胎儿心电信号检测及监护系统的研究进展
欧辉彬
海口市人民医院 医学工程处，海南海口 570208
[摘 要]胎儿心电信号记录的是孕妇子宫内胎儿心脏动作电位及其传导过程中的图形变化，通过对波形变化的分析，能及早发现妊娠期或分娩期的胎儿病理情况，从而预防新生儿疾病并降低胎儿死亡率。本文主要阐述胎儿心电信号检测技术研究进展与新技术的运用，重点介绍其系统工作原理和自适应滤波器算法提取胎儿心电信号的特点，对从孕妇腹壁电信号中分离提取清晰的胎儿心电图的研究进行了分析。
[关键词]胎儿心电；自适应滤波；监护系统；微处理器；提取算法
引言
随着社会对母婴健康关注度的提高，与胎儿发育相关的生理和病理研究日益受到医学界的广泛重视。胎儿心信号（Fetal Electrocardiogram，FECG）记录的是孕妇子宫内胎儿心脏动作电位及其传导过程中的图形变化，通过对波形变化的分析，能及早发现妊娠期或分娩期的胎儿病理情况，从而预防新生儿疾病并降低胎儿死亡率 [1]。其最大优势在于能随时反映胎儿心脏活动的生理特征，一旦发生异常，其心电图形的变化比其他生理指标变化的更快、更容易被发现，因此可通过FECG的监测早期发现胎儿缺氧、先天性心脏病、宫内缺氧等多种疾病 [2]。这种监测方法比临床广泛使用的四维彩超更敏感，彩超只是对胎儿心脏形态进行检查，由于其结构分辨率有一定的限制，当结构出现较大变化时才有可能在彩超检查时被发现 [3]。本文主要针对胎儿心电的提取方法及监护系统进行深入探讨，同时指出该系统未来发展的方向。
1 胎儿心电监护技术的发展历程
1650年，法国人Marsar首先提出胎心音概念；1819年，法国人Laennec发明了木制钟式听诊器；1957年，Edward Hon开始胎儿心电图的研究；1965年，研制出应用于临床的胎儿电子监护仪，进入70年代后因集成电路出现使微弱信号的提取、自动分析系统等更加完善，加上产科临床学科发展及交流，使得胎儿心电监护迅速普及 [4]。80年代后随着计算机技术的发展，电脑被引入胎心监护，可将长时间连续监护的资料永久保存，过去难以处理的胎心率信号变的简单易行；90年代后随着多媒体电脑及Windows操作系统等信息技术的发展，远程胎儿监护技术飞速发展，可利用电话网络实时传输胎心监护信息到医院中央监护站进行胎心监护图形的分析及报告 [5]。
2 胎儿心电检测系统
2.1 FECG的拾取
目前拾取FECG的主要方法有头皮电极法和腹部电极法两种，腹部电极法由于具有无创性，是目前FECG提取的未来发展方向。腹部电极法是通过在孕妇腹部上放置电极得到FECG，其具有以下优点：无创检测、操作简单方便、可实时检测多次、对胎儿和孕妇无损害、孕妇易接受。但该方法的缺点是：只能间接取得FECG，所反映胎儿心脏活动的电信号需经孕妇器官组织传至体表由电极取得，其信号电压较弱、波形干扰大。随着滤波技术发展，胎儿心电波形干扰问题已逐渐得到解决 [6]。头皮电极法虽然能获得清晰的胎儿心电图，但破膜后才能使用，应用时间受限，不能连续监测、容易引起感染，而且不能在孕期监护，因此现在临床上已不多见。
2.2 基于自适应滤波的FECG提取
在实际中检测到的FECG是比较微弱的，通过腹部提取时其信噪比极低、随机变化大，而且在时域和频域均与母体心电有重叠，被母体干扰信号所覆盖，由此可见要获取清晰的FECG是很困难的，准确提取FECG是胎儿心电监护需要解决的关键问题 [7]。目前对胎儿心电的监护系统的研究仍十分缺乏，临床上使用的无创胎儿心电图机，严格地说只能算是母胎混合的心电信号，R-R间期难以区分，不能算是真正意义上的FECG，如何在完整取得FECG有效成分的前提下很好的滤除母体心电信号，以无创检测方式获取纯净的FECG，正成为国内外研究的热点。目前解决此问题常用的方法有匹配滤波法、自适应滤波法、独立分量分析法、盲源分离法、奇异值分解法、小波变换模极大值算法等 [8]。由于自适应滤波法技术比较成熟、滤波效果好、提取的FECG质量高运用较多，文中将重点介绍。
国内外最先研究的是匹配滤波法，但由于匹配滤波要求很高的精度、成本高，其后才出现了自适应滤波法，相比匹配滤波法它能更好地消除肌电干扰。自适应滤波器是相对固定滤波器而言的，固定滤波器的滤波频率是固定的，自适应滤波器的滤波频率则是自动随着输入信号变化而变化，所以适应范围更广，具有计算量小、收敛速度快等特点 [9-11]。
2.3 胎儿心电监护系统
胎儿心电监护系统通过孕妇腹部和胸部同时获得母体和胎儿的心电信号，经滤波、除噪、放大及软件的处理获得清晰FECG [12]；微处理器对FECG采集、存储、传输并进行运算处理，最后由PC机对数据进行分析，实现对FECG的检测与显示 [13]。微处理器对胎儿心电信号采集、存储、传输处理并通过串口传送到PC机并对采样数据进行分析 [14]；由计算机对FECG的分离提取算法的处理获取清晰完整的胎儿心电信号，实现对FECG的的检测。由于心电信号是一种低频、微弱的电信号，心电幅度一般在5 μV～5 mV之间，频带主要集中在0.05～100 Hz，FECG更加微弱，一般只有2～30 μV，从母体腹部取得的心电信号复杂、信噪比低，母体的心电信号比FECG大10～20倍 [15]。此外母体肌电干扰噪声、母体呼吸、运动引入的噪声也使得FECG容易被母体心电信号和噪声所淹没，FECG与母体心电信号的频谱在频域中大部分重叠，不易区分 [16]；由于受各种生物的、非生物的噪声和干扰的影响，加上FECG本身又非常微弱，能否成功的提取成为信号处理的一个难题，可见由于在FECG的采集和处理方面所面临困难，对信号处理与检测提出了较高的要求，为了得到清晰的FECG，几十年来，国内外专家进行了许多探索。
目前国内外基本采用自适应滤波法提取FECG，主要是考虑母体心电作为准周期平稳过程中仅QRS波变化较快的特点，侧重于采用最小均方算法和最小二乘算法相结合的分段滤波的自适应滤波器消除母体心电对胎儿心电的干扰 [17]。该方法的创新点在于最小均方算法的改进以及两种算法的联合使用，能够消除母体心电对胎儿心电的干扰。国内一些学者将自适应谱线増加与自适应噪声对消技术相结合，同时提出了多路自适应滤波法 [18]。近年来，越来越多的研究趋向于构建动态模型，利用合成心电信号来研究这些未解决的问题，以评估各种提取算法。
2.4 FECG提取中主要干扰噪声
从母亲腹部釆集到的FECG非常微弱，母体自身的心电信号比胎儿强2～10倍，并同时受到50 Hz工频、肌电等各种干扰和噪声和影响，会将FECG覆盖掉 [19]。由于FECG的低频、微弱的特性决定了它极易受到人体其他信号的干扰，而它的不稳定性和随机性也为它的检测提取带来不少困难 [20]。检测采集FECG过程中主要的干扰噪声有母体心电信号、50 Hz工频干扰、肌电干扰、极化干扰、基线漂移等 [21]。在众多噪声中，母体心电信号对FECG的干扰最为严重，因为胎儿与母亲的心电频谱在相当范围内重合。在滤除母体心电信号时，常常把FECG的有用成分也附带滤除，出现FECG的R波削峰或ST段信息丟失的现象，如何在有效成分不损失的前提下更好地滤除母体心电信号成为国内外研究热点 [22]。
目前主要有两个研究方向：① 把母体信号看作噪声，采取一些滤波方法，包括匹配滤波、自适滤波和修正自适应滤波等进行滤除；② 把母体信号和胎儿信号看作两个独立信号，釆取盲源分离、独立分量分析和奇异值分解等方法将其分离 [23]。此外，由于FECG检测系统的供电电源的工作频率为50 Hz，当检测系统对FECG进行检测时，供电网络将以电磁波辐射的形式对信号检测系统形成干扰，而该干扰信号又包含在FECG的通频带中，对FECG的采集干扰大。工频噪声是通过导线的电容性耦合产生的移位电流引入检测系统，并形成强度达到几百mV的干扰噪声，因此足以淹没待检测的胎儿心电信号 [24]。50 Hz的工频干扰、肌电干扰、基线漂移等干扰源的解决目前比较成熟，解决方法一般为在放大电路采用50 Hz陷波器、有源滤波器等，在电源采用各种低频滤波电路干扰源加于解决。
3 不足与展望
目前，胎儿心电监护及解读仍存在许多争议和不足，各种图形命名、解释方法依然存在争论，这提高了新生儿不良结局预测的不确定性，使得假阳性率增高，增加了不必要的临床干预，导致阴道助产及剖宫产率增高。机器噪音或错误讯号容易被计算进去，会致使无法评估基准线变异；母亲的过度肥胖也会导致传递信号困难；在监护过程中耦合剂干燥时，会使信号丢失。随着采集设备的发展，近来FECG提取算法的研究热度有增无减，未来的研究会侧重于参数确定方法及FECG提取效果评价标准与方法 [25]。因此，进一步明确相关概念的定义，加强胎儿心电监护的分级解读指导，并在综合评估的基础上，利用循征研究的方法总结不同级别胎心监护图形的后续处理原则，是当前临床产科中值得大力研究开展的一项工作。
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本文编辑 刘峰 
C
Research Progress of Fetal Electrocardiosignal Detection and Monitoring System
OU Hui-bin
Department of Medical Engineering, Haikou People’s Hospital, Haikou Hainan 570208, China
Abstract：Fetal electrocardiosignal records the graph change of fetal cardiac action potential and the conductive process in the uterus of pregnant women. Through analysis of the graph change, the fetal pathologic condition in gestation period or delivery period can be detected as soon as possible, so as to prevent neonatal diseases and reduce fetal mortality rate. This article elaborated the research progress of fetal electrocardiosignal detection technology and its application, mainly introduced the working principle of this system and characteristics of using self-adaptive filter algorithm to acquire fetal electrocardiograph. In addition, research on how to separate and extract fetal electrocardiogram from the abdominal wall electrical signals in pregnant women was analyzed.
Key words：fetal electrocardiogram; self-adaptive filtering; monitoring system; microprocessor; extraction algorithm
[中图分类号]R504.41
[文献标识码]A
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2017.03.029
[文章编号]1674-1633(2017)03-0107-03
收稿日期：2016-04-24
修回日期：2016-05-25
作者邮箱：ohb6269@163.com