胎兒心電信號檢測及監護系統的研究進展

歐輝彬

海口市人民醫院 醫學工程處，海南海口 570208

胎兒心電信號檢測及監護系統的研究進展

歐輝彬

海口市人民醫院 醫學工程處，海南海口 570208

胎兒心電信號記錄的是孕婦子宮內胎兒心臟動作電位及其傳導過程中的圖形變化，通過對波形變化的分析，能及早發現妊娠期或分娩期的胎兒病理情況，從而預防新生兒疾病并降低胎兒死亡率。本文主要闡述胎兒心電信號檢測技術研究進展與新技術的運用，重點介紹其系統工作原理和自適應濾波器算法提取胎兒心電信號的特點，對從孕婦腹壁電信號中分離提取清晰的胎兒心電圖的研究進行了分析。

胎兒心電；自適應濾波；監護系統；微處理器；提取算法

引言

隨著社會對母嬰健康關注度的提高，與胎兒發育相關的生理和病理研究日益受到醫學界的廣泛重視。胎兒心信號（Fetal Electrocardiogram，FECG）記錄的是孕婦子宮內胎兒心臟動作電位及其傳導過程中的圖形變化，通過對波形變化的分析，能及早發現妊娠期或分娩期的胎兒病理情況，從而預防新生兒疾病并降低胎兒死亡率[1]。其最大優勢在于能隨時反映胎兒心臟活動的生理特征，一旦發生異常，其心電圖形的變化比其他生理指標變化的更快、更容易被發現，因此可通過FECG的監測早期發現胎兒缺氧、先天性心臟病、宮內缺氧等多種疾病[2]。這種監測方法比臨床廣泛使用的四維彩超更敏感，彩超只是對胎兒心臟形態進行檢查，由于其結構分辨率有一定的限制，當結構出現較大變化時才有可能在彩超檢查時被發現[3]。本文主要針對胎兒心電的提取方法及監護系統進行深入探討，同時指出該系統未來發展的方向。

1 胎兒心電監護技術的發展歷程

1650年，法國人Marsar首先提出胎心音概念；1819年，法國人Laennec發明了木制鐘式聽診器；1957年，Edward Hon開始胎兒心電圖的研究；1965年，研制出應用于臨床的胎兒電子監護儀，進入70年代后因集成電路出現使微弱信號的提取、自動分析系統等更加完善，加上產科臨床學科發展及交流，使得胎兒心電監護迅速普及[4]。80年代后隨著計算機技術的發展，電腦被引入胎心監護，可將長時間連續監護的資料永久保存，過去難以處理的胎心率信號變的簡單易行；90年代后隨著多媒體電腦及Windows操作系統等信息技術的發展，遠程胎兒監護技術飛速發展，可利用電話網絡實時傳輸胎心監護信息到醫院中央監護站進行胎心監護圖形的分析及報告[5]。

2 胎兒心電檢測系統

2.1 FECG的拾取

目前拾取FECG的主要方法有頭皮電極法和腹部電極法兩種，腹部電極法由于具有無創性，是目前FECG提取的未來發展方向。腹部電極法是通過在孕婦腹部上放置電極得到FECG，其具有以下優點：無創檢測、操作簡單方便、可實時檢測多次、對胎兒和孕婦無損害、孕婦易接受。但該方法的缺點是：只能間接取得FECG，所反映胎兒心臟活動的電信號需經孕婦器官組織傳至體表由電極取得，其信號電壓較弱、波形干擾大。隨著濾波技術發展，胎兒心電波形干擾問題已逐漸得到解決[6]。頭皮電極法雖然能獲得清晰的胎兒心電圖，但破膜后才能使用，應用時間受限，不能連續監測、容易引起感染，而且不能在孕期監護，因此現在臨床上已不多見。

2.2 基于自適應濾波的FECG提取

在實際中檢測到的FECG是比較微弱的，通過腹部提取時其信噪比極低、隨機變化大，而且在時域和頻域均與母體心電有重疊，被母體干擾信號所覆蓋，由此可見要獲取清晰的FECG是很困難的，準確提取FECG是胎兒心電監護需要解決的關鍵問題[7]。目前對胎兒心電的監護系統的研究仍十分缺乏，臨床上使用的無創胎兒心電圖機，嚴格地說只能算是母胎混合的心電信號，R-R間期難以區分，不能算是真正意義上的FECG，如何在完整取得FECG有效成分的前提下很好的濾除母體心電信號，以無創檢測方式獲取純凈的FECG，正成為國內外研究的熱點。目前解決此問題常用的方法有匹配濾波法、自適應濾波法、獨立分量分析法、盲源分離法、奇異值分解法、小波變換模極大值算法等[8]。由于自適應濾波法技術比較成熟、濾波效果好、提取的FECG質量高運用較多，文中將重點介紹。

國內外最先研究的是匹配濾波法，但由于匹配濾波要求很高的精度、成本高，其后才出現了自適應濾波法，相比匹配濾波法它能更好地消除肌電干擾。自適應濾波器是相對固定濾波器而言的，固定濾波器的濾波頻率是固定的，自適應濾波器的濾波頻率則是自動隨著輸入信號變化而變化，所以適應范圍更廣，具有計算量小、收斂速度快等特點[9-11]。

2.3 胎兒心電監護系統

胎兒心電監護系統通過孕婦腹部和胸部同時獲得母體和胎兒的心電信號，經濾波、除噪、放大及軟件的處理獲得清晰FECG[12]；微處理器對FECG采集、存儲、傳輸并進行運算處理，最后由PC機對數據進行分析，實現對FECG的檢測與顯示[13]。微處理器對胎兒心電信號采集、存儲、傳輸處理并通過串口傳送到PC機并對采樣數據進行分析[14]；由計算機對FECG的分離提取算法的處理獲取清晰完整的胎兒心電信號，實現對FECG的的檢測。由于心電信號是一種低頻、微弱的電信號，心電幅度一般在5 μV～5 mV之間，頻帶主要集中在0.05～100 Hz，FECG更加微弱，一般只有2～30 μV，從母體腹部取得的心電信號復雜、信噪比低，母體的心電信號比FECG大10～20倍[15]。此外母體肌電干擾噪聲、母體呼吸、運動引入的噪聲也使得FECG容易被母體心電信號和噪聲所淹沒，FECG與母體心電信號的頻譜在頻域中大部分重疊，不易區分[16]；由于受各種生物的、非生物的噪聲和干擾的影響，加上FECG本身又非常微弱，能否成功的提取成為信號處理的一個難題，可見由于在FECG的采集和處理方面所面臨困難，對信號處理與檢測提出了較高的要求，為了得到清晰的FECG，幾十年來，國內外專家進行了許多探索。

目前國內外基本采用自適應濾波法提取FECG，主要是考慮母體心電作為準周期平穩過程中僅QRS波變化較快的特點，側重于采用最小均方算法和最小二乘算法相結合的分段濾波的自適應濾波器消除母體心電對胎兒心電的干擾[17]。該方法的創新點在于最小均方算法的改進以及兩種算法的聯合使用，能夠消除母體心電對胎兒心電的干擾。國內一些學者將自適應譜線増加與自適應噪聲對消技術相結合，同時提出了多路自適應濾波法[18]。近年來，越來越多的研究趨向于構建動態模型，利用合成心電信號來研究這些未解決的問題，以評估各種提取算法。

2.4 FECG提取中主要干擾噪聲

從母親腹部釆集到的FECG非常微弱，母體自身的心電信號比胎兒強2～10倍，并同時受到50 Hz工頻、肌電等各種干擾和噪聲和影響，會將FECG覆蓋掉[19]。由于FECG的低頻、微弱的特性決定了它極易受到人體其他信號的干擾，而它的不穩定性和隨機性也為它的檢測提取帶來不少困難[20]。檢測采集FECG過程中主要的干擾噪聲有母體心電信號、50 Hz工頻干擾、肌電干擾、極化干擾、基線漂移等[21]。在眾多噪聲中，母體心電信號對FECG的干擾最為嚴重，因為胎兒與母親的心電頻譜在相當范圍內重合。在濾除母體心電信號時，常常把FECG的有用成分也附帶濾除，出現FECG的R波削峰或ST段信息丟失的現象，如何在有效成分不損失的前提下更好地濾除母體心電信號成為國內外研究熱點[22]。

目前主要有兩個研究方向：① 把母體信號看作噪聲，采取一些濾波方法，包括匹配濾波、自適濾波和修正自適應濾波等進行濾除；② 把母體信號和胎兒信號看作兩個獨立信號，釆取盲源分離、獨立分量分析和奇異值分解等方法將其分離[23]。此外，由于FECG檢測系統的供電電源的工作頻率為50 Hz，當檢測系統對FECG進行檢測時，供電網絡將以電磁波輻射的形式對信號檢測系統形成干擾，而該干擾信號又包含在FECG的通頻帶中，對FECG的采集干擾大。工頻噪聲是通過導線的電容性耦合產生的移位電流引入檢測系統，并形成強度達到幾百mV的干擾噪聲，因此足以淹沒待檢測的胎兒心電信號[24]。50 Hz的工頻干擾、肌電干擾、基線漂移等干擾源的解決目前比較成熟，解決方法一般為在放大電路采用50 Hz陷波器、有源濾波器等，在電源采用各種低頻濾波電路干擾源加于解決。

3 不足與展望

目前，胎兒心電監護及解讀仍存在許多爭議和不足，各種圖形命名、解釋方法依然存在爭論，這提高了新生兒不良結局預測的不確定性，使得假陽性率增高，增加了不必要的臨床干預，導致陰道助產及剖宮產率增高。機器噪音或錯誤訊號容易被計算進去，會致使無法評估基準線變異；母親的過度肥胖也會導致傳遞信號困難；在監護過程中耦合劑干燥時，會使信號丟失。隨著采集設備的發展，近來FECG提取算法的研究熱度有增無減，未來的研究會側重于參數確定方法及FECG提取效果評價標準與方法[25]。因此，進一步明確相關概念的定義，加強胎兒心電監護的分級解讀指導，并在綜合評估的基礎上，利用循征研究的方法總結不同級別胎心監護圖形的后續處理原則，是當前臨床產科中值得大力研究開展的一項工作。

[1] 化希耀,蘇博妮.胎兒心電提取方法研究綜述[J].微型機與應用,2015,34(3):21-26.

[2] 張宏彥.產時胎心電子監護的臨床應用(附207例病例分析)[J].吉林醫學,2003,24(2):153.

[3] 褚紅女.胎兒心電圖的檢查方法及臨床意義[J].中國實用婦科與產科雜志,2004,20(1):23-24.

[4] 程志厚,宋數良.胎兒電子監護學[M].北京:人民衛生出版社, 2001.

[5] 孫金妺.胎兒心電信號的提取及遠程監護系統的應用與發展[J].電子制作,2013,(11):219.

[6] 王倩,闊永紅.胎兒心電檢測方法研究[J].電子元器件應用,2009, 1(10):83-85.

[7] 高莉,黃力宇.基于自適應梯度盲源分離算法的胎兒心電的提取[J].儀器儀表學報,2008,29(8):1756-1760.

[8] Daniel G,Zhong Y,MS and Menachem.Extraction of Fetal ECG from Matemal ECG Early in Pregnancy[J].Int J Bus Emerg Market,2005,7(1):166-168.

[9] 孟海濤,張智林.一種新的胎兒心電圖提取算法[J].電子科技大學學報,2007,36(3):640-642.

[10] Prasanth K,Paul B,Balakrishnan AA.Fetal ECG Extraction Using Adaptive Filters[J].Int J Adv Res Electr Electron Instrum Eng,2013,2(4):1483-1487.

[11] 徐欣,馬千里,朱旭,等.胎兒心電提取自適應濾波器仿真對比研究[J].南京理工大學學報,2011,35(6):847-852.

[12] 李帥三,李佳,劉剛.基于ZigBee的胎兒心電社區遠程監護系統的研究[J].中國醫療設備,2011,26(6):111-112.

[13] 姜佩杰,吳永才,賈文娟,等.胎兒心電信號的提取及遠程監護系統的研究[J].中國醫療設備,2010,25(3):67-69.

[14] 曹天漢.單片機原理與接口技術[M].北京:電子工業出版社, 2009.

[15] 王佳文,凡友華.心電信號去噪中的小波方法[J].數理醫藥學雜志,2009,22(1):85-89.

[16] 王家達,劉祖望.基于S3C2410的無線胎兒心電監護儀的設計[J].中國醫療器械雜志,2007,31(1):30-33.

[17] 李智,沈漢聰,莫瑋.基于DSP的自適應胎兒心電圖儀研究[J].生物醫學工程學雜志,2008,25(2):309-312.

[18] 陳壽齊,沈越泓,許魁.噪聲背景下的胎兒心電提取[J].數據采集與處理,2010,25(2):228-233.

[19] 單立場,冀志華.基于小波消噪和自適應濾波的FECG提取[J].重慶理工大學學報自然科學版,2007,21(6):74-78.

[20] 王倩,闊永紅.胎兒心電檢測方法研究[J].電子元器件應用,2009, 11(10):83-85.

[21] 張華,路國華,荊西京,等.非接觸生物雷達基于自適應濾波的心電信號檢測[J].醫療衛生裝備,2012,33(1):8-9.

[22] 拜軍,張鵬飛,張驍,等.基于生物雷達的臨床監測系統研究[J].醫療衛生裝備,2012,33(33):1-3.

[23] 王海濱,倪安勝.LMS算法在非接觸生命參數信號檢測中的消噪應用[J].中國醫療器械雜志,2003,27(1):21-24.

[24] 蔡坤.胎兒心電信號的盲分離研究[D].廣州:華南理工大學, 2011.

[25] Wo J,Wang H,Sun Q,et al.Noninvasive respiration movement sensor based on distributed Bragg reflector fiber laser with beat frequency interrogation[J].J Biomed Opt,2014,19(1):17003.

Research Progress of Fetal Electrocardiosignal Detection and Monitoring System

OU Hui-bin
Department of Medical Engineering, Haikou People’s Hospital, Haikou Hainan 570208, China

Fetal electrocardiosignal records the graph change of fetal cardiac action potential and the conductive process in the uterus of pregnant women. Through analysis of the graph change, the fetal pathologic condition in gestation period or delivery period can be detected as soon as possible, so as to prevent neonatal diseases and reduce fetal mortality rate. This article elaborated the research progress of fetal electrocardiosignal detection technology and its application, mainly introduced the working principle of this system and characteristics of using self-adaptive filter algorithm to acquire fetal electrocardiograph. In addition, research on how to separate and extract fetal electrocardiogram from the abdominal wall electrical signals in pregnant women was analyzed.

fetal electrocardiogram; self-adaptive filtering; monitoring system; microprocessor; extraction algorithm

R504.41

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.03.029

1674-1633(2017)03-0107-03

2016-04-24

2016-05-25

作者郵箱：ohb6269@163.com