基于不同譜分析方法的胎兒心電信號(hào)周期分析

劉麗萍 朱毓珍

摘要：胎心監(jiān)測(cè)是產(chǎn)前檢查的重要內(nèi)容之一，對(duì)于胎兒早期疾病的檢測(cè)和預(yù)防有著重要的意義。利用各類信號(hào)序列譜分析方法，基于胎心監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)判斷不同譜分析方法在周期提取中的有效性和差異性，為胎兒心電信號(hào)周期識(shí)別提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和依據(jù)。胎兒心電圖信號(hào)周期方面共檢測(cè)出73.41s、43.47s、29.72s、23.25s、23.11s、17.35s、16.67s、16.32s、13.05s、9.68s、7.51s、5.33s、4.97s、4.59s、3.47s、2.97s等16個(gè)周期信號(hào)。不同譜分析方法在高低頻信號(hào)的檢測(cè)能力上有所差異。Redfit功率譜的檢出頻率主要集中在低頻區(qū)間，而MTM多窗譜的檢出頻率區(qū)間則較為分散，低頻區(qū)間和高頻區(qū)間都有分布。奇異譜分析方法在高頻區(qū)間有著較好的信號(hào)提取效果，高頻分量的周期性較好，可以體現(xiàn)胎兒心電信號(hào)的周期信息，可以作為信號(hào)周期的參考數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：胎心監(jiān)測(cè);心電信號(hào);譜分析;周期

胎心監(jiān)測(cè)是產(chǎn)前檢查的重要內(nèi)容之一，對(duì)于胎兒早期疾病的檢測(cè)和預(yù)防有著重要的意義[1]。在某些先天性心臟病、胎兒臍帶繞頸、胎兒活動(dòng)異常等方面的前期診斷方面，胎心監(jiān)測(cè)和胎兒心電信號(hào)是治療的主要依據(jù)[2]。

目前，胎心監(jiān)測(cè)的指標(biāo)主要有胎心率（Fetal Heart Rate，F(xiàn)HR）和胎兒心電信號(hào)（Fetal Electrocardiogram，F(xiàn)ECG）等。這些方法通過記錄孕婦子宮內(nèi)胎兒的心臟活動(dòng)并將其轉(zhuǎn)換為電子訊號(hào)，最終利用圖形將心臟活動(dòng)以各類波形顯示出來，并通過波形的變化指示胎兒的心臟功能和特征[3-5]。

由于胎兒心電信號(hào)與其母體的各類身體活動(dòng)信息可能存在疊加，因此如何準(zhǔn)確識(shí)別和提取出胎兒自身的心電信號(hào)對(duì)于各類心臟疾病的判別有著重要作用[6-7]。近年來，為了提高胎兒心電信號(hào)的提取效率和準(zhǔn)確度，一系列的信號(hào)序列分析方法被用于胎心監(jiān)測(cè)方面。如自適應(yīng)濾波法、小波變換、支持向量機(jī)、交叉譜等方法被用于胎兒心電信號(hào)的去噪和周期的識(shí)別[8]。

由于胎兒心臟活動(dòng)信號(hào)疊加一系列環(huán)境噪聲和母體活動(dòng)信號(hào)，不同的周期識(shí)別方法可能存在一些差異[9]。與此同時(shí)，心電信號(hào)的周期對(duì)與各類嬰兒早期疾病的診斷有著重要的意義。因此，系統(tǒng)的判斷不同分析方法對(duì)胎兒心電信號(hào)的提取和識(shí)別能力對(duì)于有效利用胎心監(jiān)測(cè)的結(jié)果、提高相關(guān)疾病的診斷效率有著一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義[10-11]。基于此，本研究提出利用各類信號(hào)序列譜分析方法，基于胎心監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)判斷不同譜分析方法在周期提取中的有效性和差異性，為胎兒心電信號(hào)周期識(shí)別提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本次實(shí)驗(yàn)所用胎兒心電信號(hào)由BT-250多普勒胎心監(jiān)護(hù)儀采集，孕婦孕齡為34周+6天，信號(hào)序列的總時(shí)長(zhǎng)為300s（圖1）。孕婦及胎兒相關(guān)身體指標(biāo)在正常范圍內(nèi)，胎心率FHR基線為145bpm，胎心率變異值為12bpm，短期變異為1.0bpm。

1.2 研究方法

1.2.1 Redfit功率譜

Redfit功率譜分析是一種利用傅里葉變換數(shù)學(xué)方法的頻率域研究技術(shù)，其基本理論認(rèn)為信號(hào)序列的總體能量可以被分解為不同頻率序列的總和，并進(jìn)一步根據(jù)其方差貢獻(xiàn)率判斷其背后的周期。

1.2.2 MTM多窗譜

MTM多窗譜是由一系列呈正交的數(shù)據(jù)窗對(duì)原始信號(hào)序列分別進(jìn)行直接譜的計(jì)算，再進(jìn)行平均，最后得到整個(gè)信號(hào)的譜估計(jì)。這一方法在復(fù)雜信號(hào)的周期判斷方面較原有的周期圖方法更加準(zhǔn)確，其估計(jì)方差也較小，因此在各類信號(hào)分析中得到了廣泛的應(yīng)用。

1.2.3 SSA奇異譜

SSA奇異譜是一種利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)方法，將原始信號(hào)序列按照給定的空間窗口重構(gòu)，并利用矩陣計(jì)算出其特征值。該方法對(duì)于具有明顯周期信號(hào)的序列有著很好的適用，其優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在無須提前人為設(shè)定濾波器，并且可以識(shí)別出隱藏的弱信號(hào)周期，因此廣泛應(yīng)用于信號(hào)檢測(cè)、心電信號(hào)分析等領(lǐng)域。

2 結(jié)果與討論

基于Matlab仿真平臺(tái)對(duì)本研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明胎兒心電信號(hào)具有明顯的周期性特征，并且不同的方法在原始信號(hào)不同尺度下的周期提取能力存在差異。Redfit功率譜分析結(jié)果顯示本次實(shí)驗(yàn)的胎心率存在有6個(gè)周期通過了95%置信檢驗(yàn)（圖2A），分別為43.47s、23.25s、16.67s、13.05s、9.68s、7.51s。MTM多窗譜的分析結(jié)果表明，胎心率存在6個(gè)周期通過95%置信檢驗(yàn)（圖2B），分別為17.35s、5.33s、4.97s、4.59s、3.47s、2.97s。從二者的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，Redfit功率譜與MTM多窗譜都可以成功的在胎心率序列中提取出能夠通過95%置信度檢驗(yàn)的周期信息，但是二者之間有一定的差異。Redfit功率譜檢測(cè)出的信號(hào)周期主要存在于低頻區(qū)域，而MTM多窗譜則在高頻區(qū)域的檢出率較高。其中16～18s這一周期在兩種方法中都有檢出，說明這一周期很可能代表了胎心活動(dòng)的重要信號(hào)。

進(jìn)一步利用SSA奇異譜對(duì)胎兒心電信號(hào)進(jìn)行分析，結(jié)果表明奇異譜分析的前四個(gè)主成分可以較好的重構(gòu)原始信號(hào)。從圖3中可以看出原始信號(hào)與重構(gòu)信號(hào)基本一致，重構(gòu)信號(hào)用較少的4個(gè)主成分模擬了原始序列所帶有的信息，可以利用奇異譜來識(shí)別周期。

3 結(jié)論

綜合以上三種不同方法的譜分析的結(jié)果，可以得出胎兒心電信號(hào)檢測(cè)的一些基本特征，并且可以進(jìn)一步探討不同譜分析方法在信號(hào)周期識(shí)別方面的差異性。胎兒心電圖信號(hào)周期方面共檢測(cè)出73.41s、43.47s、29.72s、23.25s、23.11s、17.35s、16.67s、16.32s、13.05s、9.68s、7.51s、5.33s、4.97s、4.59s、3.47s、2.97s等16個(gè)周期信號(hào)，這充分說明胎兒心電信號(hào)周期的復(fù)雜性。另一方面，不同譜分析方法在高低頻信號(hào)的檢測(cè)能力上有所差異。Redfit功率譜的檢出頻率主要集中在低頻區(qū)間，而MTM多窗譜的檢出頻率區(qū)間則較為分散，低頻區(qū)間和高頻區(qū)間都有分布。奇異譜分析方法在高頻區(qū)間有著較好的信號(hào)提取效果，高頻分量的周期性較好，可以體現(xiàn)胎兒心電信號(hào)的周期信息，可以作為信號(hào)周期的參考數(shù)據(jù)。同時(shí)這一信號(hào)周期也可以為不同臨床診斷提供方法選擇上的參考。

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