胎心電監測國內外現狀研究綜述

吳軍，李勁松，雷健波，潘志方

1.西南醫科大學 醫學信息與工程學院，四川 瀘州 646000；2.浙江大學 生物醫學工程與儀器科學學院，浙江 杭州 310058；3.北京大學 醫學院醫學信息中心，北京 100871；4.溫州醫科大學 信息技術中心，浙江 溫州 352035

胎心電監測國內外現狀研究綜述

吳軍1,2，李勁松2，雷健波1,3，潘志方4

1.西南醫科大學 醫學信息與工程學院，四川 瀘州 646000；2.浙江大學 生物醫學工程與儀器科學學院，浙江 杭州 310058；3.北京大學 醫學院醫學信息中心，北京 100871；4.溫州醫科大學 信息技術中心，浙江 溫州 352035

胎心監護對提高圍產期胎兒的質量非常重要，目前常見的胎心監護是基于胎心音的，但胎心音監測不便于實現長時間監護，且胎心電包含了更多的胎兒健康信息。因此，胎心電監測具有重要的研究價值。雖然胎心電監測的研究由來已久，但到目前還未達到成熟應用的目的。本文總結了目前國內外胎心電監測的研究現狀，并對目前胎心監測的難點進行了分析，然后對幾種胎心監測的方法及其進展進行了簡單的介紹，并分析了各種算法的優缺點。

胎心電；胎心音；胎心率；胎兒健康監護；胎心監測

引言

胎兒及新生兒的死亡率是衡量一個國家經濟、文化及醫療等發展水平的重要依據，全世界每年約有300多萬胎兒在孕期死亡，約400多萬嬰兒在出生后前4周內死亡[1-2]。僅中國每年就有數千萬的孕婦和約2000萬的新生兒出生，僅2002年一年，北京的嬰兒死亡率就有約0.59%[3]，2007年浙江省圍產兒死亡率約為1.174%[4]。而在貧困地區，新生兒平均死亡率就更高，約為3.976%[5]。由此可見，為了提高新生兒的質量和生存率，早發現和早預防就顯得十分重要。產前檢查的主要內容是胎兒健康監護，胎兒健康監護能提前檢測到某些胎兒的心臟疾病、胎兒被臍帶纏繞引起的窒息和胎兒窘迫等異常情況，實現優生和胎兒健康安全預防，能大大減少胎兒和新生兒的死亡率。胎兒健康的主要監測指標是胎心率（Fetal Heart Rate，FHR），它通過數值直觀地顯示了胎兒的心臟功能，并且與子宮內的營養、供氧狀況和臍帶纏繞等危險信息息息相關，當FHR出現明顯變化時，醫生不僅會考慮胎兒可能的心臟疾病和危險，還會考慮孕期婦女本身的健康狀況、營養情況等，并給出診斷建議，實現孕期婦女安全懷孕、順利生產等[6]。所以，在婦女孕期實施胎心監測，對提高圍產期胎兒質量和降低新生兒的死亡率具有十分重要的現實意義。

1 傳統胎心監測法及其缺陷

最早的胎心監測是有創的，需要把探針插入母體并接觸到胎兒，這增加了對胎兒產生副損傷和交叉感染的幾率。因此，與其它醫療檢測技術的發展方向一樣，胎心監測需要發展無創方法。從上世紀60年代開始，電子胎心監護儀被提出以來，胎心監測技術已經發展了50多年[7]。目前胎心監測主要的無創方法有胎心音、B超、胎心磁圖（Fetal Magneto-Cardiography，FMCG）和胎兒血氧（Fetal Pulse Oximetry，FPOM）等。

胎心音監測起源較早，但是胎心音是一種低頻微弱的生理信號，受環境干擾大，如果直接在母體腹壁采用聽診器采集，得到的信號中必然含有大量的噪聲，如呼吸噪聲，所以出現了基于超聲波的胎心音監測儀。目前市場上常見的家用胎心監測設備，一般都是基于超聲波實現的胎心音監測設備，這種胎心音監測儀，是當胎兒心臟跳動時反射回來的超聲波信號頻率等參數發生改變時，根據多普勒效應計算出FHR[8]，并模擬出胎心跳動的聲音。當采用超聲波多普勒儀監測胎心時，超聲探頭必須對準胎兒心臟瓣膜，所以對胎心實施監測之前，需要先在母體腹部抹上耦合劑，并不斷移動探頭，直到找到最佳監測部位為止。

另外一種基于超聲波實現的胎心監測儀就是B超，B超能夠通過圖像觀察胎兒的心臟跳動信息。圖像能夠直觀地觀測胎兒心臟，但是難以實現在線實時監測FHR的目標。B超主要是在醫院由專業的醫師實施的，其缺點是設備昂貴笨重，對監測胎心較不方便。有研究表明，當采用超聲波監測胎心時超聲波刺激了胎兒，一是影響了檢測的準確性，二是可能對胎兒造成一定的損傷[9]。所以，現在很多孕婦在采用超聲波監測時，都特別慎重。

FMCG是在母體的腹部區域建立一個磁場檢測胎兒心臟的電活動[10]。FMCG具有較好的信噪比和診斷能力，但是其檢測所用的磁場非常微弱，容易受到地磁干擾，而且該技術較為復雜，對設備精度要求較高，實現起來較為不易。所以該方法目前還處于研發階段[11]。

FPOM監測儀是根據不同血紅蛋白對不同波長光吸收度不同的原理，通過光傳感器檢測胎兒的血氧飽和度，并由此計算出FHR（動脈和靜脈每循環一次，血液顏色變化一次）。該方法主要應用于分娩期胎兒的健康監護，具有成本低、診斷能力強等優點。但該方法易受環境和胎動干擾，且信號微弱，不易實現早期胎心監測[12]。

胎兒的早期信號十分微弱，因此胎兒的早期健康監護十分困難，而且由于傳感器難以固定和對母體體位的要求，導致一般的監測方法，比如胎心音監測法都難以實現長期在線實時監測，并且宮縮會影響到胎心音監測FHR的精度。鑒于未來穿戴式監測設備的發展和要求，國內外許多專家開始推薦胎心電監測法[13]。

2 胎心電監測研究現狀

胎心電監測不需要向母體和胎兒發射任何信號，屬于被動監測，因此胎心電監測是一種真正無創的非侵入式的胎兒健康監護手段[14]。胎心電圖是反映胎兒心臟電生理活動的一項客觀指標，很早就為人們所重視，它能夠反映胎兒在母體中的生長和健康狀況。胎心電圖不僅能顯示出極其重要的FHR，還能顯示出更多的信息，比如：S-T段、P波、T波和QRS時限等的變化都反應出了胎兒健康狀態的變化情況等[15-18]。所以，可以通過胎心電圖的變化情況觀察出更多的胎兒病理信息。相對于目前市場上常見的多普勒胎心監測儀來說，胎心電更容易實現長時間的實時在線監測，具有更廣泛的應用前景[19]。如果將監測設備通過4G網絡接入到互聯網，使之成為醫療物聯網的一部分，將來還可以實現遠程診斷和遠程醫療，即遠程醫生可以在線為孕婦提供診斷信息和咨詢建議等等[20]。一些便攜式監測設備被開發出來，這些便攜式胎心電監測設備有采用FPGA實現的[21]，也有采用DSP實現的[22]和采用SOPC實現的[23]等。

2.1 胎心電監測的難點

胎心電信號是疊加在母體心電信號之上的一個噪聲信號，因此信號強度較弱，而且由于其他信號的干擾，導致胎心電信號的采集和提取都非常困難。所以，胎心電監測的難點主要有兩點：一是對設備和傳感器的精度要求較高，即傳感器需要極高的精度和信噪比，能采集到極微弱的信號，且設備的電源質量等需要盡可能降低噪聲和干擾；二是信號提取算法的研究，一般信號提取都是提取有用信號或信號中的主成分（信號強度較高的分量），而胎心電監測需要提取的信號是各信號成分中一種有規律的噪聲信號，相對于信號的主要成分來說，有效信號只是一種較弱的噪聲。研究出一種有效的信號提取算法是一件比較困難且非常有價值的事情。

2.2 傳感器和導聯方式

由于胎兒的心電信號是疊加在母體心電信號之上的一個微弱信號，因此對傳感器的精度要求較高。胎心電監測所采用的傳感器都是常用的生物電采集傳感器，關于胎心電監測的研究都集中于對提取算法的研究上，對傳感器和傳感器導聯方式的研究幾乎沒有太多新的進展。但功能強大的生物電信號放大器為胎心電監測提供了可能性[24]。有些研究者則提出了一種用于分娩期胎兒心電圖監測的電極[25]。

目前胎心電監測技術主要是從母體腹部提取信號，這樣離胎兒心臟的位置比較近，更容易采集到胎心電信號。胎心電監測的實質是從母體的體表子宮電信號（Electrohysterography，EHG）中提取出胎兒心電信號，所以胎心電監測的導聯方式不同于一般的心電監測。胎心電監測傳感器的導聯方式主要有以下兩種：一種是簡單導聯連接方式，即只在母體腹壁采集一路EHG信號，該EHG信號中混合了母體心電信號（Maternal Electrocardiogram，MECG）和胎兒心電信號（Fetal Electrocardiogram，FECG）及其他肌電、噪聲信號，為了提取出FECG，該方法往往會在母體其它部位采集一路信號作為MECG的參考，從而在EHG混合信號中消去MECG，比如，黃智勇等[26]的研究就是在母體胸部采集了一路胸導心電信號。但也有可能直接從腹壁混合信號中估計出母體心電信號作為參考值，這種方法的缺點是需要大量樣本作為訓練，而且其精度還不明確，需要進一步研究[27]。這種導聯方式的傳感器數量較少、連接方式簡單，提取算法也較為簡單[28]；另一種就是多導連接方式，多導連接需要在母體腹部采集多路信號，所以其連接方式較為復雜，在這種導聯方式下，也有可能在母體胸部加上胸導電極構成雙極性電極導聯系統，或者傳感器在母體腹壁按照一定的布置方式連接構成單極性腹壁導聯或Meijer-Bergveld導聯系統[29]。單極性腹壁導聯或Meijer-Bergveld導聯方式這兩種方法的傳感器只布置在母體腹壁，多導連接方式的提取精度很大程度上受到傳感器布置方式的影響，占海龍[30]對比了這兩種導聯環境下的胎心電提取算法。

2.3 胎心電信號提取算法研究

兩種不同的導聯環境需要各自不同的胎心電提取算法，簡單導聯一般采用支持向量機等方法估計出EHG信號中的母體心電信號，然后從EHG混合信號中減去母體心電信號。可以從胸部導聯采集的母體心電信號中估計出腹部位置的母體心電信號（不同導聯方式采集到的心電信號不一致），也可以從兩路以上的EHG信號中估計出母體心電信號。而多導連接方式則一般采用盲信號分離的方法提取胎心電信號。

2.3.1 小波變換在胎心電提取中的應用

由于胎心電信號和母體心電、噪聲信號具有不同的時間尺度，因此可以采用小波多尺度分析來估計出母體參考心電信號和胎心電信號[31]。這種方法往往采用僅在母體腹壁采集信號的導聯方式（單極性腹壁導聯）。由于母體心電信號較強，所以一般先提取出母體心電信號，然后在混合信號中減去母體心電信號，最后進行濾波處理，過濾掉噪聲信號，進而得到所需要的胎心電信號[32]。

2.3.2 ICA和PCA法提取胎心電

獨立成分分析（Independent Component Analysis，ICA）是用來提取統計獨立的各成分分量的一種方法，主成分分析法（Principal Component Analysis，PCA）同樣也是一種統計分析法，通過正交變換將一組可能存在相關性的變量轉換為一組線性不相關的變量，并且提取出其中分量最大的成分，稱之為主成分。PCA是基于信號二階統計特性的分析法，而ICA是基于信號高階統計特性的分析法。由于母體心電和胎心電信號都是未知信號源，所以胎心電信號提取屬于一個典型的盲源分離問題。而ICA和PCA都是很重要的盲源分離法，所以可以采用ICA或PCA來進行胎心電信號提取[33-35]，李文娟等[36]結合運用了這兩種方法。由于采用ICA和PCA需要多路信號，所以ICA和PCA提取胎心電信號需要在母體腹壁采集多路混合信號（也有可能需要采集胸導母體心電信號作為參考信號）。ICA和PCA方法雖然能夠很好地提取出母體心電信號，但是還需要結合其它算法來剔除噪聲信號，所以對算法的設計和優化顯得比較重要，具有進一步研究的價值和意義。

2.3.3 神經網絡在胎心電提取中的應用

各種導聯方式采集到的心電信號并不是一致的，它們之間存在一個非線性變化關系，而各部位采集到的體表心電信號，都可認為是實際心電信號經過一個非線性信道傳導到體表的，其幅值和相位等參數都發生了非線性變換[7]。母體胸導心電信號可認為胎心電干擾為零，所以可以采集一路胸導心電信號作為母體心電參考信號。而腹壁混合信號中的母體心電信號，可視為母體胸導心電信號的一個非線性變換。神經網絡用于信號的非線性變化已經由來已久了，所以可以采用神經網絡的方法對胸導心電信號進行一個非線性變換，用作腹壁母體心電信號的一個參考估計。然后在腹壁混合信號中減去該母體參考心電信號，最后對殘余信號進行濾波處理去除噪聲，從而得到胎心電信號。這種方法，重慶大學的曾孝平教授進行了大量研究[37-38]。基于神經網絡的方法提取胎心電信號，最重要的問題是要提前對神經網絡模型進行訓練，所以需要大量的測試數據集。而且這種方法需要采集一路母體胸導心電信號和一路腹壁混合信號。

2.3.4 其它提取算法

關于胎心電信號提取的研究已經由來已久，也提出不少算法。除了上面的幾種研究較多的算法之外，其它的還有聚類分析[39]、均方誤差預測[40]、自適應梯度算法[41]、EMD法[42]、支持向量機方法[43]和自適應濾波算法[44]等。Morales等[45]不僅采用了自適應濾波算法，并且把該算法采用現場可編程模擬陣列設計成了實際儀器，該儀器對算法直接采用硬件電路實現，從而提高了算法的執行效率。

這些算法的出發點都是基于混合信號中各成分是統計獨立的，并且一般都是采用信號的二階統計特性進行分析。其中EMD法也是類似于小波分析的一種時間多尺度信號分析法。

3 總結

目前胎心監測大多采用胎心音的方法，但胎心音監測的缺陷也是明顯的[46]。而胎心電信號除了能顯示出胎兒心率的重要因素之外，還能監測更多的胎兒病理信息，如R波、QRS波群等。每一種胎心電信號提取算法都是和具體的導聯方式緊密相關的，采用哪種算法要根據具體的導聯方式來進行研究。雖然胎心電監測的研究已經發展了很多年，也提出了不少算法，但還沒有一種胎心電監測儀器能夠進入成熟的臨床應用，而且目前的胎心電監測儀都比較笨重，無法實現便攜式胎心電監測。另外一個問題就是目前的胎心電監測法都沒有考慮多胞胎的問題，這是一個非常值得研究的問題。因此，在胎心電監測領域還有必要作進一步更深入、更廣泛的研究，以期在不久的將來能夠將其實用化和便攜化，最終實現遠程的、精確的、實時在線的胎心電監測目標，并能夠識別出多胞胎等。

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本文編輯 王婷

Reviews of Current Research Situation of the Fetal ECG Monitoring in Domestic and Overseas

WU J u n1,2, L I J i n-s o n g2, L E I J i a n-b o1,3, P A N Z h i-f a n g4

1.College of Medical Informatics and Engineering, Southwest Medical University, Luzhou Sichuan 646000, China; 2.College of Biomedical Engineering and Instrument Science, Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310058, China; 3.Medical Informatics Center, Peking University, Beijing 100871, China; 4.Information Technology Center, Wenzhou Medical University, Wenzhou Zhejiang 352035, China

Fetal heart rate monitoring is very important for improving the quality of perinatal fetus. At present, the common fetal heart rate monitoring is always based on the fetal heart sound, which is dif fi cult for long time fetal heart monitoring, and fetal ECG contains more information about fetal health. Therefore, it is of great value for research on fetal ECG monitoring. Although there is a long time in the research on the fetal ECG monitoring. But, it has not yet reached the goal of mature application. In this article, the current research situation of fetal ECG in domestic and overseas was summarized, and the dif fi culties of the fetal heart monitoring were analyzed at the same time. Then several methods of fetal heart monitoring and their development were introduced brie fl y. Next, the advantages and disadvantages of various kinds of algorithms were analyzed.

fetal electrocardiogram; fetal heart sound; fetal heart rate; fetal health monitoring; cardiac monitoring

TP302.7

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.07.029

1674-1633(2017)07-0106-04

2017-02-16

作者郵箱：wj2135187@126.com