一种基于体震信号的胎儿心率提取装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物特征识别技术领域，具体涉及一种基于体震信号的胎儿心率提取装置及方法。
【背景技术】
[0002]体震信号是一种由心脏栗血产生的微弱的振动信号，是一种人体生理信号，包含大量的人体信息参数，例如心率、呼吸等，体震信号的采集不需要对受试者进行直接的接触，具有检测快，无感式等优点。
[0003]随着社会的进步和发展，人们对孕妇以及胎儿产前健康情况十分关注。胎儿的心脏先天疾病也时有发生，因此对胎儿产前的心脏检查是非常必要的。目前对胎儿心脏的检测主要通过超声与心电信号检测方式，检测设备复杂，检查过程时间长，不适合快速的日常监护。直接用听诊器等外置工具往往精度较差，不能准确的判断胎儿心率变化。
【发明内容】
[0004]针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于体震信号的胎儿心率提取装置及方法。
[0005]本发明的技术方案:
[0006]—种基于体震信号的胎儿心率提取装置，包括:用于采集受试孕妇体震信号的薄膜压力传感器、用于对薄膜压力传感器的输出信号进行滤波与放大处理的模拟信号处理电路、用于对模拟信号处理电路产生的模拟信号进行A/D转换并将转换后的数字信号无线传输至上位机的模数转换与信号传输电路和用于从受试孕妇的体震信号中提取出胎儿心率的上位机；其中，
[0007]受试孕妇坐在或者躺在或者站在薄膜压力传感器上，薄膜压力传感器的输出端连接模拟信号处理电路的输入端，模拟信号处理电路的输出端连接模数转换与信号传输电路的输入端；模数转换与信号传输电路的输出端连接上位机的输入端。
[0008]根据所述的基于体震信号的胎儿心率提取装置，所述模数转换与信号传输电路进一步包括A/D转换电路、无线发送模块、无线接收模块和串口 ；所述A/D转换电路的输入端作为模数转换与信号传输电路的输入端，连接模拟信号处理电路的输出端；所述A/D转换电路的输出端连接无线发送模块的输入端；所述无线发送模块与所述无线接收模块之间进行无线数据传输；所述无线接收模块的输出端通过串口与上位机连接。
[0009]采用基于体震信号的胎儿心率提取装置的胎儿心率提取方法，包括如下步骤:
[0010]步骤1:采集受试孕妇的体震信号，并将该体震信号传送至上位机；
[0011]步骤1.1:利用薄膜压力传感器采集受试孕妇的体震信号，并将该信号传送给模拟信号处理电路；
[0012]步骤1.2:模拟信号处理电路对薄膜压力传感器采集到的体震信号进行滤波与放大处理，并将处理后的信号发送给模数转换与信号传输电路；
[0013]步骤1.3:模数转换与信号传输电路对接收到的信号进行A/D转换，并将转换后的数字信号无线传输至上位机中；
[0014]步骤2:获取受试孕妇近期的有效心电信号数据；
[0015]步骤3:在上位机中对采集到的受试孕妇的体震信号和获取的心电信号进行预处理，包括去噪和分帧处理；
[0016]步骤4:将受试孕妇的体震信号与获取的心电信号构成数据组，并分组存储构成数据库；其中一个数据组，包含信号长度相同的一段心电信号和两段体震信号；
[0017]步骤5:采用快速独立成分分析算法(Fast Independent Component Analysis，FastICA)对受试孕妇的体震信号和获取的心电信号构成的数据组进行计算，从受试孕妇的体震信号中提取出胎儿的心率信息；
[0018]步骤5.1:从步骤4建立的数据库中提取同一受试孕妇的一组数据组，构成三路通道矩阵X (t)；
[0019]步骤5.2:对步骤5.1的三路通道矩阵x(t)进行预处理，包括数据中心化和数据白化，使数据均值为O ;
[0020]步骤5.3:通过快速ICA算法，从三路通道矩阵x(t)中计算出胎儿心率值；
[0021]方法为:通过快速ICA算法，从x(t)中分离出三路主要的盲源信号，比对三路信号中的频率，其中节律一致的两路信号Y1、Y2为孕妇心率信息；通过计算得到Yl或Y2中任一路信号的波峰信息，相应计算出Yl或Y2波峰的幅值，对大于预设阈值的波峰进行二阶差分计算，得到波峰的二阶导数，其中大于二阶导数阈值的波峰即为孕妇心率成分；对得到孕妇心率信息的信号进行数字滤波，将孕妇心率对应的频率成分从x(t)中滤除得到新矩阵X1 (t)，从而突出胎儿心率信息；对移除孕妇心率成分的新矩阵&(0继续使用快速ICA算法进行盲源分离，此时获取的三路输出中，主频成分为2-3倍孕妇心率成分的一路输出Y3，即胎儿心率波形，计算该波形的波峰信息，得到该波形中的波峰个数，将波峰个数除以信号时间长度即为胎儿心率值。
[0022]本发明的有益效果:本发明以体震信号为基本提取信号，采集受试孕妇的体震信号(Ballistocard1graphy，BCG)，并以受试孕妇的心电信号(Electrocard1gram, ECG)作为参考信号，应用盲源分离算法提取受试孕妇体震信号中的胎儿心率信息。该方法利用体震信号的无感性，最大程度的削弱胎儿心率检测过程中对孕妇造成的不适感，提高日常监测的舒适性和准确度。
【附图说明】
[0023]图1为本发明一种实施方式的基于体震信号的胎儿心率提取装置结构示意图；
[0024]图2为本发明一种实施方式的前置放大电路与反馈电路图；
[0025]图3为本发明一种实施方式的无源阻容高通滤波器电路图；
[0026]图4为本发明一种实施方式的反相放大器电路图；
[0027]图5为本发明一种实施方式的50Hz陷波电路图；
[0028]图6为本发明一种实施方式的2阶压控式低通滤波器电路图；
[0029]图7为本发明一种实施方式的增益可调及电压抬升电路电路图；
[0030]图8为本发明一种实施方式的MSP430F149芯片与NRF24L01型射频发送模块的引脚连接示意图；
[0031]图9为本发明一种实施方式的基于体震信号的胎儿心率提取方法流程图；
[0032]图10(a)图为本发明一种实施方式的受试孕妇体震信号波形图；
[0033]图10(b)图为本发明一种实施方式的获取的受试孕妇心电信号波形图；
[0034]图10(c)图为本发明一种实施方式的从受试孕妇的体震信号中提取出的胎儿心率波形图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图对本发明的一种实施方式作详细说明。
[0036]本发明的基于体震信号的胎儿心率提取装置，如图1所示包括:用于采集受试孕妇体震信号的薄膜压力传感器1、用于对薄膜压力传感器的输出信号进行滤波与放大处理的模拟信号处理电路2、用于对模拟信号处理电路产生的模拟信号进行A/D转换并将转换后的数字信号无线传输至上位机的模数转换与信号传输电路3和用于从受试孕妇的体震信号中提取出胎儿心率的上位机4 ;
[0037]测试时，受试孕妇只需坐在或者躺在或者站在薄膜压力传感器上，本实施方式中受试孕妇是坐在薄膜压力传感器I上进行测试的，如图1所示，薄膜压力传感器I的输出端连接模拟信号处理电路2的输入端，模拟信号处理电路2的输出端连接模数转换与信号传输电路3的输入端；模数转换与信号传输电路3的输出端连接上位机4的输入端。
[0038]本实施方式的模拟信号处理电路2，如图1所示，包括一级放大滤波电路、二级放大滤波电路、三级放大滤波电路、增益可调及电压抬升电路、反馈电路；其中一级放大滤波电路进一步包括依次级联的前置放大电路、隔直电路和高通滤波电路；二级放大滤波电路与三级放大滤波电路的结构相同，均包括依次级联的放大电路、50Hz陷波电路和低通滤波电路；所述一级放大滤波电路、二级放大滤波电路、三级放大滤波电路与增益可调及电压抬升电路级联；
[0039]膜压力传感器I的输出端连接前置放大电路的输入端；如图2所示，前置放大电路主要由AD620AR芯片实现，薄膜压力传感器I的输出端分别连接AD620AR芯片的2号引脚和3号引脚，前置放大电路使得信号放大了约10倍，放大后的信号通过隔直电路输出到高通滤波电路。为了最大限度的抑制共模噪声，在前置放大电路和薄膜压力传感器间设计了反馈回路。反馈电路主要由0P07CS放大器实现。
[0040]体震信号的频率范围为0.6Hz?20Hz之间，低于0.6Hz的信号依然存在，且由于前置放大电路放大倍数很大，噪声影响非常明显。考虑以上因素，本实施方式设计了无源高通滤波电路，本电路采用无源阻容高通滤波器，如图3所示，无源阻容高通滤波器的Vin端为输入端，连接前置放大电路的输出端OUTl端；Vout端为输出端，连接二级放大滤波电路的输入端。
[0041]本实施方式中本系统的二级放大滤波电路和三级放大滤波电路中的放大电路均采用反相放大器，采用0P07CS型号放大器。如图4所示，0UT2为反向放大器输入端，与无源阻容高通滤波器的输出端Vout连接，0UT3为反向放大器的输出端。
[0042]本实施方式中50Hz陷波电路主要采用双T型陷波器实现，用带通滤波器和减法器电路组合起来实现。如图5所示，本实施方式中50Hz陷波电路中Ul端为双T型陷波器的输入端，与反相放大器的输出端0UT3连接，U2端为输出端。
[0043]根据体震信号的特点，其频率在0.6Hz?20Hz之间，所以要设计低通滤波电路来保留这些有用的低频信号，去除高频干扰信号。本实施方式采用的是2阶压控式低通滤波器，如图6所示；0UT4为压控式低通滤波器的输入端，与50Hz陷波电路的输出端U2连接，0UT5为二压控式低通滤波器的输出端。本实施方式通过二级放大滤波电路中的压控式低