基于子宫肌电信号的早产预测方法研究

1、基于子宫肌电信号的早产预测方法研究 摘 要目 前 全 球 早 产 占 分 娩 总 数 的 5% - 15% , 因 地 区 、 人 种 等 有 所 不 同 。 早 产 是 新 生儿死亡和发病的主要原因, 由早产所致的严重后遗症给家庭和社会带来沉重的影响 。因 此,早产的预测十分重要,探讨方便、准确和无创的预测方法是产科工作者的当务之急。本文研究基于子宫肌电信号的早产预测方法。子宫肌电信号存在着频率低、 峰值小等特点, 本文对体表子宫肌电信号从时域 、频 域和时频域等各个角度进行了全面的分析,并且比较了不同的子宫肌电信号包络提 取 方 法 , 包 括 希 尔 伯 特 变 换 、 复 小 波 变

2、换 、 数 学 形 态 学 方 法 和 规 则 平 均 s ha nno n能 量法。实验结果表明可以通过对信号包络的观察在一定程度上区分早产信号:早产信号包络频谱的峰值出现频繁,而非早产信号包络频谱的峰值仅在部分频点(如1.6h z 和 3.2h z )出现。本 文还提取了来自时域图、功率谱、小波包变换和自回归模型的体表子宫肌电信号特征参数共计 34 个,运用数据挖掘的方法对信号进行了回归和分类的研究。 特别 的,通过多元线性回归建立信号特征参数与距离分娩发动时间的回归模型,模型能 够预测距离分娩发动时间;通过自组织神经网络建立子宫肌电信号的聚类模型,模型的 16 个输出节点中有 4 个节点

3、的输出信号特别容易发生早产; 通过支持向量机建立早产和非早产信号的分类模型,模型对测试集信号能识别大约 89% 的早产信号和大约 74% 的非早产信号。本 文的实验结果证明子宫肌电信号自身特性相对于距离分娩时间存在相关性,相对于早产和非早产存在可区分性。 因而本文的研究对早产预测进行了有益的尝试 ;并对进一步的分娩发动时间预测研究具有指导意义。关键词:子宫肌电信号,早产,预测,数据挖掘,聚类模型a a a a b b b b s s s s t t t t r r r r a a a a c c c c t t t tp r e t e r m l a bor a c c ount e d f

4、 or 5% - 15% of t he t ot a l num be r of de l i ve r i e s w or l dw i de ,due t o r e gi ona l , e t hni c a nd ot he r r e a s onsp r e t e r m l a bor i s t he m a i n r e a s on f or ne ona t a lm or t a l i t y a nd m or bi di t y , a nd s e r i ous c om pl i c a t i ons c a us e d by pr e t e

5、 r m bi r t h br i ng a he a vyi m pa c t t o f a m i l i e s a nd s oc i e t yi t s ve r y i m por t a nt t o e xpl or e a c onve ni e nt , a c c ur a t e a ndnon- i nva s i ve m e t hod t o pr e di c t pr e t e r m l a bor f or pr e gna nt w om e n a nd obs t e t r i c i a nst hedi s s e r t a t i

6、 on s t udi e s pr e di c t i on of pr e t e r m de l i ve r y ba s e d on ut e r i ne e m gt he di s s e r t a t i on a na l y z e d u t e r i ne e m g c om pr e he ns i ve l y f r om t i m e , f r e que nc y a ndt i m e - f r e que nc y dom a i ns a nd c om pa r e d di f f e r e nt m e t hods t o

7、e x t r a c t e nve l op of ut e r i nee m g , i nc l udi ng h i l be r t t r a ns f or m , c om pl e x w a ve l e t t r a ns f or m , m a t he m a t i c a l m or phol og ya nd r e gul a r a ve r a ge s ha nnon e ne r g ye x pe r i m e nt a l r e s ul t s c a n di s t i ng ui s h pr e t e r m l a bo

8、rby t he obs e r va t i on of e nve l op of ut e r i ne e m g : pe a ks a ppe a r f r e que nt l y i n t he e nve l op ofpr e t e r m s i g na l , a nd a ppe a r a t a f e w f r e que nc y node s s uc h a s 1.6h z , 3.2h z i n t he e nve l opof t e r m s i g na lt he di s s e r t a t i on a l s o e

9、x t r a c t e d c ha r a c t e r i s t i c pa r a m e t e r s of ut e r i ne e m g f r om f i g ur eof t i m e dom a i n, pow e r s pe c t r um , w a ve l e t pa c ke t t r a ns f or m a nd a ut o- r e gr e s s i ve m ode lm e t hods of da t a m i ni ng a r e a ppl i e d i n r e gr e s s i on a nd c

10、 l a s s i f i c a t i on of ut e r i ne e m gs pe c i f i c a l l y , m ul t i pl e l i ne a r r e gr e s s i on f or r e gr e s s i on m ode l , w hi c h c a n pr e di c t t het i m e - t o- l a bor ; s e l f - or g a ni z i ng ne ur a l ne t w or k f or c l us t e r i ng m ode l , w hi c h ha s 4

11、 node s i n16 node s out put pr e t e r m s i g na l s w i t h hi g h- r i s k; s uppor t ve c t or m a c hi ne f or c l a s s i f i c a t i onm ode l , w hi c h c a n i de nt i f y a bout 89% of pr e t e r m s i g na l s a nd a bout 74% of t e r m s i g na l se x pe r i m e nt a l r e s ul t s i n

12、t he di s s e r t a t i on s how i nt r i ns i c c ha r a c t e r i s t i c of ut e r i ne e m gha ve r e l a t i ons w i t h t i m e - t o- l a bor a nd pr e t e r mi n c onc l us i on, r e s e a r c h i n t he di s s e r t a t i oni s m e a ni ngf ul t o t he pr e di c t i on of l a bor a nd t he

13、t i m e - t o- l a bork e y w o r d s :k k k e e e y y y w w w o o o r r r d d d s s s : : : ut e r i ne e m g e h g , pr e t e r m , pr e di c t , da t a m i ni ng , c l us t e r i ng目 录1 绪论. 11.1 早产预测的意义 11.2 早产预测的发展 11.3 3基于子宫肌电的预测方法研究1.3.1 子宫结构与分娩活动31.3.2 子宫机械活动51.3.3 子宫电活动 61.4 本文的创新点及主要内容82 e

14、h g 信号特性分析和特征提取 102.1 时域分析和特征提取1 12.213频域分析和特征提取2.3 时频域分析和特征提取. 172.3.1 短时傅里叶变换172.3.2 小波分析192.3.3 基于小波包变换的特征提取 202.4 a r 23基于 模型的特征提取2.5 本章小结. 243 e h g 信号包络提取263.1 h i l b e r t 变换 263.2 复小波变换 283.3 数学形态学方法. 303.4 规则平均 s h a n n o n 能量法 333.535包络提取比较3.6 本章小结. 364 e h g 信号数据挖掘. 384.1 回归分析. 394.2 人工

15、神经网络434.3 支持向量机 474.4 本章小结. 495 总结与展望 515.1 工作总结. 515.2 52本文创新点5.3 问题和展望 52参考文献54攻读硕士学位期间的科研成果58致 谢59暨南大学硕士学位论文1 1 1 1绪论1 1 1 11 1 1 1 早产预测的意义妊娠满 28 周及以后的胎儿和其附属物从母体排出的过程称为分娩( de l i ve r y ) 。妊 娠 满 28 周 至 不 满 37 足 周 间 的 分 娩 称 为 早 产 ( pr e - t e r m de l i ve r y ) ; 妊 娠 满 37 周 至不 满 42 足 周 间 的 分 娩 称

16、为 足 月 产 ( t e r m de l i ve r y ) ; 妊 娠 满 42 周 及 其 后 的 分 娩 称 为过期产 ( pos t - t e r m de l i ve r y) 。 目前全球早产占分娩总数的 5% - 15% , 因地区、 人种等有所不同, 其中黑种人高达 15% 。 尽管世界上有一些国家(如芬兰、法国)和地区(如苏格兰)的早产发生率从 20 世纪 60 年代到 80 年代下降了。但是,总体来看,早产的发生率在近几十年中逐渐上升。我国对早产的发生率尚缺乏全国统一研究的资料, 约为 10% 。 2004 年广东医学院 附 属 广 东 省 妇 女 儿 童 医 院

17、 研 究 了 10 年 住 院 分 娩 产 妇 中 早 产 的 变 化 趋 势 , 10 年 间共分娩产妇 16585 例, 其中早产 1422 例, 占 8.57% , 而且早产率呈现逐年上升趋势 : 1 1994 年 , 1995 年和 2002 年, 2003 年的早产率分别为 6.24% , 6.49% 和 9.02% , 10% 。不论是发达国家还是发展中国家, 早产都是导致围产儿发病和死亡的主要原因 。出 生 一 个 月 内 的 非 畸 形 新 生 儿 死 亡 中 , 约 3/ 4 因 早 产 所 致 。 早 产 可 导 致 严 重 的 不 良围 产 儿 预 后 , 如 呼 吸 窘

18、 迫 综 合 症 ( r d s ) 、 脑 室 内 出 血 ( i v h ) 、 坏 死 性 小 肠 结 肠 炎(n e c ) 、早产性视网膜病变(r o p ) 、支气管肺发育不良(b p d ) 、感染、贫血、 动脉导管未闭( p d a ) 、窒息等。另外,比如生长发育迟缓、视力损害、听力障碍 、 慢性肺部疾病 、 脑瘫以及运动受限等, 都已经对社会和家庭造成了巨大的负担 。 因此 ,为了提高出生人口素质,如何客观、准确地预测早产具有重要的现实意义。1 1 1 12 2 2 2 早产预测的发展早 产是新生儿死亡和发病的主要原因,由早产所致的严重后遗症给家庭和社会带 来沉重的影响。早

19、产的预测十分重要,探讨方便、准确和无创的预测方法是产科工作者的当务之急 。 根据末次月经日期, 月份加 9 (末次月经日期在 1- 3 月间 ) 或者减 3 (末次月经日期在 4- 12 间 ) , 天数加 7, 可以得到预产期。 但预产期仅仅是一个理 论值,实际的分娩发动时间无从知晓。分娩是一个复杂的生理活动,分娩发动的必 备条件是胎儿的成熟和母体的准备,分娩发动的原因目前尚不清楚。由于分娩的1基于子宫肌电信号的早产预测方法研究动 因目前尚不明确,因此引起早产的原因亦不太清楚。但是,对于分娩发动的两个必 备条件,胎儿成熟度(测定方法包括临床评估、超声检查和羊水成熟度分析等) 2 以及母体的准

20、备可能与下列理论有关 :1)子宫下段成熟理论:妊娠期子宫处于相对静息状态,而在妊娠末期,随着胎儿 成熟、宫腔内压力增加及子宫的收缩,使子宫峡部被拉长扩张成子宫下段。分娩前的子宫收缩逐渐加强且较有规律。2)内分泌控制理论: 包括前列腺素 (p g s ) 、 雌激素、 孕激素、 缩宫素以及内皮素等对分娩发动的影响。3) 神经介质理论: 子宫受交感神经和副交感神经支配 , 子宫肌层有 和 肾上腺素能受体,交感神经兴奋使 受体,可刺激子宫收缩,而副交感神经则相反。4) 机械性理论:随着妊娠的进展,胎儿逐渐发育成熟,宫腔容积逐渐增大 , 子宫 壁的张力随之增加,由于临产前这两个机械条件已达到高峰,对子

21、宫下部和宫颈起到机械性的扩张作用。以上是可能引发分娩的动因,相应的,早产的预测可能可以基于以下的指标:1) 早产的临床指标: 利用人口统计学及临床可变因素等制定的评分系统对早产 3 有 一 定 的 临 床 指 导 作 用 。 b i s hop 评 分 法 可 用 来 判 定 宫 颈 成 熟 度 , 表 1-1 显 示 了b i s hop 评分标准。如果产妇得分 7 分,表示宫颈成熟,如果产妇得分 6 分,表示宫颈不成熟,因此,高的宫颈成熟度评分可以告知产科医生与孕妇早产的可能性。 3 表 1- 1 b i s hop 评分标准指标 分数0 1 2 3宫口开大( ) 0 1- 2 3- 4

22、5- 6c m宫颈管消退(% ) 0- 30 40- 50 60- 70 80- 100(未消退为 )2c m先露位置(坐骨 - 3 - 2 - 1- 0 + 1- + 2棘水平 )0宫颈硬度 硬 中 软宫口位置 后 中 前2) 早产预测的生化指标: 包络内分泌激素 、 细胞黏附分子等可供预测参考的生化指标。例如 胎儿纤维连接蛋白( f e t a l f i br one c t i on,f f n )是人体纤连蛋白的一个亚 型,是子宫绒毛膜细胞外基质成分,在羊膜、胎盘组织以及绒毛膜蜕膜交界面都2暨南大学硕士学位论文有分布, 在羊水中含量较高, 通常在分娩发动的前 l - 2 周从纯毛蜕膜

23、界面渗漏, 经过宫 颈 进 入 阴 道 , 通 过 测 量 宫 颈 管 与 阴 道 分 泌 物 中 的 f f n 浓 度 , 可 以 预 测 分 娩 发 动 时 4 间。 周玮等 对 60 例足月孕妇研究发现, 当胎儿纤连蛋白浓度为阳性 30ng / m l 的孕妇有 42 例,在一周内分娩的就有 36 例,当胎儿纤连蛋白浓度为阴性 30ng / m l , 在一周内分娩的仅有 3 例。 因此, 通过检测 f f n 浓度在很大程度上可以在一周内预测分娩。3) 感染免疫指标: 给予细菌或细菌产物可以导致动物的流产和早产, 宫内感染与先兆早产及早产分娩有关,包括各种可能与早产有关的细胞因子指标

24、。4) 生物物理指标: 通过超声等方法对孕期宫颈结构 、 宫颈长度及管腔宽度的变 5 化进行观察 , 可以得到一定的监测先兆早产的指标 。 曾杰等 经阴道超声检测196 例足月妊娠未临产孕妇的宫颈长度, 得出其预测1周内自然发动分娩最佳预测值为宫颈长度 23m m , b i s hop 评分 5分 (结合宫颈成熟度评分 ) , 而宫颈内口鸟嘴状扩张与分 6 娩 发 动 无 相 关 。 解 左 平 等 对 98 例 足 月 初 产 妇 行 阴 道 超 声 测 量 孕 妇 宫 颈 长 度 、 宫 颈管 宽度、宫颈内口楔行区宽度,认为宫颈长度、宫颈管宽度与临产时间显著相关,宫 颈内口楔行区宽度与临

25、产时间无显著相关性。其中以宫颈长度的预测效果最好,当宫颈长度 30 m m 时 , 平均临产时间为 9.8h, 宫颈长度 30m m 时 , 平均临产时间为26.5 h。特 别 的 , 由 于 子 宫 的 收 缩 运 动 直 接 促 使 胎 儿 排 除 母 体 , 因 此 通 过 t o c o ( 分 娩压力计) 和 i u p (宫内压力计 ) 的宫缩监测, 会对早产的预测产生一定的参考意义 。但是, 宫内压导管是有创的, 属于侵入式测量 , 操作稍有不慎将极有可能引起感染 。分娩压力计需要将皮带缠在孕妇腹部, 不仅孕妇会感觉到不舒适 , 而且测量不准确 ,所以,对于直接引发子宫收缩的子宫

26、肌电活动监测显得重要且有意义。1 1. 3 31 1. 3 3 基于子宫肌电的预测方法研究1 1. 3 3. 1 11 1. 3 3. 1 1 子宫结构与分娩活动子 宫位于盆腔的中央,类似倒置的梨形。子宫上部宽,称子宫体,构成子宫肌层 的 平 滑 肌 细 胞 , 一 般 长 约 50 m , 在 妊 娠 时 增 生 肥 大 , 长 度 可 达 500 m 以 上 , 同时 肌纤维和结缔组织增生,肌层肥厚,为临产后子宫收缩提供条件。子宫 下 部窄,圆柱状, 称子宫颈, 主要由致密的胶原纤维和弹性纤维构成 , 胶原纤维具有韧性大 ,3基于子宫肌电信号的早产预测方法研究抗 拉力强的特点,弹性纤维富有

27、弹性,可拉长数倍,放松后即能恢复原状。在子宫体 与子宫颈的中间有一段特别狭窄的部分,称子宫峡部。子宫峡部是子宫的特殊部位 ,非妊娠时,它是宫颈的一部分,妊娠后形成子宫下段,对妊娠的维持和分娩的发动起着重要的作用。图 1-1 是子宫结构的示意图。 8 图 1-1 子宫结构图 7 分 娩 被 认 为 有 两 个 主 要 过 程 组 成 , 第 一 阶 段 为 相 当 长 的 准 备 阶 段 , 第 二 阶 段相 对 较 短 , 中 间 可 能 会 有 一 个 关 键 性 的 过 渡 期 。 图 1- 1 显 示 了 在 这 两 个 阶 段 中 子 宫体 (ut e r us ) 、 子宫颈( c

28、e r vi x ) 及胎膜( f e t a l m e m br a ne s ) 的变化情况。第一阶段为最 后 的 正 常 分 娩 做 准 备 , 包 括 子 宫 肌 层 中 连 接 蛋 白 ( c onne x i ns ) 、 离 子 通 道 i onc ha nne l s 的 合成,子宫颈的逐渐软化等,一旦进入第二阶段,即主动分娩发动,子宫 体收缩加强,宫颈扩张,胎膜破裂,这一过程不可逆,将持续到分娩结束,不能被停止。4暨南大学硕士学位论文 7 图 1-1 分娩的两个阶段1 1. 3 3. 2 21 1. 3 3. 2 2 子宫机械活动妊 娠 36- 38 周 之 前 子 宫 肌

29、 层 处 于 收 缩 不 敏 感 状 态 , 静 息 期 过 后 , 需 要 一 段 过 渡时间, 包括宫颈成熟、 子宫下段形成 、 不规律宫缩等, 是子宫被 “ 唤醒 ” , 为分娩做好 准备。分娩是以强烈的子宫收缩为标志,这种宫缩使宫颈管展平,宫口扩张并迫使 胎儿下降通过产道娩出。宫缩是非自主的,一旦进入产程宫缩不依赖于子宫外的 2 , 8 控制 。分娩时子宫收缩的特点为节律性、对称性和极性:1) 节律性 : 宫缩的节律性是临产的标志 。 每次宫缩都是由弱至强, 维持一定时间 (一般 30- 40 秒) , 随后从强逐渐减弱 , 直至消失进入间歇期 , 间歇期一般约为 5- 6分钟, 当宫

30、口全开时, 间歇期仅 1- 2 分钟, 宫缩可持续达 60 秒。 阵缩如此反复出现 ,直至分娩全过程结束。2) 对称性和极性 : 正常宫缩起自两侧子宫角部 , 迅速向宫底中线集中, 左右对称, 再以大约 2c m / s 的速度向子宫下段扩散 , 持续约 15 秒均匀协调地遍及整个子宫 ,此 为宫缩的对称性。宫缩以宫底部最强最持久,向下逐渐减弱,宫底部收缩力的强度是子宫下段的两倍,此为宫缩的极性。5基于子宫肌电信号的早产预测方法研究图 1-2 子宫收缩的对称性与极性3) 缩复作用: 每当宫缩时, 子宫体部肌纤维短缩变宽, 间歇期肌纤维虽然松弛变长变窄,但不能恢复到原来长度,经反复收缩,肌纤维越

31、来越短,这种现象为缩复作用。由于这种作用宫腔容积逐渐缩小,迫使胎先露部下降、宫颈管消失及宫口扩张。1 1 1 13 3 3 33 3 3 3 子宫电活动子 宫肌电活动是无数个子宫平滑肌细胞单个电活动的综合表现,子宫电活动的产 生是机械活动的基础,子宫电活动的强弱,取决于所有子宫肌肉产生动作电位的能 力及自发电活动性。不同子宫平滑肌细胞间活动的同步需要借助于细胞间的一些低电阻通道 (即细胞间的缝隙连接 ) 。 分娩时, 子宫平滑肌产生动作电位的能力增强 ,使 得子宫电活动活跃。同时细胞间缝隙连接明显增加,提供了肌细胞间的低电阻通路 ,使得动作电位迅速扩布。结果邻近细胞的起搏点活动容易同步,致使峰

32、电位爆 8 发波形成,导致整个子宫同步的兴奋和收缩 。子 宫肌电图是子宫肌细胞水平的电活动叠加的结果,子宫肌细胞的电活动是子宫 肌纤维收缩的基础,子宫肌肉收缩的效果取决与两个因素:电活动的兴奋及其传 9 递 :1) 子宫肌细胞的兴奋: 在细胞水平的电活动可以用两种电位来描述: 静息电位和 动作电位。在静息条件下,一个可兴奋细胞表面膜的两侧存在着电位差,细胞内比细胞外负 50- 100m v 。 这种电位差称为静息电位。 在一定限度内, 静息电位的大小与 组织中两种最多的阳离子:钾和钠的浓度比例有着相当大的关系。在浓度比例改变时, 细胞膜变成超极化 ( 即静息电位更负) 或去极化 (即静息电位更

33、正) 。 动作电6暨南大学硕士学位论文+ + -位 的 产 生 是 由 于 膜 对 k 、 na 和 cl 的 通 透 性 在 受 刺 激 后 的 短 时 间 内 发 生 的 可 逆 性 改变 的结果,对应膜外表面的正电性的降低。当静息电位达到一定阈值后,动作电位便产生了。2) 动作电位的传播: 子宫肌细胞具有起搏点和随博点 。 起搏点是由肌细胞自身缓 慢去极化导致的峰电位放电;随搏点的峰电位被认为是从其他部位的起搏点传导来 的。子宫肌层上的起搏点和随搏点在解剖学上不是分立的,每一个子宫肌细胞都可 以是一个随搏点,或者由于一些尚未清楚的原因,而变成一个起搏点。子宫肌细胞 间动作电位的传播极有可

34、能是通过细胞间的缝隙连接,以局部电流的方式传递。缝 隙连接是连接两个相邻细胞间的低电阻通道。电信号可以通过这一通道传递,不仅 速度大于通常的化学性突触传递,而且信息传递可以双向进行。缝隙连接有利于细 胞间的电耦联和代谢耦联,能够使一群机能上类似的细胞进行同步性活动。随着妊 娠的进展,子宫肌细胞缝隙连接的数量、大小及分布会明显的变化。在妊娠早、中 期,缝隙连接出现频率较低,这可以限制细胞间的电传递,从而防止子宫肌细胞的 同步兴奋与收缩,有利于分娩的维持。足月妊娠时,缝隙连接不断地增多,体积也 增大。分娩前,缝隙连接明显增加,提供了肌细胞间的低电阻通路,允许动作电位迅速扩布,引起同步兴奋与收缩,导

35、致分娩。分娩后,缝隙连接也随即消失。子 宫肌电信号的获取包括从子宫体直接记录到的子宫肌电信号和从体表记录到的 子宫肌电信号。体内子宫电信号是由直接放置在子宫体上的电极记录到的肌电信号。 由于没有腹部肌肉和脂肪的阻隔, 体内子宫电信号是对子宫活动更直接的反映 。但 是,出于道德上的考虑,体内子宫电信号基本都是由动物实验取得的。只有少数的 实验信号直接取自剖腹产孕妇的子宫。由产妇体表电极记录到的子宫肌电信号称为体表子宫电信号( ut e r i ne e m g , e l e c t r ohy s t e r ogr a m , e h g ) 。本文以下所述的子宫肌电信号都是由体表记录得到的

36、体表子宫肌电信号。研究表明在人类怀孕 18 周的时候, 就可以在体表测得子宫肌电信号 。 体表子宫肌电信号的幅值很低 , 当子宫收缩 , 其肌电信号表现为峰电活动很频繁的爆发波时 , 9 变化范围也仅在 100 v- 1.8m v 之间 。 另一方面, 子宫肌电信号的频率也较低 , 其频率成分主要集中在 0- 5h z 之间。子宫肌电信号的主要频率成分有 f 1 和 f 2 两部分,如图 1- 3 所示。 由于 f 1 和慢波已经和机械伪迹混合 , 因此一般认为不具有临床意义 。 1 0 而频率 0.1- 3h z 的快波在妊娠和分娩阶段都可以观测到 , 可以真实地反映子宫肌肉7基于子宫肌电信

37、号的早产预测方法研究活动情况。图 1-3 子宫肌电信号频谱 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 1 基 于子宫肌电信号并且尝试预测早产的研究在持续地进行着 。 随着分娩 1 2 的临近,子宫收缩的频率、强度、能量等不断增加 。子宫的收缩活动伴随着爆发波 的出现,因此,子宫肌电信号爆发波的均值、时延以及爆发波出现的频率等被认 1 6 , 1 7 , 1 8 为能够为观察分娩发动提供一定意义的参考价值 , 理论上可以通过对子宫肌电信 号的分析处理来预测是否将要发生分娩。例如,子宫肌电信号的功率谱峰值频率是最能够预测真实分娩的因素 , 在正常分娩前 24 小时, 及早产前 4 天时, 其功率谱

38、1 7 , 1 9 峰 值 频 率 将 发 生 明 显 增 加 。 然 而 , 我 们 希 望 通 过 对 子 宫 肌 电 信 号 的 分 析 处 理 ,更 早期以及更准确地预测是否将发生早产,以便能及时地采取措施以防止早产的发生 。一般的,对子宫肌电信号进行处理,其实是对于子宫肌电信号的特征参数进行 1 7 , 2 0 2 1 分析, 例如功率谱峰值频 率 、 a r 模型和小波变 换 、 以及均方根值等线性方法 2 2 和样本熵 等 非线性方 法 都有应用于子宫肌电信号的分析中。另一方面,基于特征参 数的分析,在对早产和非早产的子宫肌电信号进行分类等预测研究时,包括人工 1 6 , 2 3

39、 , 2 4 2 5 神经网络 、小波网络 等方法也都有被应用于此。1 1. 4 41 1. 4 4 本文的创新点及主要内容本 文研究基于子宫肌电信号的早产预测方法,在国外属于比较前沿热点的研究 4 5 , 4 6 , 4 7 , 4 8 领域 , 而在国内还没有见到直接相关的文献报道 , 因此本文的研究内容将会对国内在基于子宫肌电信号的早产预测发展上提供一定的参考。 具体的创新点包括 :1) 对于子宫肌电信号进行了全面而基础的分析 , 并且提取基于整个信号域的特 1 6 征参数,而不仅仅是针对信号爆发波 的出现部分。2) 比较和分析了不同的子宫肌电信号包络提取方法, 包括希尔伯特变换 、 复

40、小波变换、数学形态学和规则平均 s ha nnon 能量法。8暨南大学硕士学位论文3) 运用数据挖掘的方法对子宫肌电信号进行回归和分类的建模分析 , 包括多元线性回归、自组织神经网络和支持向量机。本文的主要内容包括:第 一章介绍了早产及预测早产的方法,特别是基于子宫肌电信号的预测方法。对 于子宫结构,子宫机械活动以及子宫电活动的产生和传播,子宫肌电信号的分析处 理特别是在早产预测方面都进行了文献研究。最后阐述了论文创新点和主要研究内容。第 二章从时域、频域和时频域的角度系统地分析了子宫肌电信号,并且提取了基于时域图、功率谱、小波包变换和自回归(a r )模型的信号特征参数。第 三章比较不同的子

41、宫肌电信号包络提取方法,包括希尔伯特变换、复小波变换 、数学形态学和规则平均 s ha nnon 能 量法,最终选择了综合的复小波变换提取子宫 肌电信号的包络。通过对信号包络的分析和观察,可以在一定程度上区分早产和非早产的信号。第 四章将数据挖掘的方法应用于子宫肌电信号的回归和分类研究中,具体是多元线性回归的方法建立信号特征值与距离分娩发动时间 (分娩时间和测量时间之差 )的 回归模型;自组织神经网络的方法对子宫肌电信号进行聚类分析用以发现高早产率 的信号;支持向量机的方法建立早产和非早产的分类模型,并且用测试集信号对模型进行了测试。第 五章对本文的研究内容进行了总结,并对存在的问题进行了回顾

42、,以及有待进一步研究的内容进行了展望。9基于子宫肌电信号的早产预测方法研究2 2 2 2 e e e e h h h h g g g g 信号 特性 分析 和特 征提 取 2 6 本章以 t he t e r m - p r e t e r m e h g d a t a ba s e t p e h g d b 中的数据为例 , 对子宫肌电 信 号 从 时 域 、 频 域 以 及 时 频 域 的 角 度 做 一 个 总 体 的 分 析 。 t p e h g d b 中 包 括 30 0例体表子宫肌电图数据 , 由 262 例足月产和 38 例早产数据组成。 其中, 在 262 例足月 产

43、数 据 中 , 有 143 例 的 采 集 时 间 是 妊 娠 26 周 前 , 有 1 1 9 例 的 采 集 时 间 是 妊 娠 26周 后;在 38 例 早产数据中,有 19 例 的采集时间是妊娠 26 周 前,有 19 例 的采集时间是妊娠 26 周后。 图 2- 1 显示了这 300 例子宫肌电图数据对应的分娩时间与信号采集时间的关系 。 其中, 白点表示分娩时间大于 37 周的信号, 即非早产信号, 而黑点表示分娩时间小于 37 周的信号,即早产信号。图 2- 1 t p e h g d b 数据分布t p e h g d b 中 每 一 例 数 据 均 包 括 3 个 通 道 的

44、 信 号 , 由 4 个 电 极 差 分 得 到 。 电 极摆放位置如图 2- 2 所示。 其中, e 1 位于肚脐左 3.5c m , 下 1c m ; e 3 位于肚脐左 3.5c m ,下 8c m ; e 2 和 e 4 分别与 e 1 和 e 3 左右对称。通道 1 的信号由 e 1 和 e 2 差分得到、通道 2 的信号由 e 2 和 e 3 差分得到、 通道 3 的信号由 e 4 和 e 3 差分得到, 且每一个通 道 的 信 号 又 分 别 包 括 原 始 信 号 和 经 过 0.08h z - 4h z 、 0.3h z - 3h z 及 0.3h z - 4h z 三 组巴

45、特沃斯带通滤波 。 所以, 实际上每一例数据包括了 12 组信号。 信号采样率为 20h z ,分辨率为 2.5m v/ 16bi t 。1 0暨南大学硕士学位论文图 2- 2 电极摆放位置2 2 2 21 1 1 1 时域分析和特征提取时 域分析是指在时间域上对系统进行分析,包括对图形的直观观察,以及基于时域信号的方差、均值,均方根、过零率等计算值分析。图 2- 3 是 t p e h g d b 中某一例(编号: t pe hg 1007 )子宫肌电信号的时域图形,是以 20h z 采样率记录的约 30分 钟 数 据 , 分 别 为 通 道 一 、 二 、 三 的 原 始 信 号 和 经

46、过 0.08h z - 4h z 、 0.3h z - 3h z 及0.3h z - 4h z 带通滤波的信号波形 。 观察图 2- 3 发现信号部分时间的幅值很小 , 中间夹杂 出现起伏剧烈的爆发波,但是爆发波的峰值也仅仅在 0.2m v 左 右。其中的爆发波是由子宫收缩导致的。图 2- 3 子宫肌电信号时域波形1 1基于子宫肌电信号的早产预测方法研究本节以均方根值和过零率这两个信号时域特征值为例,来分析子宫肌电信号。1)均方根值:对于一段长为 n 的离散信号 x i ,其均方根值为:n112r m s x i 2- 1ni 02)过零率:对于一段长为 n 的离散信号 x i ,其过零数为:

47、n112- 2z e s g n x i s g n x i1 2i 1为了排除信号长度 n 对过零数的影响,所以本文定义的过零率为:z c z e / n 2- 3表 2- 1 显 示 了 子 宫 肌 电 信 号 对 于 不 同 分 娩 时 间 的 时 域 特 征 值 比 较 , 其 中 的 数 据均以平均值 标准差的形式表示。 在一定程度上 , 均方根值反映了信号的振幅信息 ,过零率反映了信号的频率信息 。 但是观察表 2- 1 发现, 对于均方根值和过零率而言 ,子 宫 肌 电 信 号 分 娩 时 间 的 可 分 性 不 好 , 对 于 表 2- 1 中 任 意 一 行 数 据 , 时

48、域 特 征 的 平均 值虽然有比较小的差异,但是相应的标准差相对来说很大,因此聚类性不好,不容易从单个时域特征值的角度对信号进行区分。表 2- 1 时域特征值比较特征 分娩时间通道 滤波器值 小于 37 周 大于 37 周0.08- 4h z 14.82486.5147 14.91 1 28.8084一 0.3- 3h z 6.03202.8801 5.88732.78260.3- 4h z 6.25002.8502 6.14852.77150.08- 4h z 13.72966.1 1 57 13.88789.1864均方二 0.3- 3h z 5.42912.7625 5.18302.83

49、02根值0.3- 4h z 5.52392.7458 5.28852.84610.08- 4h z 1 1 .4805 4.7793 10.47185.5442三 0.3- 3h z 4.37211.8720 4.12031.90000.3- 4h z 4.50961.8609 4.28871.88760.08- 4h z 0.06530.0228 0.07180.0297一 0.3- 3h z 0.10250.0233 0.10640.02730.3- 4h z 0.13950.0389 0.14510.03830.08- 4h z 0.04990.0218 0.05130.0218过零二

50、0.3- 3h z 0.08710.0235 0.08870.0231率0.3- 4h z 0.10830.0349 0.1 1 040.03330.08- 4h z 0.0567 0.0185 0.0660 0.0260 三 0.3- 3h z 0.09210.0196 0.10100.02460.3- 4h z 0.12770.0356 0.13920.03611 2暨南大学硕士学位论文图 2- 4 显 示 了 其 中 的 均 方 根 值 相 对 于 不 同 测 量 时 间 的 分 布 情 况 , 其 中 白 点 表 示分娩时间大于 37 周的信号, 即非早产信号 , 而黑点表示分娩时间小

51、于 37 周的信号 ,即 早产信号。观察发现,早产和非早产的子宫肌电信号在均方根值的分布上几乎混叠在一起,难以区分,这和表 2- 1 的结果是一致的。图 2- 4 均方根值分布2 2. 2 22 2. 2 2 频域分析和特征提取类 似于时域分析,频域分析是在频率域上对信号进行分析,通过信号变换,将数 字信号由时域图变换至频谱分析,以及包括基于功率谱的中值频率,峰值频率等计算值分析。如 果在单一的时间域看子宫肌电信号,可以观察信号幅值以及爆发波等信息,但 是能够得到的信息有限,经过一定变换,从更多角度去观察时,往往能够发现更多的信息 。 傅里叶变换 (f our i e r t r a ns f or m ) 能够将时间域上的信号变换至频率域中 ,是信号处理中的常用变换。对于连续时间信号 x t ,其连续时间傅里叶变换为+ j w tx j w x t e dt 2- 4而 数 字 信 号 处 理 的 分 析 对 象 是 离 散 序 列 , 因 此 对 于 一 个 离 散 序 列 x n , 其 离 散时间傅里叶变换为+ j wj w nx e x n e 2- 5n 1 3基于子宫肌电信号的早产