【摘要】：隨著生物醫(yī)學(xué)儀器開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步和人們優(yōu)生優(yōu)育意識(shí)的不斷增強(qiáng),圍產(chǎn)期的胎兒心電監(jiān)護(hù)越來(lái)越受到廣泛的關(guān)注,因此,相應(yīng)的胎兒心電信號(hào)處理技術(shù)也逐漸成為生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。胎兒心電信號(hào)(Fetal electrocardiogram,FECG)是一項(xiàng)反映胎兒心臟電生理活動(dòng)的客觀指標(biāo),它能分辨出胎兒心臟搏動(dòng)的細(xì)微變化,間接地反映胎兒在孕期中的成長(zhǎng)和健康狀況,有助于及早診斷出妊娠期和分娩期的胎兒宮內(nèi)缺氧及先天性心臟病等,是圍產(chǎn)期胎兒監(jiān)護(hù)的一種有效手段。和傳統(tǒng)的多普勒超聲胎心監(jiān)護(hù)手段相比,胎兒心電信號(hào)更能反映心臟活動(dòng)全貌。因此,提取清晰的胎兒心電信號(hào)將成為胎兒心電監(jiān)護(hù)的首要任務(wù),對(duì)臨床醫(yī)療診斷具有極其重要的參考價(jià)值。然而腹部混合心電信號(hào)成分十分復(fù)雜,其中占主導(dǎo)分量的母體心電成分是母體心電信號(hào)傳導(dǎo)至腹壁經(jīng)歷非線性后的信號(hào);針對(duì)實(shí)際采集的多腹部混合心電信號(hào),傳統(tǒng)的僅采用腹部單通道的自適應(yīng)噪聲抵消器提取胎兒心電信號(hào)時(shí),會(huì)導(dǎo)致提取到的胎兒心電信號(hào)缺失部分信息,進(jìn)而造成得到的FQRS波檢測(cè)準(zhǔn)確度較差;經(jīng)自適應(yīng)噪聲抵消器提取到的胎兒心電信號(hào)中仍殘留少量母體心電成分、肌電干擾等噪聲,造成胎兒心電信號(hào)的信噪比較差,不利于后續(xù)胎兒心電信號(hào)波形分析。這些問(wèn)題成為研究胎兒心電信號(hào)提取的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文重點(diǎn)研究胎兒心電信號(hào)自適應(yīng)提取若干關(guān)鍵方法,具體主要圍繞以下三個(gè)方面開(kāi)展研究,包括應(yīng)對(duì)母體心電信號(hào)傳導(dǎo)至腹壁經(jīng)歷的非線性、自適應(yīng)噪聲抵消器的腹部多通道優(yōu)化和提取到的胎兒心電信號(hào)的去噪問(wèn)題等。具體研究?jī)?nèi)容如下:首先,研究基于廣義函數(shù)鏈接型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GFLANN)非線性自適應(yīng)噪聲抵消器的胎兒心電信號(hào)提取方法。傳統(tǒng)的基于自適應(yīng)噪聲抵消器的胎兒心電信號(hào)提取方法,分別采用線性FIR濾波器、非線性Volterra濾波器、函數(shù)鏈接型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(FLANN)作為參考通道濾波器,來(lái)近似母體心電信號(hào)傳導(dǎo)至腹壁所經(jīng)歷的非線性時(shí),它們存在著抑制母體心電成分性能較差的問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題,本文提出一種基于GFLANN非線性自適應(yīng)噪聲抵消器的胎兒心電信號(hào)提取方法,該方法采用GFLANN作為參考通道非線性濾波器,綜合引入核函數(shù)擴(kuò)展項(xiàng)和交叉項(xiàng)因素,應(yīng)對(duì)上述母體心電信號(hào)傳導(dǎo)至腹壁經(jīng)歷的非線性,可有效地進(jìn)一步降低或消除腹部混合心電信號(hào)中的母體心電成分,從而獲得清晰的胎兒心電信號(hào)。該方法分別利用LMS算法和最速下降法更新FIR濾波器的系數(shù)和非線性GFLANN的權(quán)值。針對(duì)仿真數(shù)據(jù)庫(kù)和臨床數(shù)據(jù)庫(kù),分別利用純凈的胎兒心電信號(hào)與提取到的胎兒心電信號(hào)之間的相關(guān)系數(shù)、以及與FQRS位置有關(guān)的統(tǒng)計(jì)性能指標(biāo),來(lái)驗(yàn)證本文所提出的胎兒心電信號(hào)提取方法的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于實(shí)際PNIFECG數(shù)據(jù)庫(kù)的子數(shù)據(jù)庫(kù)A,本提取方法獲得的FQRS波檢測(cè)準(zhǔn)確度可達(dá)到97.9%。另外,該方法具有導(dǎo)聯(lián)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和計(jì)算復(fù)雜度低的優(yōu)點(diǎn),可適用于要求低功耗的便攜式測(cè)量場(chǎng)合。其次,研究基于腹部多通道和胸部多通道的胎兒心電信號(hào)自適應(yīng)提取新方法。傳統(tǒng)的自適應(yīng)噪聲抵消器采用腹部單通道時(shí)會(huì)導(dǎo)致提取到的胎兒心電信號(hào)缺失部分信息,進(jìn)而影響胎兒心電信號(hào)QRS波檢測(cè)準(zhǔn)確度。針對(duì)這一問(wèn)題,本文尋求合理增加腹部通道信息,并通過(guò)線性結(jié)合器實(shí)現(xiàn)它們的自適應(yīng)線性組合,進(jìn)而提供最優(yōu)的原始通道輸入,結(jié)合自適應(yīng)噪聲抵消器結(jié)構(gòu),提出一種基于腹部多通道和胸部多通道的胎兒心電信號(hào)自適應(yīng)提取新方法。該方法采用帶約束條件的RLS算法優(yōu)化原始通道中線性結(jié)合器的系數(shù),采用LMS算法和最速下降法更新參考通道中線性和非線性濾波器的權(quán)值。針對(duì)兩種臨床PNIFECG數(shù)據(jù)庫(kù)和DaISy數(shù)據(jù)庫(kù),通過(guò)選擇不同的腹部通道數(shù)目,分別利用與FQRS位置有關(guān)的統(tǒng)計(jì)性能指標(biāo)和提取后的胎兒心電信號(hào)的可視化波形這兩個(gè)方面,來(lái)驗(yàn)證該提取方法的性能。特別是對(duì)于PNIFECG數(shù)據(jù)庫(kù)的子數(shù)據(jù)庫(kù)A,新方法獲得的FQRS波檢測(cè)準(zhǔn)確度最高為99.0%。該新方法具有檢測(cè)準(zhǔn)確度高和計(jì)算量相對(duì)較低的優(yōu)點(diǎn),適用于長(zhǎng)期的連續(xù)胎兒心電監(jiān)護(hù)場(chǎng)合。最后,研究基于自適應(yīng)傅里葉分析器的胎兒心電信號(hào)去噪方法。上述研究的胎兒心電信號(hào)自適應(yīng)提取方法,旨在通過(guò)抑制腹部混合心電信號(hào)中的母體心電成分實(shí)現(xiàn)胎兒心電信號(hào)的分離。但分離后的胎兒心電信號(hào)仍殘留肌電干擾、少量的母體心電成分等噪聲,需要對(duì)其去噪處理以獲得更為清晰的胎兒心電信號(hào),以為后續(xù)的胎兒心電信號(hào)波形分析提供可靠的參考。通過(guò)對(duì)提取到的胎兒心電信號(hào)進(jìn)行頻譜分析后發(fā)現(xiàn),該信號(hào)具有非平穩(wěn)和偽周期性的特點(diǎn),它主要表現(xiàn)為若干個(gè)低頻離散正余弦信號(hào)的疊加。針對(duì)該信號(hào)的這個(gè)特點(diǎn),傳統(tǒng)的基于離散傅里葉逆變換(IDFT)的去噪方法,通過(guò)選擇合理的頻譜能量閾值,保留該信號(hào)中主要頻率分量,實(shí)現(xiàn)胎兒心電信號(hào)去噪。但該方法存在著保留信號(hào)局部特征和抑制噪聲之間的矛盾,且難以應(yīng)對(duì)胎兒心電信號(hào)在幅值和周期上的非平穩(wěn)變化。因此,本文提出一種基于自適應(yīng)傅里葉分析器的胎兒心電信號(hào)去噪方法,通過(guò)實(shí)時(shí)地跟蹤胎兒心電信號(hào)主要頻率成分的幅值和周期的變化,實(shí)現(xiàn)含噪胎兒心電信號(hào)的進(jìn)一步去噪。仿真結(jié)果表明,新去噪方法不僅對(duì)非平穩(wěn)變化的胎兒心電信號(hào)具有良好的跟蹤性能,而且對(duì)提取后的含噪胎兒心電信號(hào)也具有良好的信號(hào)還原性,尤其是當(dāng)FQRS波和MQRS波接近或重疊時(shí),新去噪方法仍能夠恢復(fù)出FQRS波。針對(duì)臨床PNIFECG數(shù)據(jù)庫(kù)和DaISy數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,新去噪方法從去噪后的胎兒心電信號(hào)的可視化波形和基于特征值分析和互相關(guān)系數(shù)的信噪比兩個(gè)方面,較傳統(tǒng)的基于IDFT的去噪方法,均體現(xiàn)了其優(yōu)良的噪聲抑制性能,獲得了更清晰、信噪比更高的胎兒心電信號(hào)。特別是,針對(duì)DaISy數(shù)據(jù)庫(kù),新去噪方法獲得的基于特征值分析和互相關(guān)系數(shù)的信噪比分別提升了6.25dB和6.73dB。該方法具有自適應(yīng)的特點(diǎn),與傳統(tǒng)的基于IDFT去噪方法相比,其在信噪比較低的情況下仍具有優(yōu)良的去噪性能,更具有廣闊的臨床應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：R714.5;TN911.7

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2697450