吳軍,李勁松,雷健波,潘志方
1.西南醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)信息與工程學(xué)院,四川 瀘州 646000;2.浙江大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院,浙江 杭州 310058;3.北京大學(xué) 醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)信息中心,北京 100871;4.溫州醫(yī)科大學(xué) 信息技術(shù)中心,浙江 溫州 352035
胎心電監(jiān)測(cè)國內(nèi)外現(xiàn)狀研究綜述
吳軍1,2,李勁松2,雷健波1,3,潘志方4
1.西南醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)信息與工程學(xué)院,四川 瀘州 646000;2.浙江大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院,浙江 杭州 310058;3.北京大學(xué) 醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)信息中心,北京 100871;4.溫州醫(yī)科大學(xué) 信息技術(shù)中心,浙江 溫州 352035
胎心監(jiān)護(hù)對(duì)提高圍產(chǎn)期胎兒的質(zhì)量非常重要,目前常見的胎心監(jiān)護(hù)是基于胎心音的,但胎心音監(jiān)測(cè)不便于實(shí)現(xiàn)長時(shí)間監(jiān)護(hù),且胎心電包含了更多的胎兒健康信息。因此,胎心電監(jiān)測(cè)具有重要的研究?jī)r(jià)值。雖然胎心電監(jiān)測(cè)的研究由來已久,但到目前還未達(dá)到成熟應(yīng)用的目的。本文總結(jié)了目前國內(nèi)外胎心電監(jiān)測(cè)的研究現(xiàn)狀,并對(duì)目前胎心監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)進(jìn)行了分析,然后對(duì)幾種胎心監(jiān)測(cè)的方法及其進(jìn)展進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹,并分析了各種算法的優(yōu)缺點(diǎn)。
胎心電;胎心音;胎心率;胎兒健康監(jiān)護(hù);胎心監(jiān)測(cè)
胎兒及新生兒的死亡率是衡量一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)、文化及醫(yī)療等發(fā)展水平的重要依據(jù),全世界每年約有300多萬胎兒在孕期死亡,約400多萬嬰兒在出生后前4周內(nèi)死亡[1-2]。僅中國每年就有數(shù)千萬的孕婦和約2000萬的新生兒出生,僅2002年一年,北京的嬰兒死亡率就有約0.59%[3],2007年浙江省圍產(chǎn)兒死亡率約為1.174%[4]。而在貧困地區(qū),新生兒平均死亡率就更高,約為3.976%[5]。由此可見,為了提高新生兒的質(zhì)量和生存率,早發(fā)現(xiàn)和早預(yù)防就顯得十分重要。產(chǎn)前檢查的主要內(nèi)容是胎兒健康監(jiān)護(hù),胎兒健康監(jiān)護(hù)能提前檢測(cè)到某些胎兒的心臟疾病、胎兒被臍帶纏繞引起的窒息和胎兒窘迫等異常情況,實(shí)現(xiàn)優(yōu)生和胎兒健康安全預(yù)防,能大大減少胎兒和新生兒的死亡率。胎兒健康的主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)是胎心率(Fetal Heart Rate,F(xiàn)HR),它通過數(shù)值直觀地顯示了胎兒的心臟功能,并且與子宮內(nèi)的營養(yǎng)、供氧狀況和臍帶纏繞等危險(xiǎn)信息息息相關(guān),當(dāng)FHR出現(xiàn)明顯變化時(shí),醫(yī)生不僅會(huì)考慮胎兒可能的心臟疾病和危險(xiǎn),還會(huì)考慮孕期婦女本身的健康狀況、營養(yǎng)情況等,并給出診斷建議,實(shí)現(xiàn)孕期婦女安全懷孕、順利生產(chǎn)等[6]。所以,在婦女孕期實(shí)施胎心監(jiān)測(cè),對(duì)提高圍產(chǎn)期胎兒質(zhì)量和降低新生兒的死亡率具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
最早的胎心監(jiān)測(cè)是有創(chuàng)的,需要把探針插入母體并接觸到胎兒,這增加了對(duì)胎兒產(chǎn)生副損傷和交叉感染的幾率。因此,與其它醫(yī)療檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向一樣,胎心監(jiān)測(cè)需要發(fā)展無創(chuàng)方法。從上世紀(jì)60年代開始,電子胎心監(jiān)護(hù)儀被提出以來,胎心監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了50多年[7]。目前胎心監(jiān)測(cè)主要的無創(chuàng)方法有胎心音、B超、胎心磁圖(Fetal Magneto-Cardiography,F(xiàn)MCG)和胎兒血氧(Fetal Pulse Oximetry,F(xiàn)POM)等。
胎心音監(jiān)測(cè)起源較早,但是胎心音是一種低頻微弱的生理信號(hào),受環(huán)境干擾大,如果直接在母體腹壁采用聽診器采集,得到的信號(hào)中必然含有大量的噪聲,如呼吸噪聲,所以出現(xiàn)了基于超聲波的胎心音監(jiān)測(cè)儀。目前市場(chǎng)上常見的家用胎心監(jiān)測(cè)設(shè)備,一般都是基于超聲波實(shí)現(xiàn)的胎心音監(jiān)測(cè)設(shè)備,這種胎心音監(jiān)測(cè)儀,是當(dāng)胎兒心臟跳動(dòng)時(shí)反射回來的超聲波信號(hào)頻率等參數(shù)發(fā)生改變時(shí),根據(jù)多普勒效應(yīng)計(jì)算出FHR[8],并模擬出胎心跳動(dòng)的聲音。當(dāng)采用超聲波多普勒儀監(jiān)測(cè)胎心時(shí),超聲探頭必須對(duì)準(zhǔn)胎兒心臟瓣膜,所以對(duì)胎心實(shí)施監(jiān)測(cè)之前,需要先在母體腹部抹上耦合劑,并不斷移動(dòng)探頭,直到找到最佳監(jiān)測(cè)部位為止。
另外一種基于超聲波實(shí)現(xiàn)的胎心監(jiān)測(cè)儀就是B超,B超能夠通過圖像觀察胎兒的心臟跳動(dòng)信息。圖像能夠直觀地觀測(cè)胎兒心臟,但是難以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)FHR的目標(biāo)。B超主要是在醫(yī)院由專業(yè)的醫(yī)師實(shí)施的,其缺點(diǎn)是設(shè)備昂貴笨重,對(duì)監(jiān)測(cè)胎心較不方便。有研究表明,當(dāng)采用超聲波監(jiān)測(cè)胎心時(shí)超聲波刺激了胎兒,一是影響了檢測(cè)的準(zhǔn)確性,二是可能對(duì)胎兒造成一定的損傷[9]。所以,現(xiàn)在很多孕婦在采用超聲波監(jiān)測(cè)時(shí),都特別慎重。
FMCG是在母體的腹部區(qū)域建立一個(gè)磁場(chǎng)檢測(cè)胎兒心臟的電活動(dòng)[10]。FMCG具有較好的信噪比和診斷能力,但是其檢測(cè)所用的磁場(chǎng)非常微弱,容易受到地磁干擾,而且該技術(shù)較為復(fù)雜,對(duì)設(shè)備精度要求較高,實(shí)現(xiàn)起來較為不易。所以該方法目前還處于研發(fā)階段[11]。
FPOM監(jiān)測(cè)儀是根據(jù)不同血紅蛋白對(duì)不同波長光吸收度不同的原理,通過光傳感器檢測(cè)胎兒的血氧飽和度,并由此計(jì)算出FHR(動(dòng)脈和靜脈每循環(huán)一次,血液顏色變化一次)。該方法主要應(yīng)用于分娩期胎兒的健康監(jiān)護(hù),具有成本低、診斷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但該方法易受環(huán)境和胎動(dòng)干擾,且信號(hào)微弱,不易實(shí)現(xiàn)早期胎心監(jiān)測(cè)[12]。
胎兒的早期信號(hào)十分微弱,因此胎兒的早期健康監(jiān)護(hù)十分困難,而且由于傳感器難以固定和對(duì)母體體位的要求,導(dǎo)致一般的監(jiān)測(cè)方法,比如胎心音監(jiān)測(cè)法都難以實(shí)現(xiàn)長期在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并且宮縮會(huì)影響到胎心音監(jiān)測(cè)FHR的精度。鑒于未來穿戴式監(jiān)測(cè)設(shè)備的發(fā)展和要求,國內(nèi)外許多專家開始推薦胎心電監(jiān)測(cè)法[13]。
胎心電監(jiān)測(cè)不需要向母體和胎兒發(fā)射任何信號(hào),屬于被動(dòng)監(jiān)測(cè),因此胎心電監(jiān)測(cè)是一種真正無創(chuàng)的非侵入式的胎兒健康監(jiān)護(hù)手段[14]。胎心電圖是反映胎兒心臟電生理活動(dòng)的一項(xiàng)客觀指標(biāo),很早就為人們所重視,它能夠反映胎兒在母體中的生長和健康狀況。胎心電圖不僅能顯示出極其重要的FHR,還能顯示出更多的信息,比如:S-T段、P波、T波和QRS時(shí)限等的變化都反應(yīng)出了胎兒健康狀態(tài)的變化情況等[15-18]。所以,可以通過胎心電圖的變化情況觀察出更多的胎兒病理信息。相對(duì)于目前市場(chǎng)上常見的多普勒胎心監(jiān)測(cè)儀來說,胎心電更容易實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè),具有更廣泛的應(yīng)用前景[19]。如果將監(jiān)測(cè)設(shè)備通過4G網(wǎng)絡(luò)接入到互聯(lián)網(wǎng),使之成為醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的一部分,將來還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和遠(yuǎn)程醫(yī)療,即遠(yuǎn)程醫(yī)生可以在線為孕婦提供診斷信息和咨詢建議等等[20]。一些便攜式監(jiān)測(cè)設(shè)備被開發(fā)出來,這些便攜式胎心電監(jiān)測(cè)設(shè)備有采用FPGA實(shí)現(xiàn)的[21],也有采用DSP實(shí)現(xiàn)的[22]和采用SOPC實(shí)現(xiàn)的[23]等。
2.1 胎心電監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)
胎心電信號(hào)是疊加在母體心電信號(hào)之上的一個(gè)噪聲信號(hào),因此信號(hào)強(qiáng)度較弱,而且由于其他信號(hào)的干擾,導(dǎo)致胎心電信號(hào)的采集和提取都非常困難。所以,胎心電監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)主要有兩點(diǎn):一是對(duì)設(shè)備和傳感器的精度要求較高,即傳感器需要極高的精度和信噪比,能采集到極微弱的信號(hào),且設(shè)備的電源質(zhì)量等需要盡可能降低噪聲和干擾;二是信號(hào)提取算法的研究,一般信號(hào)提取都是提取有用信號(hào)或信號(hào)中的主成分(信號(hào)強(qiáng)度較高的分量),而胎心電監(jiān)測(cè)需要提取的信號(hào)是各信號(hào)成分中一種有規(guī)律的噪聲信號(hào),相對(duì)于信號(hào)的主要成分來說,有效信號(hào)只是一種較弱的噪聲。研究出一種有效的信號(hào)提取算法是一件比較困難且非常有價(jià)值的事情。
2.2 傳感器和導(dǎo)聯(lián)方式
由于胎兒的心電信號(hào)是疊加在母體心電信號(hào)之上的一個(gè)微弱信號(hào),因此對(duì)傳感器的精度要求較高。胎心電監(jiān)測(cè)所采用的傳感器都是常用的生物電采集傳感器,關(guān)于胎心電監(jiān)測(cè)的研究都集中于對(duì)提取算法的研究上,對(duì)傳感器和傳感器導(dǎo)聯(lián)方式的研究幾乎沒有太多新的進(jìn)展。但功能強(qiáng)大的生物電信號(hào)放大器為胎心電監(jiān)測(cè)提供了可能性[24]。有些研究者則提出了一種用于分娩期胎兒心電圖監(jiān)測(cè)的電極[25]。
目前胎心電監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是從母體腹部提取信號(hào),這樣離胎兒心臟的位置比較近,更容易采集到胎心電信號(hào)。胎心電監(jiān)測(cè)的實(shí)質(zhì)是從母體的體表子宮電信號(hào)(Electrohysterography,EHG)中提取出胎兒心電信號(hào),所以胎心電監(jiān)測(cè)的導(dǎo)聯(lián)方式不同于一般的心電監(jiān)測(cè)。胎心電監(jiān)測(cè)傳感器的導(dǎo)聯(lián)方式主要有以下兩種:一種是簡(jiǎn)單導(dǎo)聯(lián)連接方式,即只在母體腹壁采集一路EHG信號(hào),該EHG信號(hào)中混合了母體心電信號(hào)(Maternal Electrocardiogram,MECG)和胎兒心電信號(hào)(Fetal Electrocardiogram,F(xiàn)ECG)及其他肌電、噪聲信號(hào),為了提取出FECG,該方法往往會(huì)在母體其它部位采集一路信號(hào)作為MECG的參考,從而在EHG混合信號(hào)中消去MECG,比如,黃智勇等[26]的研究就是在母體胸部采集了一路胸導(dǎo)心電信號(hào)。但也有可能直接從腹壁混合信號(hào)中估計(jì)出母體心電信號(hào)作為參考值,這種方法的缺點(diǎn)是需要大量樣本作為訓(xùn)練,而且其精度還不明確,需要進(jìn)一步研究[27]。這種導(dǎo)聯(lián)方式的傳感器數(shù)量較少、連接方式簡(jiǎn)單,提取算法也較為簡(jiǎn)單[28];另一種就是多導(dǎo)連接方式,多導(dǎo)連接需要在母體腹部采集多路信號(hào),所以其連接方式較為復(fù)雜,在這種導(dǎo)聯(lián)方式下,也有可能在母體胸部加上胸導(dǎo)電極構(gòu)成雙極性電極導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng),或者傳感器在母體腹壁按照一定的布置方式連接構(gòu)成單極性腹壁導(dǎo)聯(lián)或Meijer-Bergveld導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)[29]。單極性腹壁導(dǎo)聯(lián)或Meijer-Bergveld導(dǎo)聯(lián)方式這兩種方法的傳感器只布置在母體腹壁,多導(dǎo)連接方式的提取精度很大程度上受到傳感器布置方式的影響,占海龍[30]對(duì)比了這兩種導(dǎo)聯(lián)環(huán)境下的胎心電提取算法。
2.3 胎心電信號(hào)提取算法研究
兩種不同的導(dǎo)聯(lián)環(huán)境需要各自不同的胎心電提取算法,簡(jiǎn)單導(dǎo)聯(lián)一般采用支持向量機(jī)等方法估計(jì)出EHG信號(hào)中的母體心電信號(hào),然后從EHG混合信號(hào)中減去母體心電信號(hào)??梢詮男夭繉?dǎo)聯(lián)采集的母體心電信號(hào)中估計(jì)出腹部位置的母體心電信號(hào)(不同導(dǎo)聯(lián)方式采集到的心電信號(hào)不一致),也可以從兩路以上的EHG信號(hào)中估計(jì)出母體心電信號(hào)。而多導(dǎo)連接方式則一般采用盲信號(hào)分離的方法提取胎心電信號(hào)。
2.3.1 小波變換在胎心電提取中的應(yīng)用
由于胎心電信號(hào)和母體心電、噪聲信號(hào)具有不同的時(shí)間尺度,因此可以采用小波多尺度分析來估計(jì)出母體參考心電信號(hào)和胎心電信號(hào)[31]。這種方法往往采用僅在母體腹壁采集信號(hào)的導(dǎo)聯(lián)方式(單極性腹壁導(dǎo)聯(lián))。由于母體心電信號(hào)較強(qiáng),所以一般先提取出母體心電信號(hào),然后在混合信號(hào)中減去母體心電信號(hào),最后進(jìn)行濾波處理,過濾掉噪聲信號(hào),進(jìn)而得到所需要的胎心電信號(hào)[32]。
2.3.2 ICA和PCA法提取胎心電
獨(dú)立成分分析(Independent Component Analysis,ICA)是用來提取統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的各成分分量的一種方法,主成分分析法(Principal Component Analysis,PCA)同樣也是一種統(tǒng)計(jì)分析法,通過正交變換將一組可能存在相關(guān)性的變量轉(zhuǎn)換為一組線性不相關(guān)的變量,并且提取出其中分量最大的成分,稱之為主成分。PCA是基于信號(hào)二階統(tǒng)計(jì)特性的分析法,而ICA是基于信號(hào)高階統(tǒng)計(jì)特性的分析法。由于母體心電和胎心電信號(hào)都是未知信號(hào)源,所以胎心電信號(hào)提取屬于一個(gè)典型的盲源分離問題。而ICA和PCA都是很重要的盲源分離法,所以可以采用ICA或PCA來進(jìn)行胎心電信號(hào)提取[33-35],李文娟等[36]結(jié)合運(yùn)用了這兩種方法。由于采用ICA和PCA需要多路信號(hào),所以ICA和PCA提取胎心電信號(hào)需要在母體腹壁采集多路混合信號(hào)(也有可能需要采集胸導(dǎo)母體心電信號(hào)作為參考信號(hào))。ICA和PCA方法雖然能夠很好地提取出母體心電信號(hào),但是還需要結(jié)合其它算法來剔除噪聲信號(hào),所以對(duì)算法的設(shè)計(jì)和優(yōu)化顯得比較重要,具有進(jìn)一步研究的價(jià)值和意義。
2.3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在胎心電提取中的應(yīng)用
各種導(dǎo)聯(lián)方式采集到的心電信號(hào)并不是一致的,它們之間存在一個(gè)非線性變化關(guān)系,而各部位采集到的體表心電信號(hào),都可認(rèn)為是實(shí)際心電信號(hào)經(jīng)過一個(gè)非線性信道傳導(dǎo)到體表的,其幅值和相位等參數(shù)都發(fā)生了非線性變換[7]。母體胸導(dǎo)心電信號(hào)可認(rèn)為胎心電干擾為零,所以可以采集一路胸導(dǎo)心電信號(hào)作為母體心電參考信號(hào)。而腹壁混合信號(hào)中的母體心電信號(hào),可視為母體胸導(dǎo)心電信號(hào)的一個(gè)非線性變換。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于信號(hào)的非線性變化已經(jīng)由來已久了,所以可以采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)胸導(dǎo)心電信號(hào)進(jìn)行一個(gè)非線性變換,用作腹壁母體心電信號(hào)的一個(gè)參考估計(jì)。然后在腹壁混合信號(hào)中減去該母體參考心電信號(hào),最后對(duì)殘余信號(hào)進(jìn)行濾波處理去除噪聲,從而得到胎心電信號(hào)。這種方法,重慶大學(xué)的曾孝平教授進(jìn)行了大量研究[37-38]?;谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法提取胎心電信號(hào),最重要的問題是要提前對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練,所以需要大量的測(cè)試數(shù)據(jù)集。而且這種方法需要采集一路母體胸導(dǎo)心電信號(hào)和一路腹壁混合信號(hào)。
2.3.4 其它提取算法
關(guān)于胎心電信號(hào)提取的研究已經(jīng)由來已久,也提出不少算法。除了上面的幾種研究較多的算法之外,其它的還有聚類分析[39]、均方誤差預(yù)測(cè)[40]、自適應(yīng)梯度算法[41]、EMD法[42]、支持向量機(jī)方法[43]和自適應(yīng)濾波算法[44]等。Morales等[45]不僅采用了自適應(yīng)濾波算法,并且把該算法采用現(xiàn)場(chǎng)可編程模擬陣列設(shè)計(jì)成了實(shí)際儀器,該儀器對(duì)算法直接采用硬件電路實(shí)現(xiàn),從而提高了算法的執(zhí)行效率。
這些算法的出發(fā)點(diǎn)都是基于混合信號(hào)中各成分是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的,并且一般都是采用信號(hào)的二階統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行分析。其中EMD法也是類似于小波分析的一種時(shí)間多尺度信號(hào)分析法。
目前胎心監(jiān)測(cè)大多采用胎心音的方法,但胎心音監(jiān)測(cè)的缺陷也是明顯的[46]。而胎心電信號(hào)除了能顯示出胎兒心率的重要因素之外,還能監(jiān)測(cè)更多的胎兒病理信息,如R波、QRS波群等。每一種胎心電信號(hào)提取算法都是和具體的導(dǎo)聯(lián)方式緊密相關(guān)的,采用哪種算法要根據(jù)具體的導(dǎo)聯(lián)方式來進(jìn)行研究。雖然胎心電監(jiān)測(cè)的研究已經(jīng)發(fā)展了很多年,也提出了不少算法,但還沒有一種胎心電監(jiān)測(cè)儀器能夠進(jìn)入成熟的臨床應(yīng)用,而且目前的胎心電監(jiān)測(cè)儀都比較笨重,無法實(shí)現(xiàn)便攜式胎心電監(jiān)測(cè)。另外一個(gè)問題就是目前的胎心電監(jiān)測(cè)法都沒有考慮多胞胎的問題,這是一個(gè)非常值得研究的問題。因此,在胎心電監(jiān)測(cè)領(lǐng)域還有必要作進(jìn)一步更深入、更廣泛的研究,以期在不久的將來能夠?qū)⑵鋵?shí)用化和便攜化,最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的、精確的、實(shí)時(shí)在線的胎心電監(jiān)測(cè)目標(biāo),并能夠識(shí)別出多胞胎等。
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本文編輯 王婷
Reviews of Current Research Situation of the Fetal ECG Monitoring in Domestic and Overseas
WU J u n1,2, L I J i n-s o n g2, L E I J i a n-b o1,3, P A N Z h i-f a n g4
1.College of Medical Informatics and Engineering, Southwest Medical University, Luzhou Sichuan 646000, China; 2.College of Biomedical Engineering and Instrument Science, Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310058, China; 3.Medical Informatics Center, Peking University, Beijing 100871, China; 4.Information Technology Center, Wenzhou Medical University, Wenzhou Zhejiang 352035, China
Fetal heart rate monitoring is very important for improving the quality of perinatal fetus. At present, the common fetal heart rate monitoring is always based on the fetal heart sound, which is dif fi cult for long time fetal heart monitoring, and fetal ECG contains more information about fetal health. Therefore, it is of great value for research on fetal ECG monitoring. Although there is a long time in the research on the fetal ECG monitoring. But, it has not yet reached the goal of mature application. In this article, the current research situation of fetal ECG in domestic and overseas was summarized, and the dif fi culties of the fetal heart monitoring were analyzed at the same time. Then several methods of fetal heart monitoring and their development were introduced brie fl y. Next, the advantages and disadvantages of various kinds of algorithms were analyzed.
fetal electrocardiogram; fetal heart sound; fetal heart rate; fetal health monitoring; cardiac monitoring
TP302.7
A
10.3969/j.issn.1674-1633.2017.07.029
1674-1633(2017)07-0106-04
2017-02-16
作者郵箱:wj2135187@126.com