胎兒心電信號檢測及監(jiān)護系統(tǒng)的研究進展

歐輝彬

海口市人民醫(yī)院 醫(yī)學工程處，海南?？?570208

胎兒心電信號檢測及監(jiān)護系統(tǒng)的研究進展

歐輝彬

海口市人民醫(yī)院 醫(yī)學工程處，海南海口 570208

胎兒心電信號記錄的是孕婦子宮內(nèi)胎兒心臟動作電位及其傳導過程中的圖形變化，通過對波形變化的分析，能及早發(fā)現(xiàn)妊娠期或分娩期的胎兒病理情況，從而預防新生兒疾病并降低胎兒死亡率。本文主要闡述胎兒心電信號檢測技術(shù)研究進展與新技術(shù)的運用，重點介紹其系統(tǒng)工作原理和自適應濾波器算法提取胎兒心電信號的特點，對從孕婦腹壁電信號中分離提取清晰的胎兒心電圖的研究進行了分析。

胎兒心電；自適應濾波；監(jiān)護系統(tǒng)；微處理器；提取算法

引言

隨著社會對母嬰健康關注度的提高，與胎兒發(fā)育相關的生理和病理研究日益受到醫(yī)學界的廣泛重視。胎兒心信號（Fetal Electrocardiogram，F(xiàn)ECG）記錄的是孕婦子宮內(nèi)胎兒心臟動作電位及其傳導過程中的圖形變化，通過對波形變化的分析，能及早發(fā)現(xiàn)妊娠期或分娩期的胎兒病理情況，從而預防新生兒疾病并降低胎兒死亡率[1]。其最大優(yōu)勢在于能隨時反映胎兒心臟活動的生理特征，一旦發(fā)生異常，其心電圖形的變化比其他生理指標變化的更快、更容易被發(fā)現(xiàn)，因此可通過FECG的監(jiān)測早期發(fā)現(xiàn)胎兒缺氧、先天性心臟病、宮內(nèi)缺氧等多種疾病[2]。這種監(jiān)測方法比臨床廣泛使用的四維彩超更敏感，彩超只是對胎兒心臟形態(tài)進行檢查，由于其結(jié)構(gòu)分辨率有一定的限制，當結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大變化時才有可能在彩超檢查時被發(fā)現(xiàn)[3]。本文主要針對胎兒心電的提取方法及監(jiān)護系統(tǒng)進行深入探討，同時指出該系統(tǒng)未來發(fā)展的方向。

1 胎兒心電監(jiān)護技術(shù)的發(fā)展歷程

1650年，法國人Marsar首先提出胎心音概念；1819年，法國人Laennec發(fā)明了木制鐘式聽診器；1957年，Edward Hon開始胎兒心電圖的研究；1965年，研制出應用于臨床的胎兒電子監(jiān)護儀，進入70年代后因集成電路出現(xiàn)使微弱信號的提取、自動分析系統(tǒng)等更加完善，加上產(chǎn)科臨床學科發(fā)展及交流，使得胎兒心電監(jiān)護迅速普及[4]。80年代后隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，電腦被引入胎心監(jiān)護，可將長時間連續(xù)監(jiān)護的資料永久保存，過去難以處理的胎心率信號變的簡單易行；90年代后隨著多媒體電腦及Windows操作系統(tǒng)等信息技術(shù)的發(fā)展，遠程胎兒監(jiān)護技術(shù)飛速發(fā)展，可利用電話網(wǎng)絡實時傳輸胎心監(jiān)護信息到醫(yī)院中央監(jiān)護站進行胎心監(jiān)護圖形的分析及報告[5]。

2 胎兒心電檢測系統(tǒng)

2.1 FECG的拾取

目前拾取FECG的主要方法有頭皮電極法和腹部電極法兩種，腹部電極法由于具有無創(chuàng)性，是目前FECG提取的未來發(fā)展方向。腹部電極法是通過在孕婦腹部上放置電極得到FECG，其具有以下優(yōu)點：無創(chuàng)檢測、操作簡單方便、可實時檢測多次、對胎兒和孕婦無損害、孕婦易接受。但該方法的缺點是：只能間接取得FECG，所反映胎兒心臟活動的電信號需經(jīng)孕婦器官組織傳至體表由電極取得，其信號電壓較弱、波形干擾大。隨著濾波技術(shù)發(fā)展，胎兒心電波形干擾問題已逐漸得到解決[6]。頭皮電極法雖然能獲得清晰的胎兒心電圖，但破膜后才能使用，應用時間受限，不能連續(xù)監(jiān)測、容易引起感染，而且不能在孕期監(jiān)護，因此現(xiàn)在臨床上已不多見。

2.2 基于自適應濾波的FECG提取

在實際中檢測到的FECG是比較微弱的，通過腹部提取時其信噪比極低、隨機變化大，而且在時域和頻域均與母體心電有重疊，被母體干擾信號所覆蓋，由此可見要獲取清晰的FECG是很困難的，準確提取FECG是胎兒心電監(jiān)護需要解決的關鍵問題[7]。目前對胎兒心電的監(jiān)護系統(tǒng)的研究仍十分缺乏，臨床上使用的無創(chuàng)胎兒心電圖機，嚴格地說只能算是母胎混合的心電信號，R-R間期難以區(qū)分，不能算是真正意義上的FECG，如何在完整取得FECG有效成分的前提下很好的濾除母體心電信號，以無創(chuàng)檢測方式獲取純凈的FECG，正成為國內(nèi)外研究的熱點。目前解決此問題常用的方法有匹配濾波法、自適應濾波法、獨立分量分析法、盲源分離法、奇異值分解法、小波變換模極大值算法等[8]。由于自適應濾波法技術(shù)比較成熟、濾波效果好、提取的FECG質(zhì)量高運用較多，文中將重點介紹。

國內(nèi)外最先研究的是匹配濾波法，但由于匹配濾波要求很高的精度、成本高，其后才出現(xiàn)了自適應濾波法，相比匹配濾波法它能更好地消除肌電干擾。自適應濾波器是相對固定濾波器而言的，固定濾波器的濾波頻率是固定的，自適應濾波器的濾波頻率則是自動隨著輸入信號變化而變化，所以適應范圍更廣，具有計算量小、收斂速度快等特點[9-11]。

2.3 胎兒心電監(jiān)護系統(tǒng)

胎兒心電監(jiān)護系統(tǒng)通過孕婦腹部和胸部同時獲得母體和胎兒的心電信號，經(jīng)濾波、除噪、放大及軟件的處理獲得清晰FECG[12]；微處理器對FECG采集、存儲、傳輸并進行運算處理，最后由PC機對數(shù)據(jù)進行分析，實現(xiàn)對FECG的檢測與顯示[13]。微處理器對胎兒心電信號采集、存儲、傳輸處理并通過串口傳送到PC機并對采樣數(shù)據(jù)進行分析[14]；由計算機對FECG的分離提取算法的處理獲取清晰完整的胎兒心電信號，實現(xiàn)對FECG的的檢測。由于心電信號是一種低頻、微弱的電信號，心電幅度一般在5 μV～5 mV之間，頻帶主要集中在0.05～100 Hz，F(xiàn)ECG更加微弱，一般只有2～30 μV，從母體腹部取得的心電信號復雜、信噪比低，母體的心電信號比FECG大10～20倍[15]。此外母體肌電干擾噪聲、母體呼吸、運動引入的噪聲也使得FECG容易被母體心電信號和噪聲所淹沒，F(xiàn)ECG與母體心電信號的頻譜在頻域中大部分重疊，不易區(qū)分[16]；由于受各種生物的、非生物的噪聲和干擾的影響，加上FECG本身又非常微弱，能否成功的提取成為信號處理的一個難題，可見由于在FECG的采集和處理方面所面臨困難，對信號處理與檢測提出了較高的要求，為了得到清晰的FECG，幾十年來，國內(nèi)外專家進行了許多探索。

目前國內(nèi)外基本采用自適應濾波法提取FECG，主要是考慮母體心電作為準周期平穩(wěn)過程中僅QRS波變化較快的特點，側(cè)重于采用最小均方算法和最小二乘算法相結(jié)合的分段濾波的自適應濾波器消除母體心電對胎兒心電的干擾[17]。該方法的創(chuàng)新點在于最小均方算法的改進以及兩種算法的聯(lián)合使用，能夠消除母體心電對胎兒心電的干擾。國內(nèi)一些學者將自適應譜線増加與自適應噪聲對消技術(shù)相結(jié)合，同時提出了多路自適應濾波法[18]。近年來，越來越多的研究趨向于構(gòu)建動態(tài)模型，利用合成心電信號來研究這些未解決的問題，以評估各種提取算法。

2.4 FECG提取中主要干擾噪聲

從母親腹部釆集到的FECG非常微弱，母體自身的心電信號比胎兒強2～10倍，并同時受到50 Hz工頻、肌電等各種干擾和噪聲和影響，會將FECG覆蓋掉[19]。由于FECG的低頻、微弱的特性決定了它極易受到人體其他信號的干擾，而它的不穩(wěn)定性和隨機性也為它的檢測提取帶來不少困難[20]。檢測采集FECG過程中主要的干擾噪聲有母體心電信號、50 Hz工頻干擾、肌電干擾、極化干擾、基線漂移等[21]。在眾多噪聲中，母體心電信號對FECG的干擾最為嚴重，因為胎兒與母親的心電頻譜在相當范圍內(nèi)重合。在濾除母體心電信號時，常常把FECG的有用成分也附帶濾除，出現(xiàn)FECG的R波削峰或ST段信息丟失的現(xiàn)象，如何在有效成分不損失的前提下更好地濾除母體心電信號成為國內(nèi)外研究熱點[22]。

目前主要有兩個研究方向：① 把母體信號看作噪聲，采取一些濾波方法，包括匹配濾波、自適濾波和修正自適應濾波等進行濾除；② 把母體信號和胎兒信號看作兩個獨立信號，釆取盲源分離、獨立分量分析和奇異值分解等方法將其分離[23]。此外，由于FECG檢測系統(tǒng)的供電電源的工作頻率為50 Hz，當檢測系統(tǒng)對FECG進行檢測時，供電網(wǎng)絡將以電磁波輻射的形式對信號檢測系統(tǒng)形成干擾，而該干擾信號又包含在FECG的通頻帶中，對FECG的采集干擾大。工頻噪聲是通過導線的電容性耦合產(chǎn)生的移位電流引入檢測系統(tǒng)，并形成強度達到幾百mV的干擾噪聲，因此足以淹沒待檢測的胎兒心電信號[24]。50 Hz的工頻干擾、肌電干擾、基線漂移等干擾源的解決目前比較成熟，解決方法一般為在放大電路采用50 Hz陷波器、有源濾波器等，在電源采用各種低頻濾波電路干擾源加于解決。

3 不足與展望

目前，胎兒心電監(jiān)護及解讀仍存在許多爭議和不足，各種圖形命名、解釋方法依然存在爭論，這提高了新生兒不良結(jié)局預測的不確定性，使得假陽性率增高，增加了不必要的臨床干預，導致陰道助產(chǎn)及剖宮產(chǎn)率增高。機器噪音或錯誤訊號容易被計算進去，會致使無法評估基準線變異；母親的過度肥胖也會導致傳遞信號困難；在監(jiān)護過程中耦合劑干燥時，會使信號丟失。隨著采集設備的發(fā)展，近來FECG提取算法的研究熱度有增無減，未來的研究會側(cè)重于參數(shù)確定方法及FECG提取效果評價標準與方法[25]。因此，進一步明確相關概念的定義，加強胎兒心電監(jiān)護的分級解讀指導，并在綜合評估的基礎上，利用循征研究的方法總結(jié)不同級別胎心監(jiān)護圖形的后續(xù)處理原則，是當前臨床產(chǎn)科中值得大力研究開展的一項工作。

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Research Progress of Fetal Electrocardiosignal Detection and Monitoring System

OU Hui-bin
Department of Medical Engineering, Haikou People’s Hospital, Haikou Hainan 570208, China

Fetal electrocardiosignal records the graph change of fetal cardiac action potential and the conductive process in the uterus of pregnant women. Through analysis of the graph change, the fetal pathologic condition in gestation period or delivery period can be detected as soon as possible, so as to prevent neonatal diseases and reduce fetal mortality rate. This article elaborated the research progress of fetal electrocardiosignal detection technology and its application, mainly introduced the working principle of this system and characteristics of using self-adaptive filter algorithm to acquire fetal electrocardiograph. In addition, research on how to separate and extract fetal electrocardiogram from the abdominal wall electrical signals in pregnant women was analyzed.

fetal electrocardiogram; self-adaptive filtering; monitoring system; microprocessor; extraction algorithm

R504.41

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.03.029

1674-1633(2017)03-0107-03

2016-04-24

2016-05-25

作者郵箱：ohb6269@163.com