CN109146006B - 模板库结合非线性模板匹配胎心率提取方法 - Google Patents

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Abstract

一种模板库结合非线性模板匹配胎心率提取方法，通过对原始信号进行预处理后进行时频域变换，并采用模板匹配的方式对时频域内信号逐帧评估匹配度，然后以匹配度曲线的峰值的时刻和幅值解算瞬时心率。本发明使用临床的多普勒胎心信号数据构建模板库，每次检测从模板库中选取合适的模板，利用胎心信号与母体干扰的混合特点，降低了模板对母体干扰的敏感度，从而提取瞬时的胎心率。

Description

模板库结合非线性模板匹配胎心率提取方法
技术领域
本发明涉及的是一种医疗检测领域的技术，具体是一种模板库结合非线性模板匹配胎心率提取方法。
背景技术
目前已有多种多普勒胎儿心率提取方法，如信号包络、自相关、小波分解、经验模态分解、非负矩阵分解、独立分量分析等。但在第二产程时，母体干扰会对胎儿心率检测产生影响。由于母体的腹主动脉和胎儿心脏位置较近，当分娩宫缩、产妇屏气等动作使母体血管搏动激烈时，母体腹主动脉多普勒信号混入胎儿心脏多普勒信号中，导致误计数甚至误将母体心率作为胎儿心率输出。
现有的心率提取方法主要有时域的自相关法和时频域的模板匹配法：其中时域的自相关法利用胎儿心率的周期性，自相关算法可以有效地获取周期信号的心率，而胎儿多普勒信号经过包络线检出以后就表现出较好的周期性，但是这种方法在母体干扰能量较大的情况下会将母体干扰作为胎儿心率输出。时频域的模板匹配法使用信号中模板，来对信号的每个部分进行相关性检测。因为每次心跳时时频域特征表现出相似性，所以可以用来提取心率。但是当母体干扰较大时，母体干扰也会作为一个相关性峰值被检出。
发明内容
本发明针对现有胎心率提取方法在母体干扰较为强烈时无法准确提取胎儿心率的不足，提出一种模板库结合非线性模板匹配胎心率提取方法，使用临床的多普勒胎心信号数据构建模板库，每次检测从模板库中选取合适的模板，利用胎心信号与母体干扰的混合特点，降低了模板对母体干扰的敏感度，从而提取瞬时的胎心率。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明通过对原始信号进行预处理后进行时频域变换，并采用模板匹配的方式对时频域内信号逐帧评估匹配度，然后以匹配度结果曲线中的峰值和峰值时刻解算瞬时心率。
所述的预处理是指：对原始信号进行带通滤波，其下限截止频率fL为60Hz，上限截止频率fH为300Hz。
所述的时频域变换采用短时傅里叶变换实现。
所述的模板匹配是指：非线性模板匹配，并以观察帧与参考模板的偏差d作为优化目标，偏差
Figure GDA0001877553330000021
其中：fnl(x)为一非线性函数，ST(ω,t)为短时傅里叶变换模板在频率为f时刻为t时的幅值，SDUS(ω,t)则为观察帧短时傅里叶变换模板在频率为ω时刻为t时的幅值，x为最优化变量。
所述的非线性模板是指：采用非线性函数作为匹配函数进行模板匹配。
所述的参考模板是指：预先建立的模板库中，与原始信号的前段相关系数最高的模板。
所述的匹配度，优选为非线性模板匹配方法匹配度m＝1-d/max(d)
优选地，所述的非线性函数fnl(x)为LReLU函数，即
Figure GDA0001877553330000022
其中：k为极小常量。
所述的瞬时心率，基于突出度和峰值间隔提取有效峰值，与匹配度一并进行错漏自校正计算，具体为：当前的瞬时心率为：
①
Figure GDA0001877553330000023
或
②
Figure GDA0001877553330000024
或
③
Figure GDA0001877553330000025
选取标准为最接近之前瞬时心率均值的值。
本发明涉及一种实现上述方法的***，包括：信号获取模块、预处理模块、模板选取模块、匹配度计算模块和心率解算模块，其中：信号获取模块与预处理模块相连，传递胎心信号，预处理模块分别与模板选取模块和匹配度计算模块相连，传递预处理后的待匹配信号，模板选取模块与匹配度计算模块相连，传递所选模块信息，匹配度计算模块与心率解算模块相连，传递匹配度信息，心率解算模块根据匹配度信息计算得到心率结果。
技术效果
与现有技术相比，本发明通过总结了临床数据的时频分析模板，结合非线性的模板匹配方法，使得模板对胎心信号高敏感对母体干扰低敏感，获得提取峰值更加准确的归一化匹配度曲线从而计算瞬时心率。在混杂有母体干扰的多普勒胎心信号中，本发明的检测方法准确率明显高于常规方法。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为临床采集的超声多普勒胎心信号示意图；
图3为利用STFT对混合信号进行转换后的二维时频示意图；
图4为实施例模板库示意图；
图5为实施例归一化匹配度曲线示意图；
图6为实施例解算瞬时心率示意图；
图7为实施例心率提取正确率对比示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种模板库结合非线性模板匹配胎心率提取方法，包括如下步骤：
步骤1)带通滤波：对原始信号进行带通滤波，本例中下限截止频率fL为60Hz，上限截止频率fH为300Hz，滤波结果如图2所示。
步骤2)时频分析：对滤波后的信号进行时频分析，将信号转移到时频域，本例中使用短时傅里叶变换，得到的结果如图3所示
步骤3)模板选取：对时频分析后的信号，对照模板库中的模板进行最佳模板的选取，模板库部分样例如图4所示，以避免现有模板匹配所使用的参考模板可能包含有母体干扰的问题。
步骤4)求匹配度：使用最佳模板对时频域内信号逐帧评估匹配度，本例中使用的方法为非线性模板匹配，具体方法如下：
定义优化目标为观察帧与参考模板的偏差d，表示为：
Figure GDA0001877553330000031
其中：fnl(x)为一非线性函数；本实施例中
Figure GDA0001877553330000032
其中：d是观察的帧与参考模板的偏差程度即最优化目标，ST(ω,t)是短时傅里叶变换模板在频率为f时刻为t时的幅值，SDUS(ω,t)则为观察帧短时傅里叶变换模板在频率为ω时刻为t时的幅值，x为最优化变量。
非线性模板匹配方法匹配度m表示为：m＝1-d/max(d)，通过非线性模板匹配操作可以避免现有模板匹配对母体干扰的胎心部分匹配度过低的问题。
步骤5)峰值提取：从匹配度结果中提取峰值，本例中依据突出度和峰值间隔提取有效峰值
步骤4)和步骤5)的结果如图5所示。
步骤6)心率求取：依据峰值点的时刻和幅值解算瞬时心率，本实施例中为具有错漏自校正的计算方法，具体方法如下：
当前的瞬时心率为以下三者之一
Figure GDA0001877553330000041
或
Figure GDA0001877553330000042
或
Figure GDA0001877553330000043
选取标准为最接近之前瞬时心率均值的值。
上述心率提取最终结果如图6所示
使用本方法和简单模板匹配对26位孕妇24秒时间内的心率提取正确率的进行对比，对比的结果如图7所示。比之现有简单模板匹配方法，本方法平均正确率提高了19.94％，23％的样本本方法比现有方法正确率高50％以上。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种模板库结合非线性模板匹配胎心率提取***，其特征在于，包括：信号获取模块、预处理模块、模板选取模块、匹配度计算模块和心率解算模块，其中：信号获取模块与预处理模块相连，传递胎心信号，预处理模块分别与模板选取模块和匹配度计算模块相连，传递预处理后的待匹配信号，模板选取模块与匹配度计算模块相连，传递所选模块信息，匹配度计算模块与心率解算模块相连，传递匹配度信息，心率解算模块根据匹配度信息计算得到心率结果；
所述的模板库结合非线性模板匹配胎心率提取是指：通过对原始信号进行预处理后进行时频域变换，并采用模板匹配的方式对时频域内信号逐帧评估匹配度，然后以匹配度曲线的峰值的时刻和幅值解算瞬时心率；
所述的模板匹配是指：非线性模板匹配，并以观察帧与参考模板的偏差作为优化目标，偏差
Figure FDA0003298806610000011
其中：fnl(x)为一非线性函数，d为观察的帧与参考模板的偏差程度即最优化目标，ST(ω,t)为短时傅里叶变换模板在频率为f时刻为t时的幅值，SDUS(ω,t)则为观察帧短时傅里叶变换模板在频率为ω时刻为t时的幅值，x为最优化变量；
所述的瞬时心率，基于突出度和峰值间隔提取有效峰值，与匹配度一并进行错漏自校正计算，具体为：当前的瞬时心率为：
①
Figure FDA0003298806610000012
或
②
Figure FDA0003298806610000013
或
③
Figure FDA0003298806610000014
选取标准为最接近之前瞬时心率均值的值。
2.根据权利要求1所述的模板库结合非线性模板匹配胎心率提取***，其特征是，所述的预处理是指：对原始信号进行带通滤波，其下限截止频率fL为60Hz，上限截止频率fH为300Hz。
3.根据权利要求1所述的模板库结合非线性模板匹配胎心率提取***，其特征是，所述的时频域变换采用短时傅里叶变换实现。
4.根据权利要求1所述的模板库结合非线性模板匹配胎心率提取***，其特征是，所述的非线性模板是指：采用非线性函数作为匹配函数进行模板匹配；
所述的参考模板是指：预先建立的模板库中，与原始信号的前段相关系数最高的模板。
5.根据权利要求1所述的模板库结合非线性模板匹配胎心率提取***，其特征是，所述的匹配度，为非线性模板匹配方法匹配度m＝1-d/max(d)。
6.根据权利要求1所述的模板库结合非线性模板匹配胎心率提取***，其特征是，所述的非线性函数fnl(x)为LReLU函数，即
Figure FDA0003298806610000021
其中：k为极小常量。
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