围产期母亲和胎儿心动周期信号分析

围产期母亲和胎儿心动周期信号分析 李章勇1,△　牛永红1　谢正祥1　许玉霞2　魏钰书2 1(重庆医科大学 生物医学工程研究室, 重庆　400016) 2(川北医学院 附属医院儿科, 南充　637000) 　　摘要　同时分析围产期胎儿和孕妇心动周期信号的数字特征(混沌和谱特征)以评价自主神经系统功能。用可 视化程序设计的方法实现提取和分析围产期母亲和胎儿心动周期信号。受试者取仰卧位,心电信号从置于腹壁下 部耻骨联合导联获得。胎儿心电信号用小波分解进行信号预处理。采用本实验室已经完成开发的技术实现心动周 期信号数字特征的分析。该系统可以评价胎儿和孕妇的自主神经系统功能,特别是分别定量评价交感和副交感神 经系统功能; 该系统还可用以预测胎儿窘迫。胎儿和其它年龄段的心动周期信号数字特征随年龄的变化提示了自 主神经系统的发育、成熟和衰老的生理过程,基于这一点我们可以寻找抗衰老的方法; 胎儿的心动周期信号数字特 征介于新生儿和成人之间, 提示胎儿的自主神经系统的调节可能受母体神经内分泌系统的影响。 关键词　心动周期信号　交感神经　副交感神经　小波 Analyzing Heart Period Signal for Fetus and Pregnant Woman in Perinatal Period Li Zhangyong 1,△　Niu Yonghong1　Xie Zhengxiang1　Xu Yuxia2　Wei Yushu2 1(Dep artment of Biomed ical E ngineering, Chong qing Univ ersity of Medical S cienc es, Chong qing　400016) 2( Dep artment of Ped iat ric, Th e A t tached H osp ital , Chuanbei Med ical Coll eg e, N anchong 　637000) 　　Abstract　Analy zing the dig ital character istics ( chaotic and spectr al featur es) o f fetal and pregnant w oman's heart per iod signal ( HPS) can assess t he autonomic nerv ous sy stem function. Ex tr act ing and analyzing HPS o f fe- tal and pregnant w om an in per inatal per iod were realized by using the met hod o f v isual pro gr amming . The subjects w ere in supine po sitio n. Electr ocardiosignal ( ECS) fr om the leads placed at symphy sis pubica t o infer ior border of abdominal w all w as acquir ed. ECS w as prepr ocessed by w avelet filter . The sophistica ted technique developed by our labor ato ry was used to analyze the digit al chara ct er istics o f HPS. The system could be used t o assess fetal and pregnant woman's autonomic ner vous system function, fur thermo re , sympathetic and par asympathetic ner vous function could be evaluated r espectively and quantificat ionally. The system also could be used to pr ognosticat e fetal distress. T he dig it al char act erist ics o f fetal and o ther age gr oups' HPS, w hich var y w it h age, suggest the physio- lo gica l pr ocess of development, mature and senility o f autonomic nerv ous sy stem ; based on it, we could find the w ay o f ant i-senility . Some digital par ameter s of feta l HPS stand betw een t ho se of new born and adult, which may imply that fet al autonomic ner vous r egula tion is influenced by mo ther's nerv e and endocrine sy st em. Key words　Hear t period signal　　Sympathetic ner ve　　Parasympat het ic ner ve　　Wavelet 1　引　言 心电 R-R间期随时间变化的数字序列称为心 动周期信号( Heart per iod signal , HPS ) [ 1] , 也称为 心率变异性 ( Heart rate variability, HRV )。分析 HPS 的数字特征(混沌和谱特征)可以评价自主神 经系统功能。著名研究小组T ask Fo rce[ 2]的结论是: HRV 有显著的潜力估计自主神经系统的活动对健 △联系人。E-m ail : li9547@ yah oo. com. cn 康人和有各种心血管或非心血管病的病人的作用。 研究 HRV 可增进我们对生理现象、药物作用、疾病 机理的理解。必须以大量的纵向研究来确定 HRV 对识别处于继发性疾病和死亡事件危象中的个体的 敏感性、特异性和预测价值。在一般的领域HRV 有 着广泛和深入的研究,但对于孕妇还未涉足。围产期 是一个重要的时期,在围产期提取和分析胎儿心电 信号是非常有用的。一旦获得了心电信号就可以提 取心动周期信号。基于心电信号的参数有广泛应用, 比如可以测定胎儿心率、检查多胎、判断胎儿是否窘 生物医学工程学杂志 J Biomed Eng 　2003; 20( 3)∶507～510　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 迫、分析胎儿心脏功能以及预测新生儿疾病 [ 3] , 此外 我们还可以发现孕妇心动周期信号和胎儿心动周期 信号的一些联系。这些方法必将取代采用多普勒原 理仅能测量心率的胎儿心率计, 甚至还可能取代宫 缩曲线监护。胎儿心电信号从母体腹壁面取得,医 生和孕妇一样欢迎这种方便并且无创的技术,这代 表了提取胎儿心电信号的发展方向 [ 4]。胎儿心电信 号埋藏在母体心电和背景噪声中, 并且微弱而不稳 定,传统的滤波技术很难提取出清晰稳定的胎儿心 电。然而,通过复杂的软件算法和有效的信号处理方 法,我们可以分离出胎儿和母亲的心电信号 [ 5]。我们 的工作就是提取清晰的胎儿心电信号,同时分析胎 儿和母亲的心动周期信号的数字特征,以估计孕妇 和胎儿的自主神经系统功能。 2　方　法 2. 1　系统组成 系统硬件分为模拟和数字部分。主要包括电极、 信号放大器、12 位模数转换卡( Analo g to dig ital converter, ADC)和微计算机子系统[ 1]。 2. 2　软件设计 用面向对象的程序设计( Object oriented pro- gramming , OOP)技术设计系统软件包。用 Delphi 语言的嵌入式汇编技术设计 ADC 的底层 I/ O 接 口。信号分析软件包由本实验室已经开发的成熟技 术实现 [ 1, 6, 7]。全部系统为建立在Windows 下的多媒 体系统。 2. 3　信号获取 受试者取平静仰卧位,心电信号从置于脐下到 耻骨联合处导联获得。这里的心电信号包含了母亲 和胎儿的心电。因为胎儿的心电信号幅度比母亲的 小得多, 母亲的心动周期信号就可以直接从这个心 电信号中提取。 2. 4　信号分析 提取和分析胎儿心动周期信号分为下面几个步 骤[ 6] : ( 1)动态滤波技术消除母亲心电。用混合心 电信号减去动态建立的母亲心电信号模板从而得到 胎儿心电信号。采用动态指数平均法建立母亲心电 模板,这是一种递归算法,公式如下: 　　A V ENEW= M- 1 M AV EOLD+ 1 M ECGNEW= A VE OLD+ ECGNEW- A VE OLD M 式中: M 为权系数,取 2～256。可以看出模板在每一 个心动周期都被修正,且距离越远的心动周期所占 的权重越小,这样既可保持模板的稳定性,不会因突 发的干扰而发生较大的变化, 又可对随机变化的信 号进行动态跟踪,使其具有较好的自适应能力。 ( 2)提取清晰的胎儿心电信号。采用小波滤波器 消除经过第一步得到信号的基线漂移和高频干扰。 信号的小波变换具有良好的时频域特性 [ 8, 9]。本文选 择 Daubechies小波把第一步去除母体心电的信号 作四级分解, 如图 1所示。在小波重构信号时去掉 a4(如图 1,代表了低频成份如腹壁运动的肌电成份 和直流分量)和 d1(如图 1, 我们认为代表了随机噪 声)的数据,得到的重构心电信号具有较直的基线和 高频干扰小的特点。 图 1　小波分解( S)去除了母亲心电的信号波形 a4:低频成分及直流分量; d4-d1:细节成分(一般 d1表示随机噪声) Fig 1　Wavelet decomposition　( S) Wave fater removal of mother's ECS a4: L ow f requency compon ent and direct current component , d4-d1: Detail componen t . d1: White noise in general 　　( 3)识别胎儿 QRS 波群的 R峰,提取 R-R 间期 时间数字序列,这个序列就是心动周期信号。 　　( 4)采用本实验室开发的成熟的 HPS 分析技术 分析胎儿和母亲心动周期信号的数字特征。数值参 508 　　　生物 医学 工 程学 杂志　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 20卷 数和图形参数的算法见文献[ 1]。 本系统提取母亲和胎儿 512 个以上的 R-R 间 期,即长达 512点的 HPS 信号。对这 512点的 HPS 信号作快速傅立叶变换( Fast Fourier T ransfo rm, FFT ) 得到功率谱。功率谱分成 3 带: 超低频带 ( 0. 002 ～ 0. 04 Hz, Ul tr a-low frequency band, ULFB) ; 低频带 ( 0. 04～0. 14 Hz, Low frequency band, LFB) ;高频带( 0. 14～0. 5 Hz, High frequency band, HFB)。采用分段重叠的方法绘制全带或分带 的动态谱来观察随时间变化 HPS的稳定性。 用比较分带动态谱技术( Comparat ive banded running spect rum, CBRS) ,以图谱的形式分析胎儿 和母亲谱特征关系[ 7]。 系统提供 4幅图形参数和若干数值参数。图形 参数包括: HPS的时域图,相平面图、延迟映射图和 功率谱图,见图 2。 数值参数分成 3组。( 1)一般参数:平均心动周 期( M ph) ,平均心率( M hr ) ; ( 2)功率谱参数: 每一带 的绝对功率( Apu, Apl, Aph) , 每一带的相对功率 ( Rpu, Rpl , Rph ) , 低频带和高频带的功率比值 ( Rlh) , 超低频带和高频带的功率比值( Ruh)以及总 功率( Tpv) ; ( 3)混沌参数:相对分散度( Hrd) , 分维 数 ( Hfd) ,李雅普诺夫指数( Hle) , 混沌度( Hcc) , 见 表 1。 图 2　胎儿和孕妇图形参数 Fig 2　Graph indexes for fetus and pregnant woman 表 1　HPS数值参数 Table 1　Digital indexes of HPS Mhp Hrd Hle Hfd Hcc Apu Apl Aph Rpu Rpl Rph Ruh Rlh T pv Mother 761. 7 4. 57 4. 11 1. 90 19. 6 713. 3 175. 3 308 59. 6 14. 65 25. 74 2. 32 0. 57 1196. 7 Fetus 347. 9 5. 04 2. 58 1. 78 14. 1 36. 8 169. 8 99 12. 0 55. 55 32. 41 0. 37 1. 71 305. 7 Adul t * 829. 8 5. 82 4. 96 1. 96 51. 4 856. 2 530. 3 117 33. 8 20. 00 46. 20 0. 88 0. 49 2545. 0 Newb orn* 486. 8 6. 33 3. 17 1. 83 19. 9 626. 9 51. 4 149 57. 5 26. 70 15. 10 5. 53 2. 03 1062. 0 　　* 来源于大量实验的参考值[ 10] (成人代表健康 20～29岁受试者,新生儿表示出生 1～5 d) 　　* Th e referen ce values f rom a great deal of experiments[ 10] ( Adu lt : comm on h ealthy volunteers aged 20 to 29 years; New born : n ot older than 5 days) 3　结　果 ( 1)系统可以提取出清晰的胎儿和孕妇心电信 号,如图 3所示。 　　( 2)得到了母亲和胎儿的 HPS 谱和混沌特征, 显示在图 2和表 1中。HPS 的谱和混沌特征表征了 自主神经系统的活性。超低频带表征交感神经的活 动,高频带表征副交感神经的活动,低频带是一个过 度或混合带几乎没有任何特别的生理意义 [ 11]。超低 频带和高频带的比( ULFB/ HFB)反映交感与副交 感神经的平衡调节作用。系统可用以估计围产期孕 妇和胎儿两者的自主神经系统功能, 特别是预测胎 儿疾病。 　　( 3)本系统可以观察胎儿和孕妇的心动周期信 号动态谱,见图 4和图 5。 　　( 4)图 6显示的是胎儿和母亲比较分带动态谱, 可以看出, 胎儿的 HPS 谱的高频成份远低于母体, 提示胎儿的副交感神经活动很弱,而整个自主神经 系统功能尚待发育, 见表 1。 509第 3期　　　　　　　　　　　　　　　　　李章勇等。　围产期母亲和胎儿心动周期信号分析 图 3　( a)标准 ECG; ( b) 胎儿 ECG; ( c) 母亲 ECG Fig 3　( a) normal ECG; ( b) fetal ECG; ( c) maternal ECG 图 4　胎儿 HPS动态谱 Fig 4　Running spectral of fetal HPS 图 5　母亲 HPS动态谱 Fig 5　Running spectra of maternal HPS 图 6　母亲和胎儿的比较分带动态谱 Fig 6　The comparative banded f etal and maternal running spectrum 4　讨　论 ( 1)胎儿和其它年龄段的 HPS 数字特征展现出 一幅先升后降,在 20岁年龄段具有最大值的特征曲 线[ 10 ] , 该曲线提示了自主神经系统的发生、成熟和 衰老的生理过程。基于此,我们可以寻找某些抗衰老 的药物,也就是说,如果我们能找到某些方法可以改 变老年人或非健康人的 HPS参数, 使其与成青年人 一样,那么有效的抗衰老就能够达到。 ( 2)同时分析母亲和胎儿的心动周期信号, 目前 在国内外尚未见报道。我们的研究可以丰富不同年龄 组的数据。胎儿 HPS 的功率谱较低, 比如超 Apu、 Apl、Tpv, 表明胎儿自主神经系统活动微弱。在研究 中我们还发现一个有趣的现象: 胎儿的某些参数(特 别是T pv)介于新生儿和成人之间(如表 1)。这种现 象表明胎儿和母亲有广泛的体液联系, 也就是说,胎 儿的自主神经系统调节受到母体的神经内分泌影响。 ( 3)本课后续工作将是:完成更多的临床试验来 修改导联的配置以获得更加稳定的信号, 并且不断的 对软件包进行升级; 同样还将分析特定的胎儿和母亲 的心动周期信号来获取自主神经系统的病理原因。 参 考 文 献 1 Xu XH, Xie ZX, Chen LC. 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