高抗擾母嬰聯(lián)合胎心監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐添翼 ，蔡萍 ，劉小華，馬藝馨

1 上海交通大學(xué)儀器系，上海市， 200240

2 上海智能診療儀器工程技術(shù)研究中心，上海市，200240

3 中國(guó)福利會(huì)國(guó)際和平婦幼保健院，上海市， 200030

0 引言

傳統(tǒng)多普勒胎心儀使用一個(gè)多普勒超聲探頭拾取胎兒超聲多普勒信號(hào)[1]，在第二產(chǎn)程分娩宮縮引起母體血管激烈搏動(dòng)導(dǎo)致較大的多普勒干擾信號(hào)串入超聲探頭時(shí)，會(huì)使胎心儀錯(cuò)誤計(jì)數(shù)母體心率，掩蓋胎心晚期減速心率，導(dǎo)致未及時(shí)干預(yù)或過(guò)度干預(yù)。這種情況已引起產(chǎn)科醫(yī)生們的高度關(guān)注[2-4]。為提高胎心檢出正確率，研究者們提出了多探頭檢測(cè)方法。KRIBECHE[5]設(shè)計(jì)了多個(gè)多普勒探頭的胎心監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，并應(yīng)用獨(dú)立分量分析來(lái)剔除非胎兒源的信號(hào)分量，以準(zhǔn)確提取來(lái)自胎兒心臟的信號(hào)。美國(guó)HERA MED LTD公司發(fā)明了使用兩種頻率的胎心儀[6]，其中低頻部分用于確定胎兒的位置，高頻部分用于獲取胎心率，從而獲得高質(zhì)量的胎心超聲多普勒信號(hào)，但其對(duì)母體腹主動(dòng)脈搏動(dòng)等與胎兒心跳相似的信號(hào)干擾抑制能力有限。

現(xiàn)有的多普勒胎心儀胎心率提取多采用自相關(guān)法，自相關(guān)法能夠很好地提取出信號(hào)中的主要周期成分，但是當(dāng)胎心超聲多普勒信號(hào)中混有較高的母體干擾成分時(shí)，因?yàn)槟阁w干擾同樣是周期性的成分，會(huì)將母體心率當(dāng)做胎心率輸出。時(shí)頻分析方法[7-8]能夠特異性地檢出胎兒心跳，是一種簡(jiǎn)單模板匹配法，簡(jiǎn)單模板匹配法用于構(gòu)建模板的信號(hào)來(lái)自被監(jiān)測(cè)信號(hào)，其好處是易于得到最佳匹配，但其構(gòu)建模板的信號(hào)幀未經(jīng)甄別，難免包含母體干擾，在存在高干擾的情況下極易導(dǎo)致胎心率錯(cuò)檢或漏檢，可靠性不佳。

針對(duì)這一問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了母嬰聯(lián)合胎心率提取方法并進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)同時(shí)采集胎心超聲多普勒信號(hào)和與母體腹主動(dòng)脈信號(hào)同源的血氧信號(hào)，通過(guò)這兩個(gè)信號(hào)的互相關(guān)系數(shù)，評(píng)估胎心超聲多普勒信號(hào)中母體干擾的程度，根據(jù)干擾程度切換匹配胎心率提取算法，在低干擾情況下選用穩(wěn)定性高的自相關(guān)法，在高母體干擾情況下選用抗干擾性強(qiáng)的改進(jìn)的模板匹配法，提高胎心監(jiān)護(hù)的可靠性。

1 母嬰聯(lián)合胎心率提取方法

1.1 改進(jìn)的模板匹配法

簡(jiǎn)單模板匹配法從被監(jiān)測(cè)信號(hào)中獲取模板，并逐幀計(jì)算信號(hào)與模板的相關(guān)系數(shù)作為匹配度，以匹配度曲線的峰值點(diǎn)獲取瞬時(shí)心率。本研究在簡(jiǎn)單模板匹配的基礎(chǔ)上進(jìn)行了模板選取和匹配度計(jì)算兩方面的改進(jìn)。改進(jìn)的模板匹配法算法流程如圖1所示。首先對(duì)獲取的高母體干擾胎心超聲多普勒信號(hào)進(jìn)行帶通濾波去除高頻干擾和低頻波動(dòng)，使用短時(shí)傅里葉變換將信號(hào)切換至?xí)r頻域。依據(jù)與模板庫(kù)中各模板的相關(guān)系數(shù)，選取最佳模板，對(duì)信號(hào)的短時(shí)傅里葉變換逐幀計(jì)算非線性匹配度得到匹配度曲線。最后根據(jù)匹配度曲線的峰值點(diǎn)解算瞬時(shí)心率。

圖1 改進(jìn)的模板匹配法流程Fig.1 Improved template matching method process

模板選取方面，改進(jìn)方法的模板構(gòu)建選取的信號(hào)經(jīng)過(guò)甄別，通過(guò)大量臨床數(shù)據(jù)聚類建立的模板庫(kù)涵蓋各類典型胎心信號(hào)，解決了簡(jiǎn)單模板匹配法模板可靠性不佳的問(wèn)題。最佳模板的選取則通過(guò)互相關(guān)系數(shù)決定。

匹配度計(jì)算方面，觀測(cè)幀與模板的匹配度通過(guò)非線性距離d計(jì)算，d表征模板與觀測(cè)幀的偏差程度：

其中sT(wi, tj)為從模板庫(kù)中優(yōu)選的短時(shí)傅里葉變換模板，sDUS(wi, tj)觀測(cè)幀短時(shí)傅里葉變換，fLReLU(x)[9]為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中常用的激活函數(shù)，這里用于實(shí)現(xiàn)對(duì)變量的非線性處理：

由于混入的母體干擾大概率使得信號(hào)短時(shí)傅里葉變換的強(qiáng)度增加，因此對(duì)觀測(cè)幀高于模板的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行衰減。α為衰減因子，應(yīng)大于0小于1，α的選取結(jié)合運(yùn)算速度通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，最終選取為0.01。

1.2 改進(jìn)的模板匹配法和自相關(guān)法性能實(shí)驗(yàn)比較

自相關(guān)方法對(duì)于低母體干擾的胎心率提取性能優(yōu)良[10]。改進(jìn)的模板匹配法比之簡(jiǎn)單模板匹配法，無(wú)論信號(hào)是否包含母體干擾都有很好的正確率，但比之自相關(guān)方法，在信號(hào)不含高母體干擾的情況下，輸出波動(dòng)較大。圖2(a)為低母體干擾的胎心超聲多普勒信號(hào)。圖2(b)為含有較高母體干擾的胎心超聲多普勒信號(hào)，圖2(c)為自相關(guān)法和改進(jìn)的模板匹配法分別進(jìn)行心率提取的結(jié)果對(duì)比，顯然自相關(guān)法波動(dòng)更小。圖2(d)為自相關(guān)法和改進(jìn)的模板匹配法分別進(jìn)行心率提取的結(jié)果對(duì)比，圖中同時(shí)給出了胎兒心率和母體心率曲線以作參考。因?yàn)槟阁w干擾同樣是周期性信號(hào)，自相關(guān)法無(wú)法有效提取胎心率。在母體干擾的幅度遠(yuǎn)大于胎兒信號(hào)時(shí)，使用自相關(guān)法進(jìn)行胎心率提取會(huì)發(fā)生將母體心率誤作胎心心率的問(wèn)題，此時(shí)改進(jìn)的模板匹配法更具有優(yōu)勢(shì)。

圖2 在不同干擾下改進(jìn)的模板匹配法和自相關(guān)法心率提取的結(jié)果對(duì)比Fig.2 The extracted heart rate of improved template matching method and autocorrelation method under diあerent interference

1.3 干擾判別

對(duì)探頭拾取信號(hào)中的母體干擾程度進(jìn)行判別，是正確匹配算法的關(guān)鍵。本文利用互相關(guān)方法對(duì)母體干擾進(jìn)行判別。

互相關(guān)法是常用于判斷信號(hào)相關(guān)性的方法[11]。當(dāng)母體腹部胎心超聲多普勒信號(hào)被母體干擾影響時(shí)，腹部胎心超聲多普勒信號(hào)與母體腹主動(dòng)脈信號(hào)的相關(guān)性增加。母體指部的血氧信號(hào)與母體腹主動(dòng)脈搏動(dòng)信號(hào)相關(guān)且采集方便，因此采用母體指部血氧信號(hào)和母體腹部胎心信號(hào)相關(guān)來(lái)估計(jì)胎心信號(hào)中母體干擾的程度。

互相關(guān)函數(shù)[12]表示為：

其中N為樣本的長(zhǎng)度，m是延遲域參數(shù)，xn為胎心超聲多普勒信號(hào)序列，yn為母體血氧信號(hào)序列。

干擾程度R表示為：

通過(guò)R的量值和動(dòng)態(tài)變化兩部分對(duì)高干擾進(jìn)行判別。通過(guò)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)不同干擾信號(hào)的R值范圍，量值方面以高干擾信號(hào)獨(dú)有的R值范圍作為閾值，動(dòng)態(tài)變化方面以R值基線跳變的檢測(cè)作為高干擾的判定條件。

1.4 母嬰聯(lián)合胎心率提取方法

母嬰聯(lián)合胎心率提取方法通過(guò)干擾程度判別結(jié)合改進(jìn)的模板匹配法和自相關(guān)方法各自的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，方法流程如圖3所示。方法首先對(duì)同步采集的胎心超聲多普勒信號(hào)和母體血氧信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，胎心超聲多普勒信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波、整流和包絡(luò)提取等預(yù)處理后與經(jīng)過(guò)預(yù)處理的母體血氧信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)，兩者的相關(guān)性用來(lái)進(jìn)行干擾判別；若判斷為存在高干擾，選用改進(jìn)模板匹配法，若不存在高母體干擾，則用自相關(guān)法進(jìn)行胎心率提取。

圖3 算法流程圖Fig.3 Flowchart of the algorithm

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了評(píng)價(jià)算法的有效性，我們分別采集了25位23歲到30歲孕婦的腹部胎心超聲多普勒信號(hào)和腹主動(dòng)脈超聲多普勒信號(hào)，每次采集持續(xù)30 s，總的心動(dòng)周期數(shù)超過(guò)1 500個(gè)。以胎心超聲多普勒信號(hào)提取的心率作為參考值，以在10 s后疊加了孕婦腹主動(dòng)脈超聲多普勒信號(hào)的胎心超聲多普勒信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)，對(duì)算法進(jìn)行評(píng)估。并將提取結(jié)果與自相關(guān)法和未進(jìn)行母嬰聯(lián)合胎心率提取的改進(jìn)的模板匹配法進(jìn)行對(duì)比。從正確率、離差平方和兩個(gè)方面評(píng)價(jià)算法，分析結(jié)果如表1所示。離差平方和指的是瞬時(shí)心率曲線與參考曲線對(duì)應(yīng)點(diǎn)差值的平方和，表征方法提取的瞬時(shí)心率曲線與參考曲線的整體偏差程度，表1給出了25例1 500個(gè)心動(dòng)周期的平均值結(jié)果。

表1 母嬰聯(lián)合胎心率提取算法與其它二種算法檢測(cè)效果對(duì)比Tab.1 Comparison of combined maternal-fetal fetal heart rate extraction algorithm and other two algorithms

從表1可以看出，母嬰聯(lián)合胎心率提取方法的平均正確率比改進(jìn)的模板匹配法高出9.2%，比自相關(guān)方法高出6.1%，而其離差平方和是改進(jìn)的模板匹配法的24.0%，是自相關(guān)方法的57.8%。無(wú)論是平均正確率還是平均離差平方和，母嬰聯(lián)合胎心率提取方法均優(yōu)于改進(jìn)的模板匹配法和自相關(guān)法。說(shuō)明母嬰聯(lián)合胎心率提取方法利用母體血氧信號(hào)結(jié)合了改進(jìn)的模板匹配法和自相關(guān)法各自的優(yōu)勢(shì)。母嬰聯(lián)合胎心率提取方法正確率的提升說(shuō)明了其很好地繼承了改進(jìn)的模板匹配法抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，而母嬰聯(lián)合胎心率提取方法離差平方和的提升比之正確率的提升更大，說(shuō)明其在繼承了改進(jìn)的模板匹配法抗干擾的特點(diǎn)的同時(shí)，波動(dòng)性也很小。

研究還對(duì)母嬰聯(lián)合胎心率提取方法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。

圖4 母嬰聯(lián)合胎心監(jiān)護(hù)系統(tǒng)Fig.4 Combined maternal-fetal monitoring system

其中胎心多普勒探頭和血氧探頭用于同時(shí)拾取胎心超聲多普勒信號(hào)和母體的血氧信號(hào)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將信號(hào)傳遞至上位機(jī)。上位機(jī)對(duì)信號(hào)母體干擾程度進(jìn)行判別，依據(jù)其干擾程度的高低來(lái)選擇使用改進(jìn)的模板匹配法或者自相關(guān)方法解算胎心率，并進(jìn)行結(jié)果顯示。

3 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于胎兒超聲多普勒信號(hào)和母體血氧信號(hào)的母嬰聯(lián)合胎心率提取系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠在胎兒監(jiān)護(hù)的過(guò)程中同時(shí)監(jiān)護(hù)母親心率與胎兒心率，并根據(jù)胎心超聲多普勒信號(hào)中母體干擾的混入程度切換匹配胎心率提取算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，母嬰聯(lián)合胎心率提取方法在高母體干擾下比自相關(guān)法正確率更高，在低母體干擾下保持了自相關(guān)法穩(wěn)定的特性。