基于胎兒心電技術的胎心率參數提取及研究*

李廣飛　張 松　楊 琳*　王 妍　李淑芳　楊益民　李旭雯　郝冬梅　張 蕾　徐明洲

基于胎兒心電技術的胎心率參數提取及研究*

李廣飛①張 松①楊 琳①*王 妍②李淑芳②楊益民①李旭雯①郝冬梅①張 蕾③徐明洲④

目的：研究基于胎兒心電（FECG）提取技術的便攜式Monica AN24胎兒和母體心率記錄儀，連續(xù)監(jiān)護胎兒和母體后獲得的胎兒心率數據，提取并分析胎兒微小胎心變異占比與基線均值，進而為無應激試驗（NST）可疑型的處理提供更加充足的依據。方法：選取孕36～40周的42名單胎孕婦，其中NST正常組20名及可疑組22名，使用胎兒和母體心率記錄儀連續(xù)記錄4 h胎兒心率數據，應用MATLAB軟件提取出胎心率（FHR）參數，并對不同胎兒的FHR參數進行組間比較，研究其與孕婦孕周的關系。結果：NST反應型胎兒的微小變異占整體變異的28.3%，NST可疑型胎兒則為41.9%；NST反應型胎兒的心率基線為130.1次/min，NST可疑型胎兒為135.1次/min，且微小變異占比與心率基線2個參數在兩組之間具有統(tǒng)計學差異（t=-4.207，t=-2.185；P＜0.05）。兩組胎兒的微小變異占比隨孕婦孕周增大而有升高趨勢。結論：NST可疑型胎兒微小變異占比與基線高于NST反應型胎兒，提高試驗數據量，準確找到區(qū)分兩組胎兒的閾值可降低假陽性率，減少不必要的臨床干預。

胎兒心電技術；無應激試驗；微小變異占比；基線

［First-author's address］ College of Life Science and Bio-engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China.

現階段產前胎心監(jiān)護的手段主要有超聲多普勒監(jiān)護法、胎兒心電信號監(jiān)護法和由胎兒心臟活動引起的磁場成分變化的胎心磁圖法。其中，胎心磁圖法需要特殊的防護環(huán)境以防止其他磁場，如地球自有磁場干擾，目前仍處在科研階段［1］。多普勒電子胎心監(jiān)護（electronic fetal monitoring，EFM）在臨床廣泛應用，基于EFM的無應激試驗（non-stress test，NST）是一種普遍的評估胎兒宮內狀態(tài)的手段，其方法為：孕婦取坐位或側臥位20 min，由于胎兒存在睡眠周期，NST可能需要監(jiān)護40 min或更長時間［2］。然而，長時連續(xù)的胎心監(jiān)護能夠更好的發(fā)現胎兒在子宮內的早期缺氧情況［3］。除此之外，臨床上長時間使用超聲多普勒技術的安全性仍然存在疑問［4］。基于此，本研究在胎兒心電（fetal electrocardiogram，FECG）提取技術的基礎上，探討胎兒心率數據的提取。

1　胎兒心電信號提取技術

近年來，基于FECG信號提取技術的Monica AN24胎兒和（或）母體心率記錄儀（MonicaHealthcareLtd，Nottingham，英國）可連續(xù)24 h對母胎進行監(jiān)護［5-6］。經試驗，母親腹部胎兒心電的提取技術比超聲多普勒技術具有更高的準確率，由于該技術并不嚴格要求孕婦固定體位，其使用舒適度得到提高［7］。

胎兒心率變異是交感神經與迷走神經相互作用的結果，交感神經興奮使心率加速，迷走神經興奮使心率減慢，兩者不斷協(xié)調產生不同的瞬時胎心率，反映在監(jiān)護圖上即為胎兒心率變異［8］。胎兒心率變異減少被認為是胎兒宮內血管儲備能力下降，存在酸中毒狀態(tài)的重要指標［9］。

1.1胎心率參數

本研究中的胎心率參數分別為微小胎兒胎心變異（fetal heart rate variability，FHRV）在整體變異中所占比例（minimal variability ratio，MVR）和胎心率基線均值2個參數。

在電子胎心監(jiān)護過程中，良好的數據記錄質量（recording quality，RQ），對臨床醫(yī)生識別監(jiān)護圖以及系統(tǒng)對胎兒心率原始數據的后續(xù)處理具有十分重要的意義，定義記錄質量為公式1：

根據Dawes等［10］的研究，當胎心監(jiān)護數據記錄質量RQ≥60%時表明數據記錄成功，低于這一指標時，過多的胎兒心率信息損失易導致醫(yī)生對監(jiān)護圖的誤判。故在提取胎心率參數之前需要預處理，首先將監(jiān)護儀器導出的.csv文件中數據拆分成定長為1 min的片段，再利用MATLAB軟件選出數據記錄質量RQ≥60%的部分。

1.2微小變異

微小變異是指振幅波動≤5次/min，是可直觀定量的［1］。Pardey等［11］將1 min的心率信號分成了16段，即每段3.75 s，然后求每段信號的心率變異。本研究中也采用這種方法，在3.75 s數據內的心率值有15個（1 s內4個胎兒心率值），每段的微小FHRV為該段中胎兒心率最大值與最小值的差。胎心變異值在0≤FHRV≤5范圍內時，則屬于微小變異（minimal variability，MV）。微小胎心變異在整體變異中所占比例MVR定義為公式2：

式中num（MV）為微小變異個數，num（FHRV）為所有胎心變異個數。

1.3胎心率基線

胎心率基線是在10 min內胎心波動范圍在5次/ min的平均胎心率，并除外加速、減速和顯著變異的部分。正常胎心基線范圍是110～160次/min［1］。通過將原始心率信號折疊成第1 min到第10 min、第2 min到第11 min、第3 min到第12 min等多個10 min長度的心率信號片段，并計算出每個10 min長度信號的對應基線值，則第1 min、第2 min及第3 min等每分鐘都會計算出一個基線值。基線均值為選取監(jiān)護時間內信號質量最好的時間段的基線平均值，選取時間為當日2∶00。

2　胎兒心電信號提取研究方法

2.1樣本選擇

隨機選取2014年7月至2015年7月在北京大學第三醫(yī)院入院的42名孕婦，孕周均為36～40+6，且單胎，胎兒無染色體異常或畸形，其中NST正常型20名，NST可疑型22名，兩種類型比較無差異，具有可比性。基本信息見表1。

表1　孕婦樣本選擇基本信息±s）

表1　孕婦樣本選擇基本信息±s）

組別例數年齡孕周NST正常組2030.53±2.9838.50±1.67 NST可疑組2231.15±3.9837.68±1.46

2.2數據采集

使用Monica AN24胎兒和（或）母體心率記錄儀進行胎兒心率信號記錄，監(jiān)護時間從當日22∶00至次日2∶00，監(jiān)護期間不限制孕婦活動。粘貼在孕婦腹部的5枚一次性電極傳感器可收集到孕婦心電信號和胎兒心電信號，經處理后分別得到孕婦與胎兒心率［12］。使用砂紙?zhí)幚砥つw，使皮膚阻抗降至5 kΩ以下。電極片放置方式如圖1所示。

圖1　電極片放置示意圖

2.3統(tǒng)計學方法

采用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件對所有數據進行分析，計量資料結果以均值±標準差（x-±s）表示，組間差異分析采用獨立樣本t檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

3　結果

3.1胎兒安靜睡眠參數組間比較

微小變異占比MVR單位為1%，胎心率基線均值單位為bpm（beats per minute）。NST可疑組的2個參數均大于NST正常組，且兩組之間比較差異具有統(tǒng)計學意義（t=-4.207，t=-2.185；P＜0.05）。由計算機提取的參數相比臨床醫(yī)生的主觀判讀更加具有客觀性，NST可疑組的MVR比正常組多13%，基線均值比正常組高5 bpm（見表2）。

3.2胎兒心率參數與孕周的關系

正常組與可疑組的MVR在隨孕周增大過程中有升高趨勢，36～40孕周正常組的MVR均明顯低于可疑組，微小變異比例MVR與孕周關系結果如圖2所示。

基線均值隨孕周變化無明顯趨勢，正常組的基線均值低于可疑組，基線均值與孕周關系結果如圖3所示。

4　討論

本研究利用MATLAB軟件提取計算了胎兒心率微小變異比例及胎心率基線2個參數，分析NST正常組與NST可疑組的MVR與胎心率基線的組間差異及其與孕周的關系。研究發(fā)現，NST可疑組的MVR和胎心率基線均大于NST正常組，且兩組之間具有顯著性差異。通過SPSS 20.0統(tǒng)計軟件繪制箱式圖發(fā)現，在孕周36～40周，MVR隨孕周增大有一定上升趨勢。

表2　胎兒安靜睡眠參數組間比較±s）

表2　胎兒安靜睡眠參數組間比較±s）

組別例數微小變異占比基線均值NST正常組2028.3±10.3130.1±6.0 NST可疑組2241.9±10.6135.1±8.5 t值-4.207-2.185 P值0.0010.035

圖2　微小變異比例隨孕周變化示圖

圖3　基線均值隨孕周變化示圖

Van Leeuwen等［13］研究表明，隨著孕周的增大，胎兒心率逐漸下降，胎兒心率變異逐漸增多，這種現象與胎兒的心血管系統(tǒng)及神經系統(tǒng)逐漸發(fā)育成熟相關。Padhye等［14］研究心率變異的頻域及熵參數，發(fā)現相同孕齡的健康胎兒和早產兒相比，健康胎兒頻域心率參數及熵參數高于早產兒；并且兩者的頻域心率變異參數隨著孕周有上升趨勢，反映了交感神經與副交感神經的平衡能力提高。

兩組胎兒的MVR隨孕周增大而增大，表明胎兒發(fā)育逐漸成熟；NST可疑組胎兒的MVR高于正常組，反映了可疑組胎兒的心血管發(fā)育狀況及交感神經與副交感神經的平衡能力劣于正常組胎兒。

目前臨床應用的超聲多普勒監(jiān)護技術具有一定的局限性。孕婦、胎兒活動影響超聲多普勒技術獲取的胎兒心率質量，長期監(jiān)護需要頻繁的更換探頭位置，孕婦需長時間保持同一體位，而基于FECG技術的胎兒和（或）母體心率記錄儀在一次佩戴后可連續(xù)24 h對胎兒心率進行實時監(jiān)護，在減少醫(yī)護人員的工作量、提高孕婦舒適度的同時，便于研究人員計算機化的對長時數據進行分析。

5　結語

本研究利用FECG技術的Monica AN24胎兒和（或）母體心率記錄儀獲得胎兒心率信號，并借助MATLAB軟件提取分析胎兒心率微小變異比例和基線均值兩個參數，而兩個參數在NST正常組與可疑組之間有顯著性差異。胎兒MVR隨著孕周增大而有一定程度升高，且NST可疑組高于正常組。a new electrocardiographic technique［J］.Br J Obstet Gynaecol，1978，85（1）：12-17.

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Extraction and analysis of fetal heart rate parametersbased on fetal electrocardiogram/

LI Guang-fei， ZHANG Song， YANG Lin， et al// China Medical Equipment，2016，13（8）：4-7.

Objective： To analyze minimal variability ratio （MVR） and baseline based on fetal

electrocardiogram （FECG）. Methods： According to the inclusion criteria （singleton， 36-40+6

weeks）， 42 cases were enrolled in this study. Monica AN24 was used to record continuous 4 hours fetal heart rate data， extracting FHR features to compare different non-stress test （NST） types and analyzing the relationship between FHR features and gestational age（GA）. Results： NST reaction type fetuses’ MVR was 28.3% and NST suspicious type fetuses’ MVR was 41.9%. NST reaction type fetuses’ baseline was 130.1 beats per minute （bpm） and NST suspicious type fetuses’ baseline was 135.1. At the same time， there were significant differences between MVR and baseline in the two types （t=-4.207， t=-2.185； P＜0.05）. All fetuses’ MVR had an increasing trend with GA rising. Conclusion：NST suspicious type fetuses’ features were higher than NST reaction type. It can lower false positive rate and reduce unnecessary clinical intervention based on the number of subjects and suitable threshold value.

Fetal electrocardiogram； Non-stress test； Minimal variability ratio； Baseline

1672-8270（2016）08-0004-04 ［中圖分類號］R318.04

A

李廣飛，男，（1991- ），碩士研究生。北京工業(yè)大學生命科學與生物工程學院，研究方向：生物醫(yī)學工程。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.08.002

北京市教委項目（PXM2016_014204_500079）“中小學生體育運動負荷監(jiān)測與評價”

①北京工業(yè)大學生命科學與生物工程學院 北京 100124

②首都醫(yī)科大學附屬北京婦產醫(yī)院產科 北京 100026

③北京易思醫(yī)療器械有限責任公司 北京 100152

④北京航天長峰股份有限公司 北京 100071

yanglin@bjut.edu.cn

2016-01-06