胎心率計算機算法的進(jìn)展

1　引言

提高人口出生質(zhì)量，降低圍產(chǎn)兒的死亡率是婦幼保健工作的一項重要內容。據統計，我國弱智兒童數量十分龐大，很大部分是由于胎兒在生長(cháng)過(guò)程中經(jīng)常處于缺氧、缺血的窘迫狀態(tài)而導致發(fā)育不良或早產(chǎn)［1］。統計資料表明，圍產(chǎn)兒死亡中25％是可以避免的。顯然在圍產(chǎn)期對胎兒進(jìn)行監護，防止胎兒受損是十分必要的。胎心率監護是目前臨床上常用的一種胎兒監護方法。胎心率的監護方式主要有三種：無(wú)刺激試驗、宮縮負荷試驗和催產(chǎn)素激惹試驗。無(wú)刺激試驗的胎心率監護是目前臨床上使用最廣泛的方式。進(jìn)行胎心率監護首先要檢測胎心率，早先的方法有母體腹壁心電圖、體外心音圖、胎兒心電圖等［2］。當前胎心率檢測方法可分為有損檢測和無(wú)損檢測。有損檢測主要采用頭皮電極的方式來(lái)檢測胎心率，即將電極置于胎兒頭皮直接測得胎兒心電信號后得到胎心率，它只能在分娩過(guò)程胎兒頭部娩出后才可使用；而無(wú)損檢測主要采用超聲多普勒方式，即由胎兒心臟的物理運動(dòng)造成超聲的多普勒效應來(lái)檢測胎心率，可適用于產(chǎn)前和分娩期監護。胎心率分析就是在通過(guò)上述方式獲得胎心率數據后進(jìn)行的分析，由分析得出的一些指標來(lái)判斷和預測胎兒狀況。一種有效的胎心率分析方法需要經(jīng)過(guò)大量臨床數據的分析，建立起具體指標、曲線(xiàn)形態(tài)類(lèi)型和胎兒健康狀況之間的相應關(guān)系，預測胎兒發(fā)育狀況，才能使分析方法具有實(shí)際的臨床使用價(jià)值。目前在臨床上使用的各種不同廠(chǎng)家的機型其分析方法也各不相同［3～5］，都是在各自大量的臨床數據分析積累后建立起來(lái)的算法模型。

雖然目前對采用胎心率監護來(lái)判斷胎兒發(fā)育狀況好壞還存在許多的爭論［6］，但是贊成使用胎心率監護的還是絕大部分，所以對胎心率分析方法的研究也不斷在發(fā)展。隨著(zhù)信號采集和檢測技術(shù)的不斷提高及胎心率分析方法的發(fā)展，胎心率監護必將成為一種臨床上更為有效的胎兒監護方法。

2 胎心率分析方法發(fā)展狀況

在計算機進(jìn)行胎心率分析之前，主要采用肉眼識別和憑醫生的臨床經(jīng)驗來(lái)判斷胎兒發(fā)育狀況。直至70年代末80年代初，用計算機對胎心率進(jìn)行在線(xiàn)式（on-line）或離線(xiàn)式（off-line）的分析［5］，才使胎心率分析有了定量化的指標。肉眼識別和計算機的定量化分析相比，前者一致性差，精確度低，人為主觀(guān)因素影響大。在未使用計算機分析胎心率時(shí)，引起胎心率監護爭論的很大原因是由于缺少一致性良好的客觀(guān)指標［7］。RobertGagnon等人對計算機分析和肉眼識別進(jìn)行對比，結果發(fā)現即使是同一個(gè)婦產(chǎn)科專(zhuān)家，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，對同一曲線(xiàn)的識別也不一樣，更何況是不同專(zhuān)家之間，可見(jiàn)肉眼識別的一致性很差，不適合進(jìn)行客觀(guān)診斷［8］。目前隨著(zhù)計算機性能的日益提高，各種新興的分析方法也逐步被應用到胎心率分析上來(lái)挖掘胎心率監護曲線(xiàn)內部隱藏著(zhù)的更為重要的信息，以尋找更加準確的分析方法。目前正在被使用或處于研究中的分析方法有許多，既有線(xiàn)性，又有非線(xiàn)性，既有時(shí)域，又有頻域。下面對一些主要的方法進(jìn)行綜述。

2.1 時(shí)域分析

時(shí)域分析方法是最常用、最成熟的分析方法。目前在臨床上實(shí)際使用的胎心率監護儀都是采用對胎心率的時(shí)間序列進(jìn)行線(xiàn)性分析。例如牛津公司的System8000［5］、Hew-lett-Packard公司的HP8040［9］等。采用線(xiàn)性時(shí)域分析，首先要根據臨床要求確定胎心率曲線(xiàn)各個(gè)監護指標的定義，然后采用相應的數學(xué)手段例如統計、掃描、判斷比較等從曲線(xiàn)形態(tài)上來(lái)識別計算各個(gè)指標，最后根據指標綜合判斷胎兒的健康狀況。研究人員采用線(xiàn)性時(shí)域分析法經(jīng)過(guò)近20年的大量臨床試驗，使這些指標已經(jīng)有了較為統一的曲線(xiàn)形態(tài)上的定義，常見(jiàn)的指標如胎心率基線(xiàn)、胎心率加速、減速、胎心率的波動(dòng)幅度和頻率等，并建立了各個(gè)指標和胎兒鍵康狀況、儲備大小之間較明確的關(guān)系，得出了能夠較好地用胎心率指標來(lái)評判斷胎兒狀況的標準［10］。所以采用線(xiàn)性的時(shí)域分析已基本達到臨床使用要求。對于具體系統，其數據采集方式、采集速度、使用單位等不同，其相應的各指標定義和標準也略有不同，具體的算法也有一定差別。

2.2 頻域分析

頻域分析相對時(shí)域分析而言，只是將心率數據通過(guò)快速傅立葉變換（FFT）將時(shí)間域轉換到頻域，相應地采用頻域參數例如譜密度、譜能量等來(lái)建立衡量胎兒狀況的指標。和時(shí)域分析類(lèi)似，分析某時(shí)間段的心率譜，同時(shí)記錄對應時(shí)間段胎兒的生理和病理狀況。對一定量的胎心率數據樣本進(jìn)行分析對比、觀(guān)察統計，建立其某個(gè)頻譜參數和相應的胎兒狀態(tài)之間的關(guān)系，從而達到能預測胎兒健康程度的能力。VanWoerdenEE等人采用能量譜分析胎兒心率變化和胎兒行為，結果發(fā)現有正常面部運動(dòng)時(shí)段的能量譜在面部運動(dòng)頻率處有一個(gè)波峰，而沒(méi)有面部運動(dòng)的時(shí)段對應的能量譜就沒(méi)有峰值出現［11］，如圖1所示。而AbboudS等人采用能量譜通過(guò)腹壁母體心電圖來(lái)分析胎兒心率變化，他們從15個(gè)懷孕32～41周的孕婦身上獲得母體心電圖后采用正交相關(guān)函數、數字濾波和快速傅立葉變換等得到能量譜［12］。分析能量譜得出了兩個(gè)反映心率長(cháng)變異和短變異的指標，并和信號在時(shí)域分析中得出的變異進(jìn)行比較，發(fā)現有良好的一致性（r＝0.937）。

圖1在有正常面部運動(dòng)的CF1狀態(tài)期，胎心率變化的相對譜密度（注：縱坐標A.U.表示相關(guān)譜密度的絕對單位，RM指示面部運動(dòng)所處的頻率位置。

2.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )分析

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )是一類(lèi)仿生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )原理的信息處理系統，與傳統信息處理系統有著(zhù)本質(zhì)不同，是以并行性、容錯性、非線(xiàn)性和自學(xué)習性等為主要特征。胎心率是一種隨胎兒健全狀況、成熟程度不同而不斷變化的，同時(shí)胎心率很容易受低血氧、貧血、酸中毒、宮縮等因素影響［1］，簡(jiǎn)單地憑線(xiàn)性方法可能還不足以最準確地反映胎兒狀況，應該以多種因素綜合考慮來(lái)進(jìn)行診斷。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )方法能夠將多個(gè)因素同時(shí)進(jìn)行考慮，適當地應用到對胎心率的診斷和識別能夠取得較好的效果。目前研究人員主要用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )方法來(lái)構造小的專(zhuān)家系統進(jìn)行預測和識別隱藏在曲線(xiàn)內部的信息。KelthRDF等人采用4個(gè)輸入節點(diǎn)分別表示減速的面積、深度、時(shí)長(cháng)及變化，5個(gè)隱層節點(diǎn)，3個(gè)輸出節點(diǎn)分別表示不是減速、是減速、是一個(gè)嚴重減速來(lái)構造了一個(gè)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型如圖2所示，在經(jīng)過(guò)106次隨機樣本輸入，每個(gè)樣本大約重復輸入了2193次。網(wǎng)絡(luò )學(xué)習一直到誤差小于0.1后停止，然后對116個(gè)時(shí)間長(cháng)度為15min的未知片段進(jìn)行識別，識別完后再進(jìn)行第二次的隨機識別，同時(shí)由婦產(chǎn)科專(zhuān)家、助產(chǎn)士、工程師、臨床使用的監護儀進(jìn)行相同方法的識別作為對照。結果發(fā)現網(wǎng)絡(luò )的識別結果和婦產(chǎn)科專(zhuān)家的識別結果有最高的符合率，同時(shí)對同一樣本的識別又比專(zhuān)家的一致性要高，而且遠遠好于目前在臨床上使用的監護儀的專(zhuān)家符合率［13］。DevoeLD等人采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )來(lái)預測胎兒的預后狀況和確定對于足月孕婦無(wú)負荷試驗的每次監護的最佳時(shí)間間隔［14］。他們發(fā)現連續的或隔天的胎心率情況可以較好地預測下一天的胎心率情況，從而可以按照一定的時(shí)間間隔進(jìn)行監護，而避免了無(wú)規則地盲目監護。他們還由此得出胎心率的長(cháng)變異是提供預測的最好指標，并和采用回歸方程的方法相比，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )方法預測出的結果要來(lái)得好。
2.4 混沌分析

混沌理論是專(zhuān)門(mén)用于描述介于線(xiàn)性和隨機兩者之間邊界問(wèn)題的一類(lèi)混沌現象。研究人員在研究控制胎心率的生理機制后，得出胎兒心率既不是一個(gè)簡(jiǎn)單的線(xiàn)性變化，也不是完全的隨機過(guò)程，是處于這兩者之間的邊界問(wèn)題即混沌現象，所以用混沌方法來(lái)分析胎心率可能更好地理解胎心率的整個(gè)生理機制。ChaffinDG等人采用相位空間重建技術(shù)和維數分析，研究了12條從正常孕婦中得到的胎心率曲線(xiàn)，用時(shí)延方法得到相位空間吸引子，其特征和那些非線(xiàn)性混沌系統具有一致性，揭示了胎心率的變化是由一個(gè)非線(xiàn)性混沌系統控制的［15］。RenzoGG等人采用分形算法來(lái)估測胎心率的變化情況［16］，他們分析了健康足月胎兒的心率，得到一個(gè)大的中心吸引子，并伴有大量隨機的能量投射，而當心率曲線(xiàn)變得有問(wèn)題時(shí)，吸引子就變小，能量投射數目也相應減小，當胎兒進(jìn)一步退化，則吸引子變得非常小，而且基本上沒(méi)有能量投射。他們還指出，在提早衰退的胎兒中，吸引子在其軌跡上失去了原來(lái)的復雜性而變得更小、更狹窄，并且和D2維值的下降相一致。

圖2　輸入節點(diǎn)所表示的含義和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的構成

圖3　胎心率曲線(xiàn)和相應的時(shí)頻能量分布圖：（1）31周孕期；（2）38周孕期

2.5 匹配跟蹤（MatchingPursuits，MP）

MetinAkay等人研究和總結了前人單獨在時(shí)域或頻域中的FHR分析技術(shù)，提出了基于時(shí)域和頻域的匹配跟蹤法（MP）來(lái)分析FHR。由于匹配跟蹤法能在時(shí)間—頻率平面得到復雜的能量結構，例如從尖脈沖狀到持續的活躍波動(dòng)型，而這樣的結構用能量譜方法和小波分析都是無(wú)法在時(shí)間—頻率平面得到的。用MP方法去考察胎心率的波動(dòng)是因為傳統的傅立葉變換不能反映波動(dòng)很少的信號，而小波變換因其傅立葉變換只支持一個(gè)很小頻帶，也不能反映頻帶很寬的信號結構。MetinAkay等人用MP方法去考察胎心率的時(shí)頻特征時(shí)，發(fā)現其能量結構符合上述所述的復雜結構［18］，這使得用傳統傅立葉變換到頻域中去分析或使用小波變換分析都不能很好地反映胎心率信號的特征。MetinAkay等人用MP方法考察了懷孕31周和38周健康的孕婦，發(fā)現相對于31周胎心率而言，38周的胎心率信號中能夠得到更多的小塊高頻成份，而且頻率值也更高一些。雖然兩者都有長(cháng)的水平狀結構，但是38周的心率曲線(xiàn)對應的水平狀結構對應更高的頻率值，如圖3所示。顯然不同孕周的胎心率監護曲線(xiàn)通過(guò)此方法可以進(jìn)行區分，并判斷胎兒發(fā)育是否良好。進(jìn)一步發(fā)現使用MP方法可以非常敏感地檢測出動(dòng)態(tài)變化的FHR信號中的干擾，可以提高對胎心率監護曲線(xiàn)的置信度。

3 討論

胎心率監護過(guò)程是一個(gè)復雜的過(guò)程。由于對分娩前胎心率的檢測是通過(guò)母體腹壁得到，若采用心電信號方式，則受母體的心電、肌電等各種生物電信號的干擾；若采用超聲波多普勒方式檢測，則容易受母體的腹壁運動(dòng)、胎兒自身的移動(dòng)以及母親肥胖等生理結構的影響。加上胎兒本身的心臟又那么弱小，電信號和心臟壁、血流的運動(dòng)都非常微小，所以要得到高質(zhì)量的胎心率是一個(gè)很復雜的技術(shù)過(guò)程［18］，而胎心率信號質(zhì)量的高低決定了胎心率監護的可信度［19］。同樣，得到胎心率數據后對其分析也是一個(gè)復雜的過(guò)程：首先選取適當的監護指標，依據指標建立起一個(gè)可靠的算法模型和分析方法，再由算法模型對大量的臨床數據和記錄進(jìn)行求解，并利用統計學(xué)手段對指標結果進(jìn)行統計、對比、分析，建立起指標和胎兒病理生理狀態(tài)之間的良好關(guān)系，并選取相應指標的正常值范圍，從而使分析具有輔助診斷的功能［20］。

目前對胎心率的監護是否有效還存在一定的分歧和爭論，研究人員發(fā)現胎心率曲線(xiàn)并不能準確反映胎兒的健全狀況，例如宮內死亡的胎兒并不都是由相似的病理原因引起的，有些胎兒死亡前還表現出正常形態(tài)的胎心率監護曲線(xiàn)，這使有些研究人員對胎心率監護持懷疑態(tài)度［6］。同時(shí)，胎心率所受影響的因素很多，如不同的分娩階段有不同的變化情況，或者受藥物、麻醉等影響，這使得對胎心率的診斷需要進(jìn)行綜合考慮，而不能簡(jiǎn)單地用單個(gè)胎心率曲線(xiàn)指標來(lái)反映胎兒狀況［21］。目前對胎心率的監護指標還沒(méi)有一個(gè)完全統一的標準正常值，實(shí)施胎心率監護的標準化還有許多工作要做。例如對于哪些孕婦需要進(jìn)行監護，監護多長(cháng)時(shí)間得到的胎心率才保證有效，信號丟失率達到多少才可能引起記錄不準確，各類(lèi)參數的精確度需要滿(mǎn)足多少才能符合計算和判別的要求，正常監護一般需間隔多少時(shí)間等等。

由于胎心監護還沒(méi)有嚴格的標準存在，所以目前正在臨床上使用的不同公司的儀器參照的標準也各不相同，包括依據的指標定義不一樣，數目不一樣，參數取值范圍不一樣等多方面，而且每種儀器所使用的胎心率檢測過(guò)程也可能不一樣，使得胎心率數據采用的單位、精度和相同時(shí)間采集的數據量也可能不一樣，這都影響到計算機對數據的分析，勢必也很難使各儀器的參照標準之間達到完全一致。婦產(chǎn)科醫生必須依據所使用的儀器的標準來(lái)診斷。目前臨床上使用的不同公司的儀器，其診斷標準都是通過(guò)很長(cháng)時(shí)間的臨床試用，做過(guò)大量的各種類(lèi)型孕婦、各個(gè)懷孕時(shí)間、分娩階段的監護，基本包括了一些臨床常見(jiàn)的曲線(xiàn)類(lèi)型，建立了曲線(xiàn)指標和胎兒生理病理狀況之間較好的相互關(guān)系，使這些參數基本能夠反映胎兒的各種生理病理狀況，基本符合臨床監護的需求，并試圖建立了這些參數的正常范圍值。

目前對各類(lèi)胎心率分析方法已有許多，除了上面的所述外還有小波分析等，而且還在不斷研究中，但大多還是停留在理論的研究上，真正應用到臨床識別和診斷還相當少，而且基本還沒(méi)有非常符合臨床實(shí)際使用要求的方法。象上述介紹的各種非線(xiàn)性方法，目前還都只是一些嘗試性的工作，真正能要應用到臨床還有大量的數據積累、分析、統計工作要做，以使得對應方法建立起良好的分析指標和胎兒生理病理狀況之間的關(guān)系，除此之外，診斷識別和預測的準確率的提高還要能夠滿(mǎn)足長(cháng)時(shí)間監護分析的要求，分析和診斷速度要能夠滿(mǎn)足實(shí)時(shí)監護的要求，能夠對信號質(zhì)量進(jìn)行估計并能進(jìn)行自適應地調整算法參數等。隨著(zhù)研究人員的不斷深入研究，可以相信，更好的、更符合臨床要求的分析算法將會(huì )真正使胎心率監護趨向標準化。