指导教师(姓名、职称)：程建春教授刘红星教授摘要目前国内外尚没有被医院认可的临床实用的胎儿心电图机，主要原因在于从孕妇腹壁拾取的电信号是一个信噪比极低的非平稳及非线性复杂信号，从中分离提取出胎儿心电图是一件十分困难的事。腹壁电信号中的胎儿心电成分比母体心电干扰成分小得多，还存在50Hz工频干扰、母体肌电、胎儿肌电等其它电子噪声，胎儿心电信号被严重污染甚至于淹没。在时域中胎儿QRS复合波约有10％～30％和母体QRS复合波重合，在频域中

2、大部分胎JL,tS,电成分的基波及谐波与母体心电频谱交叠甚至覆盖。母体肌电和胎儿肌电的偶发性和差异性使腹壁电信号具有复杂的非平稳性。母体心电、胎儿心电从心脏到母体体表的复杂的传导路径造成了腹壁电信号很强的非线性。如何从母体腹壁电信号中分离提取出清晰的胎儿心电信号，一直以来是国内外相关领域的一个热点难点问题。本论文在总结评述国t；4J'l,现有方法的基础上，对如何从孕妇腹壁电信号中分离提取胎儿心电图的方法进行了深入研究。研究内容和创新点如下：(1)提出了一种在多导联相空间中自适应建模提取胎儿心电图的方法。基于一路腹壁ECG信号和

3、多路胸导ECG信号重构多维相空间，通过相空间局部自适应建模的方法建立胸导信号与腹壁信号中母体ECG分量之间的关系模型，从而估计出腹壁信号中母体ECG成分，进而将其从中去除而得到腹壁中胎儿心电信号的估计。该方法没有按照常规的方法基于序列各点的若干时间邻域点来进行自适应建模和估计，而是基于相空间中各点的若干空间邻域点来进行自适应建模和估计。其优点在于利用了ECG信号在相空间中轨线所体现出来的几何信息和相空间中局部关系模型简单的特点，使建模估计更为容易和准确。通过仿真数据和实测数据的测试显示：与经典的自适应滤波方法及ICA方法相比，

4、该方法取得了更好的胎儿心电图分离效果。(2)对现有的单导联伪相空间中局部PCA(LPCA)提取胎儿心电图的方法进行了改进。现有LPCA方法提取胎儿心电图时，需要人为地对待处理时域心电波形进行观察来确定相南京大学博士学位论文从孕妇腹壁电信号中提取胎儿心电的方法研究应的提取算法参数，这样既不方便，鲁棒性也不强，而且非常耗时，效率低。本论文针对这些不足进行了改进，将伪相空间中的点划分为原点区域和QRS波区域，不同区域内的点采用不同的参数，参数的选择是根据时域波形自动获取。在数据最密集的原点区域采用批处理的方法经PCA计算获取估计值，

5、使得该方法的计算效率相比于现有方法大为提高。通过大量的仿真实验与实际数据测试显示，改进方法具有更好的鲁棒性和更高的效率。本文研究还发现：LPCA方法在提取胎儿心电图时会丢失胎JL4L乇频成分，但提取出的胎儿R波位置是准确的，可据此获得胎儿心率估计。(3)提出了基于R波检测、重采样和梳状滤波器相结合的单导联胎儿ECG信号提取方法。虽然ECG信号具有周期性，并且母体和胎儿的周期不同，但由于心率变异性，ECG信号的周期是时变的，故直接使用梳状滤波器无法得到满意的效果。通过R波检测和重采样技术可以改变ECG信号在各RR间期的采样率而使

6、其具有相同的采样点数，进而使用梳状滤波可以提取得到ECG分量，然后再将所得结果在各RR间期内重采回原始的采样率。该方法可以依次从母体腹壁信号中提取出母体ECG信号和胎儿ECG信号。通过仿真数据和实测数据库的验证表明，该方法是一种稳定有效的胎儿心电信号提取方法，并同现行的其它两种单导联方法相比，具有更强的鲁棒性和更优良的信号还原性。(4)提出了基于模板的相空间自适应建模的单导联胎儿ECG信号提取方法。从单导联ECG信号中先得出待提取心电信号的模板，再将原始信号和模板信号重构相空间，通过相空间局部建模的方法来估计出目标ECG信号。

7、该方法与第二章所提出的多导联相空间中自适应建模方法相比，具有三个优点：(1)只需单导联母体腹壁ECG信号；(2)相空间中要拟合的是更为简化的局部关系；(3)可以对初步估计的胎儿ECG信号继续进行降噪获取更为清晰的胎Jg,tL,电估计。通过实际数据验证表明，该方法在信噪比较低的情况下也能得到胎儿ECG信号的合理估计。作者使用MITPhysioBank胎JL,O电数据库中的55组腹壁心电数据对以上四种方法均进行了测试。该数据库信噪比极低，胎儿ECG信号被严重污染，从中进行胎儿ECG信号的提取是个极具挑战的任务。目前在公开发表的科技

8、文献中，除作者发表文献外，尚未发现有基于此数据库对提出的各种胎儿心电提取算法进行全面测试的报道。经55组数据的全面测试，本文提出的基于R波检测、重采样和梳状滤波器的方法，还有基于模板的相空间自适应建模方法，都取得了最好的提取效果，胎儿心电信号提取成功率大约为78％；伪相空间L