Matlab导联胎儿心电信号提取与分析仿真+ICA算法(3)
图2是从孕妇体表不同位置取得的8导心电信号[7]，采样率为500Hz，采样时间为5秒，图中横坐标代表采样点数，纵坐标是相对幅值(不是实际幅度值)。前5条曲线是通过将导联电极放置在母体腹部来获得的，测得的ECG分别为，1X，2X，3X，4X，5X；后三条曲线是电极放置在母体胸部获得，测得的ECG为，6X，7X，8X。从图中我们可以观察到孕妇腹部信号中包含有胎儿心电信号，但同时也混有比较强的母体心电和噪声干扰。然而，后面三条曲线中几乎观测不到胎儿心电。这在很大程度上是因为胎儿心脏与母亲胸部距离较远导致的。
图2 孕妇体表8导信号
很明显，胎儿心电的分离完全符合ICA的假设条件，因此，用ICA的方法来分离胎儿心电信号是可行的。下文中用Matlab合成信号逼近这8个信号作为输入信号进行仿真实验。其中有三个超高斯(2、3、8)，两个亚高斯(1、5)，三个高斯(4、6、7)，分别代替母体心电信号、母体呼吸噪声、胎儿心电信号及其他噪声，合成的8个信号如图3所示：
图3 合成的8个信号
2. 胎儿心电信号分析
2.1胎儿心电信号的时域特征
正常胎儿心电图是由一系列波群组成的，图4所示为典型胎儿心电信号，信号的各个段波群反映各个不同阶段心电信号的变化，由于QRS波变化相对比较集中，因此，图5给出了其在一个周期内的进一步分解图。 图4 典型胎儿心电信号 图5 典型胎儿心电信号周期波形
(1) P波：就是最初产生偏离的波，它反映的是心房除极过程中的电位变化，它代表的是两个心房的去极。
(2) QRS波群：就是由于心室激活而产生的最大波，它反映的是心室肌在除极过程的电位变化情况。正常人的时间间隔为0.08-0.12秒。通常，典型QRS波群指的是三个波群紧密相连；其中，Q波为第一个向下的波，但是P波不一定一直出现。R波为QPS波群第一个向上的波，S波是继R波之后第一个向下的波。广义上，QRS代表心室肌的除极波，但并不是每个QRS波群都同时具有Q、R、S这三个波
(3) PR间期：以P波为起点到QRS复合波，即心房肌从开始除极到心室肌开始除极的时限。正常间期是0.12-2.0秒。
(4) ST段：是QRS波群之后，T波之前的那段平线。ST段在确定病理学，如心肌梗塞、局部缺血等方面是十分重要的。正常情况下，它被用来作为测量其它波形的等势线。
(5) T波：是指心室肌在复极过程中引起的电位变化。
(6) QT间期：代表的是整个心室肌从开始除极到复极完毕所用的总时间。QT间期体现了心室肌肉的激活与恢复间期。通常情况下我们并不采用QT，而是采用修正过后的QT(QTC)QTC=QT+1.75(心室率-60)。
2.2 胎儿心电信号频域特点
胎儿心电信号的各成分如频谱图6所示。人体心电信号的频率比较低，频率范围主要集中在0.05~100Hz，而其能量的绝大部分都集中在0.5~45Hz之间，而在这部分信号中，QRS波群的能量占了很大的比例，QRS波群的峰值一般是在10~20Hz之间，主要分布在心电信号的中高频域区，这一点在心电信号中是非常突出的一个重要特征。这一特征将最易识别的信号部分定位在QRS波群中。P波与T波位于0.5~10Hz之间，S-T的频域带在0.7~2Hz之间，基线漂移与运动伪迹在7Hz以下，肌电干扰主要集中在30~2000Hz之间，工频干扰主要集中在50Hz及其倍频附近。
图6 心电信号波形频谱图[8]
由于QRS波形所特有的特殊形态和频谱特征，它是人体心电信号的基础部分，在心电信号的分析与检测中有着重要的地位，对QRS波群的可靠检测与识别是心率失常的重要参考依据。此外，也只有在QRS波群确定之后，计算和分析心电信号的其他细节信息才有可能实现。