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胎儿心电信号的盲分离研究

蔡坤  
【摘要】:胎儿心电图是一种重要的胎儿监护手段,比胎儿心音和心动信号更能反映心脏活动的全貌。对于胎儿的异常情况,胎儿心电图形态的变化比超声多普勒的胎心率和胎心宫缩监护等指标的变化发生得更早、更敏感,是保证胎儿健康,降低围产期胎儿的发病率和死亡率的重要途径。然而,体表胎儿心电信号信噪比低,且常与母亲心电信号混合,给医学诊断带来较大困难。从腹部心电混合信号中分离胎儿心电信号是生物医学信号处理领域一项重要的研究课题。 本文从盲信号处理的角度出发,提出了胎儿心电信号盲分离的新方法:提出了基于峭度和偏度的胎儿心电盲分离方法。从临床实际信号出发,分别研究了腹部观测的母亲心电信号和胎儿心电信号的偏度和峭度统计特性,指出母亲心电信号和胎儿心电信号均为超高斯不对称信号,二者的峭度相差不大,而前者的偏度绝对值比后者大。据此,在FastICA基础上,提出了一种带比例调节系数的峭度和偏度盲分离目标函数。通过理论分析,证明该目标函数的局部收敛性和局部稳定性。通过实际信号的实验分析确定了比例调节系数的取值范围。最后,模拟实验数据和临床实际信号的实验表明,本方法的性能略优于FastICA,而较JADE稍差。 提出了一种基于斜投影算子的单通道胎儿心电半盲分离方法。根据多通道线性瞬时盲分离模型在实际胎儿心电信号分离过程中不易满足的缺点,本文提出了一种基于斜投影的单通道胎儿心电信号的半盲分离方法。考虑到心电信号具有很强的自律性,相邻各波群之间的差异非常小,是一种准周期信号,在已知观测信号中母亲心电和胎儿心电信号波群位置的先验知识的情况下,本文提出了心电信号的延时叠加模型。在此基础上,根据斜投影算子的应用条件,详细讨论了临床观测信号中若干常见情况的母亲心电信号和胎儿心电信号的移位矩阵和二者构成的矩阵束的秩,为该方法的应用提供了理论依据。临床实际信号的处理实验表明,该方法能够有效提取胎儿心电信号。 提出了一种在胎儿心音信号等参考信号引导下,基于斜投影算子的识别观测信号中受母亲心电信号混叠干扰的胎儿心电信号波群检测方法。通过分析被母亲心电信号混叠的胎儿心电信号波群定位错误给基于斜投影的胎儿心电信号半盲分离结果造成的影响,指出当胎儿心电信号识别定位不准确,会给盲分离后的母亲心电信号带来干扰。由此,通过检测分离结果中的母亲心电信号是否存在干扰,就能检测被混叠的胎儿心电波群是否识别定位准确。该方法的优势在于,在参考信号的引导下,不对幅度小、信噪比低的胎儿心电信号直接检测,而对受其影响的、幅度大、信噪比高的母亲心电信号检测,能够大大提高检测的可靠性和准确性。模拟信号和实际信号的实验结果表明,该方法能够准确识别和定位受母亲心电信号波群干扰的胎儿心电信号。


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