微弱信號檢測講座_第四講胎兒心率的相關(guān)檢測_黃正榮pdf

1、微弱信號檢測講座業(yè)曦啞教 i 啞拍如翻臃溉韌入限轟之叻簇第四 講 胎兒心率的相關(guān)檢測黃正 榮 傅豐枉胎兒心 率的測量是婦產(chǎn)科臨床監(jiān)護的重要項目之 一。 人工測量 心率的方法是累計一分鐘之內(nèi)心臟搏動 次數(shù), 由此測得 的心率稱為平均心率, 它表示一分鐘之 內(nèi)心臟平均搏動心率。 臨床上要求儀器測定的是瞬時心率 B, ; R, 一 1 /馬 (次 分/ ) , 式中馬 是相鄰兩次胎心搏動的時間間隔, 以 分為單位。本文主要介紹

2、用 自相 關(guān)處理從多 卜勒胎心信號中 提取胎心瞬時周期。 實際描記 的一段胎兒心率曲線如圖 1 。 圖巾縱坐標 是瞬時心率, 單位是次 / 分; 橫坐標是時間 , 位 1 5 毫米代表 1 分鐘。1 6 0 一一器 一~ -一 -二f 二-翰入~ 包~ 一弋尸~一1 00一 、 超聲多卜勒胎心 信號的性質(zhì)母 休腹腔內(nèi)除 了胎心搏動以外 , 還有血流、 內(nèi)臟蠕動和胎兒 運動 等組織活動。 利用多

3、卜勒效應(yīng)來探測胎心搏動的信息, 必然伴有其他活動組織產(chǎn)生的多卜勒信號。 這些信號構(gòu)成了胎心信號的背景 噪 聲。 另外 , 孕婦呼吸時腹部活動, 有時會導致?lián)Q能器與母體腹壁 之間的相對位移, 從而產(chǎn)生附加的隨機噪聲。 所有上 述噪聲, 當胎心信 號由于 某種原因而變得十分微 弱時,將嚴重地影響胎兒 心率 的正 確測定。此外, 純粹 的超聲多卜勒胎心信號是一個比 較復 雜 的信號。 正常一次心臟搏動將 產(chǎn)生如 圖 2 所 示 的

4、 D , 、 D 3 和 D 。 三個多 卜勒信號 , 它們分別與心臟的三個不同組織的運動相對應(yīng)。 由于 多種原 因, 這三部份信號的相對幅度在不斷地變化: 某一次可能是 D , 占主 導地位 , 下次可能是 D : 或 D ` 占主導地位 , … 。 也經(jīng)平吻渺}圖 2一 3 2 一 (翻舊)弦信號, 通過自相 關(guān)處理后 , 在延遲域 , 中合并成一個 正弦信號。 頻率 (或周期 ) 不變, 但初始相位為零。再考慮由兩

5、個非正弦同頻信 號 , : ( e 、 夕, (約 組成 的復合周期信號 夕。 ) , 參見圖 4 (。 ) , 因為夕 i (` ) 和 , , (` )可分別表示為一系列正弦信號之和。 所 以 求 夕 t)( 的 自相關(guān)函數(shù) , 實際就是求兩組正弦信號和的自相關(guān)函 數(shù)。 從式 ( )1 , 不難理解夕(約的 自相 關(guān)函數(shù)丑 ry 行) 的 波形將如圖 4 ( b) 所示。R 移 (了 ,間 (b )圖 4根據(jù)上面討論, 可以推知 ,

6、 若是對圖 2 的胎心信號 進行包絡(luò)檢波, 并濾去載頻分量, 則可得到如圖 (5 )ar1. … … ! ` … … 護、….Itf 司}… 皿。衛(wèi)蕎a() j 一 0, 幾 1 ( 0) 一 38/盆.1 自 ór. … … T I… … 通匕百 1! ! ! T… l !!二 ! _ k.10 合= 1 6, 一月( e ) j 一 2 , 幾 x (2 ) 一 i 8/圖}; ckt ’ ` ’

7、, t t : , t公 ` ” ” ” 奮 ” : ” 、獷““ +1“性吸了.0. 住 !!!… l… 乎 `卜- N =16 se e 叫(b ) 夕~ 1, R x x ( 1 ) ~ 2 8/x 嘆阮 . l l 0 … :*-0T!! . … … ! ! !…1 : *:. 藝 川 `!!! . . … :1。 苦`P . - -一一一 N 忽 1 6 護(d) , 一 3 云一(3 ) 一。,

8、二 x6所示的波形; 再將圖 5 (a) 信號進行自相關(guān)處理, 可以 消除胎心信號自身的同頻干擾, 而將 D l 、 馬、 ’D 在延遲域合并在一起, 得到如圖 5 (b) 所示的波形。 顯然圖6 b( ) 波形要比圖 5( 的 清晰簡單, 只要測 出從 二~ O 原點開始的第一個最高峰位置 ’T 便可確定胎心 的 瞬時心率(烏二 1/ 助。R “ 介》(b )圖 5三 、 數(shù)字 自相關(guān)處理上述測定胎

9、心周期 馬 的方法, 需要測出并記下相 關(guān)函數(shù) 丑 x x( 均 在延遲域中一段數(shù)據(jù)。 這段數(shù)據(jù) 的長度 至少要大于一個胎心周期。 一般的模擬相關(guān)器, 每測 里一次只能測出 R x (x 釣 的一個點 , 而且設(shè)有記憶裝置。 因此 以采用數(shù)字相關(guān)處理為合適。胎心信號數(shù)字自相關(guān)處理的主要 內(nèi)容為:)1( 用取樣電路每隔周期 刁, 對信號 抓約取樣, 把` (` ) 離散化為 劣 ( 0) ,

10、劣 1( ) , … 二 ( 無刁) (見圖 6 ) ;(2 ) 用 五 /刀 變換電路把 《 無刃 量化成數(shù) 字信號,存入存儲器內(nèi);( 3) 用專用 的硬件或者微型計算機, 根據(jù) 短時自相 關(guān)函數(shù)的表式, 算出不同延遲時間的自相關(guān)函執(zhí) 計算結(jié)果存入主存儲器內(nèi);(4 ) 從主存儲 器內(nèi)找出離原點 ( , ~ 0) 第一個最高 峰位置乃, 把 T, 換算成心率馬 輸出。胎心信號數(shù)字自相關(guān)處理的核心問題是計算短時自相關(guān)

11、函數(shù) 介 x x( 夕刃 。 下面對此作原理性說明。隨著時域中原始信號 二 t( ) 離散化為 城無必 , 延返域 中自相關(guān)函 數(shù)亦離散化為 介 x (x 夕刃 。 左 x l ( , 刃 的定 義表式為:” 二二 ( , d ) 一 責氮劣 (“ ) 一〔 (“ + , ,“ ,J ~ O, 1 , … (肚 一 1 )通常為了方便起見 , 式 中 刁常被省略 , 而表示為:會置

12、 N 為時域中被計算的 ` 服劣 的 ù3. t 蕊 X 原信號 ( 長 度 (見 圖 M . 1 46 ) , 叮為延遲域中 左 x x (j )的長度 (見圖 )7 。 現(xiàn) 以 圖 0 2 4 6 8 1 0 126 所示的周期性矩形脈沖 圖 7信號為例, 說明 介 x x (力 的計算。 設(shè)此矩形信號的周期為 1 0 個取樣周期, 計算 長度 N

13、~ 16 , 大于 一個信號周期。 為簡便起見設(shè)信號的幅度為 1a圖 6 ( a ) : j ~ 0 , 信號 劣 偽+ 夕) 與原 信號公偽 ) 相同, 將圖中上、 下兩個相同位置的離散信號相乘、 相加并除以 N , 得原點相 關(guān)函數(shù)` 二工 ( 。卜責禽二 2 (“ )二 二.二 . , , 立 _~ 氣,1 二 0, 1 1 十 1