（电路与系统专业论文）胎心监护仪的开发及心率信号的非线性动力学分析.pdf

中文摘要 ， f 监测胎心率及其变化，是诊治胎儿在子宫内状况的最简便方法。 基手传统的胎儿监护仪功能单一、数据处理手段原始，我们研制了多 通道胎儿监护仪。首先，把信号通过模入接口卡p c 一6 3 6 0 送进计算机， 用v b 做一个人机交互界面，实现了多路信号的采集和多路信号的实时 显示，建立了病例档案，并把算出的心率值送给胎心监护仪的前面板 显示电路，实现硬件的同步显示，在心率值异常时，能启动监护仪前 面板上的报警显示，实现报警功能。然后对信号进行统计分析、简单 的时频域分析和一些非线性分析。希望通过对大量临床病例的分析， 找到标志胎j l f 同健康状况的非线性动力学指标及其允布范围，从而 为医生的临床检测和诊断提供一个统一的判断标准。， 本文采集了1 5 例年龄在2 0 一3 0 岁之间的健康青年人的心率信号， 采集时间为3 0 分钟左右。文中对1 5 例心率信号进行了统计分析和简 单的时频域分析，发现大部分人的平均心率集中在7 0 - 8 0 次分，其功 率谱是一有尖峰的连续谱，说明心率信号不是简单的噪声，它服从一 定的动力学规律。我们还对信号进行厅相空间重构，计算了信号的关 联维数、最大l y a p u n o v 指数、近似熵和复杂度这几个非线性特征量， 我们发现，心率信号的吸引子是奇怪吸引子，关联维数介于5 到7 之 间，具有分维的特征，其最大l y a p u n o v 指数大于0 ，其近似熵值和复 杂度值明显区别于噪声，这说明心率信号不是随机噪声，它是服从确 定性动力学规律的高维混沌信号。我们还使用重现图形和重现定量分 析法对信号进行了分析，分析结果进一步验证了上面的结论。 关键词胎儿监j ；人机墨 ! f 螽矗心率音可j 线猩豸力学分析 高维混沌 a b s t r a c t i ti sc o n v e n i e n tt od i a g n o s et h es t a t eo ff e t u si nt h ew o m b b y m e a n so f e x a m i n i n gt h eh e a r tb e a tr o t ea n dh e a r tb e a tr a t ev a r i a b i l i t y , 1 1 1 em e t h o d s o ft r a d i t i o n a lf e t a lm o n i t o ra r cb a s e do nl i n e a ra n ds t a t i s t i c a la n a l y s i s 。s o t h em u l t i c h a r m e lf e t a lm o n i t o rc o m e sf o r t hu n d e rt h ee n d e a v e ro fo u r g r o u p a tf i r s t , s i g n a l sa r ei n p u t t e di n t oc o m p u t e rt h r o u g hp c 6 3 6 0 i n o r d e rt oc o l l e c tt h e s i g n a l s ，ac o n t r o li n t e r f a c eo f v i s u a lb a s i ci sc o m p l e t e d t h i sc o n t r o li n t e r f a c ec a na c c o m p l i s hr e a l t i m ed i s p l a ya n de s t a b l i s haf i l e o fc a s e ，a tt h es a m et i m e ，t h en u m e r i c a lv a l u eo fh e a r tb e a tr a t ei ss e n tt o d i s p l a yc i r c u i to ff e t a lm o n i t o r , t h es y n c h r o n o u sd i s p l a yr e a l i z e d i ft h e h e a r tb e a tr a t ei so u to f t h en o r m a ls c o p e ，t h el a m p so f a l a r mw i l lb es t a r t e d t h e nw ew i l ld os o m es t a t i s t i c a la n dn o n l i n e a ra n a l y s i s w eh o p et h a tw e c o u l d a p p r o v eau n i f o r mc r i t e r i o n t ot h ed o c t o rb yt h ea n a l y s i so fm lk i n d s o fc a s e s i nt h i sp a p e r , s i g n a l so fh e a r tb e a tr a t ea l ec o l l e c t e df r o m1 5h e a l t h y y o u t h a l lo ft h e m 嘴b e t w e e n2 0t o3 0y e a r so l d , t h es a m p l i n gt i m ei s a b o u t3 0m i n u t e s f r o mt h er e s u l t so fl i n e a ra n a l y s i s ，i tc a r lb ef o u n dt h a t m o s to ft h ep e o p l e sh e a r tb e a tr a t ec e n t r a l i z ea t7 0 - 8 0t i m e s d m i n i t s p o w e rs p e c t r u mi sac o n t i n u o u ss p c c t r u n l 、“t lap i n n a c l e t h i ss h o w s t h a t t h eh e a r tb e a tr a t es i g n a lo b e y sc e r t a i nd y n a m i c a ll a w w er e c o n s t r u c t e d t h ep h a s es p a c ea n dc a l c u l a t e dt h en o n l i n e a r p a r a m e t e r ss u c ha sc o r r e l a t i o n d i m e n s i o n ，t h el a r g e s tl y a p u n o ve x p o n e n t ，a p p r o x i m a t ee r l 仃o p y a n dl z c o m p l e x i t y o ft h ed a t a i tc a nb ec o n e l u df r o mt h er e s u l t st h a tt h e r e c o n s t r u c t i o no fh e a r tb e a tr a t es i g n a li ss t r a n g e ，i t sc o r r e l a t i o nd i m e n s i o n i sb e t w e e n5t o7a n dh a v et h ec h a r a c t e ro ff r a c t a ld i m e n s i o n , i t sl a r g e s t l y a p u n o ve x p o n e n ti sl a r g e rt h a nz e r o ，i t sa p p r o x i m a t ee n t r o p ya n dl - z c o r n p l e x i t ya r eo b v i o u s l yd i f r e rf r o mn o i s e w ec a nd r a wac o n c l u s i o n f r o ma l la b o v e ：t h eh e a r th e a tr o t e s i g n a l i s n t s i m p l en o i s e ，i ti sh i g h d i m e n s i o n a lc h a o so b e y sc e r t a i nd y n a m i c a ll a w t h er e s u l t so fr e c u r r e n c e p l o ta n a l y s i sa n d r e c u r r e n c eq u a n t i f i c a t i o na n a l y s i sa p p r o v et h ec o n c l u s i o n a b o v e k e y t o r d s ： r a t es i g n a l m u l t i c h a n n e lf e t a lm o n i t o rc o n t r o li n t e r f a c eh e a r tb e a t n o n l i n e a r d y n a m i c a la n a l y s i s h i g hd i m e n s i o n a lc h a o s 独创性声明 本人声l j 所叠交的学位论文足小人推导帅指导卜进行的研究t 作及取得的研究成果。捌我所知，除r 文t i 特别加以标注和致射的 地方外，论义l lr l i 包含c 他人l 绛发表或撰j 过的研究成粜，也，f i 也龠为欹褂尔北师范入学或j e 他教f r 机构的学位或证二饽而使j j 过的 材料。与我一嘲t 作的同忠对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作r 明确的说明并表示谢意。 学位论义作肯签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论义作者完全r 解尔北师范人学订火保留、使j j 学位论 文的规定，即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和磁艋，允许论文被查阅和借阅。本人授权东 北师范大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适川奉授权书) 学位论文作者签名：幽指导教师签名：鲞盔 ij 期：础主。五矽l j 期：翘：圣醴 学位论文忭辑毕业丽七向： t 作单位： 通讯地址： 电酯： 邮编：1 凼! 卫主 第一章绪论 胎儿心脏是供给全身氧和营养的器宦，j i 活功维护全身的恒定性， j f ：a 接或f i i 】接受血液运行动态变化手激素等体液的调，此外还受肪j ，f 枢神经系统的支配。这一切均反l | 史扛胎心率的变化j 二。监测胎心牢 及j e 变化，足诊治胎儿状况最简便的方法。 1 _ l 胎心监护的发展 胎儿监护是围产期监护一i t 的一项重要措施。其发展经历了几个时 期。1 9 6 0 年以前传统监护法。1 6 5 0 年，法国人m a r s a r 提出， 胎儿存子寓内有胎心青存在。这个在当今看来十分简明的事实，在那 时去| 】经撕r1 5 0 年之1 7 , - 2 1 被医7 i 坤】承认。1 8 1 8 年，外科医q - m a y o r 用耳朵直接从腹部听到了胎心音，于是人类对胎心音有了进一步的r 解。1 8 2 2 年，l a e n n e c 的弟予i ( e r g a r a d e c 发表论文，阐述用昕 诊器诊断妊娠及观察胎儿异常，遂使胎心听诊在欧美普及开来，1 8 3 3 年，k e n n e d y 的胎心音i 听诊一伟出版，比较详细地阐述了胎心 音昕诊的方法及临床意义，并提出胎头或脐带受压会影响胎心率。他 第一个指出，子宫收缩后，胎心率下降是危险征兆。1 8 9 3 年，w i n k e l 提 ，胎心率每分钟超过1 6 0 次或低于| 0 0 次为胎儿窘迫。1 9 0 6 年， g r e m e r 首先经腹壁记录到胎儿心电，但并来用于产科临床。1 9 2 3 年，s c h a e f f e r 用胎心音装置对产妇进行胎儿心电图的研究，阐述 r 胎心率变化与官缩压力的关系，今天普及于世界的胎心率监护仪， 就是神：他? 与年研制的仪器原型 ：改进的。他汁创了以腹壁诱导心电法 监测胎心率，j ：将瞬时船心率 5 i 址采f 米。 1 9 6 0 年以后一一电了监护法。1 9 6 0 年以后，e d w 久r d h o n ， c a l d e y o b a r c i a h a m m a c h e r 等竞相报告有戈胎心率图的研 究。1 9 6 4 年，超声多普勒( d o p p l e r ) 效应被j j 十妇产科 临床，在检测 胎心牢、及脐带血流方面取得成功，为胎儿监护的普及提供了条件。 1 9 6 5 年，e d w a r dh o n 应朋胎儿头皮电极监护成功，使胎儿监护更 加精确，为胎心率的理论l i j f 究创造r 科学条什。h 年，n 年i , c e 注 意到胎儿心跳问别的变化能预示胎儿的致命危险1 2 i 。1 9 6 8 年，第一次 瞅洲| 匍产医学会在柏林引开，对胎儿监护进行r 讨论及肯定。1 9 7 1 年 1 1 月和1 9 7 2 年3 月，分别召开丫胎儿监护仪舰格化及其用语统一化的 际会泌，从此人批通j j 腑儿监护仪投放l u 场，黹及十符发达国家。 进入7 0 年代以后，斟集成i i _ l 路及l l l 脑技术的发展，使检拾信号的 方法、f 功分析及仪器的r j 动控制等更加理想。加之人最临床资料及 使j j 仪器经验的交流，使胎儿监护迅速普及，成为产科工作中必备手 段。对邢些已经熟知并已用惯了胎儿监护仪的医院，不用这种仪器的 妊娠、分娩管理成为不可哎想。目前，许多发达国家都在生产胎儿监 护仪，其型号口新月异，功能也在刁i 断完善。胎儿监护仪不仅普及到 备综合医院，且普及到每个接生站，有的医院已经达到每张待产床都 青一台胎儿监护仪。胎儿监护 i 心和胎儿远程监护已经发展起来。我 幽胎儿监护仪的运用和推“还处在初期阶段。但由于胎儿监护仪所发 挥的显著临床效果和全体妇产科工作者对该仪器的迫切要求它的推 广及普及速度是其他医疗设备难以比拟的。可以肯定，用不了几年， 我国胎儿监护工作就会达到今天各发达国家的水平。 今天，胎心率的观察，早已从仅仅为了推知胎儿生死的时代，进 入到诊断胎儿的储备能力和预测胎儿健康状况的时代。健康的胎儿随 了寓内环境的不同，时刻发生着细微的变化，而储备能力差的胎儿有 些能力则表现不出来。胎心率的变化是循环系统和中枢神经系统机能 调节的表现，因此，利用检测胎心率的变化，了解胎儿在子宫内的储 备能力及对乏氧的耐受力，预测胎儿的健康状况，以给出其健康与否 的诊断标准，提高人口质量。 1 2 选题 本文的丁作来源子舌林省科委项日多通道胎儿监护仪的研 制。在传统的胎心监护巾，统计学分析方法山于计算简单、指标意义 观而被临床医 t - ：j - 。泛接受。这种方法圭要绘制口i 理信号的直方图， 计算生理信号的平均值、方差、最大值、最小值和标准偏差等。基于 传统的胎儿监护仪功能单一、数据处理手段原始，我们拟研制的多通 道胎儿监护仪可以实时地显示胎儿的瞬时心率、母体的宫缩曲线以及 胎动状况并依据非线性动力学原理，通过对大量病例的统计分析找 到标志胎儿不同健康状况的非线性动力学指标及其分布范围，可参考 多种指标对母体和胎儿的健康状况进行监测，从而为医生的临床监测 提供统一的判断标准。 由于我们研制的胎心监护仪尚未进入产科临床使用阶段，所以我 们采集了成人瞬时心率信号作为分析对象。 1 3 心率信号研究的背景和意义 近年来的许多研究成果表明，健康人的心率即使在静息状态下也 是有涨落的，并非恒定不变的。这一说法与体内平衡理论p l 中正常稳 定状态下心率是恒定的说法是矛盾的。心率信号表现为既非确定性的 周期信号，也非完全的随机信号。 影响心率波动的因素非常复杂，如脑的高级神经活动，中枢神经 系统的自发性节律活动，呼吸活动以及由压力、化学感受器导入的心 血管反射活动等，这诸多因素对心脏的交感神经和迷走神经的调制作 用，引起心率的波动。心率的变化反映了机体内、外环境对心血管系 统的扰动以及心血管系统通过自主神经及体液调节对这种扰动的反应 【”，心率信号蕴含了大量有关心血管调节的信息，对这些信息的提取 和分析可以定量评估心脏交感神经和迷走神经的紧张性、均衡性及其 对心血管系统活动的影响。它可以应用于临床的许多方面，包括冠心 病的诊断、充血性心衰、心律失常等方面的研究p l 。心率信号的研究 对病中监护和预后评估均有重要意义。 1 4 对心率信号进行非线性动力学分析的必要性 统计学分析方法由于计算简单、指标意义直观而被临床医生广泛 接受。但由于生理系统是非线性系统，要阐明生理信号的非线性本质 3 是上述统计学分析法难咀胜任的。因此，我们采用非线性动力学的方 法对其进行分析。 非线性科学的崛起，特别是其中混沌运动的发现，被喻为继量子 理论和相对论创立后2 0 世纪物理学的第三次革命。由于自然界的各种 活动规律和社会上各种活动规律绝大多数都是非线性的，线性只不过 是这种非线性的某种近似。1 9 6 3 年气象学家l o r e n z 在研究大气在地表 受阳光照射变热和变冷而产生的对流过程时，揭示了初值敏感性与不 可预测眭1 6 】。l i y o r k e 于1 9 7 5 提出“三周期意味着混沌”，并首次 使用混沌词。对至今日，有关混沌的研究几乎已经渗透到自然科学 和社会科学的各个领域。 非线性系统的一种极为重要的运动形态就是混沌，各种生物，特 别是包括人类在内的灵长目动物，可阻说是自然界中最复杂的系统， 在其各种运动( 变化) 中出现混沌也就是很自然的事，现己为大量事 实和分析所证明。用这种新的关于混沌的理论和方法研究自然现象和 社会现象已成为深入了解这些现象的实质而加阻利用的必不可少的工 具。 物理学上，混沌通常被认为是确定的、耗散的非线性动力系统中 无序的、不可预知的行为。至今似乎还没有关于混沌的公认的确切定 义。应进一步说明的是：混沌是服从确定性规律但具有随机性的运动 1 7 1 。服从确定性规律( 即可以用各种数学方程表述其规律，不管方程 是已找到或是未找到) 的系统称为确定性系统，因此混沌也就是确定 性系统中出现的具有随机性的运动。应该强调的是：混沌不能被简单 等同于无序，它是一种非周期性的有序。即混沌是服从确定性规律但 具有随机性的运动。我们知道，吸引子是指系统最终形成的在相空间 中不变流型或点集。r u e l l e 等在研究从平流到湍流的转变机制时，引 入了奇怪吸引子的概念( 不同于其它的不动点、周期或准周期吸引子) 。 混沌系统通常具有奇怪吸引子。其特点是：有确定的维数；具有 分形几何特征( 无穷自相似结构) 。 关于混沌的研究有许多方面，如混沌控制、如何有效识别混沌以 及计算混沌的特征量等1 8 一i 。我们主要计算生理信号的非线性特征量。 4 1 5 本文将完成的主要工作 1 ) 心率信号通过模入接口卡送入计算机； 2 ) 完成一个美观、易操作、完善的人机交互界面，实现对数据的 实时采集和显示，并能建立病例档案，为后面的非线性分析奠定基础； 把算出的心率值送给胎心监护仪的前面板显示电路，实现硬件的同步 显示，并能启动监护仪前面板上的报警显示，在心率值异常时实现报 警功能。 3 ) 通过对心率信号的线性和非线性分析给出一个全面的、具有 说服力的特征报告。 4 ) 考察测试者不同的身体状况是否导致了不同的特征表现。 第二章多通道胎儿监护仪工作流程 通过胎儿监护仪监测胎儿的健康状况是孕妇分娩前临床监测的重 要手段。其中最主要的监测指标是胎儿的瞬时心率、母体的宫缩频率、 幅度以及胎动次数。我们设计的多通道胎儿监护仪对胎儿的心率信号、 母体宫缩信号和胎儿的胎动信号同时进行监测，并把采集来的各路信 号送迸计算机通过简洁、方便的人机交互界面可以对胎儿的状况进 行实时监控，还可以对采集的信号进行一些简单的运算对保存下来 的数据可以进行后期的处理及一些非线性分析。这样就以可参考多种 指标对母体和胎儿的健康状况进行监护。 2 1 多路信号的提取 多通道j l 台j i , 监护仪的应用示意图如图2 - 1 所示： 图2 - 1 多通道胎儿监护仪系统应用示意图 胎儿监护仪配有超声多普勒胎心音探头、腹部宫缩压力探头和胎 动标记按钮。想计算出胎儿的瞬时心率，就必须首先获得胎儿的心跳 信号。我们使用超声多普勒探头检测胎儿的心音信号，心音信号经放 大、检波、滤波、整形、分频之后，送到p c - - - - 6 3 6 0 多功能模入接口卡， 同时宫缩信号和胎动信号经放大后也接迸来，计算机经接收、运算后， 计算出胎心率，同时对各路信号进行实时显示和监护。 6 2 1 1 使用超声多普勒探头检测胎儿的心音信号 超声探头又被称为超声换能器，它的作用是把别种能源的信号或 能量转换成所要求的超声信号或能量。或者反之，把超声信号或能量 转换成所需要的另一种形式的信号或能量。例如将超声信号转换成电 信号。超声多普勒效应就是传输系统中因声源与观察点问的有效传播 距离随时间改变而引起的所观察到的声波频率有所改变的现象。 超声多普勒探头就是利用超声波的多普勒效应和超声探头的压电 效应，由发射晶片发射波束，遇到运动物体时，便形成反射波束，此 反射波束被接收晶片接收后变换为电信号。 心动周期中，心肌收缩、瓣膜启闭、血液加速和减速对心血管壁 的加压和减压作用以及形成的涡流等因素引起的机械振动，可通过周 围组织传递到胸壁：如将听诊器放在胸壁某些部位，就可听到声音， 称为心音。心音发生在心动周期的某些特定时期，其音调和持续时间 也有一定的规律；正常心脏可听到4 个心音，按出现的先后命名为第 一心音、第二心音、第三心音和第四心音。多数情况下只能听到第一 和第二心音，在某些健康儿童和青年人也可听到第三心音，4 0 岁以上 的健康人也有可能出现第四心音。心脏的某些异常活动可以产生杂音 或其他异常心音。第一心音发生在心缩期，音调低，持续时间相对较 强，在心尖搏动处( 左第五肋闻隙锁骨中线) 听得最清楚。在心缩期 心室射血引起大血管扩张及产生的涡流发出的低频振动，以及由于房 室瓣突然关闭所引起的振动是听诊的第一心音的主要组成成分。第 二心音发生在心脏舒张期，频率较高，持续时间较短。第三心音发生 在快速充盈末期，是一种低频、低振幅的心音。它可能是由于心室快 速充盈末期，血液充盈减慢，流速突然改变，形成一种力使心室壁和 瓣膜发生振动而产生的。第四心音是与心房收缩有关的一组心室收缩 期前的振动，故也称心房音。 根据上面所说的心音特点，由超声多普勒探头获得的电信号的幅 度和周期即可判断出胎儿心跳的间隔和强弱。多普勒信号比外部来的 杂音强，受富缩的影响很小，并适用于妊娠各阶段，最适于分娩过程 7 的监护。国外进口仪器大多也采用此方法检测心音。 由以上介绍可知，与测胎儿心电法、使用心音换能器( 微型麦克 风) 检出胎儿心音信号等方法相比，超声多普勒法具有不可比拟的优 点，因此我们使用超声多普勒探头拾取胎儿的心音信号 2 1 2 胎儿心率的计算 有了胎儿的心音信号后，还需将其转换成瞬时心率才能作为判断 胎儿健康状况的标准。心率指的是每分钟心跳的次数。正常人心率范 围为6 0 1 0 0 次分，大多数为7 0 8 0 次分，女性稍快。三岁以下儿童 多在1 0 0 次，分以上。老年人多偏慢。成人心率超过1 0 0 谢分就称为心 动过速，心率低于6 0 谢分称为心动过缓。 我们通常所说的心率是指某一段时间内的平均心率，而胎儿的瞬 时心率是指根据胎儿的每一次心跳或每几次心跳计算出的心率值。 瞬时方式计算胎心率是指由仪器检测出的心跳间隔时间直接算出 胎心率的方法，这种方法的先决条件是信号必须规整易检。我们采用 的超声多普勒信号，困其信号离散性大，难以用瞬时方式描记出规整 图，因此我们采用移动平均方式计算胎心率的方法。这是用连续数跳 的心跳间隔时间的平均值作为心跳间隔时间来计算胎心率的方法。 正常胎儿的心率范围在1 2 卜1 6 0 次分，如果胎儿的心率为1 6 1 一1 8 0 次，分，则该胎儿的心跳为轻度过速；如果胎儿的心率大于1 8 0 次，分，则该胎儿的心跳为重度过速 如果胎儿的心率为1 0 0 1 1 9 次t 分，则该胎儿的心跳为轻度过缓：如果胎儿的心率小于9 9 次分，则 该胎儿的心跳为重度过缓。可见，准确实时地算出胎儿的瞬时心率对 于判断胎儿的健康状况具有重要意义。 2 1 3 宫缩和胎动信号 母体子宫收缩的频率、强度以及胎儿的胎动频率是孕妇临床监测 中的重要指标。尤其在孕妇的妊娠后期，母体宫缩较中前期明显频繁， 强度加大，胎儿的胎动也比较频繁，更适于在监测中反映母体和胎儿 是否处于正常状态。多通道胎儿监护仪使用专门的腹部富缩压力探头 测量母体的宫缩信号。胎儿的胎动信号由母体感知，孕妇每感觉到一 r 次胎动，即按一次胎动标记按键，记录一次胎动。 2 。2 多路信号的采集 我们用p c 6 3 6 0 多功能模入接口卡把心率信号、胎动信号和宫缩 信号接入计算机。p c 一6 3 6 0 多功能模入接口卡适用于具有i s a 总线的 p c 系列微机，具有很好的兼容性，c p u 从目前广泛使用的“位处理 器直到早期的1 6 位处理器均可适用操作系统可选用经典的m s _ d o s ， 目前流行的w i n d o w s 系列、高稳定性的u n i x 等多种操作系统以及专业 数据采集分析系统l a b v l e w 等软件环境。在硬件的安装上也非常简单 使用时只需将接口卡插入机内任何一个i s a 总线插槽中，信号电缆从机 箱外部直接接入。卡上的a d 转换结果为1 2 位字长同时还备有4 路 数字量输入和4 路数字量输出接口以及1 m h z 的基准时钟，能够满足我 们各路信号的精度需要。把富缩信号送入p c 6 3 6 0 的a d 通道，心率 信号和胎动信号送入p c 6 3 6 0 的数字输，通道，接入计算机，以方便 后面的实时监控和后期数据的分析。 p c - 6 3 6 0 的a d 转换启动方式可以选用程序触发、定时器自动触发、 外同步触发等方式。根据输入信号的特点，l 我们设定a d 转换输出码制 为单极性原码，信号输入范围为：0 i o v ，从控制信号的采样频率考虑， 我们采用程序触发方式启动a d 转换。 2 3 多路信号的监护 人机交互界面主要用v i s u a lb a s i c6 0 语言编写( 因为p c - 6 0 0 0 系列 驱动程序支持v i s u a lb a s i c6 0 语言) 1 i ：1 1 2 , 1 3 1 ，实现同步显示和存储 p c 6 3 6 0 采进来的胎心率、富缩和胎动曲线，并将计算出的胎心率经 p c 6 3 6 0 的数字输出通道送给胎心监护仪，l 使得胎心监护仪的前面板同 步显示胎儿的瞬时心率值。如果胎儿的瞬日寸| 心率值连续2 0 秒小于1 2 0 次分或大于1 8 0 次，分，则启动报警装置。l 此外监护界面还能建立病 例档案保存孕妇的姓名、年龄、妊娠周剃、病历号、监护日期、监护 时长等信息，便于后面数据的管理、分组利分析。 9 心街信号经放大、检波、滤波、整形、分频之后，以占空比不等的 方波形式送到p c 6 3 6 0 多功能模入接潮卡韵数字输入通道，送到计算 机中的方波信号经捡测运算层可键到两次心跳之闻的对阈阉隔，然后 根据公式： n ，玉率蓬= 竺次，分 世 霹算褥测试者真实的瞬黠心率僮。经移劫平均露计箕斑鲍心搴蓬鬟示出 来，并将其送到数字输出通道控制监护仪前蕊板的间步显示。富缩信 母由于频率魄较低，露采蠲定对嚣定时的方法控稍采样频率为l 符，。胎 貔痿号送到p e 6 3 6 0 多功憝摸入接口卡夔数字竣入透遂，每当擎妇感 觉到有胎动时可按下手中的胎动按钮，计算机记录到胎动信号后就在和 塞缭莲线曩多瓣屏幕上打一个熹。监护器瑟蟊黼所示： 豳2 - 2 弹出界面 o 闺2 - 3 用户输入界蓠 图2 - 4 监控界疆 图2 - 2 弹出器嚣的图形鹜景是一个j e 线性动力学模型。说明我们 豹工弦主要采用j # 线性的分析方法。图2 - 3 用户输入界面可以方便地 记录下孕妇的相关信息。图2 - 4 监控界面可以控制移动平均的次数以 及实现对多路信号进行实时显示和存储，并同步显示监测时间以及计 算出的心率值。如果心率异常则标志有异常信号的灯亮。 以上实现了多路信号的提取、采集和监控，是胎心监护仪的完整 工作流程。对采进来的数据可以进行后期处理和分析。 2 第三章分析方法 本文对心率信号主要进行一些非线性分析。非线性动力学理论对 于实践科学的重要性在于它能够定量地描述复杂动力学系统的特征并 提取动力系统随时问的演变信息。目前生物医学信号的非线性分析方 法主要有分形维数和l y a p u n o v 指数的估算、非线性预测等等。但由于 以上方法存在着所需数据长、易受噪声影响的问题，而实际测得的生 物信号往往很难满足上述要求，所以使用时一定要谨慎。 在第一节，将简单介绍一下传统的数字信号处理方法，以获取信 号的时域和频域特征。在第二节我们对这两者的定义和计算方法进行 了较为详细的介绍。尽管分形维数和l y a p u n o v 指数的估算存在着上述 的问题，但它们在判别系统的混沌性质时有着非常重要的作用。文中 引入错误近邻分析法确定适当的嵌入维，用互信息函数法来确定合理 的延迟时间，为计算关联维和l y a p u n o v 指数奠定了基础。在第三节， 介绍了重现图形和重现定量分析法。重现图形分析法是判断数据中是 否存在某些确定性规律的有效工具，特别是在处理非平稳数据时更加 有意义；重现定量分析法则是重现图形分析法的发展，是重现图形分 析法的量化，相比于重现图形分析法的直观，它能够对数据进行定量 分析。 3 1 传统的数字信号处理方法 3 1 1 相关函数法 在信号处理中经常要研究两个信号的相似性，或一个信号经过一 段延迟后自身的相似性，以实现信号的检测、识别与提取。相关函数 是描述随机信号的重要的统计量，其定义如下1 5 1 ： ( 肘) = 州”m 月+ m ) ( 3 - 1 ) 其中( m ) 定义为信号j ( 九) 和“n ) 的互相关函数。该式表示： ( m ) 在时刻m 时的值，等于将“一) 保持不动而灭n ) 左移历个抽样周 1 3 蘩螽，褥个净鬟薅疲穗乘孬褶燕黪结采。茏其注意，式( 3 i ) 不酝写 成，一m ) ，这怒因为 o 。( 脚) = “n 州胆+ m ) 一x ( n ) y ( n - m ) = ， 一牌) ( 3 2 ) 一 啊( m ) 表示“厅) 不动，将j ( 订) 左移m 个单位然后对应相乘再相加的 结采，鹭熊窥如哟不璃。程上蔼鹣定义中，哟麴廷遮量研等予炎茫) 的时间变量减去的时间变量，即 r v ( m ) 一x ( n 叫= ! l 协o ) 壮曲 2 r a ( n 0 卜+ 啦2r r y ( - i ) ( 3 - 3 ) 式中m - - 4 - i ，由此不难褥出互相关函数的另外一种定义： 卅卜x ( n - m ) y ( n 一晰) ( 3 - 4 ) 如果h n ) 一工( ，z ) ，则上颟定义的互相关函数变成自相关函敷： 嘣矾产x ( n ) x ( n m ) ( 3 5 ) 越 囱相关函数反映了信号j ( 硝和其囱身作了段延迟之后的x ( n m ) 的相 戗程度。利建媚关爨数，我稠可以诗算滕心率，寓缭郄胎动熔号救互 相关函数，以确定它们之间是否有相互茨系。还可醴计算革个信锊的 蠡摆关蹑数，凌察嵇号蘧黪耀戆演交情凝。 3 。l ，2 功率谱分柝法 功率谱的渊源很长。嵌涉及到信号与系统、随机信号分析、概率 统诗、淹瓤遭翟、甄箨伐数等一系残熬蒸毯学瓣，广泛窿瓣子雷达、 声纳，通信、地质勘探、天文、嫩物医学工程等众多领域，其内容、 方法不断更新，是一个其蠢强大熏命力豹毛螽究领域。 计冀功攀谱有根多种靠法，我们采用宜i 接法 1 6 1 。直接法又称周期 图法，它是把随机信号x ( n ) 的n 点观察数据并。( 订) 视为一能量有限信 1 4 n ，直接取( n ) 的傅立r 变换得x 。( p ”) ，然后再取其幅值的平方， 并除以h ，作为对( ”) 真实的功率谱p ( e ”) 的估计。以( p 问) 表示 周期图法估计出的功率谱，则 p p e r ( a 0 ) = 专k ( 脚) 1 2 ( 3 - 6 ) 周期图这一概念由s c h u s t e r 于1 8 9 9 年首先提出的。因为它是直接由 傅立叶变换得到的，所咀人们习惯上称之为直接法。在f f t 问世之前， 由于该方法的计算量过大而无法运用。自1 9 6 5 年的f f t 出现后，此方 法就变成了谱估计中的一个常用的方法。将f - o 在单位圆上等间隔取值， 得 k ( 七) = 击i 托( 七) 1 2 ( 3 - 7 ) 由于x 、，( 七) 可以用f f t 快速计算所以( 女) 也可方便的求出。 3 2 几个非线性动力学特征量 自然界的各种活动规律和社会上各种活动规律绝大多数都是非线 性的，线性不过是这种非线性的某种近似。非线性动力学是近二、三 十年来发展起来的新兴学科，但是，非线性并不是一个新概念，它指 的是不满足比例性和可加性。早在牛顿时期人们就己经认识到了非线 性的存在，但是由于非线性动力学理论自身的复杂性及没有有效的计 算工具，发展十分缓慢。最近二、三十年由于计算机技术的发展，非 线性理论得到了飞速发展。我们采用几个非线性特征量对信号进行分 析。 3 2 1 相空间重构 运用非线性分析法分析对阋序列，是班重构褶空间为前提的。我 们往往只有对系统的一个或少数几个状态变量的离散观测序列。但是， 非线性系统中各个状态变量之间是相互作用的，系统的一个变量的变 化一定会受到其它变量的影响，因此一个变量的变化可以反映整个系 i5 统变化的规律。根据这一思想，1 9 8 0 年p a c k a r d i ”i 等提出r 用时问序 列重构相空间的方法。高质量重构的相空间将为以后的计算提供保障。 其具体做法如下： 对于已获得的一组长度为n 的时间序列 x ( 0 ，x r 2 ) 门) ，选择适 当的延迟时间t ，可以重构出一个m 维的相空间，重构的相空间中任 意一点x 的坐标为： 工( f x x ( i + r 1 f + ? r ) ，f + ( m - 1 ) r ) j 其中t _ 七f ，是固定的时间间隔，是两次相邻采样的时间间隔，k 是整数。f = ，2 ， 虬，n 。= n 一( m 一1 ) f 是相空间中的总点数。 在重构的相空间中，轨迹的分布或结构( 即所谓吸引子) 反映系 统的动力学特征：如果轨迹最后趋于一点，表示系统处于稳定定态； 如果轨迹最终构成一闭曲线，表明系统的运动是周期的：如果轨迹最 后杂乱无章地密集在一有限范围内，表明系统做随机运动；如果轨迹 分布具有某些特殊的结构( 即奇怪吸引子) ，则系统的运动很可能是非 线性的混沌状态或具有某种确定性行为。 为使重构的相空间能较充分而细致地反映系统运动的特征，必须 恰当地选取嵌入维m 和延迟时间一的大小。我们采用自相关函数法和 互信息函数法确定延迟时间t ，用错误近邻分析法确定嵌入维m 。 1 计算自相关函数 目前还没有统一选取最佳延迟时间的方法，但人们普遍发现只要 延迟时间选在一合适的范围内，对最终结果的影响不大【l8 1 。我们根据 自相关函数第一次降到c 俐2 时所对应的，作为延迟时间t 。 2 计算互信息函数 f r a s e r 等人提出了利用计算互信息函数第一极小值的方法确定 t 。互信息函数是两个随机变量间一般性( 包括线性和非线性) 随机 关联的度量，是非线性的分析方法故用互信息函数对时间序列进行分 析，是一种合理的方法。f r a s e r 等人在计算互信息函数时，使用了等 概率划分空间格子的方法1 1 9 1 ，这种方法在原理上难以掌握，计算繁琐 费时，给应用带来不便。我们采用杨志安等人提出的等间距划分空间 1 6 格子的方法唧l ，确定互信息函数的第极小值，以确定t 。这种方法 简便、易掌握、省机时。 将s h a n o n 信息理论应用于吸引子：把吸引子的测量值作为讯号， 由于吸引子是遍历的，并有完好定义的渐进几率分布，因此我们考虑 的讯号( 测量值) 几率存在，并长时问收敛于此几率。设s 表示一组 讯号为却、句，品的系统，s 在s 处的几率密度为j d _ ，御，它将讯 号映射为几率。令0 表示一组讯号为肌，的另一系统。对 两个系统，同时测得s 研的几率，表示为只。陬妙，又称作联合概率。 对于两个系统( q ) ：给定s 的一个测量值，预测q 的平均信息量为 互信息函数： ，f s ，92 衄印一唧9 一所s ，纠 ( 3 - 8 ) 它表征了x o + r 值怎样依赖删值。易见聪纠不是变量5 ，g 的函数， 而是只。的函数，是只。崎岖不平的整体度量。式中研铆是系统s 的熵： h ( s ) = 一p ，( s ，) l o g p ，( s ) ( 3 - 9 ) 研匀表示对指定系统s 的九个s t 的测量，得到的平均信息量。所纠有 着与脚铆类似的意义。t t ( s , g 是两个系统( s g ) 的联合熵： h ( s ，0 ) = 一p q ( 虬，早) l o g p q ( ，q ) ( 3 - 1 0 ) j ，r 固e 9 表示同时测量i 1 个s l 与q 所测得到的平均信息量。利用实验数 据计算互信息函数，其主要工作是计算只。向，只扣，和岛 。 如果伍宁j 平面中大小为z 2 s z s q 的个格子中有婀f 个点，则： 只。：m 。，。，为均匀越过这个格子点的几率。在时间序列重构问题中， 我们关心的是j r + r j 值对x ( o 值的依赖性，因为如此，我们就令： 卜g 】= b ，x o + r j 】a 3 错误近邻分析法 如果我们对要分析的系统没有先验认识，无从得知其拓扑维数， 在重构相空间时嵌入维的选择便成了一个非常重要的问题。1 9 9 2 年 k e n n e l 等人提出了一种确定最小嵌入维( 且满足能够将吸引子充分打 开的条件) 的方法，即所谓的错误近邻分析法( f a l s en e a r e s t n e i g h b o r sa n a l y s i s ) 1 2 1 ，2 n 。该方法是通过计算错误的最小近邻来寻找 1 7 适当的嵌入维。它的基本思想是：假设给定的时间序列b ，却， x 、 的最小嵌入维为d 枷，在n 。6 维的重构相空间中的吸引子与原始相 空间的吸引子是一一对应的，即他们是拓扑等价的。这样，在原始相 空间吸引子中给定点的近邻点将映射到重构相空间吸引子中该点的邻 近点上。假定系统动力学平滑，则所有点的邻域都将映射到重构相空 间的邻域( 形状和半径将按照l y a p u n o v 指数规律变化) 。若重构维数 卅小于系统原吸引子的真实维数，吸引子中本来不相邻的点可能被投 影到重构的相空间中变成近邻点，这样的点既然不是原吸引子中的真 实近邻点，因此只能算是错误近邻点( f a l s en e a r e s tn e r g h b o r ，f n n ) 。 而当嵌入空间的维数m 大于或等于真实的嵌入维， 时，吸引子被打 开( u n f o l d e d ) ，错误近邻点消失。因此可以根据错误近邻点百分比 ( f a l s en e a r e s tn e i g h b o rp e r c e n t a g e ，f n n p ) 随m 变化的曲线来确定 0 6 。当在某维数m 处，错误近邻百分比( f n n p ) 骤然降到( 或接近) 0 ， 而且不再随1 t l 增大而变化，这个骤变点处的n i 值就是正确的续。6 。具 体算法如下：， 对于m 维相空间中的每一相点五，找到它的最邻近点苒，计算这 两点之间的距离i * 爿j4 ，在肌一，维相空间中这两点之间的距离表示为 i 伽一u 出r m + d ，定义比值： n i x ，旧一x t + i ) i l f x l lx ( j + 肌r ) 一j ( j + m f ) i 一2 瓦= 巧广一一 z 了r ( 3 - 1 1 ) 如果尺l 大于给定的容差阈值r 。f ，那么这对近邻点就是虚假近邻若 满足尺) 如，的相点个数( 或百分比) 骤变为零或者足够小且之后不 再随m 增大而变化，则此时的肌即最小嵌入维0 。尺叫的选取一般 在0 1 5 左右，如果r 。值太大就会低估了f n n 的数目，反之尺“值太 小会使虚假最小近邻的数目变多，特别是当相空间中的点较稀疏时影 响更大。 作虚假最小近邻的数目百分比( f n n p ) 随肌变化的曲线， f n n p 骤然降到( 或接近) o 时的骤变点处的珊值就是正确的眈柚。虚假最 小近邻法的一个较有用的附加功能就是能够显示信号中的噪声水平。 对于噪声，由于它是无穷多模的信号，其维数随坍增大而增大，因此 无定值，其f n n p 永远不会降到0 ；对于被噪声污染的信号，f n n p 1 i 会骤然降到( 或接近) 0 ，而只可能较缓慢地下降。可见，由f n