[論文レビュー] Extract fetal ECG from single-lead abdominal ECG by de-shape short time Fourier transform and nonlocal median

Li Su, Hau‐Tieng Wu|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2016

ECG Monitoring and Analysis参考文献 45被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、心拍数推定にデシェイプ短時間フーリエ変換（STFT）を用い、波形再構成に非局所メディアンフィルタリングを適用する、単一の腹部誘導による胎児心電図（fECG）抽出手法を提案する。追加の誘導を必要としないにもかかわらず、模擬的および実データベースにおいて高い精度を達成しており、期外収縮や双子妊娠への応用可能性を含め、良好な性能を示している。

ABSTRACT

The multiple fundamental frequency detection problem and the source separation problem from a single-channel signal containing multiple oscillatory components and a nonstationary noise are both challenging tasks. To extract the fetal electrocardiogram (ECG) from a single-lead maternal abdominal ECG, we face both challenges. In this paper, we propose a novel method to extract the fetal ECG signal from the single channel maternal abdominal ECG signal, without any additional measurement. The algorithm is composed of three main ingredients. First, the maternal and fetal heart rates are estimated by the de-shape short time Fourier transform, which is a recently proposed nonlinear time-frequency analysis technique; second, the beat tracking technique is applied to accurately obtain the maternal and fetal R peaks; third, the maternal and fetal ECG waveforms are established by the nonlocal median. The algorithm is evaluated on a simulated fetal ECG signal database ({\em fecgsyn} database), and tested on two real databases with the annotation provided by experts ({\em adfecgdb} database and {\em CinC2013} database). In general, the algorithm could be applied to solve other detection and source separation problems, and reconstruct the time-varying wave-shape function of each oscillatory component.

研究の動機と目的

• 母体の胸部心電図や複数の腹部誘導といった追加測定が得られない状況下で、単一の母体腹部誘導心電図から胎児心電図を抽出する課題に対処すること。
• 非定常的でノイジーな単一チャネル信号からの複数の基本周波数検出とソース分離という二重の課題を克服すること。
• aECG信号に隠された時間的および周波数的構造を活用し、胎児または母体の解剖的形状に関する事前知識なしに正確なfECG再構成を実現すること。
• 胎児不全の検出など、臨床応用に向けた非侵襲的で長期的な胎児心拍数および波形モニタリングを可能にすること。
• fECGにとどまらず、他の多成分周期的信号分離問題にも一般化可能なフレームワークを提供すること。

提案手法

• デシェイプ短時間フーリエ変換（STFT）を用いて、信号の形状に非線形的に適合する時間周波数表現を分析することで、母体および胎児の心拍数を推定する。
• 推定された心拍数を基に、R波ピークを正確に検出するためのビートトラッキングを、母体および胎児の心電図成分に適用する。
• 非局所メディアンフィルタリングにより、信号の時間的セグメント間における自己同形性を活用して、母体および胎児の心電図波形を再構成する。
• 本手法は、類似した心拍（例：正常なR波ピーク）が信号全体に空間的に分布しているという仮定に依拠しており、ノイズ低減と波形回復を実現する。
• 時間周波数表現からの曲線抽出には、即時の心拍数トレースを特定する修正アルゴリズムを用いる。
• 母体または胎児の心電図形状に関する事前知識を必要としないため、個別化された非侵襲的モニタリングに適している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 母体の胸部心電図や複数の腹部誘導といった追加測定が得られない状況下でも、単一の腹部誘導aECGから正確にfECGを抽出できるか？
• RQ2 デシェイプSTFT技術は、非定常的でノイジーな信号における複数の時間変動する心拍数推定をどのように改善できるか？
• RQ3 非局所メディアンフィルタリングは、単一チャネルの混合信号から正確な胎児および母体心電図波形をどの程度再構成できるか？
• RQ4 期外収縮、子宮収縮、および双子妊娠といった臨床的関連課題に対して、本手法はどの程度の性能を示すか？
• RQ5 提案されたフレームワークは、fECGにとどまらず、他の多成分周期的信号分離問題にも一般化可能か？

主な発見

• 本アルゴリズムはCinC2013およびadfecgdbデータベースで高いF1スコアを達成し、ほとんどのケースでF1 > 80%を記録しており、R波ピーク検出およびfECG抽出における優れた性能を示している。
• 非局所メディアンフィルタリングにより、胎児および母体の期外収縮に対しても耐性を示し、波形類似性に基づいて正常波形と期外収縮波形を別々にグループ化できた。
• 模擬的fecgsynデータベースでは、高ノイズおよび複雑な波形形態下でもfECGが正常に抽出され、最先端手法と同等の結果を示した。
• デシェイプSTFTにより、周波数が重複する非定常信号においても、時間変動する母体および胎児の心拍数を正確に推定できた。
• 双子妊娠への応用可能性も示唆されており、時間周波数表現に複数の胎児心拍数成分が明確に可視化されたが、追加の制約なしでは曲線抽出が依然として困難であった。
• 強力な子宮収縮が存在する場合にはアルゴリズムの性能が著しく低下し、5分間のセグメントでF1スコアが80%未満に下がった。今後の研究では、ノイズモデルの改善が求められる。