基于不同谱分析方法的胎儿心电信号周期分析

刘丽萍 朱毓珍

摘要：胎心监测是产前检查的重要内容之一，对于胎儿早期疾病的检测和预防有着重要的意义。利用各类信号序列谱分析方法，基于胎心监测实测数据判断不同谱分析方法在周期提取中的有效性和差异性，为胎儿心电信号周期识别提供基础数据和依据。胎儿心电图信号周期方面共检测出73.41s、43.47s、29.72s、23.25s、23.11s、17.35s、16.67s、16.32s、13.05s、9.68s、7.51s、5.33s、4.97s、4.59s、3.47s、2.97s等16个周期信号。不同谱分析方法在高低频信号的检测能力上有所差异。Redfit功率谱的检出频率主要集中在低频区间，而MTM多窗谱的检出频率区间则较为分散，低频区间和高频区间都有分布。奇异谱分析方法在高频区间有著较好的信号提取效果，高频分量的周期性较好，可以体现胎儿心电信号的周期信息，可以作为信号周期的参考数据。

关键词：胎心监测;心电信号;谱分析;周期

胎心监测是产前检查的重要内容之一，对于胎儿早期疾病的检测和预防有着重要的意义[1]。在某些先天性心脏病、胎儿脐带绕颈、胎儿活动异常等方面的前期诊断方面，胎心监测和胎儿心电信号是治疗的主要依据[2]。

目前，胎心监测的指标主要有胎心率（Fetal Heart Rate，FHR）和胎儿心电信号（Fetal Electrocardiogram，FECG）等。这些方法通过记录孕妇子宫内胎儿的心脏活动并将其转换为电子讯号，最终利用图形将心脏活动以各类波形显示出来，并通过波形的变化指示胎儿的心脏功能和特征[3-5]。

由于胎儿心电信号与其母体的各类身体活动信息可能存在叠加，因此如何准确识别和提取出胎儿自身的心电信号对于各类心脏疾病的判别有着重要作用[6-7]。近年来，为了提高胎儿心电信号的提取效率和准确度，一系列的信号序列分析方法被用于胎心监测方面。如自适应滤波法、小波变换、支持向量机、交叉谱等方法被用于胎儿心电信号的去噪和周期的识别[8]。

由于胎儿心脏活动信号叠加一系列环境噪声和母体活动信号，不同的周期识别方法可能存在一些差异[9]。与此同时，心电信号的周期对与各类婴儿早期疾病的诊断有着重要的意义。因此，系统的判断不同分析方法对胎儿心电信号的提取和识别能力对于有效利用胎心监测的结果、提高相关疾病的诊断效率有着一定的实践指导意义[10-11]。基于此，本研究提出利用各类信号序列谱分析方法，基于胎心监测实测数据判断不同谱分析方法在周期提取中的有效性和差异性，为胎儿心电信号周期识别提供基础数据和依据。

1 数据与方法

1.1 数据来源

本次实验所用胎儿心电信号由BT-250多普勒胎心监护仪采集，孕妇孕龄为34周+6天，信号序列的总时长为300s（图1）。孕妇及胎儿相关身体指标在正常范围内，胎心率FHR基线为145bpm，胎心率变异值为12bpm，短期变异为1.0bpm。

1.2 研究方法

1.2.1 Redfit功率谱

Redfit功率谱分析是一种利用傅里叶变换数学方法的频率域研究技术，其基本理论认为信号序列的总体能量可以被分解为不同频率序列的总和，并进一步根据其方差贡献率判断其背后的周期。

1.2.2 MTM多窗谱

MTM多窗谱是由一系列呈正交的数据窗对原始信号序列分别进行直接谱的计算，再进行平均，最后得到整个信号的谱估计。这一方法在复杂信号的周期判断方面较原有的周期图方法更加准确，其估计方差也较小，因此在各类信号分析中得到了广泛的应用。

1.2.3 SSA奇异谱

SSA奇异谱是一种利用经验正交函数方法，将原始信号序列按照给定的空间窗口重构，并利用矩阵计算出其特征值。该方法对于具有明显周期信号的序列有着很好的适用，其优点体现在无须提前人为设定滤波器，并且可以识别出隐藏的弱信号周期，因此广泛应用于信号检测、心电信号分析等领域。

2 结果与讨论

基于Matlab仿真平台对本研究实验数据进行相关分析，结果表明胎儿心电信号具有明显的周期性特征，并且不同的方法在原始信号不同尺度下的周期提取能力存在差异。Redfit功率谱分析结果显示本次实验的胎心率存在有6个周期通过了95%置信检验（图2A），分别为43.47s、23.25s、16.67s、13.05s、9.68s、7.51s。MTM多窗谱的分析结果表明，胎心率存在6个周期通过95%置信检验（图2B），分别为17.35s、5.33s、4.97s、4.59s、3.47s、2.97s。从二者的对比可以发现，Redfit功率谱与MTM多窗谱都可以成功的在胎心率序列中提取出能够通过95%置信度检验的周期信息，但是二者之间有一定的差异。Redfit功率谱检测出的信号周期主要存在于低频区域，而MTM多窗谱则在高频区域的检出率较高。其中16～18s这一周期在两种方法中都有检出，说明这一周期很可能代表了胎心活动的重要信号。

进一步利用SSA奇异谱对胎儿心电信号进行分析，结果表明奇异谱分析的前四个主成分可以较好的重构原始信号。从图3中可以看出原始信号与重构信号基本一致，重构信号用较少的4个主成分模拟了原始序列所带有的信息，可以利用奇异谱来识别周期。

3 结论

综合以上三种不同方法的谱分析的结果，可以得出胎儿心电信号检测的一些基本特征，并且可以进一步探讨不同谱分析方法在信号周期识别方面的差异性。胎儿心电图信号周期方面共检测出73.41s、43.47s、29.72s、23.25s、23.11s、17.35s、16.67s、16.32s、13.05s、9.68s、7.51s、5.33s、4.97s、4.59s、3.47s、2.97s等16个周期信号，这充分说明胎儿心电信号周期的复杂性。另一方面，不同谱分析方法在高低频信号的检测能力上有所差异。Redfit功率谱的检出频率主要集中在低频区间，而MTM多窗谱的检出频率区间则较为分散，低频区间和高频区间都有分布。奇异谱分析方法在高频区间有着较好的信号提取效果，高频分量的周期性较好，可以体现胎儿心电信号的周期信息，可以作为信号周期的参考数据。同时这一信号周期也可以为不同临床诊断提供方法选择上的参考。

参考文献：

[1]滕红红，袁雪，刘钢，等.北京市婴儿死因结构的转变及有关围产因素的探讨[J].中国儿童保健杂志，2004，12（2）：143-144

[2]朱会红，崔惠英.脐带因素与围产儿死亡的关系探讨[J].中国妇幼保健，2009，24（6）：775-776

[3]魏红光，李灵，杜咏琴，等.5岁以下儿童生命监测结果分析与干预措施[J].中国妇幼保健，2005，20（16）：2010-2011

[4]马明，邹志斌，杨玉林，等.采用盲源提取和后小波滤波的胎儿心电图提取[J].仪器仪表学报，2010，31（5）：1096-1101

[5]刘志丽，徐倩楠.产前超声对胎儿心血管畸形的临床诊断价值[J].基层医学论坛，2015，19（36）：5110-5111

[6]Torti E，Koliopoulos D，Matraxia M，et al.Custom FPGA Processing for Real-Time Fetal ECG Extraction and Identification[J].Computers in Biology & Medicine，2016，80（1）：30-38

[7]徐翠云，叶海慧.妊娠高血压疾病对孕妇心电图和胎儿心电图的影响[J].临床医学，2011，31（9）：88-90

[8]戴冰，刘青敏.1519例胎兒心电图的临床价值和相关因素分析[J].中国优生与遗传杂志，2004，12（4）：78-79

[9]Banerjee S，Gupta R，Mitra M.Delineation of ECG Characteristic Features Using Multiresolution Wavelet Analysis Method[J].Measurement，2012，45（3）：474-487

[10]漆洪波，段赵宁.胎儿心电图ST段分析及其应用[J].中国实用妇科与产科杂志，2010（2）：110-113

[11]冯义静，白萍萍，王亚青.胎儿心电图的操作分析及临床价值[J].中国实用医药，2014（31）：243-244