一种基于核独立分量分析的胎儿心电检测方法

1.本发明属于母婴医疗健康领域，具体为一种基于核独立分量分析的胎儿心电检测方法。


背景技术：

2.随着现代电子信息科技的日新月异，使得胎儿电子监护迅速普及，成为产科检查中的必备手段。胎心功能的变化是中枢神经系统调节机能的表现，胎儿中枢神经系统是对子宫内环境恶化最缺少储备能力的脏器，即最缺乏对低氧的耐受力，而且它一次受损会留下终生后遗症。胎心电可及时反映胎儿宫内窘迫，随着孕周增加，其表现越明显，例如胎心电st段的异常改变是判断胎儿缺氧和预后准确可靠的客观指标，持续胎心电监测可协助医师更准确地判断胎儿宫内状态，从胎心电中还可获得真实的瞬时心率，得出胎心率变异的量化参数。
3.虽然经腹胎心电蕴含信息丰富，实现安全方便，但在临床上并没有普遍开展。胎心电信号要通过羊水、子宫肌层，腹肌及脂肪等组织，传输至体表已非常微弱，且受到母体心电的严重干扰，胎心电幅值仅为10-50μv左右，而母体心电可达800μv；时域波形中胎心电约有 10％-30％与母体心电混叠，频域上两者也大部分重叠；加上诸如母体呼吸、子宫收缩、工频50hz、非高斯噪声等干扰使得整个腹壁心电信号具有强烈的非平稳性；在心电信号传输过程中还存在非线性畸变的问题。面对以上诸多问题，用常规的信号滤波方法无法提取出清晰稳定的胎儿心电信号。


技术实现要素：

4.本发明针对上述存在的技术问题，设计一种基于核独立分量分析的胎儿心电检测方法。
5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种基于核独立分量分析的胎儿心电检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.步骤1：导入多通道心电信号xi(n),i＝1,2,
…
,m,n＝1,2,
…
,n，其中i为通道号，n为样本号，即共有m个通道，每个通道有n个样本；
7.步骤2：对多通道心电信号xi(n)进行球化处理，得到信号zi(n)，使得信号zi(n)的协方差矩阵成为单位矩阵；
8.步骤3：由信号zi(n)计算中心gram矩阵gi,i＝1,2,
…
,m,每个通道的信号计算出其相应的gram矩阵；
9.步骤4：由中心gram矩阵gi计算代价函数c(w)，其中w是解混系数；
10.步骤5：最小化代价函数c(w)，求得w的最优值；
11.步骤6：通过解混系数w提取出胎儿心电信号yi(n)＝w
·
zi(n)。
12.优选的，所述步骤2中，对多通道心电信号xi(n)进行球化处理，得到信号zi(n)，zi(n)＝q
·
xi(n)，选用的球化矩阵为q＝2λ-1/2
·
3u，其中λ和u分别为多通道心电信号xi(n)
协方差矩阵的特征值矩阵和特征向量矩阵
13.球化处理去除个观测信号之间的相关性。
14.优选的，所述步骤3中，由信号zi(n)计算中心gram矩阵gi,i＝1, 2,
…
,m,假设解混系数为w，则yi(n)＝w
·
zi(n)为解混后的估计信号，由y(n)可推导出中心gram矩阵gi：
[0015][0016]
优选的，所述步骤4中，代价函数c(w)选取为广义特征向量方程bα＝λdα的最小特征值，通过特征值分解可获得最小特征值，它是一个关于解混系数w的函数，即为c(w)，其中w是解混系数，b为 mn
×
mn维的矩阵，d为对角矩阵，即：
[0017][0018][0019]
本发明具有以下有益效果：1、本发明与现有盲源分离方法相比，核独立分量分析方法采用核独立准则，利用变量映射到高维再生核 hilbert空间之间协方差算子的谱。它可以适应不同的源分布，从而使算法对不同的应用场合更具鲁棒性。
[0020]
2、本发明中核独立分量分析方法不是基于单个非线性函数，而是基于候选非线性函数空间。将再生核hilbert函数空间的再生特性引入到代价函数的构造过程，通过在整个再生核hilbert函数空间的有效搜索，得到独立代价函数的近似值，提高胎儿心电检测的成功率。
附图说明
[0021]
图1为无创胎儿心电检测原理。
[0022]
图2为基于核独立分量分析的胎儿心电信号检测方法流程图。
[0023]
图3为信号球化处理示意图。
具体实施方式
[0024]
下面将结合具体实施例进一步阐明本发明。
[0025]
一种基于核独立分量分析的胎儿心电检测方法，包括以下步骤：
[0026]
步骤1：导入多通道心电信号xi(n),i＝1,2,
…
,m,n＝1,2,
…
,n，其中i为通道号，n为样本号，即共有m个通道，每个通道有n个样本；
[0027]
步骤2：对多通道心电信号xi(n)进行球化处理，得到信号zi(n)，使得信号zi(n)的协方差矩阵成为单位矩阵；
[0028]
步骤3：由信号zi(n)计算中心gram矩阵gi,i＝1,2,
…
,m,每个通道的信号计算出其相应的gram矩阵；
[0029]
步骤4：由中心gram矩阵gi计算代价函数c(w)，其中w是解混系数；
[0030]
步骤5：最小化代价函数c(w)，求得w的最优值；
[0031]
步骤6：通过解混系数w提取出胎儿心电信号yi(n)＝w
·
zi(n)。
[0032]
进一步，所述步骤2中，对多通道心电信号xi(n)进行球化处理，得到信号zi(n)，zi(n)＝q
·
xi(n)，选用的球化矩阵为q＝2λ-1/2
·
3u，其中λ和u分别为多通道心电信号xi(n)协方差矩阵的特征值矩阵和特征向量矩阵。
[0033]
进一步，所述步骤3中，由信号zi(n)计算中心gram矩阵gi,i＝1, 2,
…
,m,假设解混系数为w，则yi(n)＝w
·
zi(n)为解混后的估计信号，由y(n)可推导出中心gram矩阵gi：
[0034][0035][0036]
进一步，所述步骤4中，代价函数c(w)选取为广义特征向量方程bα＝λdα的最小特征值，通过特征值分解可获得最小特征值，它是一个关于解混系数w的函数，即为c(w)，其中w是解混系数，b为 mn
×
mn维的矩阵，d为对角矩阵，即：
[0037][0038][0039]
1.无创胎儿心电检测原理
[0040]
胎儿心电检测是将电极置于孕妇腹壁，获得胎儿心电信息的方法。经腹胎心电方法属于被动探测，实现真正意义上的无创，安全方便，可持续监测，如图1所示，腹壁多通道心电信号可应用常规电极法描记，受检者排空膀胱，平卧床上。电极连接处皮肤用75％酒精(或生理盐水)涂擦微红，将电极内放置盐水棉球，正极置于子宫底部，负极置于耻骨联合上方，无关电极置于右或左大腿内侧面，并分别用胶布将其固定描图。可记录到3种主要波形：母体qrs波(振幅大，频率慢)；胎儿波(振幅小，频率快)及混合波(二者重合波)。采集得到的多通道心电信号记为xi(n),i＝1,2,
…
,m,n＝1,2,
…
,n，其中 i为通道号，n为样本号，即共有m个通道，每个通道有n个样本。
[0041]
虽然经腹胎心电蕴含信息丰富，实现安全方便，但胎儿心电信号传输至体表已非常微弱，且受到母体心电的严重干扰，不易获取，需要采用较为复杂的信号分析处理方法从腹壁信号中提取出微弱的胎儿心电信号，从而获得关于胎心的基本指标数据，对胎儿的健康状态进行评估。本发明设计了一种基于核独立分量分析方法来检测胎儿心电信号，流程图见图2。
[0042]
2.多通道心电信号球化处理
[0043]
对多通道心电信号xi(n)进行球化处理，球化的目的是将多通道心电信号xi(n)由另一组线性无关的多维信号zi(n)线性表出，zi(n)的各个通道之间无耦合，因为球化处理可去除各观测信号之间的相关性，从而简化了后续独立分量的提取过程。球化的条件比不相关要稍微强一点点。一个均值为0的球化随机向量意味着它的分量是不相关的，并且它们的方差为1。不相关的条件要比独立弱，而且就它本身来估计独立分量分析问题是不够的。从
另外一方面来说，球化作为独立分量分析的一个处理过程还是非常有用的。图3为信号球化处理示意图，可见示意图中的2维信号经过球化处理后已经失去了相关性。多通道心电信号球化处理选用的球化矩阵为q＝2λ-1/2
·
3u，其中λ和u分别为xi(n)协方差矩阵的特征值矩阵和特征向量矩阵，经过球化后得到球化信号zi(n)，即：zi(n)＝q
·
xi(n)。球化处理的好处为：1，减少多通道心电信号之间的相关性；2，多通道心电信号具有相同的方差 (协方差阵为1)。
[0044]
3.多通道球化信号的中心gram矩阵推导
[0045]
由球化信号zi(n)计算中心gram矩阵gi,i＝1,2,
…
,m。gram矩阵为欧式空间中任意n个向量之间两两的内积所组成的矩阵，该矩阵可以反映出各心电信号之间的相互关系。假设解混系数为w，则yi(n)＝w
·
zi(n)为解混后的估计信号，由y(n)可推导出中心gram 矩阵gi：
[0046][0047]
4.代价函数的构造
[0048]
为了求解出解混系数w，按照独立分量分析方法准则，使得解混后信号yi(n)＝w
·
zi(n)之间具有相互独立性。本发明将代价函数 c(w)选取为广义特征向量方程bα＝λdα的最小特征值，其中w是解混系数，b为mn
×
mn维的矩阵，d为对角矩阵，即：
[0049][0050][0051]
通过特征值分解可获得最小特征值，它是一个关于解混系数w 的函数，即为c(w)。
[0052]
5.代价函数c(w)最小化
[0053]
为了求解出解混系数w，需将代价函数c(w)最小化，当取得最小值时，其对应的w即为代求的解混系数w。
[0054]
6.胎心电提取
[0055]
通过解混系数w提取出胎儿心电信号yi(n)＝w
·
zi(n)。