胎心电监测国内外现状研究综述吴军1,2，李劲松2，雷健波1,3，潘志方4 1.西南医科大学 医学信息与工程学院，四川 泸州 646000；2.浙江大学 生物医学工程与仪器科学学院，浙江 杭州 310058；3.北京大学 医学院医学信息中心，北京 100871；4.温州医科大学 信息技术中心，浙江 温州 352035 [摘 要]胎心监护对提高围产期胎儿的质量非常重要，目前常见的胎心监护是基于胎心音的，但胎心音监测不便于实现长时间监护，且胎心电包含了更多的胎儿健康信息。因此，胎心电监测具有重要的研究价值。虽然胎心电监测的研究由来已久，但到目前还未达到成熟应用的目的。本文总结了目前国内外胎心电监测的研究现状，并对目前胎心监测的难点进行了分析，然后对几种胎心监测的方法及其进展进行了简单的介绍，并分析了各种算法的优缺点。 [关键字]胎心电；胎心音；胎心率；胎儿健康监护；胎心监测 引言胎儿及新生儿的死亡率是衡量一个国家经济、文化及医疗等发展水平的重要依据，全世界每年约有300多万胎儿在孕期死亡，约400多万婴儿在出生后前4周内死亡[1-2]。仅中国每年就有数千万的孕妇和约2000万的新生儿出生，仅2002年一年，北京的婴儿死亡率就有约0.59%[3]，2007年浙江省围产儿死亡率约为1.174%[4]。而在贫困地区，新生儿平均死亡率就更高，约为3.976%[5]。由此可见，为了提高新生儿的质量和生存率，早发现和早预防就显得十分重要。产前检查的主要内容是胎儿健康监护，胎儿健康监护能提前检测到某些胎儿的心脏疾病、胎儿被脐带缠绕引起的窒息和胎儿窘迫等异常情况，实现优生和胎儿健康安全预防，能大大减少胎儿和新生儿的死亡率。胎儿健康的主要监测指标是胎心率（Fetal Heart Rate，FHR），它通过数值直观地显示了胎儿的心脏功能，并且与子宫内的营养、供氧状况和脐带缠绕等危险信息息息相关，当FHR出现明显变化时，医生不仅会考虑胎儿可能的心脏疾病和危险，还会考虑孕期妇女本身的健康状况、营养情况等，并给出诊断建议，实现孕期妇女安全怀孕、顺利生产等[6]。所以，在妇女孕期实施胎心监测，对提高围产期胎儿质量和降低新生儿的死亡率具有十分重要的现实意义。 1 传统胎心监测法及其缺陷最早的胎心监测是有创的，需要把探针插入母体并接触到胎儿，这增加了对胎儿产生副损伤和交叉感染的几率。因此，与其它医疗检测技术的发展方向一样，胎心监测需要发展无创方法。从上世纪60年代开始，电子胎心监护仪被提出以来，胎心监测技术已经发展了50多年[7]。目前胎心监测主要的无创方法有胎心音、B超、胎心磁图（Fetal Magneto-Cardiography，FMCG）和胎儿血氧（Fetal Pulse Oximetry，FPOM）等。 胎心音监测起源较早，但是胎心音是一种低频微弱的生理信号，受环境干扰大，如果直接在母体腹壁采用听诊器采集，得到的信号中必然含有大量的噪声，如呼吸噪声，所以出现了基于超声波的胎心音监测仪。目前市场上常见的家用胎心监测设备，一般都是基于超声波实现的胎心音监测设备，这种胎心音监测仪，是当胎儿心脏跳动时反射回来的超声波信号频率等参数发生改变时，根据多普勒效应计算出FHR[8]，并模拟出胎心跳动的声音。当采用超声波多普勒仪监测胎心时，超声探头必须对准胎儿心脏瓣膜，所以对胎心实施监测之前，需要先在母体腹部抹上耦合剂，并不断移动探头，直到找到最佳监测部位为止。 另外一种基于超声波实现的胎心监测仪就是B超，B超能够通过图像观察胎儿的心脏跳动信息。图像能够直观地观测胎儿心脏，但是难以实现在线实时监测FHR的目标。B超主要是在医院由专业的医师实施的，其缺点是设备昂贵笨重，对监测胎心较不方便。有研究表明，当采用超声波监测胎心时超声波刺激了胎儿，一是影响了检测的准确性，二是可能对胎儿造成一定的损伤[9]。所以，现在很多孕妇在采用超声波监测时，都特别慎重。 FMCG是在母体的腹部区域建立一个磁场检测胎儿心脏的电活动[10]。FMCG具有较好的信噪比和诊断能力，但是其检测所用的磁场非常微弱，容易受到地磁干扰，而且该技术较为复杂，对设备精度要求较高，实现起来较为不易。所以该方法目前还处于研发阶段[11]。 FPOM监测仪是根据不同血红蛋白对不同波长光吸收度不同的原理，通过光传感器检测胎儿的血氧饱和度，并由此计算出FHR（动脉和静脉每循环一次，血液颜色变化一次）。该方法主要应用于分娩期胎儿的健康监护，具有成本低、诊断能力强等优点。但该方法易受环境和胎动干扰，且信号微弱，不易实现早期胎心监测[12]。 胎儿的早期信号十分微弱，因此胎儿的早期健康监护十分困难，而且由于传感器难以固定和对母体体位的要求，导致一般的监测方法，比如胎心音监测法都难以实现长期在线实时监测，并且宫缩会影响到胎心音监测FHR的精度。鉴于未来穿戴式监测设备的发展和要求，国内外许多专家开始推荐胎心电监测法[13]。 2 胎心电监测研究现状胎心电监测不需要向母体和胎儿发射任何信号，属于被动监测，因此胎心电监测是一种真正无创的非侵入式的胎儿健康监护手段[14]。胎心电图是反映胎儿心脏电生理活动的一项客观指标，很早就为人们所重视，它能够反映胎儿在母体中的生长和健康状况。胎心电图不仅能显示出极其重要的FHR，还能显示出更多的信息，比如：S-T段、P波、T波和QRS时限等的变化都反应出了胎儿健康状态的变化情况等[15-18]。所以，可以通过胎心电图的变化情况观察出更多的胎儿病理信息。相对于目前市场上常见的多普勒胎心监测仪来说，胎心电更容易实现长时间的实时在线监测，具有更广泛的应用前景[19]。如果将监测设备通过4G网络接入到互联网，使之成为医疗物联网的一部分，将来还可以实现远程诊断和远程医疗，即远程医生可以在线为孕妇提供诊断信息和咨询建议等等[20]。一些便携式监测设备被开发出来，这些便携式胎心电监测设备有采用FPGA实现的[21]，也有采用DSP实现的[22]和采用SOPC实现的[23]等。 2.1 胎心电监测的难点 胎心电信号是叠加在母体心电信号之上的一个噪声信号，因此信号强度较弱，而且由于其他信号的干扰，导致胎心电信号的采集和提取都非常困难。所以，胎心电监测的难点主要有两点：一是对设备和传感器的精度要求较高，即传感器需要极高的精度和信噪比，能采集到极微弱的信号，且设备的电源质量等需要尽可能降低噪声和干扰；二是信号提取算法的研究，一般信号提取都是提取有用信号或信号中的主成分（信号强度较高的分量），而胎心电监测需要提取的信号是各信号成分中一种有规律的噪声信号，相对于信号的主要成分来说，有效信号只是一种较弱的噪声。研究出一种有效的信号提取算法是一件比较困难且非常有价值的事情。 2.2 传感器和导联方式 由于胎儿的心电信号是叠加在母体心电信号之上的一个微弱信号，因此对传感器的精度要求较高。胎心电监测所采用的传感器都是常用的生物电采集传感器，关于胎心电监测的研究都集中于对提取算法的研究上，对传感器和传感器导联方式的研究几乎没有太多新的进展。但功能强大的生物电信号放大器为胎心电监测提供了可能性[24]。有些研究者则提出了一种用于分娩期胎儿心电图监测的电极[25]。 目前胎心电监测技术主要是从母体腹部提取信号，这样离胎儿心脏的位置比较近，更容易采集到胎心电信号。胎心电监测的实质是从母体的体表子宫电信号（Electrohysterography，EHG）中提取出胎儿心电信号，所以胎心电监测的导联方式不同于一般的心电监测。胎心电监测传感器的导联方式主要有以下两种：一种是简单导联连接方式，即只在母体腹壁采集一路EHG信号，该EHG信号中混合了母体心电信号（Maternal Electrocardiogram，MECG）和胎儿心电信号（Fetal Electrocardiogram，FECG）及其他肌电、噪声信号，为了提取出FECG，该方法往往会在母体其它部位采集一路信号作为MECG的参考，从而在EHG混合信号中消去MECG，比如，黄智勇等[26]的研究就是在母体胸部采集了一路胸导心电信号。但也有可能直接从腹壁混合信号中估计出母体心电信号作为参考值，这种方法的缺点是需要大量样本作为训练，而且其精度还不明确，需要进一步研究[27]。这种导联方式的传感器数量较少、连接方式简单，提取算法也较为简单[28]；另一种就是多导连接方式，多导连接需要在母体腹部采集多路信号，所以其连接方式较为复杂，在这种导联方式下，也有可能在母体胸部加上胸导电极构成双极性电极导联系统，或者传感器在母体腹壁按照一定的布置方式连接构成单极性腹壁导联或Meijer-Bergveld导联系统[29]。单极性腹壁导联或Meijer-Bergveld导联方式这两种方法的传感器只布置在母体腹壁，多导连接方式的提取精度很大程度上受到传感器布置方式的影响，占海龙[30]对比了这两种导联环境下的胎心电提取算法。 2.3 胎心电信号提取算法研究 两种不同的导联环境需要各自不同的胎心电提取算法，简单导联一般采用支持向量机等方法估计出EHG信号中的母体心电信号，然后从EHG混合信号中减去母体心电信号。可以从胸部导联采集的母体心电信号中估计出腹部位置的母体心电信号（不同导联方式采集到的心电信号不一致），也可以从两路以上的EHG信号中估计出母体心电信号。而多导连接方式则一般采用盲信号分离的方法提取胎心电信号。 2.3.1 小波变换在胎心电提取中的应用 由于胎心电信号和母体心电、噪声信号具有不同的时间尺度，因此可以采用小波多尺度分析来估计出母体参考心电信号和胎心电信号[31]。这种方法往往采用仅在母体腹壁采集信号的导联方式（单极性腹壁导联）。由于母体心电信号较强，所以一般先提取出母体心电信号，然后在混合信号中减去母体心电信号，最后进行滤波处理，过滤掉噪声信号，进而得到所需要的胎心电信号[32]。 2.3.2 ICA和PCA法提取胎心电 独立成分分析（Independent Component Analysis，ICA）是用来提取统计独立的各成分分量的一种方法，主成分分析法（Principal Component Analysis，PCA）同样也是一种统计分析法，通过正交变换将一组可能存在相关性的变量转换为一组线性不相关的变量，并且提取出其中分量最大的成分，称之为主成分。PCA是基于信号二阶统计特性的分析法，而ICA是基于信号高阶统计特性的分析法。由于母体心电和胎心电信号都是未知信号源，所以胎心电信号提取属于一个典型的盲源分离问题。而ICA和PCA都是很重要的盲源分离法，所以可以采用ICA或PCA来进行胎心电信号提取[33-35]，李文娟等[36]结合运用了这两种方法。由于采用ICA和PCA需要多路信号，所以ICA和PCA提取胎心电信号需要在母体腹壁采集多路混合信号（也有可能需要采集胸导母体心电信号作为参考信号）。ICA和PCA方法虽然能够很好地提取出母体心电信号，但是还需要结合其它算法来剔除噪声信号，所以对算法的设计和优化显得比较重要，具有进一步研究的价值和意义。 2.3.3 神经网络在胎心电提取中的应用 各种导联方式采集到的心电信号并不是一致的，它们之间存在一个非线性变化关系，而各部位采集到的体表心电信号，都可认为是实际心电信号经过一个非线性信道传导到体表的，其幅值和相位等参数都发生了非线性变换[7]。母体胸导心电信号可认为胎心电干扰为零，所以可以采集一路胸导心电信号作为母体心电参考信号。而腹壁混合信号中的母体心电信号，可视为母体胸导心电信号的一个非线性变换。神经网络用于信号的非线性变化已经由来已久了，所以可以采用神经网络的方法对胸导心电信号进行一个非线性变换，用作腹壁母体心电信号的一个参考估计。然后在腹壁混合信号中减去该母体参考心电信号，最后对残余信号进行滤波处理去除噪声，从而得到胎心电信号。这种方法，重庆大学的曾孝平教授进行了大量研究[37-38]。基于神经网络的方法提取胎心电信号，最重要的问题是要提前对神经网络模型进行训练，所以需要大量的测试数据集。而且这种方法需要采集一路母体胸导心电信号和一路腹壁混合信号。 2.3.4 其它提取算法 关于胎心电信号提取的研究已经由来已久，也提出不少算法。除了上面的几种研究较多的算法之外，其它的还有聚类分析[39]、均方误差预测[40]、自适应梯度算法[41]、EMD法[42]、支持向量机方法[43]和自适应滤波算法[44]等。Morales等[45]不仅采用了自适应滤波算法，并且把该算法采用现场可编程模拟阵列设计成了实际仪器，该仪器对算法直接采用硬件电路实现，从而提高了算法的执行效率。 这些算法的出发点都是基于混合信号中各成分是统计独立的，并且一般都是采用信号的二阶统计特性进行分析。其中EMD法也是类似于小波分析的一种时间多尺度信号分析法。 3 总结目前胎心监测大多采用胎心音的方法，但胎心音监测的缺陷也是明显的[46]。而胎心电信号除了能显示出胎儿心率的重要因素之外，还能监测更多的胎儿病理信息，如R波、QRS波群等。每一种胎心电信号提取算法都是和具体的导联方式紧密相关的，采用哪种算法要根据具体的导联方式来进行研究。虽然胎心电监测的研究已经发展了很多年，也提出了不少算法，但还没有一种胎心电监测仪器能够进入成熟的临床应用，而且目前的胎心电监测仪都比较笨重，无法实现便携式胎心电监测。另外一个问题就是目前的胎心电监测法都没有考虑多胞胎的问题，这是一个非常值得研究的问题。因此，在胎心电监测领域还有必要作进一步更深入、更广泛的研究，以期在不久的将来能够将其实用化和便携化，最终实现远程的、精确的、实时在线的胎心电监测目标，并能够识别出多胞胎等。 [参考文献] [1] 黄醒华.期望围产医学的未来[J].中国实用妇科与产科杂志, 2008,24(1):1-3. 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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. K e y w o r d s：fetal electrocardiogram; fetal heart sound; fetal heart rate; fetal health monitoring; cardiac monitoring [中图分类号]TP302.7 [文献标识码]A doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2017.07.029 [文章编号]1674-1633(2017)07-0106-04 收稿日期：2017-02-16 作者邮箱：wj2135187@126.com |