自适应胎儿心电图仪的算法研究与实现

　　0　引言

　　胎儿心电图(FECG)是反映胎儿心脏电生理活动的一项客观指标,反映了胎儿在孕期中的生长和健康状况[3]。胎儿心电信号的采集与处理以及实现胎儿监护,对围产期医学研究和临床应用,提高围产医学质量具有重要意义[5],目前国内外均在开展此课题的研究。在微弱信号研究的基础上,研制了以数字信号处理芯片TMS320LF2407为核心的自适应胎儿心电图仪。该胎儿心电图仪采用母亲腹部电极法,应用自适应噪声抵消技术,滤除母体心电(MECG)干扰及其他干扰,无创无损地提取胎儿心电信号,达到良好的效果。本文针对提取胎儿心电信号的特点,研究与实现了三种结构简单、易于实现的自适应噪声抵消算法:基本的LMS算法、归一化LMS算法和截断误差LMS算法,应用于自适应胎儿心电图仪。

　　1自适应噪声抵消(ANC)原理

　　自适应噪声抵消(ANC)原理如图1所示。自适应滤波器主要由两部分组成:系统可调的数字滤波器和用来调节或修正滤波器系数的自适应算法。原始输入d(t)通常包含所需信号s(t)和噪声n(t),s(t)与n(t)不相关,另一输入x(t)是d(t)的一种度量,并以某种方式与噪声n(t)有关,x(t)被数字滤波器所处理,得到噪声n(t)的估计值y(t),这样就可以从d(t)中减去y(t),得到所要提取信号s(t)的估计值e(t),表示为e(t)=s(t)+n(t)- y(t)。显然,通过适当的自适应算法,可以得到噪声的最佳估计y(t),使得输出e(t)的噪声最小,e(t)有两种作用:一是得到信号s(t)的最佳估计;二是用于调整滤波器系数的误差信号。

　　根据ANC原理,胎儿心电图仪中设计了两个对称输入通道,分别提取母体腹部和胸部的信号,腹部信号中含有胎儿心电和母亲心电即为算法中的d(t),用胸部信号这一路做为参考输入x(t),抵消腹部的母亲心电,使得到纯净的胎儿心电成为可能。

　　2自适应算法的研究

　　自适应噪声抵消算法有很多种,根据优化准则不同,可以分为两种基本的算法:基于最小均方误差准则(MMSE)的最小均方(LMS)算法和基于最小二乘准则的递推最小二乘(RLS)算法。在这两种基本算法基础上,又有多种改进算法。不同的算法具有不同的收敛速度、稳态失调和算法复杂度。针对自适应胎儿心电图仪的特点,以及提取胎儿心电信号实时性要求高,对信号失真要求小,以满足临床分析要求为目标的特点,胎儿心电图仪系统设计时选择了几种易于实现的LMS算法。

　　2.1基本LMS算法

　　基本的LMS算法是B.Widrow等人于1960年基于最小均方误差准则(MMSE)的维纳滤波器和最陡下降法提出的。它使滤波器的输出与期望输出信号之间的均方误差E[e2(n)]最小。

　　进行修正的滤波器权系数迭代公式为: