基于移動智能終端的單通道胎兒心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

卜朝暉安蒙蒙陳立鋒周斌 鄭政

0 引言

胎心監(jiān)護(hù)措施對保障孕婦和胎兒健康具有重要意義[1]。目前，臨床上使用的胎心監(jiān)護(hù)儀主要是基于超聲多普勒原理，該方法對胎心的監(jiān)測是間接的，不夠直觀。同時，該類設(shè)備體積大，成本高，整個監(jiān)測過程需有專業(yè)醫(yī)護(hù)人員陪護(hù)操作，對用戶來說極為不便。相關(guān)研究表明，胎兒心電可以最大程度地反映胎兒心臟發(fā)育情況[2-4]。

胎兒心電提取方法主要有自適應(yīng)濾波[5]、小波變換[6]、盲源分離[7]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[8]等。自適應(yīng)濾波需要胸部和腹部兩路信號，提取的胎兒心電信噪比低；盲源分離需要多路腹部信號，電極連線復(fù)雜；小波變換對不同小波基的選擇十分敏感，實(shí)用性受到限制，提取的胎兒心電信噪比較低；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時間較長，實(shí)時性差。

文獻(xiàn)[9]提出了利用擴(kuò)展卡爾曼濾波(extended kalman filtering，EKF)和奇異值分解(singular value decomposition，SVD)相結(jié)合的單通道胎兒心電信號(fetal electrocardiogram，fECG)提取算法，提取出的fECG具有很高的信噪比，由于是單通道提取，所以連線簡單，且可以滿足提取的實(shí)時性，很好地解決了目前已有的胎兒心電提取方法中存在的問題。本文設(shè)計(jì)了基于Android移動智能終端的單通道胎兒心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，在移動智能終端上實(shí)時完成了EKF和SVD相結(jié)合的單通道胎兒心電提取算法。首先，利用STM32控制24位高精度采樣芯片ADS1298完成對孕婦腹部信號的采集，再將采集后的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳輸?shù)交贏ndroid的移動智能終端，最后，在移動智能終端上完成對胎兒心電的實(shí)時提取、顯示、存儲與分析，計(jì)算出相應(yīng)的心律變異率，并實(shí)現(xiàn)對整個監(jiān)護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行控制等功能。整個系統(tǒng)實(shí)時性強(qiáng)，準(zhǔn)確率高，連線簡單，便于攜帶，界面友好，可移植性強(qiáng)，適合家庭和社區(qū)醫(yī)院使用。

本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)：(1)在基于Android的移動智能終端上實(shí)時完成了EKF和SVD相結(jié)合的單通道胎兒心電提取算法，設(shè)計(jì)了基于Android系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了胎心監(jiān)測和診斷的遠(yuǎn)程移動醫(yī)療，適合家庭和社區(qū)醫(yī)院使用;(2)使用24位高精度采樣芯片ADS1298直接采集信號，不需要單獨(dú)設(shè)計(jì)放大器，簡化了電路，便于攜帶，降低了系統(tǒng)功耗;(3)該單通道胎兒心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)適用于母體和(或)胎兒心律不齊的情況。

1 基于EKF和SVD相結(jié)合的單通道胎兒心電提取方法

本設(shè)計(jì)在擴(kuò)展卡爾曼濾波(extended Kalman filtering，EKF)算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合奇異值分解(singular value decomposition，SVD)算法[10-13]，可以從單通道孕婦腹部信號中準(zhǔn)確提取出高信噪比的胎兒心電信號(fetal electrocardiogram，fECG)，該提取方法的流程如圖1所示。首先對單通道腹部信號做50 Hz陷波濾波和0.5～100 Hz帶通濾波的預(yù)處理；然后進(jìn)行R峰檢測，找出腹部信號中母體心電(maternal electrocardiogram，mECG)的每個R-R間期，考慮到母體心電可能存在心律不齊的情況，針對每個心動周期分別計(jì)算其角速度，因此，該算法適用于母體心律不齊的情況；再利用EKF估計(jì)出腹部信號中的mECG，隨后用腹部信號減去估計(jì)出的mECG，進(jìn)而得到fECG的初步估計(jì)。此時，fECG中仍含有較大噪聲干擾及母體心電殘留，對初步估計(jì)出的fECG進(jìn)行R峰檢測，由于胎兒心電信號不是嚴(yán)格的周期信號，胎心率存在一定的變異性，同時，也為了適應(yīng)胎兒心律不齊的情況，本設(shè)計(jì)先對胎心的每個R-R間期進(jìn)行等周期插值，構(gòu)造胎兒心電信號重構(gòu)矩陣A，然后，利用SVD算法對fECG進(jìn)行去噪處理[14-17]，進(jìn)一步提高信噪比，最后，再對胎心的每個R-R間期進(jìn)行相應(yīng)的抽取，恢復(fù)出胎心實(shí)際的心動周期。因此，該算法適用于胎兒心律不齊的情況。

圖1 單通道胎兒心電提取流程Figure 1 Flowchart of single channel fetal ECG extraction

2 基于移動智能終端的單通道胎兒心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文實(shí)現(xiàn)的基于移動智能終端的單通道胎兒心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。首先，利用STM32控制24位高精度采樣芯片ADS1298完成對單通道孕婦腹部信號的采集，再將采集后的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳輸?shù)交贏ndroid的移動智能終端，最后，在移動智能終端上實(shí)時完成EKF和SVD相結(jié)合的胎兒心電提取算法，并對提取出的胎兒心電進(jìn)行顯示、存儲與分析，計(jì)算出相應(yīng)的心律變異率，設(shè)計(jì)基于Android系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)對整個監(jiān)護(hù)系統(tǒng)控制等功能。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Figure 2 The overall system structure

2.1 基于STM32的采集控制模塊

本系統(tǒng)采用STM32F407單片機(jī)控制ADS1298完成對孕婦腹部信號的實(shí)時采集，并控制藍(lán)牙模塊將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸給移動智能終端。

設(shè)計(jì)使用24位的高精度采樣芯片ADS1298對單通道孕婦腹部信號進(jìn)行采集，因而無需單獨(dú)設(shè)計(jì)放大器，仍然可以獲得足夠高的采樣分辨率，這樣可以簡化電路的設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)功耗，易于實(shí)現(xiàn)便攜式。設(shè)計(jì)中ADS1298的采樣頻率為250 Hz，其工作流程見圖3。

圖3 ADS1298控制流程Figure 3 ADS1298 control flowchart

2.2 基于Android移動智能終端的單通道胎兒心電監(jiān)護(hù)模塊

本設(shè)計(jì)在基于Android的移動智能終端上實(shí)時完成EKF和SVD相結(jié)合的單通道胎兒心電提取算法，并對提取出的胎兒心電進(jìn)行顯示、存儲與分析，計(jì)算出相應(yīng)的心律變異率，設(shè)計(jì)相應(yīng)的人機(jī)交互界面，完成對胎兒心電的檢測和初步診斷，移動智能終端實(shí)現(xiàn)的功能如圖4所示。

圖4 移動智能終端功能框圖Figure 4 Functional block diagram of mobile smart terminal

2.2.1 基于EKF算法的單通道胎兒心電提取

為了適應(yīng)母體心律不齊的情況，算法以每個母體心動周期為單位，對孕婦腹部信號做EKF處理，算法實(shí)現(xiàn)的流程見圖5。

圖5 EKF提取胎兒心電流程Figure 5 Flowchart of fetal ECG extraction by EKF

2.2.2 基于SVD算法的胎兒心電去噪

由于胎兒心電信號不是嚴(yán)格的周期信號，胎心率存在一定的變異性，為了適應(yīng)胎兒心律不齊的情況，本設(shè)計(jì)先對胎心的每個R-R間期進(jìn)行等周期插值，構(gòu)造出胎兒心電信號重構(gòu)矩陣A，然后利用SVD算法對胎兒心電進(jìn)行去噪處理，最后再對去噪后的胎心每個R-R間期進(jìn)行抽取，恢復(fù)出實(shí)際的胎兒心動周期長度。插值和抽取采用級聯(lián)積分梳狀(cascade integrator comb，CIC)濾波器實(shí)現(xiàn)。

胎兒心電重構(gòu)矩陣A的行數(shù)m越大，對信噪比的改善就越明顯，但當(dāng)行數(shù)m≥7時，信噪比的改善趨勢變緩。另外，由于矩陣A中的每一行都對應(yīng)于胎兒的一個心動周期，故行數(shù)越多，算法處理的滯后時間就越長，實(shí)時性變差。綜合考慮fECG信噪比改善和處理的實(shí)時性，重構(gòu)矩陣A的行數(shù)m取為4～6行較為合適[9]。本設(shè)計(jì)選取m=5，采用長度為5的滑動窗，每次去噪處理向后滑動一個胎兒心動周期，SVD去噪算法的處理流程見圖6。

圖6 SVD胎兒心電去噪算法流程Figure 6 Flowchart of fetal ECG denoising algorithm based on SVD

2.2.3 基于Android系統(tǒng)的人機(jī)交互界面軟件的實(shí)現(xiàn)

在基于Android系統(tǒng)的移動智能終端上進(jìn)行人機(jī)交互界面軟件的設(shè)計(jì)，根據(jù)臨床需要，人機(jī)交互界面主要由3部分組成：(1) 信息錄入部分，記錄孕婦的臨床編號、姓名、年齡、身高、體重等基本臨床信息;(2) 波形顯示部分，完成fECG波形顯示、mECG波形顯示和胎心變異率波形顯示;(3) 系統(tǒng)功能部分，實(shí)現(xiàn)信號采集的開始與停止，以及對提取到的胎兒心電信號進(jìn)行存儲、回放、心律變異率的計(jì)算和初步診斷等功能。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于倫理和安全等因素限制，本設(shè)計(jì)采用DaISy數(shù)據(jù)庫和MIT-BIH非侵入式胎兒心電數(shù)據(jù)庫中的真實(shí)心電信號對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。先將數(shù)據(jù)庫中真實(shí)的孕婦腹部信號存儲到任意波發(fā)生器AFG3252中，然后由AFG3252產(chǎn)生相應(yīng)的模擬信號作為整個系統(tǒng)的輸入信號。為了模擬真實(shí)心電信號的幅度值，需要在函數(shù)發(fā)生器的輸出端連接一個信號衰減器，再將衰減后的信號進(jìn)行采樣。驗(yàn)證系統(tǒng)的連接示意圖見圖7。

圖7 驗(yàn)證系統(tǒng)的連接示意圖Figure 7 Connection diagram of verification system

3.1 基于移動智能終端的單通道胎兒心電提取結(jié)果

在基于Android的智能手機(jī)端實(shí)現(xiàn)fECG的提取，結(jié)果如圖8所示。實(shí)驗(yàn)采用DaISy數(shù)據(jù)庫通道3的孕婦腹部信號，可以看出，胎心提取有5個胎兒心動周期的延時，這是由于在對胎心進(jìn)行SVD去噪處理時，需要用5個fECG周期的數(shù)據(jù)構(gòu)造胎兒心電信號重構(gòu)矩陣A。

圖8 基于移動智能終端單通道胎兒心電信號的提取結(jié)果Figure 8 Extraction results of single channel fetal ECG signal based on mobile intelligent terminal

3.2 基于移動智能終端的胎兒心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性測試

實(shí)驗(yàn)采用DaISy數(shù)據(jù)庫通道3的孕婦腹部信號，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行5 min和30 min時，分別截取10 s的胎兒心電提取結(jié)果，波形如圖9所示?？梢钥闯觯S著運(yùn)行時間增加，該胎心監(jiān)護(hù)系統(tǒng)依然可提取清晰的胎兒心電波形，無基線漂移和明顯的信噪比改變，由此可見，本文設(shè)計(jì)的基于移動智能終端的單通道胎兒心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

圖9 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試結(jié)果Figure 9 Results of system stability test

3.3 基于移動智能終端的胎兒心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的實(shí)時性測試

系統(tǒng)使用的Android智能手機(jī)型號為小米6X，版本為Android 9.0，最高頻率2.2 GHz，運(yùn)行內(nèi)存為4 GB。由于在對胎心進(jìn)行SVD去噪處理時，需要用5個fECG周期的數(shù)據(jù)構(gòu)造胎兒心電信號重構(gòu)矩陣A，測試結(jié)果表明系統(tǒng)處理5個fECG周期的數(shù)據(jù)用時約為70 μs，遠(yuǎn)小于1個母體心動周期(約0.8 s)的時間，完全滿足臨床使用對實(shí)時性的需求。

3.4 基于移動智能終端的胎兒心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性測試

利用敏感性(Se)、陽性預(yù)測率(PPV)和F1值3個指標(biāo)來評價本系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，其中F1值是準(zhǔn)確性的度量。

(1)

(2)

(3)

式中：TP(true positive)為真陽性，代表正確檢出的胎兒QRS波個數(shù)；FP(false positive)為假陽性，代表錯檢的胎兒QRS波個數(shù)；FN(false negative)為假陰性，代表漏檢的胎兒QRS波個數(shù)。

MIT-BIH非侵入式胎兒心電數(shù)據(jù)庫中的腹部信號信噪比低，胎兒心電被嚴(yán)重污染，為此，從中選取了15組心電記錄，共計(jì)48個腹部通道，每個腹部通道截取30 s數(shù)據(jù)長度，分別利用Se、PPV和F1值這3個指標(biāo)來評價該胎兒心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，評價結(jié)果見表1。

表1 胎兒心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的靈敏度、陽性預(yù)測率和準(zhǔn)確性(單位：%)Table 1 Sensitivity，positive predictive rate and accuracy of fetal ECG monitoring system(unit:%)

3.5 基于Android智能手機(jī)的人機(jī)交互界面

基于Android智能手機(jī)的單通道胎兒心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)如圖10所示。主要實(shí)現(xiàn)了孕婦信息錄入，藍(lán)牙連接，胎心波形顯示、存儲與回放，胎兒心律變異率的計(jì)算以及胎心功能初步診斷等功能。

圖10 Android端人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)Figure 10 Design of human-computer interactive interface on Android

4 討論與結(jié)論

目前，胎兒心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)使用的方法主要有：自適應(yīng)濾波、小波變換、盲源分離和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。本文設(shè)計(jì)的基于移動智能終端的單通道胎兒心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了EKF和SVD相結(jié)合的單通道胎兒心電信號提取算法，提取出的fECG具有很高的信噪比，由于是單通道提取，所以連線簡單，便于攜帶，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，滿足臨床對實(shí)時性的需求。同時，該胎心監(jiān)護(hù)系統(tǒng)具有很高的準(zhǔn)確性，且適用于母體和(或)胎兒心律不齊的情況，很好地解決了目前已有胎兒心電監(jiān)護(hù)設(shè)備存在的問題，具有良好的臨床應(yīng)用價值。

另外，實(shí)驗(yàn)測試也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)fECG和mECG完全重疊時，提取出fECG的QRS波幅度較小甚至丟失，這個現(xiàn)象在其他單通道fECG提取方法中同樣存在，這將是今后胎兒心電提取的研究重點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于Android的單通道胎兒心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明：該胎心監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可從單通道孕婦腹部信號中準(zhǔn)確提取出fECG，準(zhǔn)確度為95.60%，陽性預(yù)測率為98.71%，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，連續(xù)處理5個fECG周期的數(shù)據(jù)用時約為70 μs，遠(yuǎn)小于一個母體心動周期(約0.8 s)的時間，完全滿足臨床使用對實(shí)時性的需求。該胎兒心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)連線簡單，便于攜帶且容易操作，人機(jī)界面友好，可移植性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了對胎兒心電監(jiān)護(hù)的可穿戴式遠(yuǎn)程移動醫(yī)療，適合基層、社區(qū)醫(yī)療以及家庭使用。