نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

• امیررضا اسدی
• ابوذر غفاری

علم و صنعت ایران

چکیده

یکی از تکنیک‌های تخمین ضربان قلب جنین (FHR) استفاده از سیگنال الکتروکاردیوگرام (ECG) است. ECG رویکردی بسیار ایمن و ارزان می‌باشد و نسبت به روش‌‌های دیگر، برای مانیتورینگ از راه دور مناسب‌‌تر است. به این منظور، ثبت ECG شکمی مادر (AECG) مورد استفاده قرار می‌‌گیرد که علاوه بر ECG جنین (FECG) شامل سیگنال قلبی مادر (MECG)، فعالیت ماهیچه‌‌های مادر یا جنین، فعالیت‌‌های مغزی جنین و نویز‌ها است؛ بنابراین تخمین ضربان قلب جنین از روی سیگنال شکمی چالش‌های فراوانی دارد. در این پژوهش، نرخ ضربان قلب جنین از سیگنال AECG تک‌کاناله با استفاده از تجزیه‌‌ی نامنفی ماتریس (NMF) تخمین زده می‌‌شود. در این روش به منظور استفاده از اطلاعات حوزه‌‌ی زمان-فرکانس سیگنال شکمی، تبدیل فوریه‌‌ی زمان کوتاه (STFT) بر روی آن اعمال می‌شود و ماتریس STFT به عنوان ورودی NMF مورد استفاده قرار می‌گیرد. سطرهای ماتریس‌ نامنفی حاصل از این تجزیه، حاوی محتوای سیگنال مادر، جنین و نویز می‌باشند که از آن‌ها برای تخمین پیک R و نرخ ضربان قلب جنین استفاده می‌شود. مزیت این روش، عملکرد خوب آن در ثبت‌هایی است که دامنه‌ی ECG مادر و جنین نزدیک به هم هستند و تفکیک QRS های آن‌ها از یکدیگر چالش برانگیر است. عملکرد الگوریتم پیشنهادی بر روی دو پایگاه داده ADFECGDB و PCDB با روش‌های پیشین تک‌کاناله از جمله مدل‌های یادگیری عمیق مقایسه شده است. تحلیل نتایج آماری بدست آمده نشان می‌دهد که روش پیشنهادی، تخمین ضربان قلب و پیک R سیگنال جنین را با دقت خوبی انجام می‌دهد. بنابراین روش پیشنهاد برای مانیتورینگ طولانی مدت جنین مناسب است.

کلیدواژه‌ها

• الکتروکاردیوگرام شکمی مادر
• مانیتورینگ جنین
• تبدیل فوریه زمان کوتاه
• تجزیه نامنفی ماتریس
• پیک R جنین
• نرخ ضربان قلب جنین

موضوعات

• پردازش سیگنال‌های حیاتی

عنوان مقاله [English]

Estimation of Fetal Heart Rate from Single-Channel Abdominal Electrocardiogram Based on Non-Negative Matrix Factorization

نویسندگان [English]

• Amir Reza Asadi
• Aboozar Ghaffari

Iran University of Science and Technology

چکیده [English]

One of the procedures for estimating fetal heart rate (FHR) is the use of an electrocardiogram (ECG). The ECG is a safe, inexpensive, and convenient method that can be used for remote monitoring, so maternal abdominal ECG recording (AECG) is used. The AECG signal, in addition to the fetal ECG (FECG), includes the maternal ECG (MECG), maternal or fetal muscle activity, fetal brain activity, and noise, making it difficult to estimate the fetal heart rate based on the abdominal signal. In this study, the fetal heart rate is estimated from the single-channel AECG signal utilizing non-negative matrix factorization (NMF). In this method, the short-time Fourier transform (STFT) is used to obtain time-frequency information of the abdominal signal. Next, the NMF utilizes the STFT matrix as input. The rows of the non-negative matrix resulting from the NMF contain the content of maternal, fetal, and noise, which are used to detect R-peak and FHR. It performs well when MECG and FECG amplitudes are close together, which is one of the advantages of this method. The robustness and performance of the proposed algorithm have been compared with other state-of-the-art single-channel approaches, including deep learning models, on two databases, ADFECGDB and PCDB. Statistical analysis demonstrates that the proposed method is capable of estimating FHR and R-peak accurately. As a result, the proposed method is suitable for long-term fetal monitoring.

کلیدواژه‌ها [English]

• Maternal Abdominal ECG
• Fetal Monitoring
• Short-time Fourier Transform (STFT)
• Non-Negative Matrix Factorization(NMF)
• Fetal R-Peak.Fetal Heart Rate (FHR)