徐添翼 ，蔡萍 ，劉小華，馬藝馨

1 上海交通大學儀器系，上海市， 200240

2 上海智能診療儀器工程技術(shù)研究中心，上海市，200240

3 中國福利會國際和平婦幼保健院，上海市， 200030

0 引言

傳統(tǒng)多普勒胎心儀使用一個多普勒超聲探頭拾取胎兒超聲多普勒信號[1]，在第二產(chǎn)程分娩宮縮引起母體血管激烈搏動導致較大的多普勒干擾信號串入超聲探頭時，會使胎心儀錯誤計數(shù)母體心率，掩蓋胎心晚期減速心率，導致未及時干預或過度干預。這種情況已引起產(chǎn)科醫(yī)生們的高度關(guān)注[2-4]。為提高胎心檢出正確率，研究者們提出了多探頭檢測方法。KRIBECHE[5]設(shè)計了多個多普勒探頭的胎心監(jiān)護系統(tǒng)，并應(yīng)用獨立分量分析來剔除非胎兒源的信號分量，以準確提取來自胎兒心臟的信號。美國HERA MED LTD公司發(fā)明了使用兩種頻率的胎心儀[6]，其中低頻部分用于確定胎兒的位置，高頻部分用于獲取胎心率，從而獲得高質(zhì)量的胎心超聲多普勒信號，但其對母體腹主動脈搏動等與胎兒心跳相似的信號干擾抑制能力有限。

現(xiàn)有的多普勒胎心儀胎心率提取多采用自相關(guān)法，自相關(guān)法能夠很好地提取出信號中的主要周期成分，但是當胎心超聲多普勒信號中混有較高的母體干擾成分時，因為母體干擾同樣是周期性的成分，會將母體心率當做胎心率輸出。時頻分析方法[7-8]能夠特異性地檢出胎兒心跳，是一種簡單模板匹配法，簡單模板匹配法用于構(gòu)建模板的信號來自被監(jiān)測信號，其好處是易于得到最佳匹配，但其構(gòu)建模板的信號幀未經(jīng)甄別，難免包含母體干擾，在存在高干擾的情況下極易導致胎心率錯檢或漏檢，可靠性不佳。

針對這一問題，本文設(shè)計了母嬰聯(lián)合胎心率提取方法并進行了系統(tǒng)實現(xiàn)。系統(tǒng)同時采集胎心超聲多普勒信號和與母體腹主動脈信號同源的血氧信號，通過這兩個信號的互相關(guān)系數(shù)，評估胎心超聲多普勒信號中母體干擾的程度，根據(jù)干擾程度切換匹配胎心率提取算法，在低干擾情況下選用穩(wěn)定性高的自相關(guān)法，在高母體干擾情況下選用抗干擾性強的改進的模板匹配法，提高胎心監(jiān)護的可靠性。

1 母嬰聯(lián)合胎心率提取方法

1.1 改進的模板匹配法

簡單模板匹配法從被監(jiān)測信號中獲取模板，并逐幀計算信號與模板的相關(guān)系數(shù)作為匹配度，以匹配度曲線的峰值點獲取瞬時心率。本研究在簡單模板匹配的基礎(chǔ)上進行了模板選取和匹配度計算兩方面的改進。改進的模板匹配法算法流程如圖1所示。首先對獲取的高母體干擾胎心超聲多普勒信號進行帶通濾波去除高頻干擾和低頻波動，使用短時傅里葉變換將信號切換至時頻域。依據(jù)與模板庫中各模板的相關(guān)系數(shù)，選取最佳模板，對信號的短時傅里葉變換逐幀計算非線性匹配度得到匹配度曲線。最后根據(jù)匹配度曲線的峰值點解算瞬時心率。

圖1 改進的模板匹配法流程Fig.1 Improved template matching method process

模板選取方面，改進方法的模板構(gòu)建選取的信號經(jīng)過甄別，通過大量臨床數(shù)據(jù)聚類建立的模板庫涵蓋各類典型胎心信號，解決了簡單模板匹配法模板可靠性不佳的問題。最佳模板的選取則通過互相關(guān)系數(shù)決定。

匹配度計算方面，觀測幀與模板的匹配度通過非線性距離d計算，d表征模板與觀測幀的偏差程度：

其中sT(wi, tj)為從模板庫中優(yōu)選的短時傅里葉變換模板，sDUS(wi, tj)觀測幀短時傅里葉變換，fLReLU(x)[9]為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中常用的激活函數(shù)，這里用于實現(xiàn)對變量的非線性處理：

由于混入的母體干擾大概率使得信號短時傅里葉變換的強度增加，因此對觀測幀高于模板的信號強度進行衰減。α為衰減因子，應(yīng)大于0小于1，α的選取結(jié)合運算速度通過實驗確定，最終選取為0.01。

1.2 改進的模板匹配法和自相關(guān)法性能實驗比較

自相關(guān)方法對于低母體干擾的胎心率提取性能優(yōu)良[10]。改進的模板匹配法比之簡單模板匹配法，無論信號是否包含母體干擾都有很好的正確率，但比之自相關(guān)方法，在信號不含高母體干擾的情況下，輸出波動較大。圖2(a)為低母體干擾的胎心超聲多普勒信號。圖2(b)為含有較高母體干擾的胎心超聲多普勒信號，圖2(c)為自相關(guān)法和改進的模板匹配法分別進行心率提取的結(jié)果對比，顯然自相關(guān)法波動更小。圖2(d)為自相關(guān)法和改進的模板匹配法分別進行心率提取的結(jié)果對比，圖中同時給出了胎兒心率和母體心率曲線以作參考。因為母體干擾同樣是周期性信號，自相關(guān)法無法有效提取胎心率。在母體干擾的幅度遠大于胎兒信號時，使用自相關(guān)法進行胎心率提取會發(fā)生將母體心率誤作胎心心率的問題，此時改進的模板匹配法更具有優(yōu)勢。

圖2 在不同干擾下改進的模板匹配法和自相關(guān)法心率提取的結(jié)果對比Fig.2 The extracted heart rate of improved template matching method and autocorrelation method under diあerent interference

1.3 干擾判別

對探頭拾取信號中的母體干擾程度進行判別，是正確匹配算法的關(guān)鍵。本文利用互相關(guān)方法對母體干擾進行判別。

互相關(guān)法是常用于判斷信號相關(guān)性的方法[11]。當母體腹部胎心超聲多普勒信號被母體干擾影響時，腹部胎心超聲多普勒信號與母體腹主動脈信號的相關(guān)性增加。母體指部的血氧信號與母體腹主動脈搏動信號相關(guān)且采集方便，因此采用母體指部血氧信號和母體腹部胎心信號相關(guān)來估計胎心信號中母體干擾的程度。

互相關(guān)函數(shù)[12]表示為：

其中N為樣本的長度，m是延遲域參數(shù)，xn為胎心超聲多普勒信號序列，yn為母體血氧信號序列。

干擾程度R表示為：

通過R的量值和動態(tài)變化兩部分對高干擾進行判別。通過實驗統(tǒng)計不同干擾信號的R值范圍，量值方面以高干擾信號獨有的R值范圍作為閾值，動態(tài)變化方面以R值基線跳變的檢測作為高干擾的判定條件。

1.4 母嬰聯(lián)合胎心率提取方法

母嬰聯(lián)合胎心率提取方法通過干擾程度判別結(jié)合改進的模板匹配法和自相關(guān)方法各自的優(yōu)勢進行設(shè)計，方法流程如圖3所示。方法首先對同步采集的胎心超聲多普勒信號和母體血氧信號進行預處理，胎心超聲多普勒信號經(jīng)過帶通濾波、整流和包絡(luò)提取等預處理后與經(jīng)過預處理的母體血氧信號進行互相關(guān)，兩者的相關(guān)性用來進行干擾判別；若判斷為存在高干擾，選用改進模板匹配法，若不存在高母體干擾，則用自相關(guān)法進行胎心率提取。

圖3 算法流程圖Fig.3 Flowchart of the algorithm

2 實驗結(jié)果與分析

為了評價算法的有效性，我們分別采集了25位23歲到30歲孕婦的腹部胎心超聲多普勒信號和腹主動脈超聲多普勒信號，每次采集持續(xù)30 s，總的心動周期數(shù)超過1 500個。以胎心超聲多普勒信號提取的心率作為參考值，以在10 s后疊加了孕婦腹主動脈超聲多普勒信號的胎心超聲多普勒信號作為測試信號，對算法進行評估。并將提取結(jié)果與自相關(guān)法和未進行母嬰聯(lián)合胎心率提取的改進的模板匹配法進行對比。從正確率、離差平方和兩個方面評價算法，分析結(jié)果如表1所示。離差平方和指的是瞬時心率曲線與參考曲線對應(yīng)點差值的平方和，表征方法提取的瞬時心率曲線與參考曲線的整體偏差程度，表1給出了25例1 500個心動周期的平均值結(jié)果。

表1 母嬰聯(lián)合胎心率提取算法與其它二種算法檢測效果對比Tab.1 Comparison of combined maternal-fetal fetal heart rate extraction algorithm and other two algorithms

從表1可以看出，母嬰聯(lián)合胎心率提取方法的平均正確率比改進的模板匹配法高出9.2%，比自相關(guān)方法高出6.1%，而其離差平方和是改進的模板匹配法的24.0%，是自相關(guān)方法的57.8%。無論是平均正確率還是平均離差平方和，母嬰聯(lián)合胎心率提取方法均優(yōu)于改進的模板匹配法和自相關(guān)法。說明母嬰聯(lián)合胎心率提取方法利用母體血氧信號結(jié)合了改進的模板匹配法和自相關(guān)法各自的優(yōu)勢。母嬰聯(lián)合胎心率提取方法正確率的提升說明了其很好地繼承了改進的模板匹配法抗干擾能力強的特點，而母嬰聯(lián)合胎心率提取方法離差平方和的提升比之正確率的提升更大，說明其在繼承了改進的模板匹配法抗干擾的特點的同時，波動性也很小。

研究還對母嬰聯(lián)合胎心率提取方法進行了實現(xiàn)，系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。

圖4 母嬰聯(lián)合胎心監(jiān)護系統(tǒng)Fig.4 Combined maternal-fetal monitoring system

其中胎心多普勒探頭和血氧探頭用于同時拾取胎心超聲多普勒信號和母體的血氧信號，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將信號傳遞至上位機。上位機對信號母體干擾程度進行判別，依據(jù)其干擾程度的高低來選擇使用改進的模板匹配法或者自相關(guān)方法解算胎心率，并進行結(jié)果顯示。

3 小結(jié)

本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于胎兒超聲多普勒信號和母體血氧信號的母嬰聯(lián)合胎心率提取系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠在胎兒監(jiān)護的過程中同時監(jiān)護母親心率與胎兒心率，并根據(jù)胎心超聲多普勒信號中母體干擾的混入程度切換匹配胎心率提取算法。實驗結(jié)果表明，母嬰聯(lián)合胎心率提取方法在高母體干擾下比自相關(guān)法正確率更高，在低母體干擾下保持了自相關(guān)法穩(wěn)定的特性。