【摘要】：隨著生物醫(yī)學(xué)儀器開發(fā)技術(shù)的不斷進步和人們優(yōu)生優(yōu)育意識的不斷增強,圍產(chǎn)期的胎兒心電監(jiān)護越來越受到廣泛的關(guān)注,因此,相應(yīng)的胎兒心電信號處理技術(shù)也逐漸成為生物醫(yī)學(xué)信號處理領(lǐng)域的研究熱點之一。胎兒心電信號(Fetal electrocardiogram,FECG)是一項反映胎兒心臟電生理活動的客觀指標(biāo),它能分辨出胎兒心臟搏動的細微變化,間接地反映胎兒在孕期中的成長和健康狀況,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)護的一種有效手段。和傳統(tǒng)的多普勒超聲胎心監(jiān)護手段相比,胎兒心電信號更能反映心臟活動全貌。因此,提取清晰的胎兒心電信號將成為胎兒心電監(jiān)護的首要任務(wù),對臨床醫(yī)療診斷具有極其重要的參考價值。然而腹部混合心電信號成分十分復(fù)雜,其中占主導(dǎo)分量的母體心電成分是母體心電信號傳導(dǎo)至腹壁經(jīng)歷非線性后的信號;針對實際采集的多腹部混合心電信號,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時,會導(dǎo)致提取到的胎兒心電信號缺失部分信息,進而造成得到的FQRS波檢測準(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,造成胎兒心電信號的信噪比較差,不利于后續(xù)胎兒心電信號波形分析。這些問題成為研究胎兒心電信號提取的重點和難點。本文重點研究胎兒心電信號自適應(yīng)提取若干關(guān)鍵方法,具體主要圍繞以下三個方面開展研究,包括應(yīng)對母體心電信號傳導(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的去噪問題等。具體研究內(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,來近似母體心電信號傳導(dǎo)至腹壁所經(jīng)歷的非線性時,它們存在著抑制母體心電成分性能較差的問題。針對這一問題,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)擴展項和交叉項因素,應(yīng)對上述母體心電信號傳導(dǎo)至腹壁經(jīng)歷的非線性,可有效地進一步降低或消除腹部混合心電信號中的母體心電成分,從而獲得清晰的胎兒心電信號。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。針對仿真數(shù)據(jù)庫和臨床數(shù)據(jù)庫,分別利用純凈的胎兒心電信號與提取到的胎兒心電信號之間的相關(guān)系數(shù)、以及與FQRS位置有關(guān)的統(tǒng)計性能指標(biāo),來驗證本文所提出的胎兒心電信號提取方法的性能。實驗結(jié)果表明,對于實際PNIFECG數(shù)據(jù)庫的子數(shù)據(jù)庫A,本提取方法獲得的FQRS波檢測準(zhǔn)確度可達到97.9%。另外,該方法具有導(dǎo)聯(lián)結(jié)構(gòu)簡單和計算復(fù)雜度低的優(yōu)點,可適用于要求低功耗的便攜式測量場合。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會導(dǎo)致提取到的胎兒心電信號缺失部分信息,進而影響胎兒心電信號QRS波檢測準(zhǔn)確度。針對這一問題,本文尋求合理增加腹部通道信息,并通過線性結(jié)合器實現(xiàn)它們的自適應(yīng)線性組合,進而提供最優(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。針對兩種臨床PNIFECG數(shù)據(jù)庫和DaISy數(shù)據(jù)庫,通過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)計性能指標(biāo)和提取后的胎兒心電信號的可視化波形這兩個方面,來驗證該提取方法的性能。特別是對于PNIFECG數(shù)據(jù)庫的子數(shù)據(jù)庫A,新方法獲得的FQRS波檢測準(zhǔn)確度最高為99.0%。該新方法具有檢測準(zhǔn)確度高和計算量相對較低的優(yōu)點,適用于長期的連續(xù)胎兒心電監(jiān)護場合。最后,研究基于自適應(yīng)傅里葉分析器的胎兒心電信號去噪方法。上述研究的胎兒心電信號自適應(yīng)提取方法,旨在通過抑制腹部混合心電信號中的母體心電成分實現(xiàn)胎兒心電信號的分離。但分離后的胎兒心電信號仍殘留肌電干擾、少量的母體心電成分等噪聲,需要對其去噪處理以獲得更為清晰的胎兒心電信號,以為后續(xù)的胎兒心電信號波形分析提供可靠的參考。通過對提取到的胎兒心電信號進行頻譜分析后發(fā)現(xiàn),該信號具有非平穩(wěn)和偽周期性的特點,它主要表現(xiàn)為若干個低頻離散正余弦信號的疊加。針對該信號的這個特點,傳統(tǒng)的基于離散傅里葉逆變換(IDFT)的去噪方法,通過選擇合理的頻譜能量閾值,保留該信號中主要頻率分量,實現(xiàn)胎兒心電信號去噪。但該方法存在著保留信號局部特征和抑制噪聲之間的矛盾,且難以應(yīng)對胎兒心電信號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去噪方法,通過實時地跟蹤胎兒心電信號主要頻率成分的幅值和周期的變化,實現(xiàn)含噪胎兒心電信號的進一步去噪。仿真結(jié)果表明,新去噪方法不僅對非平穩(wěn)變化的胎兒心電信號具有良好的跟蹤性能,而且對提取后的含噪胎兒心電信號也具有良好的信號還原性,尤其是當(dāng)FQRS波和MQRS波接近或重疊時,新去噪方法仍能夠恢復(fù)出FQRS波。針對臨床PNIFECG數(shù)據(jù)庫和DaISy數(shù)據(jù)庫進行測試,實驗結(jié)果表明,新去噪方法從去噪后的胎兒心電信號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。特別是,針對DaISy數(shù)據(jù)庫,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,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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：R714.5;TN911.7

【參考文獻】

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本文編號：2697450