高抗扰母婴联合胎心监护系统设计与实现

徐添翼 ，蔡萍 ，刘小华，马艺馨

1 上海交通大学仪器系，上海市， 200240

2 上海智能诊疗仪器工程技术研究中心，上海市，200240

3 中国福利会国际和平妇幼保健院，上海市， 200030

0 引言

传统多普勒胎心仪使用一个多普勒超声探头拾取胎儿超声多普勒信号[1]，在第二产程分娩宫缩引起母体血管激烈搏动导致较大的多普勒干扰信号串入超声探头时，会使胎心仪错误计数母体心率，掩盖胎心晚期减速心率，导致未及时干预或过度干预。这种情况已引起产科医生们的高度关注[2-4]。为提高胎心检出正确率，研究者们提出了多探头检测方法。KRIBECHE[5]设计了多个多普勒探头的胎心监护系统，并应用独立分量分析来剔除非胎儿源的信号分量，以准确提取来自胎儿心脏的信号。美国HERA MED LTD公司发明了使用两种频率的胎心仪[6]，其中低频部分用于确定胎儿的位置，高频部分用于获取胎心率，从而获得高质量的胎心超声多普勒信号，但其对母体腹主动脉搏动等与胎儿心跳相似的信号干扰抑制能力有限。

现有的多普勒胎心仪胎心率提取多采用自相关法，自相关法能够很好地提取出信号中的主要周期成分，但是当胎心超声多普勒信号中混有较高的母体干扰成分时，因为母体干扰同样是周期性的成分，会将母体心率当做胎心率输出。时频分析方法[7-8]能够特异性地检出胎儿心跳，是一种简单模板匹配法，简单模板匹配法用于构建模板的信号来自被监测信号，其好处是易于得到最佳匹配，但其构建模板的信号帧未经甄别，难免包含母体干扰，在存在高干扰的情况下极易导致胎心率错检或漏检，可靠性不佳。

针对这一问题，本文设计了母婴联合胎心率提取方法并进行了系统实现。系统同时采集胎心超声多普勒信号和与母体腹主动脉信号同源的血氧信号，通过这两个信号的互相关系数，评估胎心超声多普勒信号中母体干扰的程度，根据干扰程度切换匹配胎心率提取算法，在低干扰情况下选用稳定性高的自相关法，在高母体干扰情况下选用抗干扰性强的改进的模板匹配法，提高胎心监护的可靠性。

1 母婴联合胎心率提取方法

1.1 改进的模板匹配法

简单模板匹配法从被监测信号中获取模板，并逐帧计算信号与模板的相关系数作为匹配度，以匹配度曲线的峰值点获取瞬时心率。本研究在简单模板匹配的基础上进行了模板选取和匹配度计算两方面的改进。改进的模板匹配法算法流程如图1所示。首先对获取的高母体干扰胎心超声多普勒信号进行带通滤波去除高频干扰和低频波动，使用短时傅里叶变换将信号切换至时频域。依据与模板库中各模板的相关系数，选取最佳模板，对信号的短时傅里叶变换逐帧计算非线性匹配度得到匹配度曲线。最后根据匹配度曲线的峰值点解算瞬时心率。

图1 改进的模板匹配法流程Fig.1 Improved template matching method process

模板选取方面，改进方法的模板构建选取的信号经过甄别，通过大量临床数据聚类建立的模板库涵盖各类典型胎心信号，解决了简单模板匹配法模板可靠性不佳的问题。最佳模板的选取则通过互相关系数决定。

匹配度计算方面，观测帧与模板的匹配度通过非线性距离d计算，d表征模板与观测帧的偏差程度：

其中sT(wi, tj)为从模板库中优选的短时傅里叶变换模板，sDUS(wi, tj)观测帧短时傅里叶变换，fLReLU(x)[9]为人工神经网络中常用的激活函数，这里用于实现对变量的非线性处理：

由于混入的母体干扰大概率使得信号短时傅里叶变换的强度增加，因此对观测帧高于模板的信号强度进行衰减。α为衰减因子，应大于0小于1，α的选取结合运算速度通过实验确定，最终选取为0.01。

1.2 改进的模板匹配法和自相关法性能实验比较

自相关方法对于低母体干扰的胎心率提取性能优良[10]。改进的模板匹配法比之简单模板匹配法，无论信号是否包含母体干扰都有很好的正确率，但比之自相关方法，在信号不含高母体干扰的情况下，输出波动较大。图2(a)为低母体干扰的胎心超声多普勒信号。图2(b)为含有较高母体干扰的胎心超声多普勒信号，图2(c)为自相关法和改进的模板匹配法分别进行心率提取的结果对比，显然自相关法波动更小。图2(d)为自相关法和改进的模板匹配法分别进行心率提取的结果对比，图中同时给出了胎儿心率和母体心率曲线以作参考。因为母体干扰同样是周期性信号，自相关法无法有效提取胎心率。在母体干扰的幅度远大于胎儿信号时，使用自相关法进行胎心率提取会发生将母体心率误作胎心心率的问题，此时改进的模板匹配法更具有优势。

图2 在不同干扰下改进的模板匹配法和自相关法心率提取的结果对比Fig.2 The extracted heart rate of improved template matching method and autocorrelation method under diあerent interference

1.3 干扰判别

对探头拾取信号中的母体干扰程度进行判别，是正确匹配算法的关键。本文利用互相关方法对母体干扰进行判别。

互相关法是常用于判断信号相关性的方法[11]。当母体腹部胎心超声多普勒信号被母体干扰影响时，腹部胎心超声多普勒信号与母体腹主动脉信号的相关性增加。母体指部的血氧信号与母体腹主动脉搏动信号相关且采集方便，因此采用母体指部血氧信号和母体腹部胎心信号相关来估计胎心信号中母体干扰的程度。

互相关函数[12]表示为：

其中N为样本的长度，m是延迟域参数，xn为胎心超声多普勒信号序列，yn为母体血氧信号序列。

干扰程度R表示为：

通过R的量值和动态变化两部分对高干扰进行判别。通过实验统计不同干扰信号的R值范围，量值方面以高干扰信号独有的R值范围作为阈值，动态变化方面以R值基线跳变的检测作为高干扰的判定条件。

1.4 母婴联合胎心率提取方法

母婴联合胎心率提取方法通过干扰程度判别结合改进的模板匹配法和自相关方法各自的优势进行设计，方法流程如图3所示。方法首先对同步采集的胎心超声多普勒信号和母体血氧信号进行预处理，胎心超声多普勒信号经过带通滤波、整流和包络提取等预处理后与经过预处理的母体血氧信号进行互相关，两者的相关性用来进行干扰判别；若判断为存在高干扰，选用改进模板匹配法，若不存在高母体干扰，则用自相关法进行胎心率提取。

图3 算法流程图Fig.3 Flowchart of the algorithm

2 实验结果与分析

为了评价算法的有效性，我们分别采集了25位23岁到30岁孕妇的腹部胎心超声多普勒信号和腹主动脉超声多普勒信号，每次采集持续30 s，总的心动周期数超过1 500个。以胎心超声多普勒信号提取的心率作为参考值，以在10 s后叠加了孕妇腹主动脉超声多普勒信号的胎心超声多普勒信号作为测试信号，对算法进行评估。并将提取结果与自相关法和未进行母婴联合胎心率提取的改进的模板匹配法进行对比。从正确率、离差平方和两个方面评价算法，分析结果如表1所示。离差平方和指的是瞬时心率曲线与参考曲线对应点差值的平方和，表征方法提取的瞬时心率曲线与参考曲线的整体偏差程度，表1给出了25例1 500个心动周期的平均值结果。

表1 母婴联合胎心率提取算法与其它二种算法检测效果对比Tab.1 Comparison of combined maternal-fetal fetal heart rate extraction algorithm and other two algorithms

从表1可以看出，母婴联合胎心率提取方法的平均正确率比改进的模板匹配法高出9.2%，比自相关方法高出6.1%，而其离差平方和是改进的模板匹配法的24.0%，是自相关方法的57.8%。无论是平均正确率还是平均离差平方和，母婴联合胎心率提取方法均优于改进的模板匹配法和自相关法。说明母婴联合胎心率提取方法利用母体血氧信号结合了改进的模板匹配法和自相关法各自的优势。母婴联合胎心率提取方法正确率的提升说明了其很好地继承了改进的模板匹配法抗干扰能力强的特点，而母婴联合胎心率提取方法离差平方和的提升比之正确率的提升更大，说明其在继承了改进的模板匹配法抗干扰的特点的同时，波动性也很小。

研究还对母婴联合胎心率提取方法进行了实现，系统构成如图4所示。

图4 母婴联合胎心监护系统Fig.4 Combined maternal-fetal monitoring system

其中胎心多普勒探头和血氧探头用于同时拾取胎心超声多普勒信号和母体的血氧信号，数据采集系统将信号传递至上位机。上位机对信号母体干扰程度进行判别，依据其干扰程度的高低来选择使用改进的模板匹配法或者自相关方法解算胎心率，并进行结果显示。

3 小结

本文设计并实现了基于胎儿超声多普勒信号和母体血氧信号的母婴联合胎心率提取系统，系统能够在胎儿监护的过程中同时监护母亲心率与胎儿心率，并根据胎心超声多普勒信号中母体干扰的混入程度切换匹配胎心率提取算法。实验结果表明，母婴联合胎心率提取方法在高母体干扰下比自相关法正确率更高，在低母体干扰下保持了自相关法稳定的特性。