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专利名称：一种基于核独立分量分析的胎儿心电检测方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210249288.0

专利申请（专利权）人：江苏开云优惠体育网页版入口大学
权利人地址：江苏省镇江市梦溪路2号

专利发明（设计）人：郑威,何洁,樊宇轩,魏雪云

专利摘要：本发明公开了一种基于核独立分量分析的胎儿心电检测方法，采用核独立分量分析的信号分离方法，并基于该方法从孕妇腹壁心电信号中分离出胎儿心电信号，本发明采用核独立分量分析代替独立分量分析，它可以适应不同的信源分布，从而使算法对各种应用场合更具鲁棒性。另一方面，核独立分量分析为信号分离问题提供了一种新的解决方法，它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，提高胎儿心电信号提取的鲁棒性。

主权利要求：
1.一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：i
步骤1：导入多通道心电信号X (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；
i i i
步骤2：对多通道心电信号X (n)进行球化处理，得到信号Z (n)，使得信号Z (n)的协方差矩阵成为单位矩阵；
i i
步骤3：由信号Z (n)计算中心Gram矩阵G ，i＝1，2，...，m，每个通道的信号计算出其相应的Gram矩阵；
i i
所述步骤3中，由信号Z (n)计算中心Gram矩阵G，i＝1，2，...，m，假设解混系数为W，则i i iY(n)＝W·Z(n)为解混后的估计信号，由Y(n)可推导出中心Gram矩阵G：i
步骤4：由中心Gram矩阵G计算代价函数C(W)，其中W是解混系数；
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：I为单位矩阵
步骤5：最小化代价函数C(W)，求得W的最优值；
i i
步骤6：通过解混系数W提取出胎儿心电信号Y(n)＝W·Z(n)。
2.根据权利要求1所述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：i i i i
所述步骤2中，对多通道心电信号X (n)进行球化处理，得到信号Z(n)，Z (n)＝Q·X (n)，选?1/2 i用的球化矩阵为Q＝2Λ ·3U，其中Λ和U分别为多通道心电信号X (n)协方差矩阵的特征值矩阵和特征向量矩阵。
3.根据权利要求1所述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：所述步骤5中，将代价函数C(W)最小化，当取的最小值时，其对应的W为代求的解混系数W。
4.根据权利要求1所述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：所述步骤1中多通道心电信号用常规电极法描记。
5.根据权利要求4所述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：所述电极法描记为电极连接处皮肤用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。
6.根据权利要求1所述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：所述步骤3中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。 说明书 : 一种基于核独立分量分析的胎儿心电检测方法技术领域[0001] 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[0002] 随着现代电子信息开云优惠体育网页版入口的日新月异，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。[0003] 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。发明内容[0004] 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。[0005] 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：[0006] 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；[0007] 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；[0008] 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；[0009] 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；[0010] 步骤5：最小化代价函数C(W)，求得W的最优值；[0011] 步骤6：通过解混系数W提取出胎儿心电信号Yi(n)＝W·Zi(n)。[0012] 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)，Zii ?1/2 i(n)＝Q·X (n)，选用的球化矩阵为Q＝2Λ ·3U，其中Λ和U分别为多通道心电信号X (n)协方差矩阵的特征值矩阵和特征向量矩阵[0013] 球化处理去除个观测信号之间的相关性。[0014] 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i i i系数为W，则Y(n)＝W·Z(n)为解混后的估计信号，由Y(n)可推导出中心Gram矩阵G：[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)，Zii ?1/2 i(n)＝Q·X (n)，选用的球化矩阵为Q＝2Λ ·3U，其中Λ和U分别为多通道心电信号X (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i i i系数为W，则Y(n)＝W·Z(n)为解混后的估计信号，由Y(n)可推导出中心Gram矩阵G：[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。德士)及混合波(二者重合波)。采集得到的i多通道心电信号记为X(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。枰捎媒衔丛拥男藕欧治龃矸椒ù痈贡谛藕胖刑崛〕鑫⑷醯奶ザ牡缧藕，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i i另一组线性无关的多维信号Z (n)线性表出，Z (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?1/2 i球化处理选用的球化矩阵为Q＝2Λ ·3U，其中Λ和U分别为X (n)协方差矩阵的特征值矩i i i阵和特征向量矩阵，经过球化后得到球化信号Z (n)，即：Z (n)＝Q·X (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i i设解混系数为W，则Y (n)＝W·Z (n)为解混后的估计信号，由Y(n)可推导出中心Gram矩阵iG：[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·iZ (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)。

专利地区：江苏

专利申请日期：2022-03-14

专利公开日期：2024-11-22

专利公告号：CN114732417B