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胎儿瞬时心率信号的非线性分析 摘要 胎儿的健康状况主要受胎儿中枢神经系统的控制，而中枢神经系统的储备能 力很弱，较容易受到缺氧等状况的影响胎儿心率的变化是中枢神经系统正常调 节机能的体现。因此，监测胎儿的瞬时心率并分析瞬时心率的变化状况是诊断胎 儿健康状况的最简单有效的方法。 本论文的内容主要包括三部分： 一胎儿心音信号的提取。该部分主要介绍了利用计算机中的声卡装置然后 结合m a t l a b 语言将超声探头获取的胎儿心音信号输入到计算机中，以方便进行 进一步的分析和处理。 二胎儿瞬时心率信号的获取。 胎儿瞬时心率信号的获取采用了三种方法：经典的自相关法、小波分解法和 小波变换模极大值法。实验结果表明，小波变换模极大值法能更好的去除信号中 的噪声，得到更准确的胎儿瞬时心率信号 三胎儿瞬时心率信号的非线性分析。 在获得较为准确、可靠的胎儿瞬时心率曲线后，下一个关键的步骤就是对该 信号进行分析。胎儿瞬时心率信号的分析中，采用w e l c h 法对胎儿瞬时心率信号 的功率谱进行分析。通过功率谱的特性我们发现，胎儿瞬时心率信号的功率谱谱 线是连续谱且伴有尖峰，因此说明胎儿的瞬时心率信号既不是噪声，也不是完全 的周期信号。 为进一步研究胎儿瞬时心率信号的特性，我们进行了非线性特性的研究。首 先，在利用互信息法、c - c 算法和g p 算法得到延迟时间和嵌入维后，对信号进 行了相空间重构，然后进一步计算了胎儿瞬时心率信号的关联维和最大李雅普诺 夫指数。通过计算我们发现，胎儿瞬时心率信号的关联维是分数维，最大李雅普 诺夫指数大于o 。随后又对信号进行了复杂度的分析，以上非线性分析都表明胎 儿瞬时心率信号不是随机信号也不是简单的完全的周期信号，而是服从一定动力 学规律的混沌信号。 关键词：胎心率；关联维；最大李雅普诺夫指数；系统复杂度 n o n ll n e a ra n a i y s i so ff e t a l in s t a n t a n e o u sh e a r tr a t e a b s t r a c t ， t h es t a t u so ff e t a lh e a l t hi sm a i n l yc o n t r o l l e db yt h ec e n t r a ln e r v o u s s y s t e m ，t h er e s e r v ec a p a c i t yo ft h ec e n t r a ln e r v o u ss y s t e mi sv e r yw e a k a n di ti se a s i l yr e f l e c t e db yt h eo x y g e nd e f i c i e n c y t h ef e t a lh e a r tr a t e i st h er e f l e c t i o no ft h er e g u l a t ea d j u s t m e n to ft h ec e n t r a ln e r v o u ss y s t e m + s om o n i t o r i n gt h ef e t a li n s t a n t a n e o u sh e a r tr a t ea n da n a l y z i n gt h e c h a n g i n gs t a t eo fi ti st h es i m p l e s ta n de f f e c t i v em e t h o dt od i a g n o s et h e f e t a ls t a t u s t h ec o n t e n to ft h i st h e s i sm a i n l yi n c l u d e st h r e ep a r t s ： f i r s t ：a c q u i r i n gt h ef e t a lh e a r ts o u n ds i g n a l t h ef e t a lh e a r ts o u n d s i g n a li so b t a i n e db yu l t r a s o n i ce q u i p m e n t t h i sp a r tm a i n l yi n t r o d u c e s am e t h o do fh o wt ou t i l i z et h es o u n dc a r da n dc o m b i n i n gm a t l a bl a n g u a g e t oi n p u tt h ef e t a lh e a r ts o u n ds i g n a li n t ot h ec o m p u t e r s i tisi no r d e r t oc a r r yo nf u r t h e ra n a l y s i sa n dt r e a t m e n t s e c o n d ：t h ea c q u i s i t i o no fs i g n a lo ff e t a li n s t a n t a n e o u sh e a r tr a t e t h r e e k i n d so fm e t h o d sa r ei n t r o d u c e di nt h isp a r t t h e ya r et h e c l a s s i c a la u t o c o r r e l a t i o na l g o r i t h m 、w a v e l e ta n a l y s i sa l g o r i t h ma n dt h e m a x i m u mv a l u eo fw a v e l e tm o d u l ea l g o r i t h m t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t i n d i c a t et h a tt h em e t h o do ft h em a x i m u mv a l u eo fw a v e l e tm o d u l ea r i t h m e t i c c a ne l i m i n a t et h en o i s eo fs i g n a le f f e c t i v e l ya n dt h e no b t a i nam o r e a c c u r a t ef e t a li n s t a n t a n e o u sh e a r tr a t e t h i r d ：t h ea n a l y s i so fs i g n a lo ff e t a li n s t a n t a n e o u sh e a r tr a t e a f t e r o b t a i n i n gt h ec u r v eo fa c c u r a t ef e t a li n s t a n t a n e o u sh e a r tr a t e ，t h en e x t c e n t r a ls t e pi st oa n a l y z et h es i g n a l i nt h i sp a r t ，u t i l i z i n gw e l c h a l g o r i t h mt oa n a l y z et h ep o w e rs p e c t r u mo ff e t a lh e a r tr a t ea tf i r s t f r o m t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ep o w e rs p e c t r u m ，i tc a nb ef o u n dt h a tp o w e r i i s p e c t r u mo ff e t a lh e a r tr a t ei sc o n t i n u o u sa n dw i t hp i n n a c l e s s oi tc a n b ep r o v e dt h a tt h ef e t a li n s t a n t a n e o u sh e a r tr a t ei sn e i t h e ras i g n a lo f n o i s en o rac o m p l e t ep e r i o d i cs i g n a l i no r d e rt of u r t h e rs t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i co ff e t a lh e a r tr a t e ，w e s t u d yt h ec h a o t i cc h a r a c t e r i s t i c f i r s t ，u n d e rt h ec o n d i t i o no fg e t t i n g e m b e d d i n gd i m e n s i o na n dt h ed e l a y e dt i m eb ym u t u a li n f o r m a t i o na l g o r i t h m 、 c - ca l g o r i t h ma n dg pa l g o r i t h m ，w er e c o n s t r u c tt h ep h a s es p a c ea n d c a l c u l a t et h en o n l i n e a rp a r a m e t e r s ，s u c ha sc o r r e l a t i o nd i m e n s i o n sa n d t h el a r g e s tl y a p u n o ve x p o n e n t s f r o mt h er e s u l t s ，w ec a nc o n c l u d et h a t t h ec o r r e l a t i o nd i m e n s i o ni st h ef r a c t i o na n di t sl a r g e s tl y a p u n o v e x p o n e n ti sp o s i t i v e a tl a s tw ea n a l y z et h es i g n a lw i t hc o m p l e x i t y a l l t h e s ei n d i c a t et h a tt h ef e t a li n s t a n t a n e o u sh e a r tr a t es i g n a li sn o t s i m p l en o i s e ，n o ts i m p l e p e r i o d i cs i g n a l ，i ti sc h a o t i cs i g n a l ，w h i c h o b e y s c e r t a i nd y n a m i c a ll a w k e y w o r d s ：f e t aih e a r tr a t e ；c o r r ela tio ndim e n sio n ；t h eia r g e s tl y a p u n o v e x p o n e n t ；s y s t e m a t i cc o m p i e x i t y 1 1 1 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 “据我所知，除了文中特别加以标注和致谤的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得一f 注i 麴遗查墓丝霞噩挂型直暇 盟l 生生塑盟或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：奄蕊蓝签字日期：训年妇如日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 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、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文储签名奄蕊趋 签字日期：诹，月；p 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址； 导师签字： 够仇 签字日期：如西年，月3 d 日 电话： 邮编 胎儿瞬时心率信号的非线性分析 1 绪论 随着优生优育知识的普及，人们对孕产妇的监护要求越来越高，已由最初的 降低孕产妇和胎儿的死亡率到降低婴儿的远期致残率，从而最终提高我国人口的 素质【1 1 胎儿在生长过程中经常处于缺氧、缺血的窘迫状态是导致孕产妇死亡和婴儿 缺陷的一个很重要的原因。统计表明，至少3 0 的大脑麻痹和1 0 的严重智力 迟钝是由于胎儿在富内缺氧所引起的，我国弱智儿童中很大部分是由于胎儿生长 过程中处于缺氧的窘迫状态而导致发育不良或早产。胎儿心脏是供给胎儿全身氧 和营养的器官，其活动维护全身的恒定性，并直接接受血液运行动态变化和激素 等体液的调节，此外还受大脑中枢神经系统的支配。高危妊娠孕妇由于多种病理 原因的影响，易造成胎盘供血不足或胎盘功能减退，使得母儿血气交换异常，胎 儿处于慢性缺氧状态，可致胎儿窘迫、发育迟缓，如果宫缩或高危因素恶化，甚 至可致死胎、死产或新生儿死亡这一切均可以从胎儿心率的变化上反映出来 故监测胎儿心率并分析其心率变化情况是诊治胎儿状况最简便有效的方法。 今天，胎儿心率监护早已从仅仅为了推知胎儿生死的时代，进入到诊断胎儿 的储备能力和健康状况的时代。健康的胎儿随子宫内环境的不同，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。胎儿心率的变化是中枢 神经系统正常调节机能的体现，因此，胎心率监护在胎儿诊断学中占有非常重要 的地位。 1 1 胎儿监护的发展 1 1 1 传统监护法1 2 。j 1 6 5 0 年，法国人m a r s a r 提出，胎儿在子宫内有胎心音存在。1 8 1 8 年，外 科医生m a y o r 用耳朵直接从母体腹部听到了胎心音。于是人们对胎心音才有了 迸一步的了解。尽管当时知道得很肤浅，但这毕竟为后来的胎儿监护的进一步的 发展奠定了基础。1 8 2 1 年，l a e n n e c 用自己发明的木制听诊器开始监听胎心音。 1 9 5 7 年，e d w a r dh o n 开t i , j t 以腹壁诱导- 6 , e g 法监测胎心率( 胎心外监护) ，并 阐述了胎心率变化和宫缩压力的关系。1 9 6 5 年，h o n 和同事应用胎儿头皮电极 监护胎心获得成功，使胎儿直接心电监护( 胎心内监护) 成为可能，但由于其方 胎儿瞬时心率信号的非线性分析 法复杂，易发生感染而较少使用。1 8 2 2 年，l a e n n e c 的弟子k e r g a r a d e c 发表论 文，阐述用听诊器诊断妊娠及观察胎儿异常，遂使昕诊器在欧美普及开来。1 8 3 3 年k e n n e d y 的胎心音听诊一书的出版，较详细地阐述了胎心音听诊的方法和 临床意义，并提出胎头或脐带受到挤压会影响胎心率。k e n n e d y 是第一个指出， 子宫收缩后胎心率下降是危险的征兆的人。同时他还指出，胎便污染羊水提示胎 儿缺氧。到了1 8 9 3 年，w i n k e l 指出，胎心率每分钟超过1 6 0 次或低于1 0 0 次 为胎儿窘迫。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率进行研究， 阐述了胎心率变化与宫缩压力有关，今天普及于世界的胎心率监护仪，就是在他 当年研制的仪器的原型上改进的。他首创了以腹壁诱导心电法监测胎心率，并将： 瞬时胎心率图记录下来。 1 1 2 电子监护法 1 9 6 0 年以后，e d w a r d h o n ，c a l d e y ob a r c i a ，h a m m a c h e r 等都报告了有关胎 心率图的研究。1 9 6 4 年，超声多普勒( d o p p l e r ) 效应被应用于妇产科晒床，在检 测胎心率方面取得成功，为胎儿监护仪的普及提供了条件。1 9 6 5 年，e d w a r d h o n 应用胎儿头皮电极监护成功，使胎儿监护更加精确，为胎心率的理论研究创造了 条件。1 9 6 8 年，第一次欧洲围产医学会在柏林召开，大会对胎儿监护进行了讨 论并肯定。1 9 7 1 年1 1 月和1 9 7 2 年3 月，分别召开了胎儿监护仪规格化及其 用语统一化的国际会议。从此，大批通用胎儿监护仪投放市场，普及于各发达国 家吲。 1 1 3 胎儿监护的发展现状【6 1 进入到2 0 世纪7 0 年代以后，因集成电路及计算机技术的发展，使检测信 号的方法、自动分析及仪器的自动控制等更加理想，加之大量临床资料及使用仪 器经验的交流，使胎儿监护普及，成为产科工作中必备手段。目前，许多发达国 家都在生产胎儿监护仪，其型号日新月异，功能也在不断完善。胎儿监护中心也 正在发展起来。我国胎儿监护仪的运用和推广还处在初级阶段。用不了多长时间， 我国的胎儿监护工作就会达到今天发达国家的水平。 1 2 胎儿监护的意义及前景 大部分弱智儿童都是因为胎儿在生长过程中经常处于缺氧、缺血的窘迫状态 2 胎儿瞬时心率信号的非线性分析 引起的，其中有2 5 n 是可以避免的。因此，在围产期对胎儿进行监护是非常必要 的。进行胎儿监护，可以了解胎儿的发育状况，及时发现胎儿的异常状况，从而 及时采取有效的解决措施，从而保证孕妇和胎儿的安全 胎儿监护的方法很多，胎心率电子监护是监护胎儿健康状况的有效方法。以 往进行胎心监护的时候，都是通过目测胎心监护的结果，从而得到主观的判断， 这种检测方法由于没有一个客观的判断标准而导致分析结果不同。现在，通过计 算机进行胎心率分析，可以对各种情况下的胎心率结果作出准确评价，从而对降 低围产儿的患病率起了重要的作用。 目前，虽然电子胎儿监护已经得到了广泛的应用和发展，但是由于孕妇要进 行常规的监护都需要到医院的产科门诊进行就诊，在很大的程度上增加了突发和 异常事件的发生，增加了孕妇体力和经济上的负担而且，由于各地区经济状况 差异明显，还有很多边远贫困地区，交通不便、经济落后、入口分布不均、人们 缺乏基本的保健条件，尤其是高危孕妇得不到必要的检查和监测。传统的胎儿心 率监护不宜作为孕妇自我监护的手段，达不到时时监护和按需监护的要求胎儿 心率电子监护和计算机通信网络技术的发展，推动了远程胎儿心率监护技术在临 床的应用。远程胎儿心率监护技术超越了时间和空间的限制，是孕妇进行孕期自 我监护的新方法1 7 j ，尤其对因各种原因不可能长时间住院的高危妊娠孕妇自我监 护开辟了一条新的途径。孕妇只需在家中，利用电话网络或宽带网，将监测到的 胎心监护信息传到远程胎儿监护中心，然后远程胎儿监护中心再对数据进行分析 和处理，正确识别各种胎心监护图形和数据，从而更及时地判断胎儿的健康状况。 远程胎儿心率监护技术是电子胎心监护技术的发展，有更广阔的发展前途。 1 3 选题的目的及意义 如何从母体体外有效地提取体内胎儿的心跳信号，是一个具有较长研究历史 的研究问题，也是对胎儿心跳信号进行现代信号分析处理的一个重要前提。在利 用超声多普勒原理将胎儿心跳信号转换为模拟心音信号后，如何对该模拟心音信 号( 后文都简称为心音信号) 进行处理，从而得到准确的胎儿的瞬时心率信号， 则是现代围产医学工作者们不断研究的问题。目前，对胎心音信号的传统处理方 法有一定的弊端，在消除噪声的同时损失了信号的有用成分，或者是对噪声没有 很好的去除，重构信号不能准确的反映有用信号的特性，并且对胎儿瞬时心率的 堕! ! 堕堕：垒奎笪量竺韭丝丝坌堑 一一 计算准确性不够高，因此需要对传统的研究方法做进一步的改进由于生理系统 都是非线性系统，因此，为了更进一步地了解系统的特性，我们对所研究的信号 进行非线性动力学分析。 ： 1 4 主要工作 1 提取胎儿的心音信号，以便在后续工作中对其进行处理。 2 计算获得胎儿的瞬时心率信号。分别采用自相关法、小波分解法和小波 变换模极大值法对胎儿的心音信号进行处理，并对各种算法的结果进行比较，找 到更有效的处理方法。 3 对胎儿瞬时心率信号进行非线性分析。主要对胎儿瞬时心率信号进行重 构并计算它的最大李雅普诺夫指数、关联维和复杂度，从而进一步了解胎儿瞬时 心率信号的特性。 4 胎儿瞬时心率信号的非线性分析 2 胎儿信号的提取 2 1 心跳信号的获取 要想得到胎儿的瞬时心率，就必须首先获得胎儿的心跳信号，获取胎儿心跳 信号通常有以下几种方法： 1 胎儿心电法 这是表现胎儿心电现象的方法。具体的检测方法可分为两种：一是腹壁置电 极的间接法腹壁胎儿心电法是由母体腹壁置三个电极诱导胎儿心电的方法，此 法会同时检测出母体心电信号和微弱的胎j l , d 电信号，二者混合在一起，不利于 处理：二是电极直接置胎体的方法。直接胎儿心电法必须等到胎膜破裂或人工破 膜后才能使用，不利于胎儿的前期监护和长期监护 2 心音换能器检测胎儿心音信号法 这种方法是基于胎j l , d 脏收缩、舒张的机械现象。胎儿心脏( 包括成人心脏) 的一次搏动由心脏的收缩和舒张形成第一音和第二音。两个第一音或两个第二音 的时间间隔是一个完整的心跳周期。但是，胎儿的心音信号很弱，杂音多，诸如 胎动音、血管跳动音、母亲说话及开门声、脚步声等都会很轻易混入往往由于 心音探头位置稍有不当，心音间隔就不是从两个第一音或两个第二音检测出来， 而是以前一次搏动的第一音和后一次搏动的第二音或前一次搏动的第二音和后 一次搏动的第一音为心音间隔，从而导致瞬时心率值具有很大误差。 3 超声换能器( 超声多普勒探头) 检测胎儿心音信号 医用超声换能器即指医用超声多普勒探头，它是利用超声多普勒效应把别种 能量的信号转换成所要求的超声信号，或者把超声信号转换成所要求的别种能量 的信号，如将超声波信号转换成电信号等。在胎心率监护中，由超声探头得到的 电信号中就包含胎儿的心跳信号，通过对该心跳信号即模拟心音信号的处理，即 可得到胎儿的瞬时心率。由于超声波具有很好的方向性，且信号的强度可控制， 故采用超声探头检测来的胎心音信号强，杂音小，受富缩影响小，并适用妊娠各 阶段，最适合于分娩过程的监护。本论文就采用此方法【7 j 。 2 2 超声多普勒原理i | 】 超声多普勒效应是传输系统中声源与接收体间的有效传播距离随时间的改 胎儿瞬时心率信号的非线性分析 变引起声波频率变换的现象。声源和接收体作相对运动时，接收体在单位时间内 收到的振动频率，除声源发出者外，还由于接收体向前运动而使接收到的频率增 加：相反，声源和接收体作背离运动时，接收体收到的频率就减少，这种频率增 加和减少的现象称为超声多普勒效应。 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。 超声探头被置于孕妇腹壁上，发射晶片发出一束低能量的超声波束，波束在 入射过程中如遇到静止的脏器，则反射波的频率不变。如脏器运动，则反射波频 率将出现频移，即多普勒频移。频移的大小与脏器的运动速度有关，接收晶片把 反射波转换为电信号，根据所获得的电信号的幅度和周期即可判断出心跳的间隔 和强弱。经放大、检波等过程检出多普勒频移信号，从而得到随着脏器运动而变 化的输出信号。多普勒信号比外部来的杂音强，而且超声波具有很好的方向性， 且信号的强度可控制，因此可以很好的检测胎儿心音信号。 当声源不动而物体以速度v 朝向声源运动时，如果声源连续发射频率为z 的 超声波，则从物体上反射回来的是频率为正的超声波，且满足以下关系： = c - i - t _ ，_ i = ( 1 + 兰) 石 ( 2 1 ) 如果声柬与物体运动方向并不一致，夹角为e 时，则只取v 沿声速方向的有 效量v c o s e ，当声源与物体都在运动时，有 以= 兰黑c o s u 石 ( 2 - 2 ) c v 以与石之差称为多普勒频移名， 。 厶：三型 ( 2 3 ) ，d2 _ ，i 2 3 ) 母体中的胎儿心脏在不停地周期性地跳动，当以固定频率为z 的超声波以固 定的角度向母体中的胎儿心脏发出，接收回来的超声波频移，d 反映了胎儿的心 脏跳动情况。由于胎儿心脏的跳动是周期性的，因此频移信号也带有一定的周期 性，通过此频移信号进行处理，可以计算出胎儿的心率，这就是利用超声多普勒 技术提取胎，t l , 率的基本原理【9 1 。 6 胎儿瞬时心率信号的非线性分析 调幅波的幅度变化与胎儿心动周期一致，因此检测到包络幅度的变化周期， 就可得到胎儿心率但由于调幅波的变化与孕妇和胎几运动有关，因此信号的起 伏比较大。我们就是采用超声多普勒传感器采集心音信号，然后再由心音信号拾 取胎儿瞬时心率信号。将胎儿心音信号通过声卡传给计算机。 母体腹部的超声探头接收到的回波主要由以下部分组成【l o i ： ( 1 ) 胎儿心脏壁室的肌肉运动，频率在o 0 1 至o 0 2 的载波频率处； ( 2 ) 胎儿心脏瓣膜信号，频率在0 0 2 至0 0 5 的载波频率处 ( 3 ) 胎儿动脉血流信号，频率在0 0 5 至o 1 的载波频率处： ( 4 ) 胎儿静脉血流信号； ( 5 ) 胎儿呼吸信号； ( 6 ) 母体内液体流动信号，及母体腹壁运动信号； ( 7 ) 由于载波漂移、前端失谐造成的噪声干扰。 其中前三项构成了超声回波的主要部分和有用部分。第七项可由技术豹改进 而减少到可以忽略的程度。第四项、第五项和第六项构成对超声回波信号的干扰。 因此需要对超声回波信号进行一定的处理，去除噪声信号，从而获得有用信号的 变化曲线。 2 3m a t l a b 中基于声卡的信号采集 2 3 1m a t l a b 介绍 m a t l a b 软件是一个数据分析和处理能力强大的工程软件，它有强大的信号分 析、数值分析和处理功能，丰富的仿真功能和方便的编程接口，而且具有可视化 的图形界面，操作简单方便。但若要对大量的实验数据利用m a d a b 的数据分析 处理功能进行处理，则首先要将实验数据转换成m a t l a b 的数据格式，这是一件 十分繁杂的任务。若能直接从m a t l a b 环境下采集实验数据，无疑对与实验分析 和数据处理都是有益的。m a t l a b l 拘数据采集工具箱( d a qt o o l b o x ) 为在m a t l a b 中实现数据采集提供了十分方便的数据采集函数。利用这些数据采集函数，可以 将信号作为变量直接存入m a t l a b 环境下，然后再利用m a t l a b 中信号分析与处理工 具箱中的信号对采集到的信号进行分析和处理，从而得到所需的数据。 2 3 2 声卡介绍 在对生理信号进行处理的过程中，信号的采集是一个很重要的环节。目前生 7 胎儿瞬时，b 率信号的非线性分析 理信号的采集大多采用专门的信号采集卡。这种专门的信号采集卡，与计算机的 兼容性比较差，而且价格也都比较高，最重要的是，当操作系统升级时，其驱动 程序的升级比较困难。计算机的声卡是一个性价比较高的音频信号采集系统，而 且其兼容性好，通用性强，特别是驱动程序升级方便。因此利用计算机的声卡作、 为生理信号的采集设备，可以大大降低信号采集系统的成本，而且性能比较高f 目前市面上的数据采集卡一般都包含了完整的数据采集电路和与计算机的 接口电路，但其价格比较昂贵。而如今声卡技术已经成熟，成本越来越低一般 的声卡都可以实现双通道、1 6 位、高保真的数据采集，高档声卡里的d 转换 ， 器的性能更高，采样率甚至可以达到4 8 k h z 。对于许多科学试验和工程测量来说，。 其样本量化精度和采样率是足够高的，甚至优于目前常用数据采集卡的性能。 利用声卡进行生理信号数据采集，从声卡的l i n ei n 端送入待转换的模拟生理 信号，在相应软件的控制下，将生理信号视同为声音信号进行模数转换。模拟声 信号经过声卡前置处理及a d 转换后变成数字信号，送入输入缓冲区，然后通 过各种数字信号处理的方法对波形输入缓冲区的数据进行处理，完成声音消噪、 音效处理、声音合成等功能，最后把处理好的数据把保存到存储设备，这就是声 音信号的录制过程，即可实现对信号的采集和存储f ”1 。 声卡的主要技术指标： 在数据采集系统的设计过程中，人们关心的主要技术指标为采集通道数，采 样频率和量化字长等，它们必须满足特定的需要。一般声卡具有如下特点： 量化字长：8 ，1 6 位； 采样速率：4 、8 、1 1 0 2 5 、4 4 1 、4 8k h z 等； 采集道数；l ( 单声道) ，2 ( 双声道) ； 频率响应：2 0 0 h z 2 0 l d - l z ( 3 d b ) ； c m r r ： 6 5d b ： 编码方式：d p c m 或a d p c m 声卡的工作流程图2 1 。 胎儿瞬时心率信号的非线性分析 |i - 。1 ：i ! ! i i j l l j 固- 。- ji ! ； ；! 模拟声信号l 叫德筹h 脚区卜 数 据 信 号 功率放大 + 一d ，a 波形重建| 一数据输出缓冲区1 一 处 理 。- - - - 一一。一一 图2 1 声卡流程图 2 3 3 数据采集 i d a t l a b 的数据采集工具箱提供了一整套的命令和函数，通过调用这些函 数和命令，可以直接控制各种与p c 机兼容的数据采集设备的数据采集和通讯， 本系统使用的是声卡。 数据采集过程可以分为以下几步进行： 1 ) 初始化。为声卡建立一个设备对象，通过对该对象的操作来作用于硬件 设备。 a = a n a l o g i n p u t ( w i n s o u n d 1 ； 对声卡产生一个模拟输入对象( a d a n a l o g i n p u t ( ) t 模拟输入设备对象建立函数，通过该函数将d 转换卡硬 件映射为m a t l a bw o r k s p a c e 中的一个模拟输入设备对象句柄 w i n s o u n d ，声卡设备驱动程序，m a t l a b 软件内含该驱动程序 2 ) 设定参数。给越对象添加通道，设置采样频率。 a d d c h a n n e l ( a i ，1 ) ； 添加通道 f s = 8 0 0 0 ；采样频率设置为8 k h z a i s a m p l e r a t e = f s ； 设置采样频率 3 )。 t = 2 s ；设定采样时间 s t a r t ； 启动设备对象 由于声卡具备三种触发方式，当触发方式设置为i m m e d i a t e 时，s t a r t 命令将 9 胎儿瞬时心率信号的非线性分析 立即触发声卡，对输入信号进行采集；当触发方式设i 茭j m a n u a l 时，则必须用 t r i g g e r ( a i ) 命令人工触发声卡来启动对输入信号的采集；当触发方式设置为 触时，声卡设备将自动监测输入信号的电平，如果输入信号电平达到t r i g g e r c o n d i t i o nv a l u e 条件值时将会自动触发，完成对输入信号集。? 4 ) 提取和查看数据。 当声卡被触发后，声卡设备会自动将采集到的数据存入m a t l a bd a t ae n g i n 中，为t 呔d a t a e n g i n 中提取数据，d a q t o o l b o x 提供了专用命令，其命令格式 为：二 g e t d a t a ( a i 娜 。 n 为要提取的数据点数，该命令将从d a t ae n g i n 中提取n 点数据，并从 d a t a e n g i n 删除这n 点数据。 d a qt o o l b o x 提供了一个数据查看命令，其命令格式为： p e e k d a t a ( a i 舯 n 为要查看的数据点数，该命令将从d a t ae n g i n 诤提取n 。癔数据；趄这n ? 点数据仍然保留在d a t ae n g i n e p 。 5 ) 终止。停止对象并删除对象。当数据采集完成后，声卡设备仍然保留在系 统中，为了清除该设备，应使用命令： s t o p ( a i ) ；s t o p 命令将停止声卡设备运行。 d e l e t e ( a i ) ；d e l e t e 命令将从系统中删除声卡设备。 若在退出数据采集任务之前，未执行上述两条语句，则在退出数据采集任务 之后，系统中将会仍然保留声卡设备，在下一次启动数据采集任务时系统将会发 出声卡设备在使用中的错误信息。因此，在退出数据采集任务之前，必须执行上 述两个命令来删除声卡设备。这样便完成了次完整的数据采集过程。 实验获取的胎心音信号如图2 2 所示。图中横轴为采样点数。 1 0 胎儿瞑时心率信号的非线性分析 。，i l “t 山j 。j玉血il i l i 。i d k 1 k 【i l i l “l | i l i 【l ” 门1r m 7 1 w 1阿”叩7 f 0 1 2 345 6 - 8 x 1 0 3 图2 2 胎心音信号 选取胎心信号的采样频率是一个很关键的问题。假设被检测的胎儿的瞬时心 率正常，为1 4 0 次，分钟，则一次心跳的时间间隔r 为： r ；黑：旦；0 4 2 8 5 7s 瞬时心率1 4 0 。 。 如果采样频率为5 1 2 h z ，则一次心跳的间隔内的数据个数为； n ；_ = 一2 1 9 l 5 1 2 如果在计算过程中因为计算周期不准确，导致数据多或者少一个的话，根据 刚才设定的采样频率，那么瞬时心率就分别为： h i = 芴可6 0 币* 1 3 9 b p m 日2 ：熹1 4 1 b p m 2 1 8 1 5 1 2 因此，我们可以看出，一个数据的差错就可以使瞬时心率在一分钟之内加快 或减慢一次，这对我们的计算不利。因此，我们需要提高采样的频率。通过计算 发现，如果将采样频率提高y ；j 1 0 2 4 h z 的话，瞬时心率在一分钟内上下波动一次， 需要变化的数据个数为3 ，因此在进行胎心音信号的提取时，取采样频率1 0 2 4 i - - i z ， 这样虽然增加了数据量和运算时间，但同时也提高了胎心音信号的信息量，是一 个比较合理的采样频率。 ， 略 o 4 胎儿瞬时心率信号的非线性分析 3 , q 台l l 瞬时心率信号的提取 3 1 心率的特点 心率即心脏收缩的频率，指单位时间内心脏搏动的次数，单位为跳分( p b m ) 它是心脏做功的一个重要决定性因素，也是心排血量增加的重要机制之一。正常 窦性心率起源于窦房结，窦房结冲动经正常房室传导系统依次下传至心房、房室 结、房室束，双侧束支及心室，最后引起房室的激动，传导时间比较恒定。心率 随着年龄的增长而减慢，健康胎儿的心率范围为1 2 0 1 6 0 b p m ，儿童为1 1 0 1 2 0 b p m ， 成人为6 0 - 1 0 0 b p m ，而老年人可慢至5 5 - 7 5 b p m t ”j 。心率受诸多因素的影响，包括 脑的高级神经活动、中枢神经系统的自发性节律活动、呼吸方式以及压力和化学 传导器导入的心血管反射活动等，这些因素的影响最终通过交感神经和迷走神经 的调制作用表现出来。交感神经对心率的影响是由其释放肾上腺素和去甲肾上腺 素产生，迷走神经对心率的作用是通过其释放的乙酰胆碱产生，它导致心率减慢、 传导阻滞等抑制性效应【1 “5 l 。因此，正常人的心率并不是恒定的，丽是起伏变 化的。 3 2 i 台l , l 音信号的处理 3 2 1 自相关算法 设x ( t ) = s ( t ) + n ( t ) ，则x p ) 的自相关函数为： r 。( f ) = l i mi j r 蟊s ( f ) + 盯( ，) 】【j ( f + f ) + 以( f + r ) 1 枷2 r = r 。( f ) + r 。( f ) + r 。( f ) + r 。( f ) ( 3 1 ) 其中，f 为延时，假设原始信号为确定周期信号j ( f ) 与噪声疗( f ) 的叠加，由 于噪声与信号不相关，最后两项将为零。随f 的增大，r 。( ) 将趋近于其均方 【e h ( f ) ) 】2 如玎( f ) 为白噪声，理论上自相关为一个6 函数。信号x ( ，) 的自相关 函数将等于所需提取的信s 呼s ( t ) 的自相关函数，当s ( t ) 为周期函数时，自相关 j k ( f ) 也是周期函数，且与j ( ，) 具有相同的周期，因此，可根据检测出信号的周 期来。 胎儿瞬时，b 率信号的非线性分析 利用超声多普勒探头检测到的胎心音信号成分复杂，不是严格的周期信号， 但是我们可以将它近似为周期性信号，因为相邻周期的差异一般不超过1 0 。 经自相关处理后，随机干扰被有效抑制，保留了胎心音信号的周期特性，有助于 求取胎心音信号的周期。 由于原始信号的信噪比很低，所以在对信号进行自相关处理之前，应先将获 取的胎心音信号经过滤波处理，得到其包络曲线，然后我们再对其包络信号进行 自相关处理，从而求得胎儿的心率。本文在进行滤波预处理时，使用的是汉宁窗 ( h a n n i n gw i n d o w ) 。 汉宁窗的数学表达式： 以加争l c o 而2 7 1 7 ) 】勘( 功 = o 5 r ( 月) 一o 2 5 ( e 。- 1 + e 。2 h a 1 ) r ( ，力 2 h f 利用傅立叶变换的移位特性，汉宁窗频谱的幅度函数w ( 可用矩形窗的 幅度函数表示为： 矽( 奶= o 5 ( 功+ o 2 5 r r r ( 国一南) + + j 两2 t ) 】 ( 3 3 ) 三部分矩形窗频谱相加，使旁瓣互相抵消，能量集中在主瓣，旁瓣大大减小， 主瓣宽度增加1 倍 在提取胎心音信号时，使用的采样频率为1 0 2 4 h z ，然后根据健康胎儿心率 信号值和临床数据的测试，我们把汉宁窗的窗口长度取为1 2 8 。由于提取胎心音 信号的采用频率为1 0 2 4 h z ，因此进行自相关处理时选取自相关运算的长度为 1 0 2 4 个采样点。 汉宁窗的时域特性如图3 - - 1 所示，图中横轴为采样点数。 汉宁窗的频域特性如图3 - - 2 所示。 原始胎心音信号通过汉宁窗滤波处理后的信号如图3 - - 3 所示。 对胎心音信号进行自相关处理后的波形如图3 4 所示，横轴为采样点数。 堕些壁堕：垒奎堡量竺! ! 堡垒坌堑 图3 一l 汉宁窗时域特性图 图3 - - 2 汉宁窗频域特性 图3 3 滤波后信号 1 4 胎儿瞬时心率信号的非线性分析 图3 - - 4 自相关信号 从图3 - - 3 和图3 4 的结果中，我们可以看出，滤波后的信号与原始信号的 周期特性基本一致，自相关信号的周期特性更为明显，更有利于求取胎儿的瞬时 心率。在理想的自相关信号中，从r 。( k ) 中检出离原点的第一最大峰值及其对应 的时间值k ，便可以得到胎几的心动周期t f = k ，* h r ，则胎凡瞬时心率f = 1 厂r f 。 3 2 2 小波分解法【1 6 1 小波分析是当前数学中一个迅速发展的新领域，它同时具有理论深刻和应用 十分广泛的双重意义。小波变换的概念是由法国从事石油信号处理的工程师 j m o r l e t 在1 9 7 4 年首先提出的，通过物理的直观和信号处理的实际需要经验的 建立了反演公式，当时未能得到数学家的认可。1 9 8 6 年，著名数学家y m e y e r 偶 然构造出一个真正的小波基之后，小波分析才开始蓬勃发展起来。 小波分析的应用是与小波分析的理论研究紧密地结合在一起的。事实上小波 分析的应用领域十分广泛，包括： ( 1 ) 小波分析用于信号与图象压缩是小波分析应用的一个重要方面。它的特 点是压缩比高，压缩速度快，压缩后能保持信号与图像的特征不变，且在传递中 可以抗干扰。基于小波分析的压缩方法很多，比较成功的有小波包最好基方法， 小波域纹理模型方法，小波变换零树压缩，小波变换向量压缩等。 ( 2 ) 小波在信号分析中的应用也十分广泛? 它可以用于边界的处理与滤波、 时频分析、信噪分离与提取弱信号、求分形指数、信号的识别与诊断以及多尺度 边缘检测等。 ( 3 ) 在工程技术等方面的应用。包括计算机视觉、计算机图形学、曲线设计、 湍流、远程宇宙的研究与生物医学方面。 胎儿瞬时心率信号的非线性分析 小波变换作为- - f - j 学科诞生于2 0 世纪8 0 年代末，它的出现来自两方面的动 力，即数学上的进展和工程问题的提出及解决。随着理论研究的逐渐成熟，小波 分析法在生物医学信号的处理和远程医疗诊断等方面得到有效应用和发展。 对于一般的非平稳信号，短时傅立叶变换通过加窗口函数，采用一般傅立叶。 变换的分析方法，通过改变窗口的位置，而不能改变窗口的形状，来逼进非平稳 信号。它实际上是一种只有固定的单一分辨率的时频分析，并且时间分辨率和频 率分辨率不可能同时提高。显然，短时傅立叶变换自身存在固有的缺点。 小波分析的方法是一种时域和频域窗1 2 1 可根据频率改变而改变的分析方法， 即采用不同的分辨率来分析信号中的不同频率分量，克服了短时傅立叶变换的弱； 点。对于高频分量，表明信号变化快，主要是希望了解信号的高频分量出现和消 失的