[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出了一种新颖的单导联腹部心电图（aECG）胎儿心电图（fECG）提取方法，采用去形状短时傅里叶变换（STFT）进行心率估计，以及非局部中值滤波进行波形重建。该方法在无需额外导联的情况下实现了高精度的fECG提取，在模拟和真实数据库上表现出色，对异位搏动具有鲁棒性，并具备应用于双胎妊娠的潜力。

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.

研究动机与目标

• 为解决从单个母体腹部导联aECG中提取胎儿心电图的挑战，该方法不依赖额外测量（如母体胸导联ECG或多导联腹部ECG）。
• 克服在非平稳、噪声干扰的单通道信号中同时检测多个基频和实现源分离的双重挑战。
• 开发一种方法，利用aECG信号中隐藏的时间与频谱结构，实现无需事先了解胎儿或母体形态的精确fECG重建。
• 实现无创、长期的胎儿心率与波形监测，适用于胎儿窘迫检测等临床应用。
• 提供一种可推广的框架，适用于除fECG外的其他多分量振荡信号分离问题。

提出的方法

• 采用去形状短时傅里叶变换（STFT）通过非线性适应信号波形的时间-频率表示来估计母体与胎儿心率。
• 应用心率跟踪技术，基于估计的心率精确检测母体与胎儿ECG成分中的R波峰。
• 通过利用信号时间段内自相似性，非局部中值滤波重建母体与胎儿ECG波形。
• 该方法依赖于相似心脏搏动（如正常R波峰）在信号中空间分布的假设，从而实现噪声抑制与波形恢复。
• 采用改进的算法从时间-频率表示中提取波形曲线，以识别瞬时心率轨迹。
• 该方法无需事先了解母体或胎儿ECG形态，适用于个体化、无创监测。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可仅使用单导联腹部ECG在无需母体胸导联ECG或多导联腹部ECG等额外测量的情况下，准确提取胎儿ECG？
• RQ2 去形状STFT技术在非平稳、噪声干扰的信号中，如何提升对多个时变心率的估计性能？
• RQ3 非局部中值滤波在从单通道混合信号中重建准确的胎儿与母体ECG波形方面，其有效程度如何？
• RQ4 该方法在临床相关挑战（如异位搏动、子宫收缩及双胎妊娠）下的表现如何？
• RQ5 所提出的框架是否可推广至除胎儿ECG外的其他多分量振荡信号分离问题？

主要发现

• 该算法在CinC2013和adfecgdb数据库上均取得高F1分数，多数情况下F1 > 80%，表明在R波峰检测与fECG提取方面表现优异。
• 该方法对胎儿与母体异位搏动表现出鲁棒性，因为非局部中值滤波能基于波形相似性有效将正常与异位搏动分别聚类。
• 在模拟的fecgsyn数据库中，即使在高噪声与复杂波形条件下，算法仍成功提取fECG，性能与最先进方法相当。
• 去形状STFT实现了对非平稳且频谱重叠的母体与胎儿心率的精确时变估计。
• 该方法在双胎妊娠应用中展现出潜力，时间-频率表示中可观察到多个胎儿心率分量，但若无额外约束，波形曲线提取仍具挑战。
• 当存在强子宫收缩时，算法性能下降，5分钟段内F1分数低于80%，表明未来工作需改进噪声建模。