CN102048558B - 一种胎心率信号处理方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种胎心率信号处理方法及其装置，将时域处理和频域处理结合起来，进而得到一种即能满足实时性要求，又有较好稳定性的胎心率处理方法，并将其处理方法应用在胎儿监护仪上，使得可以得到的中间监护数据更加准确。本发明能对监护过程中产生的一些特殊的中间监护数据进行校准，使得医生能根据上述经过校准得到的中间监护数据作为进行诊断的参照，极大的减少对胎心跳动错误判断的情况发生，便于医生的诊断。
Description
技术领域
本发明涉及胎心信号处理领域，尤其涉及一种胎儿心率信号处理方法及装置。
背景技术
[0002] 胎心率检测在临床诊断中具有重要的意义，尤其是对围产期胎心率的监测，有助于提高胎儿分娩质量，降低胎儿畸形率和死亡率。胎心率检测大致有两种方式，一种是直接法，这种方法是利用螺旋电极勾到胎儿头皮获取心率信号，属于有创的，并且要等到孕妇破膜之后，宫口开到一定程度时才能使用，有一定的局限性；另一种是间接法，目前用的最多的是超声波多谱勒心率检测法，它是通过利用回声和多普勒原理，提取出超声多普勒的频移信号，从而得到胎心包络信号，由此求得胎心的一种方法具有无损伤性和操作简单等优点，得到了广泛的应用。
一个典型的基于超声多普勒获取心率的方法是利用对采集的包络信号进行自相关处理，然后基于自相关结果序列求得信号的周期，进而得到胎儿心率。
自相关函数的公式描述为：
在信息分析中，通常将自相关函数称之为自协方差方程。用来描述信息在不同时间τ的信息函数值的相关性。
自相关具有使能使周期信号得到加强而随机噪声被减弱的特性，在一定程度上可以减少干扰对信号的影响，理论上，自相关结果序列的第一主峰就对应信号周期。但是由于人体是一个复杂的运动环境，尤其是围产期胎儿本身的心跳就比较弱，再加上母体环境的干扰，超声回波信号成分比较复杂，干扰大。因此，采集的信号有时干扰较多，如果只依赖自相关结果序列求得信号周期，有时候很难得到正确的胎心周期，从而有可能导致胎心的减半或加倍现象，给医生的诊断造成困扰。
相对时域的处理方法来说，频域的处理方法实时性不强，但是抗干扰能力比较强，得到的结果要更稳定，常用的求取频域的方法是FFT和CZT。
理论上，FFT就可以得到比较精确的频率，但是由于FFT固有的频率分辨率与计算量之间的矛盾也限制了它的应用，即要提高FFT的频率分辨率，需要增加分析的采样点数，而这将大大增加计算量。因此，我们可以先用FFT对信号频谱进行粗略的估计，获取需要细化分析的窄带频谱范围，再在该窄带范围内进行频域细化分析，以获得满足精度要求的频谱。
CZT是一种典型的频域细化的方法，它可以在Z平面单位圆上取一个自定义的弧段，只在该弧段上进行序列Z变化的均匀取样，而且取样间隔也可以自由确定，如果所取弧段对应于待细化的窄带，则CZT就是窄带中个频率点处的频谱值。因此，CZT适合窄带高分辨率的计算。
从上面的论述可以看出，时域有实时性的优势，频域有稳定性的优势。
目前，现有的方法都是在时域对信号进行自相关处理，进而求得胎心率，虽然在实时性方面满足临床要求，但是在稳定性方面性能不佳，在临床中，当信号不好的情况下，时常会出现减半和加倍的现象。因此，在本专利中，我们将时域处理和频域处理结合起来，应用在胎儿监护仪上，进而得到一种即能满足实时性要求，又有较好稳定性的胎心率处理方法，它可以得到更加准确、可靠的胎儿心率，减少临床上胎心减半或加倍的现象，减少由此导致医生误诊而引发的医疗事故。
发明内容
本发明提供一种更准确地获取胎心率的方法及其实现装置，它能提供更准确、可靠的胎儿心率，特别是在信号比较差的情况下，对于胎心率的加倍和减半有很好的抑制作用。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种胎心率信号处理方法，包括以下步骤：
．所述预处理信号分为两路信号，一路经过频域分析，另一路经过时域分析；
进一步地，所述频域分析步骤和时域分析步骤不分先后且可同时进行。
进一步地，所述频域分析步骤为：
′．对预处理信号做FFT运算；
进一步地，所述时域分析步骤为：
进一步地，所述
′．的步骤包括：
进一步地，还包括：在步骤之后，当信号好时，经过处理直接得到信号周期；当信号不好时，则将所述自相关结果进行二次分析，得到修正后的信号周期，再将信号周期折算后与经
′步骤得到的信号频率进行比较，根据比较结果，确认胎心信号的周期。
一种获取胎心率的装置，包括数据采集单元201、预处理单元202、信号丢失判断单元203、第一报警单元204、时域分析处理器、后处理单元208、周期计算单元216、心率计算单元217、心率异常判断单元220、第二报警单元221、频域分析处理器、参数更新单元214、控制单元215、显示单元218、打印单元219。
数据采集单元201用于采集胎心多普勒包络信号。
预处理单元202与数据采集单元201连接，用于对数据采集单元采集到的胎心多普勒包络信号进行去噪、滤波处理。
信号丢失判断单元203判断经过预处理的信号是否丢失，若信号丢失，则启动第一报警单元204。
将经预处理后的信号数据分为两路：一路输入频域分析处理器，进行频域分析；另一路输入时域分析处理器，进行时域分析。
将经所述频域分析器分析后的频率信息输入到参数更新单元，保证参数实时性；将更新的频率信息输入到控制单元215，由控制单元对后处理单元208中确认的后处理周期进行判断和控制，保证周期稳定性。
将经所述时域分析处理器时域分析并初步确定信号周期的信号输入到后处理单元208，根据参数更新单元214提供的参数经控制单元215的判断和控制确认后处理周期。
将经过后处理单元208处理后的信号输入到周期计算单元216，得到所需的确定周期。
将得到的确定周期输入到心率计算单元217，得到所需的胎儿心率。
将心率结果输入到显示单元218，完成心率的实时显示。
将显示的心率结果输入到打印单元219，完成心率曲线的实时打印。
心率异常判断单元220对心率是否异常进行判断，并根据不同情况触发第二报警单元221中对应的报警信号。
进一步地，所述时域分析处理器中包括自相关处理单元205、第一峰值检测单元206及初步确定周期单元207；所述经预处理的信号数据输入到自相关处理单元205，对预处理后的信号数据进行自相关处理，得到自相关结果序列；对所述自相关处理单元205得到的自相关结果序列输入到第一峰值检测单元206，查找所需要的测定峰值；将峰值检测处理后的信号输入到初步确定周期单元207，确定信号的初步周期。
进一步地，所述频域分析处理器中包括FFT处理单元209、第二峰值检测单元210、范围定位单元211、CZT处理单元212及频率确定单元213；经预处理的信号数据输入到FFT处理单元209；信号经FFT处理单元209处理后，得到频域数据，将该频域数据输入到第二峰值检测单元210，找出测定频段内的测定极大值点；根据得到的测定极大值点，在范围定位单元211中得到信号频率的初步范围；将得到信号频率的初步范围的信号输入CZT处理单元212，根据信号频率的初步范围对信号做CZT变换；经CZT变换后的信号输入到频率确定单元213，提取出信号的频率信息。
进一步地，根据所述参数更新单元214提供的参数经控制单元215的判断和控制确认后处理周期；当信号好时，则直接将经过后处理单元208处理后的信号输入到周期计算单元216，得到所需的确定周期；当信号不好时，则对所述自相关结果进行二次分析，得到修正后的后处理周期，然后再将经过后处理单元208处理后的信号输入到周期计算单元216，得到所需的确定周期。
本发明的优点及有益效果。
时域的自相关处理技术具有较好的实时性，但在稳定性方面不如频域得到的结果，而频域的FFT与CZT具有较好的稳定性，但在实时性方面又不如时域的自相关技术，在本发明中，我们将时域处理和频域处理结合起来，进而得到一种即能满足实时性要求，又有较好稳定性的胎心率处理方法，并将其处理方法应用在胎儿监护仪上，使得可以得到的中间监护数据更加准确。本发明能对监护过程中产生的一些特殊的中间监护数据进行校准，使得医生能根据上述经过校准得到的中间监护数据作为进行诊断的参照，极大的减少对胎心跳动错误判断的情况发生，便于医生的诊断。
附图说明
图1．采集的胎心多普勒包络信号图。
图2．自相关结果序列图。
图3．FFT结果，得到粗略的频率信息图。
图4．CZT结果，得到精确的频率信息图。
图5．求取胎心率的信号处理方法流程图。
图6．本发明实施例中胎儿监护仪框图。
具体实施方式
本发明提供一种胎心率信号处理方法及其装置，其中胎心率信号处理方法包括以下步骤：
．对采集的胎心多普勒包络信号进行去噪、滤波处理，得到预处理信号；
进一步地，所述频域分析步骤和时域分析步骤不分先后且可同时进行。
进一步地，所述频域分析步骤为：
′．判断上述预处理信号是否丢失，若丢失，则返回步骤
．重新采集胎心多普勒包络信号，若未丢失，则
设x(n)为N项的复数序列，由DFT变换，任一X（m）的计算都需要N次复数乘法和N-1次复数加法，而一次复数乘法等于四次实数乘法和两次实数加法，一次复数加法等于两次实数加法，即使把一次复数乘法和一次复数加法定义成一次"运算"（四次实数乘法和四次实数加法），那么求出N项复数序列的X（m）,即N点DFT变换大约就需要N2次运算。当N=1024点甚至更多的时候，需要N2=1048576次运算，在FFT中，利用WN的周期性和对称性，把一个N项序列（设N=2k,k为正整数），分为两个N/2项的子序列，每个N/2点DFT变换需要（N/2）2次运算，再用N次运算把两个N/2点的DFT变换组合成一个N点的DFT变换。这样变换以后，总的运算次数就变成N 2（N/2）2=N N2/2。继续上面的例子，N=1024时，总的运算次数就变成了525312次，节省了大约50%的运算量。而如果我们将这种"一分为二"的思想不断进行下去，直到分成两两一组的DFT运算单元，那么N点的DFT变换就只需要Nlog2N次的运算，N在1024点时，运算量仅有10240次，是先前的直接算法的1%，点数越多，运算量的节约就越大，这就是FFT的优越性；
进一步地，所述时域分析步骤为：
进一步地，所述
′．的步骤包括：
进一步地，还包括：在步骤
之后，当信号好时，经过处理直接得到信号周期；当信号不好时，则将所述自相关结果进行二次分析，得到修正后的信号周期，再将信号周期折算后与经
′步骤得到的信号频率进行比较，根据比较结果，确认胎心信号的周期。
一种获取胎心率的装置，包括数据采集单元201、预处理单元202、信号丢失判断单元203、第一报警单元204、时域分析处理器、后处理单元208、周期计算单元216、心率计算单元217、心率异常判断单元220、第二报警单元221、频域分析处理器、参数更新单元214、控制单元215、显示单元218、打印单元219。
所述时域分析处理器中包括自相关处理单元205、第一峰值检测单元206及初步确定周期单元207；所述频域分析处理器中包括FFT处理单元209、第二峰值检测单元210、范围定位单元211、CZT处理单元212及频率确定单元213。
为了更充分理解本发明的技术特征，下面结合附图对本发明的内容进行描述，以下的描述仅是示范性和解释性的，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
一种胎心计算的信号处理方法，采集和处理的信号是超声回波的胎心包络信号
。
请参考图5，具体实施的步骤如下：
采集胎心多普勒包络信号101。采集的胎心多普勒信号
，如图1所示。
对采集的信号
进行预处理102，因为要处理的信号是带限信号，对应的信号频率只能在一定的范围内，所以要对数据进行去噪、滤波等处理。
判断信号是否丢失103，，如果信号丢失，则不对信号进行处理，直接返回数据采集部分；如果信号没有丢失，则对信号进行后面的处理。
将处理后的信号分成两路同样信号，一路用于频域分析(104~108)，一路用于时域分析(110~113)，，这里先说明频域的处理步骤。
对预处理的信号做FFT运算104，得到信号频域方面的信息，需要注意的是，为了减少计算量，在这一环节不需要求得非常准确的频率信息，只需要粗略估计出信号所在频段即可。图3给出了信号做完FFT后的结果。
对做完FFT之后的信号进行峰值检测105，找出有效频段内的主要极大值点（目前公认的频率段是0.5~4HZ），在这个环节，有可能会出现两个或多个频率幅度相当的点，在这种情况下，要根据之前信号的频率段为参考，来对找到的极大值点进行筛选。从图3可以看出，有效频段内主要的极大值点在3HZ附近。
确定了主要的频率点后，就可以确定信号所在的频率段，即定位了信号的频率范围106，为了防止各方面误差，我们将信号的频率范围稍微加大一点，我们将其信号频率范围定为2~4hz。
对信号进行CZT运算107，CZT运算的范围就是上面定位的信号的频率范围2~4hz，并根据定位的频率范围的大小来适当调整运算的点数。由此就可以得到比较精确的信号频率。图4给出了针对定位后的信号频率范围做CZT得到的结果。
对CZT之后的频率数据进行求极值处理，找出局部最大值，求得信号频率108。这个频率将由于时域处理的后处理中，用于确定信号的周期。从图4可以看出，极大值点对应的频率是2.406HZ，即信号的频率。下面说明时域的处理措施。
将预处理后的信号进行自相关处理109，得到自相关结果序列。图2给出了得到自相关序列。
对得到的自相关结果序列进行峰值检测110，找出测定峰值，即为主要峰值，首先是找到全部的峰值，然后通过阈值检测，得到主要峰值。
通过找出的主要峰值，初步确定信号的周期111。在信号较好的情况下，初步确定的周期是基本正确的，但是在信号较差的情况下，确定的后期主要是通过后处理来求得。
将初步确定的周期和自相关结果进行后处理112，这个步骤主要是确认周期，当信号较好的时候，确认的周期可能就是初步确定的周期，当信号不好时，需要对前面的自相关结果进行二次分析，得到一个或几个较为可能的周期。然后再根据频域提供的频率参数来选择对应的周期。
经过后处理后，很容易就可以获得信号的确定周期113。
对得到的确定周期进行折算，得到所需的胎儿心率114，此处的折算公式为60/确定周期。
如图5所示，包括数据采集单元201、预处理单元202、信号丢失判断单元203、第一报警单元204、时域分析处理器、后处理单元208、周期计算单元216、心率计算单元217、心率异常判断单元220、第二报警单元221、频域分析处理器、参数更新单元214、控制单元215、显示单元218、打印单元219。其中所述时域分析处理器中包括自相关处理单元205、第一峰值检测单元206及初步确定周期单元207；所述频域分析处理器中包括FFT处理单元209、第二峰值检测单元210、范围定位单元211、CZT处理单元212及频率确定单元213。
整个装置的流程如下。
由数据采集单元201负责采集胎心多普勒包络信号。
数据采集完成后，将采集的包络数据输入到预处理单元202；预处理单元202主要负责对数据进行去噪、滤波等处理。
预处理后的信号进入信号丢失判断单元203，判断信号是否丢失，信号如果丢失，就直接返回数据采集部分，并启动第一报警单元204，第一报警单元204发出报警信号，提示医护人员，采取相应的处理措施。
如果信号没有丢失，那么将预处理单元202处理后的数据分成两路，一路输入到自相关处理单元205，完成数据的自相关处理，得到自相关结果序列；另一路输入到FFT处理单元209，对信号进行频域的分析。先介绍频域方面的处理。
将预处理单元202处理后的信号输入到FFT单元209中，对信号进行频域的分析。
信号经过FFT处理单元209后，得到频域数据，将其输入到第二峰值检测单元210，找出有效频段内的主要极大值点（目前公认的有效频率段是0.5~4HZ），即为检测极大值点，在这个环节，有可能会出现两个或多个频率幅度相当的点，在这种情况下，要根据之前信号的频率段为参考，来对找到的极大值点进行筛选。
根据得到的主要极大值点，在范围定位单元211中得到信号频率的大体范围。
将信号输入CZT处理单元212，并根据信号频率的大体范围，对信号做CZT变换，得到比较精确的频率信息。
CZT变换后的信号输入到频率确定单元213，提取出信号的频率信息。
将频率确定单元213中得到的频率信息输入到参数更新单元214，保证参数的实时性。
将更新的参数输入到控制单元215，由控制单元对后处理中周期的确认进行判断和控制，保证周期的稳定性。下面介绍时域方面的处理。
对自相关处理单元205得到的自相关结果序列输入到第一峰值检测单元206，查找所需要的检测峰值。
将峰值检测处理后的信号输入到初步确定周期单元207，初步确定信号的周期。
将信号输入到后处理单元208进行处理，这个步骤主要是确认周期，当信号较好的时候，确认的周期可能就是207单元中初步确定的周期；当信号不好时，确认的周期一般都不是207单元中初步确定的周期。以上两种情况都要根据频域提供的参数频域参数更新单元214提供的参数来判断，当时域得到的周期（即207单元得到的周期）和频域得到的频率（即213单元得到的频率）基本对应时，那么周期就基本是正确的，反之要对前面的自相关结果进行二次分析，得到一个或几个较为可信的周期。然后再根据参数更新单元提供的频域提供的参数来选择对应的周期。
在对胎心率信号进行处理时，会在装置中设置信号的预设值，当信号超过该预设的预设值时，即为前面所述的信号较好；当信号未超过该预设的预设值时，即为前面所述的信号不好。由于硬件设备的精确度不同，所得的结果将有所不同。
将经过后处理单元处理后的信号输入到周期计算单元216，，得到所需的确定周期。
将得到的周期输入到心率计算单元217，得到所需的胎儿心率。
将心率结果输入到显示单元218，完成心率的实时显示。
将显示的心率结果输入到打印单元219，完成心率曲线的实时打印。
心率异常判断单元220完成对心率是否异常的判断，并根据不同的情况触发第二报警单元221中对应的报警信号。
Claims (1)
1.一种获取胎心率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
．采集胎心多普勒包络信号；
所述频域分析步骤包括步骤
′至
′，具体为：
′．对经FFT运算后的信号进行峰值检测，找出测定频率段内的测定极大值点，定位信号的频率范围；
所述时域分析步骤包括步骤
′至′，具体为：
′．对得到的自相关结果序列进行峰值检测，找到测定峰值；
2．根据权利要求1所述的一种获取胎心率的方法，其特征在于，所述频域分析步骤和时域分析步骤不分先后且可同时进行。
3．根据权利要求1所述的一种获取胎心率的方法，其特征在于，所述
′．的步骤包括：
．找出自相关结果序列中所有的峰值；
4．根据权利要求1所述的一种获取胎心率的方法，其特征在于，还包括：在步骤
之后，当信号好时，经过处理直接得到信号周期；当信号不好时，则将所述自相关结果进行二次分析，得到修正后的信号周期，再将信号周期折算后与经
′步骤得到的信号频率进行比较，根据比较结果，确认胎心信号的周期。
5．一种获取胎心率的装置，其特征在于，包括数据采集单元（201）、预处理单元（202）、信号丢失判断单元（203）、第一报警单元（204）、时域分析处理器、后处理单元（208）、周期计算单元（216）、心率计算单元（217）、心率异常判断单元（220）、第二报警单元（221）、频域分析处理器、参数更新单元（214）、控制单元（215）、显示单元（218）、打印单元（219）；
数据采集单元（201）用于采集胎心多普勒包络信号；
预处理单元（202）与数据采集单元（201）连接，用于对数据采集单元采集到的胎心多普勒包络信号进行去噪、滤波处理；
信号丢失判断单元（203）判断经过预处理的信号是否丢失，若信号丢失，则启动第一报警单元（204）；
将经预处理后的信号数据分为两路：一路输入频域分析处理器，进行频域分析；另一路输入时域分析处理器，进行时域分析；
将经所述频域分析器分析后的频率信息输入到参数更新单元，保证参数实时性；将更新的频率信息输入到控制单元（215），由控制单元对后处理单元（208）中确认的后处理周期进行判断和控制，保证周期稳定性；
将经所述时域分析处理器时域分析并初步确定信号周期的信号输入到后处理单元（208），根据参数更新单元（214）提供的参数经控制单元（215）的判断和控制确认后处理周期；
将经过后处理单元（208）处理后的信号输入到周期计算单元（216），得到所需的确定周期；
将得到的确定周期输入到心率计算单元（217），得到所需的胎儿心率；
将心率结果输入到显示单元（218），完成心率的实时显示；
将显示的心率结果输入到打印单元（219），完成心率曲线的实时打印；
心率异常判断单元（220）对心率是否异常进行判断，并根据不同情况触发第二报警单元（221）中对应的报警信号；
所述时域分析处理器中包括自相关处理单元（205）、第一峰值检测单元（206）及初步确定周期单元（207）；所述经预处理的信号数据输入到自相关处理单元（205），对预处理后的信号数据进行自相关处理，得到自相关结果序列；对所述自相关处理单元（205）得到的自相关结果序列输入到第一峰值检测单元（206），查找所需要的测定峰值；将峰值检测处理后的信号输入到初步确定周期单元（207），确定信号的初步周期；
所述频域分析处理器中包括FFT处理单元（209）、第二峰值检测单元(210)、范围定位单元（211）、CZT处理单元（212）及频率确定单元（213）；所述经预处理的信号数据输入到FFT处理单元（209）；信号经FFT处理单元（209）处理后，得到频域数据，将该频域数据输入到第二峰值检测单元(210)，找出测定频段内的测定极大值点；根据得到的测定极大值点，在范围定位单元（211）中得到信号频率的初步范围；将得到信号频率的初步范围的信号输入CZT处理单元（212），根据信号频率的初步范围对信号做CZT变换；经CZT变换后的信号输入到频率确定单元（213），提取出信号的频率信息；
根据所述参数更新单元（214）提供的参数经控制单元（215）的判断和控制确认后处理周期；当信号好时，则直接将经过后处理单元（208）处理后的信号输入到周期计算单元（216），得到所需的确定周期；当信号不好时，则对所述自相关结果进行二次分析，得到修正后的后处理周期，然后再将经过后处理单元（208）处理后的信号输入到周期计算单元（216），得到所需的确定周期。
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