基于不同譜分析方法的胎兒心電信號周期分析

劉麗萍 朱毓珍

摘要：胎心監測是產前檢查的重要內容之一，對于胎兒早期疾病的檢測和預防有著重要的意義。利用各類信號序列譜分析方法，基于胎心監測實測數據判斷不同譜分析方法在周期提取中的有效性和差異性，為胎兒心電信號周期識別提供基礎數據和依據。胎兒心電圖信號周期方面共檢測出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個周期信號。不同譜分析方法在高低頻信號的檢測能力上有所差異。Redfit功率譜的檢出頻率主要集中在低頻區間，而MTM多窗譜的檢出頻率區間則較為分散，低頻區間和高頻區間都有分布。奇異譜分析方法在高頻區間有著較好的信號提取效果，高頻分量的周期性較好，可以體現胎兒心電信號的周期信息，可以作為信號周期的參考數據。

關鍵詞：胎心監測;心電信號;譜分析;周期

胎心監測是產前檢查的重要內容之一，對于胎兒早期疾病的檢測和預防有著重要的意義[1]。在某些先天性心臟病、胎兒臍帶繞頸、胎兒活動異常等方面的前期診斷方面，胎心監測和胎兒心電信號是治療的主要依據[2]。

目前，胎心監測的指標主要有胎心率（Fetal Heart Rate，FHR）和胎兒心電信號（Fetal Electrocardiogram，FECG）等。這些方法通過記錄孕婦子宮內胎兒的心臟活動并將其轉換為電子訊號，最終利用圖形將心臟活動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]。

由于胎兒心電信號與其母體的各類身體活動信息可能存在疊加，因此如何準確識別和提取出胎兒自身的心電信號對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的提取效率和準確度，一系列的信號序列分析方法被用于胎心監測方面。如自適應濾波法、小波變換、支持向量機、交叉譜等方法被用于胎兒心電信號的去噪和周期的識別[8]。

由于胎兒心臟活動信號疊加一系列環境噪聲和母體活動信號，不同的周期識別方法可能存在一些差異[9]。與此同時，心電信號的周期對與各類嬰兒早期疾病的診斷有著重要的意義。因此，系統的判斷不同分析方法對胎兒心電信號的提取和識別能力對于有效利用胎心監測的結果、提高相關疾病的診斷效率有著一定的實踐指導意義[10-11]。基于此，本研究提出利用各類信號序列譜分析方法，基于胎心監測實測數據判斷不同譜分析方法在周期提取中的有效性和差異性，為胎兒心電信號周期識別提供基礎數據和依據。

1 數據與方法

1.1 數據來源

本次實驗所用胎兒心電信號由BT-250多普勒胎心監護儀采集，孕婦孕齡為34周+6天，信號序列的總時長為300s（圖1）。孕婦及胎兒相關身體指標在正常范圍內，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學方法的頻率域研究技術，其基本理論認為信號序列的總體能量可以被分解為不同頻率序列的總和，并進一步根據其方差貢獻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據窗對原始信號序列分別進行直接譜的計算，再進行平均，最后得到整個信號的譜估計。這一方法在復雜信號的周期判斷方面較原有的周期圖方法更加準確，其估計方差也較小，因此在各類信號分析中得到了廣泛的應用。

1.2.3 SSA奇異譜

SSA奇異譜是一種利用經驗正交函數方法，將原始信號序列按照給定的空間窗口重構，并利用矩陣計算出其特征值。該方法對于具有明顯周期信號的序列有著很好的適用，其優點體現在無須提前人為設定濾波器，并且可以識別出隱藏的弱信號周期，因此廣泛應用于信號檢測、心電信號分析等領域。

2 結果與討論

基于Matlab仿真平臺對本研究實驗數據進行相關分析，結果表明胎兒心電信號具有明顯的周期性特征，并且不同的方法在原始信號不同尺度下的周期提取能力存在差異。Redfit功率譜分析結果顯示本次實驗的胎心率存在有6個周期通過了95%置信檢驗（圖2A），分別為43.47s、23.25s、16.67s、13.05s、9.68s、7.51s。MTM多窗譜的分析結果表明，胎心率存在6個周期通過95%置信檢驗（圖2B），分別為17.35s、5.33s、4.97s、4.59s、3.47s、2.97s。從二者的對比可以發現，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%置信度檢驗的周期信息，但是二者之間有一定的差異。Redfit功率譜檢測出的信號周期主要存在于低頻區域，而MTM多窗譜則在高頻區域的檢出率較高。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的重要信號。

進一步利用SSA奇異譜對胎兒心電信號進行分析，結果表明奇異譜分析的前四個主成分可以較好的重構原始信號。從圖3中可以看出原始信號與重構信號基本一致，重構信號用較少的4個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別周期。

3 結論

綜合以上三種不同方法的譜分析的結果，可以得出胎兒心電信號檢測的一些基本特征，并且可以進一步探討不同譜分析方法在信號周期識別方面的差異性。胎兒心電圖信號周期方面共檢測出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個周期信號，這充分說明胎兒心電信號周期的復雜性。另一方面，不同譜分析方法在高低頻信號的檢測能力上有所差異。Redfit功率譜的檢出頻率主要集中在低頻區間，而MTM多窗譜的檢出頻率區間則較為分散，低頻區間和高頻區間都有分布。奇異譜分析方法在高頻區間有著較好的信號提取效果，高頻分量的周期性較好，可以體現胎兒心電信號的周期信息，可以作為信號周期的參考數據。同時這一信號周期也可以為不同臨床診斷提供方法選擇上的參考。

參考文獻：

[1]滕紅紅，袁雪，劉鋼，等.北京市嬰兒死因結構的轉變及有關圍產因素的探討[J].中國兒童保健雜志，2004，12（2）：143-144

[2]朱會紅，崔惠英.臍帶因素與圍產兒死亡的關系探討[J].中國婦幼保健，2009，24（6）：775-776

[3]魏紅光，李靈，杜詠琴，等.5歲以下兒童生命監測結果分析與干預措施[J].中國婦幼保健，2005，20（16）：2010-2011

[4]馬明，鄒志斌，楊玉林，等.采用盲源提取和后小波濾波的胎兒心電圖提取[J].儀器儀表學報，2010，31（5）：1096-1101

[5]劉志麗，徐倩楠.產前超聲對胎兒心血管畸形的臨床診斷價值[J].基層醫學論壇，2015，19（36）：5110-5111

[6]Torti E，Koliopoulos D，Matraxia M，et al.Custom FPGA Processing for Real-Time Fetal ECG Extraction and Identification[J].Computers in Biology & Medicine，2016，80（1）：30-38

[7]徐翠云，葉海慧.妊娠高血壓疾病對孕婦心電圖和胎兒心電圖的影響[J].臨床醫學，2011，31（9）：88-90

[8]戴冰，劉青敏.1519例胎兒心電圖的臨床價值和相關因素分析[J].中國優生與遺傳雜志，2004，12（4）：78-79

[9]Banerjee S，Gupta R，Mitra M.Delineation of ECG Characteristic Features Using Multiresolution Wavelet Analysis Method[J].Measurement，2012，45（3）：474-487

[10]漆洪波，段趙寧.胎兒心電圖ST段分析及其應用[J].中國實用婦科與產科雜志，2010（2）：110-113

[11]馮義靜，白萍萍，王亞青.胎兒心電圖的操作分析及臨床價值[J].中國實用醫藥，2014（31）：243-244