新的估计和指导方针,更好地利用胎儿心率与多普勒超声波设备估计

文摘

描述胎儿的健康与多普勒超声波设备需要根据胎儿参数计算得分。为了分析正确参数来源于胎儿心率,每分钟0.25次的准确性是必要的。同时假阴性率最低和最高的敏感性,我们调查了各种多普勒技术是否确保准确性。我们发现的准确性是保证如果定向多普勒信号和自相关估计。提供我们最好的估计量的敏感性为95.5%,对应于一个标准估计量相比提高14%。

1。介绍

连续监测胎儿参数显示他们的优势在评估胎儿健康1]。根据该报告的母胎医学学会2),连续胎儿心率监测降低婴儿死亡率。非侵入性方法的开发或改善胎儿监护仪专用因此主要关心的。

一个重要的参数在评估胎儿健康胎儿心率的变化。这个参数,对应于间隔的连续两次心跳之间的变化,是中枢神经系统发展的风向标3- - - - - -5]。它描述胎儿的行为状态(6- - - - - -8),可以进一步进化神经的指标(9]。胎儿窒息的可变性分析提供了一个良好的迹象(10)和识别胎儿宫内生长迟缓(11]。根据道斯标准(12],可变性4 ms的预测缺乏酸中毒,而值2.6女士对于胎儿是至关重要的。胎儿心率在正常范围(110 - 160 bpm), 4 ms的时间变化对应于一个bpm 0.81的心脏频率可变因素,而2.6毫秒的时间变化对应于一个心脏频率变化0.53 bpm (bpm 0.53 bpm和0.81得到的值如下:bpm和bpm、职责)。其他作者(13]表明,有必要估计心率的精度0.25 bpm为了正确分析胎儿心率变异性。可靠的估计胎儿心率和心率变异性的因此因此至关重要。

有几种方法可用于评估胎儿心率。这些方法在不同的多普勒信号电平(定向或没有方向的)和心率算法估计的水平。例如,市场上现有的设备如Sonicaid牛津(英国牛津Sonicaid仪器,阿宾顿)148030)、惠普(美国惠普,帕洛阿尔托,CA) (15),和飞利浦阿瓦隆F40(飞利浦,阿姆斯特丹,荷兰)使用的信封没有方向的多普勒信号。其他作者(16,17)使用了定向多普勒信号的包络线。几种常用算法基于自相关估计心率(牛津Sonicaid惠普8030 a,和飞利浦阿瓦隆F40)。这些算法直接应用于多普勒信号包络(定向或没有方向的)或从离散小波分解信号产生的信封。在后一种情况下,最后估计心率涉及不同的组合估计(16]。

在这项研究中,我们第一次验证是否脉冲多普勒技术目前商用设备确保这样一个bpm 0.25的准确性,这里我们提出一些关于参数设置的建议。我们还比较了技术与其他商业设备使用脉冲多普勒技术,使用定向多普勒信号。我们评估这些技术经验的功效(错误的估计胎儿心率、敏感性,和假阴性率)。

本研究的创新在于推荐系统的参数设置和个人的描述每种技术的局限性。最后,为了提高检测概率,基于心率的组合的新方法获得定向信号提出了。

2。材料和方法

在本节中,我们描述了我们开发了多普勒系统,病人和合成信号用于每个估计量的比较。合成信号推断从真实信号。最后,我们目前现有的各种技术评估胎儿心率和技术给出一种新的基于组合过程。

2.1。多普勒系统

为了客观评估胎儿健康和胎儿进行分类,我们伙伴脉冲,multitransducer、多通道多普勒Actifoetus单元与Althais技术(旅游、法国)。

我们的系统由一台个人电脑(PC)和Actifoetus单位。Actifoetus单元包含三组四个传感器和一个多普勒收购。收购委员会提出的详细的操作功能(18]。

传感器探索胎儿心脏non-focused monoelement。他们在形状,圆形的直径13.5毫米和1兆瓦的声功率/厘米²。几何,传感器位于重心和一个等边三角形的顶部两侧测量40.7毫米。

传感器被放置在母亲的腹部。他们传播一个正弦脉冲与脉冲重复频率为2.25 MHz(脉冲)1 kHz。注意,一个理论的准确性bpm可以达到这个值1 kHz和精度可以进一步提高通过执行相关函数的插值。波传播是通过母亲对胎儿心脏的腹部。背散射信号被记录从五个不同的深度,注释。请注意,只有一个通道被认为是在目前的研究中。

接收到的超声波信号被转换成电子信号的衰减和放大补偿1 dB /厘米/ MHz。信号解调在阶段()和正交()[19]。解调后的信号都是数字化的。代表的数字输出转换器的数字多普勒信号。

2.2。病人

多普勒信号时获得CHRU“Bretonneau”旅游,法国。每个病人的同意和研究获得伦理委员会批准的临床研究中心的创新技术的旅游(806年CIC-IT CHRU旅游)。患者年龄超过18年,怀孕都是单身。录音是在25日和第四十孕周。进化在怀孕期间胎儿是正常的。

2.3。模拟

因为它是难以量化评估技术的有效性直接在真正的信号,因为没有合适的模型,我们生成的合成信号。这些合成信号真实被用作评估每个估计量的有效性。这些信号尽可能真实,我们分两个阶段进行:一个分析阶段推导出真正的多普勒信号包络的特点和合成阶段提供现实的模拟信号。数据1(一)和1 (b)显示1000 ms的信封,一个真正的没有方向的多普勒信号和对应的两个信封定向信号得到的和信号(19,20.]。合成包络信号计算如下: 在哪里和信封的定向散射产生的多普勒信号方法和远离传感器,分别。

我们验证(数据1(一)和1 (b)),真正的没有方向的多普勒信号的包络的签名的两个信封定向信号。举个例子,在500毫秒左右,没有方向的信号的包络线主要是受到散射,接近传感器,在400毫秒左右,我们观察到的影响运动传感器。这两个动作的交替影响决定的信封没有方向的信号。

2.3.1。真正的定向信号的分析

图2显示2000 ms的信封,一个真正的定向多普勒信号。为了找到这个信号的合成所需的重要参数,我们提取其内在特性(数量和振幅的山峰,山峰,之间的滞后和振幅峰值之间的差异)。这些参数的值被考虑quasiconstant评估胎儿心率。

图2代表一个序列的几个模式。这些模式是由山峰与心墙和阀门胎儿心脏的运动。所建议的莎士比亚et al。21],尽管六峰(心房收缩,心室收缩,二尖瓣阀门的开启和关闭,打开和关闭的主动脉瓣)可以检测到理论上,只有少数的山峰在实践中发现没有方向的多普勒信号。从我们的分析,似乎最有可能的模式是,有四个峰值。注意这四个山峰组成的签名可以相差很大从一个打到另一个,这是类似于被Jezewski et al。13]。在所有这些模式中,最有可能的是订单2143的模式与峰值;也就是说,最高峰在第二位,第二个高峰在第一个位置,等等。2143 -模式,我们评估每个峰的振幅(,,,)、峰值时间(,,,),连续两个峰值之间的滞后(,,),连续两个峰值之间的振幅差异(,,)。统计分析的结果被发表在表1。

图中观察到的模式2吵了,我们决定评估噪音水平以模拟噪声合成多普勒信号。我们评估了信号噪声比(信噪比)如下: 在哪里和主动和被动的权力区域,分别。我们认为该地区活跃的地区包含模式的山峰,而被动的地区都没有。使用(2),我们发现,信噪比计算实际信号与高斯定律:。

2.3.2。合成的合成方向的信号

定向信号的包络分析显示四个山峰的存在,它出现在2143年周期内模式。这种信号的合成必须考虑到这些特点。方程(3)显示了两种可能的组件这样的信号: 在哪里是噪音,峰值振幅,峰值频率,单位矩形函数集中在吗与宽度和,是模式持续时间,是合成信号的时期。我们设定一个恒定的时间间隔最高山峰的连续两个模式之间的合成信号,如图2。我们也选择了模式时期50%的人造心脏循环周期,因为这段时间可以改变40至60% (22]。

使用(3),我们生成的两个合成噪声对应于信封定向信号。没有方向的合成信号的包络线建模使用(1),信封之和的定向合成信号。为了简化我们的研究中,计算,被延迟和放大版的。模拟真实的信号,我们引入了一个延迟之间的定向组件: 在哪里和是定向信号和的信封吗之间的滞后两个信封。是一个因素代表之间的振幅比两种类型的信封。从图1,女士和。

2.4。估计

在本节中,我们描述我们的研究中使用的不同的估计。每个基于自相关函数的估计量是用,,如图3。每一个估计量的不同的信号:,,。

设备目前市场上现有的使用信封和自相关。使用这些配置的估计和。给出两种自相关估计的数学表达式(23),之后表示 在哪里分析窗口的大小,估计量的时间计算,然后呢是滞后的。代表一个信号分析(,,或)。

我们测试了其他估计(),使用定向信号和,加上和。

2.4.1。算法

算法来估计胎儿的心率在所有三个信号(都是一样的,,)。算法的步骤如下。(1)提取每个信号在考虑(,,或)数量有限的样品,窗口大小。(2)计算和。(3)使用一个经验阈值,检测的位置峰在和。(4)的位置山峰的和确定时间连续的山峰之间。(5)计算心脏的频率与,。这个条件测试心脏频率限制的数量估计从或平均计算。这个条件测试还允许切除心脏频率估计期望值的一半,有时观察(莎士比亚et al。21])。(6)计算平均心脏频率(FHR)不超过35 bpm (13]: 作为一个例子,考虑一个窗口年代。只要心脏频率bpm, 16个峰出现的自相关函数。使用一组经验阈值,每个峰值测量之间的持续时间(年代和心脏的频率bpmbpm估计。平均获得的心脏频率bpm。请注意,4与60 bpm和峰出现年代的估计。平均获得的心脏频率bpm。

因此该算法正确在60 - 240 bpm的范围。然而,FHR估计的标准偏差是不一样的在一个案例中以来极值平均获得了三个值而得到的平均15个值。

注意,这种算法并不完美,因为它提出FHR过程中是恒定的。有时第二峰值的自相关可以低于第三,FHR估计是不正确的。必须执行一个过程去除离群值。

2.4.2。消除异常值

为了消除离群值估计与估计量功能障碍有关,我们引入了一个后处理步骤。后处理步骤仅适用于在这样的信号。估计被认为是一个异类,如果放在外面的统计计算从40以前的估计,或如果它连续两个之间的不同分析windows 35 bpm。

2.4.3。结合

为了提高FHR估计的有效性,我们估计相结合。为和两个值的胎儿心率信号的估计和是结合在一起的。两个信号的估计是通过使用或。我们使用的组合规则如下:(我)如果心率检测到在一个信号,总价值将这个值;(2)如果心率信号检测,合并后的价值这两个值的平均值。

注意,在对比Kret的研究(16),我们结合两个方向上的胎儿心率估计多普勒信号,而Kret技术是基于组合的胎儿心率估计计算离散小波分解后的包络线定向多普勒信号。自从Kret技术仅适用于对连续多普勒信号,不考虑在我们的研究中。

3所示。结果

找到最好的估计,他们可以使用的条件,我们进行了一系列的仿真和实验。使用模拟,我们寻求配置,确保了一个错误的估计,也就是说,预期的精度低于0.25 bpm,灵敏度最高,最低的假阴性率。实验中,我们寻求最优的最佳配置使用的估计量。

3.1。模拟信号

我们现在从两种类型的模拟结果。第一系列的模拟,我们寻求参数设置,确保所需的bpm 0.25的准确性。第二系列的模拟,我们评估每个估计量的有效性而言,真正的阳性率和假阴性率。

3.1.1。最优参数设置

中给出的结果数据4和5了30年代的合成信号。我们分析的参数变化的周期性信号、信噪比、窗口大小和滞后。我们不同的周期性信号女士在1000年和250年之间,这些值对应到标准范围的勘探(60 - 240 bpm)不同的胎儿监视器。信噪比范围变化介于0到14 dB,为了包括我们的信噪比测量值的实际信号和为了考虑最糟糕的情况下。的范围大小不同的女士在512年和4096年之间。胎儿心率最高可以获得512 ms的窗口大小,虽然我们有限的最大窗口4096 ms减少计算时间。

数据4和5显示最小的窗口大小分析(ms)的估计测试确保预期的准确性bpm 0.25的范围60 - 240 bpm和至少保证一个信噪比大于0.6 dB。请注意,对于估计量报道在图5我们表明,没有尺寸,保证所需的精度,不管信噪比或频率。测试估计的鲁棒性与日益复杂的模拟信号,延迟不同的0到40毫秒之间,这个值40 ms被从图1。

结果来自图4表明,包络信号(估计精度)不再是实现对某些频率,但它仍然是定向信号。最后,图5显示,最好的估计(,,)和各自的最佳参数设置(),确保0.25 bpm的准确性dB在60 - 240 bpm的范围内。

总之,这些结果显示的优越性相比和方向信号的包络的优越性比没有方向的信号。因此,我们建议使用和估计(,,基于定向信号的包络线)。

3.1.2。性能水平的估计

在这项研究中,估计我们要计算的性能水平的敏感性和假阴性率。胎儿心率每250毫秒从噪声信号进行评估女士敏感性计算公式:,在那里是真正的积极评价和假阴性率。模拟的估计心率被认为是假阴性如果他们不确保预期的准确性;否则,他们是真阳性。敏感性和假阳性率被评为30值的平均值。每个值确定噪声信号分析后的30年代的敏感性和假阳性率聚合最大值和最小值,分别。收敛了最小信噪比为6 dB。

第二个系列的模拟结果中给出数据6和7为女士和dB。注意,估计25只获得了bpm的错误无论频率,而准确性只获得了100、150、200、220和240 bpm。

结果在图7表明估计基于(,,,)平均(平均从心脏频率)获得假阴性率为1.5%,而根据(,,,)提出了一个更高的平均假阴性率约为14.8%。平均97.5%的真阳性的略低于估计基于,这是100%。最后,当达到0.25 bpm的准确性,我们观察到,估计基于一般都比基于更准确,尽管平均假阴性率不为零。

图8显示了估计的误差对应不同的信噪比当一个零值假阴性率。这个零修改检测获得的假阴性率阈值,和一个直接后果是增加估计。结果来自图8表明,假阴性率为0是保证dB(低于在真正的信号信噪比测量)和bpm 0.8的误差估计。在的情况下和方向信号,我们获得了一个错误的估计4 bpm,而对于一个没有方向的信号是6 bpm。

表2总结了每个估计量的有效性而言,FHR误差估计,平均信噪比,假阴性率。达到一个错误的估计,bpm 0.25的预期精度,我们建议,autocorrelation-based估计(,,,),平均价格支付是假阴性率为1.5%。假阴性率平均达到0%,我们建议autocorrelation-based估计(,,,),支付的价格是一个错误的估计0.8 bpm 0.25 bpm的预期精度。

3.2。结果真实信号

我们记录了580分钟真正的多普勒信号的分析。我们选择信号有心脏活动的地方签名。这些信号的性能水平进行评估的信封上没有方向的和方向信号。FHR估计获得与商业设备(牛津Sonicaid)作为参考评估敏感度评估每个估计量。估计都是评估使用的大小ms。

获得的结果展示在表的所有信号3。估计基于定向信号(,,,)提供了一个更高层次的敏感性比那些使用没有方向的信号(,)。对于定向信号,结果和接近但略好了吗。这个结果证实了仿真的结果。因此,我们建议使用估计的基础上计算方向信号(,)。

使用组合方法灵敏度提高。估计量的敏感性为95.5%(见表3)。使用组合方法,灵敏度增加到(95.5% - -88.5%)7%定向信号并对(95.5% - -81.8%)14%没有方向的信号。

4所示。讨论和结论

在这项研究中,我们关注的不同设置估计(窗口大小,滞后),确保胎儿心率估计最大授权错误0.25 bpm。我们只在仿真中发现,估计基于和定向信号可以确保这样一个bpm 0.25的准确性。在这种情况下所需的大小ms。

注意,虽然我们提出合成信号,尽可能的真实,我们都知道,绘制性能水平仅代表我们的模拟,而不是在实践中遇到的所有情况。很可能可以减少算法的性能水平测试的文物。然而,95%的灵敏度得到真正的信号表明,我们提出的估计可能是可信的。

在实际信号的情况下,灵敏度是量化。自从在我们的研究中估计信噪比的信号大于阈值6 dB(模拟信号)推导出需要达到预期的精度0.25 bpm,去噪滤波器并不是必要的。然而,在低信噪比的情况下比6 dB,去噪过程(维纳,小波)。

敏感性量化使用大小为4096 ms。我们发现估计,,基于稍微更大的敏感性比基于。因此,我们建议使用。

各种情况下被认为是本研究的基础上,也就是说,那些不需要一个精确的估计胎儿的心率和准确性是至关重要的。胎儿心率估计的准确性在第一种情况下并不重要,但假阴性率应尽可能低。例如,如果一个监控系统的目标是验证胎儿心率在正常范围(110 - 160 bpm),不需要很高的精度。在这种情况下,一个错误的估计0.8 bpm是充分的。我们的计算表明,bpm 0.8的误差估计,假阴性率为零的区域可以确保quasi-constant节奏时。在第二种情况下,一个错误的估计0.25 bpm系统所需的目标不仅是估计心率,而且评估胎儿健康。我们的研究表明,这种类型的系统,假阴性率可能略高于零。重要的是要注意,这个错误的估算是保证quasi-constant心率。这不是一个约束这样一个系统,因为胎儿心率的变化必须被评估在这些范围预测胎儿窘迫。

知识运用于实际信号,估计基于提供敏感性接近的人,其中最有效的估计是那些使用定向信号(,,)。

灵敏度相比增加7%估计基于个体定向信号有可能当我们结合这两个心率计算方向的信号。灵敏度相比增加14%估计基于个人没有方向的信号有可能当我们结合这两个心率计算方向的信号。结合使用时,信号都是并行处理,从而加倍操作的数量。

我们估计量的良好的水平的性能在此基础上结合建议,第一,它可以适应multitransducer多通道配置和第二,这样的估计胎儿诊断将改善。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究得到了国家de la研究(项目anr - 07 - tecsan - 023, Surfoetus)。作者要感谢创新技术的临床研究中心之旅(806年CIC-IT CHRU旅游)和f . Perrotin教授的产科部门团队的支持记录信号。作者要感谢匿名,他们对裁判提出了宝贵意见。

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