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基于模糊技术的FHR信号分析与处理 主 要 内 容 简 介 基本原理 能量移动算法的实现 峰值点模糊判别的实现 信号仿真 总 结 简 介 胎心率(FHR)信号的检测 在围产期和分娩过程的胎儿心率监测,可以对胎儿在宫内缺氧、窘迫等症状进行及时反映和报告,以便临床医生采取对策,从而提高胎儿质量和降低胎儿死亡率。 对胎心率检测的方法有:(1)听筒拾取法(2)麦克风拾取法(3)胎儿心电检测(4)超声多普勒检测技术;目前最常用的是超声波多普勒技术。这是一种很好的无创方法。但是,由于测量得到的原始信号成分非常复杂,干扰严重,从而使其对胎心率的提取造成很大困难。因此,研究如何准确、有效地从超声波回波信号中提取胎儿心率的方法具有非常重要的理论价值和临床应用价值。 为了更好的从超声回波中提取出胎心率曲线,我们提出了一种利用能量移动算法和模糊分类技术处理超声回波信号的方法。这种方法在能清楚听到胎音的情况下能迅速、准确的提取出胎儿心率变化的曲线。 基 本 原 理 超声波多普勒效应 超声波多普勒效应指超声波在传输过程中,在运动界面的反射时,反射波的频率发生偏移的现象。超声反射波频率偏移的大小与运动界面的运动速度有关。其原理如下所示。 基 本 原 理 胎儿心动多普勒信号的提取 当多普勒探头的发射器向胎儿心脏部位发射超声波时,探头的接收信号q由两部分组成: 1.发射部分与接受部分之间的声、电泄漏: 2.超声波在孕妇及胎儿体内传播中,受到胎儿心脏和其他多个运动界面的反射波: 探头的接收信号是二者的叠加: 基 本 原 理 经过计算后可得: 由于 ,在略去二级以上的无穷小量后可得: 基 本 原 理 对胎儿心动多普勒信号的提取通常有检波、鉴频、鉴相、乘法 四种方法。 本课题采用鉴频的方法提取胎儿心动多普勒信号。 鉴频后的信号为: 胎儿的心脏收缩最快时,产生的频偏最大,同时,能量也最大,所以频率偏移 和幅值 的变化周期与胎儿心脏跳动的周期同步。 基 本 原 理 实际超声波多普勒音频输入信号 鉴频后的信号其频率范围通常为几百赫兹,在人耳能够听到的频率范围内,将该信号通过功放放大后经由音响输出,再将该声音信号录制成Windows下的wav文件即为本课题的输入信号——超声波多普勒音频输入信号。由于该信号参杂有人说话的声音,所以首先要对该信号进行带通滤波。通过matlab频谱观测工具和实际信号特征,我们最终选用通带为100HZ到350HZ的滤波器对其滤波。滤波前后的信号分别如下图所示。 能量移动算法的实现 为何选用能量移动算法? 从多普勒心动信号中提取胎儿心率通常可以从能量变化的角度或者从频率变化的角度来提取。但实际信号成分复杂,干扰众多,实验用平均频移自相关处理效果很差,而滤波后的胎音非常清晰,所以想到从能量变化角度提取胎心率。 什么是能量移动算法 首先对回波信号加一矩形窗,对窗口内的信号进行傅立叶变换,计算窗内的信号能量,然后移动该窗口,再次计算出窗口内的信号能量;如此移动下去,得到信号的时间-能量分布曲线。流程图如下所示,实际应用中采用的窗口长度约为0.12秒。 能量移动算法的实现 能量移动算法处理结果 经过能量移动算法提取出的时间-能量曲线如下图所示: 峰值点模糊判别的实现 本课题从时间-能量曲线中提取峰值点采用拐点法进行峰值点初次判别,然后使用模糊技术进行峰值点的模糊判别。两种方法互相结合,前一步为后一步的处理减小计算量,以满足系统实时处理的要求;后一步为前一步的判别提高可靠性,以满足系统准确性的要求。 拐点法: 峰值点模糊判别的实现 模糊系统的组成: 峰值点模糊判别的实现 知识库 我们设计的模糊判断器的输入有如下三个: (1)当前预判的峰值点与前一个已经确定的峰值点之差除以前一分钟的平均心率值的两次心跳之间的间隔E1。 (2)当前预判峰值点之后的第一个初次判别点与当前点之差除以前一分钟的平均心率值的两次心跳之间的间隔E2。 (3)当前预判峰值点之后的第一个初次判别点与当前点的高度(能量)之差除以这两点中较高点的高度EH。 输出为一个介于0~1之间的可信值。其模糊子集可划分为{非,可能非,可能是,是}={NO,NP,YP,YES} 他们的隶属度函数如下图 峰值点模糊判别的实现 规则库: 如:If E1 is S, then OUTPUT is NO; If E1 is L and EH is N, then OUTPUT is YES; If E1 is L and E2 is S and EH is PL, then OUTPUT is NO;共15条模糊规则。

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