بخشی از مقاله
جداسازی سیگنال قلبی جنین از سیگنال قلبی مادر با استفاده از فیلترهای تطبیقی و محیط نرم افزاری
LabVIEW
خلاصه
مشکلات قلبی-عروقی یکی از شایعترین بیماری های مادرزادی است که گاهی پس از تولد و حتی سالها بعد از آن اثری از خود نشان نمی دهند. بنابراین استخراج سیگنال قلبی جنین (FECG) و مانیتورینگ آن در طول بارداری، در تشخیص زودهنگام و در نتیجه امکان درمان نارسایی های قلبی قبل از تولد نوزاد و یا انجام تدابیر لازم در هنگام تولد بسیار مهم می باشد. در حال حاضر متداولترین روش موجود برای مانیتور کردن قلب جنین استفاده از سیستمهای اولتراسوند میباشد که تنها ضربان قلب و دسته معدودی از نارساییهای قلبی را میتوان بوسیله آنها تشخیص داد. در این مقاله روشی برای استخراج سیگنال قلبی جنین((FECG از سیگنال قلبی مادر((MECG با استفاده از فیلترهای تطبیقی در محیط نرم افزاری لب ویو ارائه شده است. فیلتر تطبیقی فیلتری است که بطور خودکار ضرایب خود را به منظور بهینه کردن یک شاخص کارآیی مشخص، تنظیم می کند. در بهینه کردن پارامترهای فیلتر تطبیقی از الگوریتم LMS استفاده شده است.
کلمات کلیدی: سیگنال قلبی جنین، فیلتر تطبیقی، LabView ، الگوریتم LMS
1. مقدمه
نارساییهای قلبی جزء شایعترین بیماریهای مادرزادی میباشند. این نارساییها انواع مختلفی داشته و بعضاً پس از تولد و یا حتی تا سالها پس از آن بروز ظاهری از خود نشان نمیدهند؛ بلکه ممکن است تنها بر رشد کودک تأثیر گذاشته و یا در سنین بزرگسالی ظهور نمایند. از این رو مانیتور کردن قلب جنین در دوران بارداری در تشخیص زودهنگام نارساییهای قلبی بسیار مؤثر بوده و امکان درمان دارویی این بیماریها در دوران بارداری و یا انجام تدابیر لازم در زمان تولد را فراهم میسازد. مانیتورینگ قلب جنین در طول بارداری کادر پزشکی را قادر به تشخیص شرایط پاتولوژیکی بخصوص خفگی احتمالی جنین می نماید.[1] اگرچه روش های اولتراسوند داپلر در حال حاضر برای مانیتورینگ قلب جنین مورد استفاده قرار می گیرند، اما این روش ها به دلیل حساسیت به حرکت برای استفاده درازمدت مناسب نمی باشند. همچنین امروزه ایمنی و بی خطر بودن آنها در درازمدت مورد تردید قرار گرفته است.[2] بعلاوه تنها ضربان قلب و دسته معدودی از نارسایی های قلبی را میتوان بوسیله سیستم های اولتراسوند تشخیص داد. این در حالیاست که منشأ بسیاری از نارساییهای قلبی، در فعالیت های الکتریکی قلب و نارساییهای موجود، در نحوه انقباض ماهیچه قلبی است. به همین علت آنالیز سیگنالهای الکتریکی قلب موسوم به الکتروکاردیوگرام (یا نوار قلب) که حاوی نحوه فعالیت الکتریکی قلب است، بسیار مفید بوده و به لحاظ کلینیکی میتواند جایگزین و یا مکملی برای سیستمهای اولتراسوند فعلی باشد. برای بدست آوردن سیگنال الکتریکی قلب جنین، روش مرسوم پردازش سیگنال های قلبی ثبت شده از روی شکم مادر یا AECG است که شامل مخلوطی از سیگنال الکتریکی قلب مادر و جنین بوده و همواره تحت تاثیر تداخلاتی همچون تداخل برق شهر، سیگنال الکتروکاردیوگرام مادر و سیگنال الکترومایوگرام قرار می گیرد. همچنین عواملی مانند سن بارداری،
موقعیت الکترودها و امپدانس پوست روی آن تاثیرگذار است.[3] به دلیل ضعیف بودن سیگنال الکتریکی قلب جنین در مقابل سایر تداخل های محیطی، بویژه سیگنال قلب مادر، روش های جداسازی سیگنال قلب جنین از اهمیت بالایی برخوردار است. پژوهش های متنوعی همچون فیلترهای تطبیقی[4]، روش های همبستگی[5]، جداسازی منبع کور[6] و روش های ترکیبی آنالیز ویولت و جداسازی منبع کور[7] جهت استخراج سیگنال قلبی جنین((FECG از سیگنال شکمی مادر((AECG ارائه شده است. نحوه الکترودگذاری و ثبت سیگنال از شکم مادر در شکل1 نشان داده شده است. الکترود p1 در مکانی جایگذاری شده است که تنها سیگنال الکتروکاردیوگرام مادر (MECG) را ثبت می کند. الکترودهای p2 ، p3 ، p4 و p5 ترکیبی از سیگنال های MECG و FECG را ثبت می نماید. بنابراین سیگنال X1 (n) که خروجی الکترود p1 است به عنوان ورودی مرجع فیلتر تطبیقی و سیگنال های X 2 (n) و X 3 (n) به عنوان سیگنال های ورودی اولیه فیلتر مورد استفاده قرار می گیرند.
شکل:1 نحوه ثبت سیگنال شکمی(مخلوط ECG مادر و جنین)
2. روش و راه حل
نوار قلب جنین نیز شامل فاکتورهای مهمی در مورد شرایط سلامتی جنین است ومی تواند یک ابزار تشخیصی قابل توجه باشد. .همانند ECGی بالغین ،کمپلکس ECG وتغییرات ریتم قلبی جنین دو پارامتر مهم اندازه گیری هستندکه می توانند از ECGاستخراج شوند.
به همین دلیل توجه شایانی در زمینه ی پردازش سیگنالECG لازم است. هدف ما در این مقاله جداسازی سیگنال ECGجنین((FECG از ECG شکمی مادر با استفاده از فیلتر تطبیقی و محیط نرم افزاری labview می باشد. سیگنالی که از شکم مادر بدست می آید ترکیبی از ECGجنین ،ECG مادر و نویز می باشد که نویز ها در مرحله ی پیش پردازش حذف می شود. سیگنال الکتروکاردیوگرام اغلب تحت تاثیر سیگنالهای ناخواسته بسیاری قرار می گیرد. از مهمترین تداخلاتی که در ثبت سیگنال قلبی وجود دارن می توان به موارد زیر اشاره نمود.
یکی از منابع مهم تداخل در سیگنال ECG تداخل ناشی از برق شهر با فرکانس 50هرتز است. این نویز محیطی بوده و ناشی از تداخلات برق شهر است. راههای انتقال این نویز عمدتاً از طریق کوپلاژ امپدانس مشترک و کوپلاژ میدانی است. با توجه به اینکه این نویز کاملاً در درون باند فرکانسی
سیگنال ECG قرار دارد تنها راه از بین بردن اثر این نویز استفاده از فیلتر میان نگذر تیز (ناچ فیلتر) می باشد.
تداخل ناشی از سیگنال های ماهیچه ای((EMG نیز یکی از عوامل ایجاد تداخل در سیگنال الکتروکاردیوگرام است. باند فرکانسی سیگنال EMG از صفر تا 10000 هرتز است و با توجه به پهنای باند سیگنال ECG که از صفر تا صد هرتز است که می توان با استفاده از فیلترهای بالاگذر در مرحله پیش پردازش، اثر آن را تا حد زیادی کاهش داد.
حرکت بیمار می تواند باعث اضافه شدن یک مقدار ثابت به سیگنال قلبی در حد مثبت یا منفی یک میلی ولت شود. این مقدار dc براحتی تقویت کننده ها را به اشباع می برد.یکی از روشهای تضعیف اثر این نویز برطرف ساختن لایه خارجی پوست با استفاده از مواد پاک کننده است.
با انجام عمل دم و بازدم در حقیقت امپدانس قفسه ی سینه به ترتیب زیاد و کم می شود.. اثر این تغییر مقاومت ایجاد حالت مدولاسیون دامنه روی سیگنال ECG است. برای حذف اثر ناشی از تنفس بیمار می توان از فیلترهای بالاگذر در مرحله پیش پردازش استفاده نمود.
در بعضی از مواقع که سیگنال قلبی بیمار در حال ثبت شدن می باشد، ممکن است به منظور برگرداندن قلب بیمار به حالت عادی نیاز به دفیبریلاسیون یا الکتروشوک باشد. در چنین مواردی یک پالس الکتریکی ولتاژ بالا-جریان بالا به بدن بیمار اعمال می شود. پالس الکتریکی اعمال شده به بدن بیمار چندین برابر نسبت به سیگنال ECG دامنه بالاتری داشته و می تواند تقویت کننده های دستگاه الکتروکاردیگراف را به اشباع ببرد. البته این نوع از تداخل در سیگنال های مورد استفاده در این مقاله وجود ندارد.
در مرحله پیش پردازش، سیگنال های تداخل برق شهر و انحراف از مبنا حذف می شوند. نویز انحراف از مبنا توسط تنفس بیمار و حرکت وی در طول ثبت سیگنال رخ می دهد و رنج فرکانسی آن در حدود یک هرتز است. نویز ناشی از سیگنال ماهیچه ای EMG نیز یک نویز فرکانس بالا بوده و توسط
یک فیلتر پایین گذر با فرکانس قطع 100هرتز بطور قابل توجهی تضعیف می شود. تداخل برق شهر نیز یک سیگنال سینوسی 50هرتز به همراه هارمونیک های مربوط به آن می باشد که توسط یک فیلتر ناچ به مرکزیت 50هرتز می توان این تداخل را تا حد زیادی تضعیف نمود. بلوک دیاگرامی از کار انجام شده در این مقاله در شکل2 آورده شده است.
سیگنال های ECG ثبت شده از شکم مادر(× (AECG
پیش پردازش و حذف نویز اولیه ×
استخراج FECG از AECG با استفاده از فیلترهای تطبیقی در محیط نرم افزاری LabVIEW
سیگنال FECG و محاسبه نرخ ضربان قلب جنین((FHR
شکل:2 مراحل انجام کار جهت استخراج سیگنال قلبی جنین((FECG و محاسبه نرخ ضربان
3. فیلترهای تطبیقی
یکی دیگر از روشهای موثر در حذف نویزهای مختلف از سیگنال الکتروکاردیوگرام، استفاده از فیلترهای تطبیقی می باشد. یک فیلتر تطبیقی فیلتری است که به طور خودکار ضرایب خود را به منظور بهینه کردن یک شاخص کارآیی مشخص تنظیم می کند. فیلترهای تطبیقی در رنج وسیعی از کاربردها همچون شناسایی سیستمها، پیش بینی و حذف نویز به کار می روند. در واقع یک فیلتر تطبیقی بلوکی محاسباتی است که تلاش میکند تا بصورت بیدرنگ و تکرار شونده نسبت دو سیگنال را به هم مدل نماید. صفت تطبیقی برای سیستمهایی به کار میرود که هدف آنها سازگار کردن خود با محیطی است که در آن قرار دارند. بنابراین سیستمهای تطبیقی میکوشند تا با تغییر مقدار پارامترهای خود عملکردشان را به نحوی متناسب با محیط اطرافشان تنظیم کنند.
فیلترهای تطبیقی در مواردی بیشترین استفاده را دارد که پارامترهای سیستم و یا وضعیت سیگنال ها در حال تغییر هستند و فیلتر باید طوری تنظیم شود که این تغییرات را جبران نماید. در بسیاری از مسائل عملی در مورد پارامترهای سیستم، عدم قطعیت به دلیل تأثیر سیگنال های غیر قابل پیشبینی و همچنین عدم وجود اطلاعات کافی در مورد سیستم، وجود دارد. در این موارد برخی از پارامترها در طول زمان تغییر پیدا کنند، ولی طبیعت این تغییرات غیرقابل پیشبینی است. در اینگونه موارد، وجود فیلتری مطلوب است تا از نوعی خود-فراگیری بهره ببرد و بتواند خود را با شرایط فعلی سیستم وفق دهد.
.1.3 ساختار فیلترهای تطبیقی
یک فیلتر تطبیقی از چهار بخش اصلی تشکیل میشود:
(1 سیگنالهایی که توسط فیلتر مورد پردازش قرار میگیرند.
(2 ساختار فیلتر که رابطه بین ورودی و خروجی آن را تعیین میکند. (3 پارامترهای فیلتر که مرتباً برای تطبیق با سیستم تغییر میکنند.
(4 الگوریتم تطبیقی که شیوه تغییر پارامترها را با توجه به شرایط سیستم توصیف مینماید.
ساختار فیلتر تطبیقی به گونهای است که دو ورودی دارد. ورودی اولیه سیگنال همراه با نویز است و ورودی دوم سیگنال مرجعی است که به نوعی با سیگنال اولیه که باید فیلتر شود همبستگی دارد. پارامتر متغیر در این فیلترها دنبالهی وزنهای فیلتر میباشد. ضرایب یک فیلتر تطبیقی طوری تغییر پیدا میکند تا تغییرات در سیگنالهای ورودی، خروجی و پارامترهای سیستم را جبران نماید. اختلاف بین سیگنال ورودی و خروجی خطای فیلتر نامیده می-شود. در این مقاله ورودی اولیه فیلتر، سیگنال شکمی مادر است که مخلوطی از سیگنال قلبی مادر و جنین است. ورودی دوم نیز سیگنال قلبی مادر است که از روی قفسه سینه مادر گرفته شده است. ساختار یک فیلتر تطبیقی ساده در شکل3 نشان داده شده است.
شکل:3 ساختار یک فیلتر تطبیقی ساده
.2.3 کاربردهای فیلترهای تطبیقی
از آنجایی که فیلتر تطبیقی قادر است خود را با تغییرات محیط سازگار کند، میتوان از آن در شاخههای گوناگونی مانند کنترل، مخابرات، پردازش سیگنالهای صوتی و رادار، حذف تداخل، کنترل نویز، پردازش سیگنال های حیاتی و غیره استفاده کرد. در تمامی این کاربردها وزنهای فیلتر تطبیقی با توجه به سیگنال مطلوب، در هر بار اجرای الگوریتم خود را اصلاح کرده و مقادیر متفاوتی را اختیار خواهند کرد. با این دیدگاه میتوان کاربردهای فیلتر تطبیقی را به چهار دسته کلی تقسیم کرد: شناسایی سیستم، مدل سازی معکوس، پیشگویی خطی و حذف تداخل.
.1.2.3 شناسایی سیستم
در این کاربرد هدف تخمین پارامترهای یک مدل است. بر مبنای دانستههای اولیه از مدل، ابتدا تابع تبدیلی با متغیرهای قابل تنظیم انتخاب میشود. پارامترهای فیلتر در طول الگوریتم تغییر یافته و اصلاح میشوند و در هر بار تغییر با مقدار مطلوب مقایسه میشوند. هرگاه وزنهای جدید منجر به خروجی مطلوب گردد، سیستم به مقدار بهینه خود همگرا شدهاست و به عبارت دیگر تخمین مناسبی از مدل بدست آمدهاست. در سیستمهای کنترل مدرن، از این شیوه استفاده زیادی شدهاست. همانطور که در شکل4 به تصویر کشیده شده است، این ساختار برای شناسایی سیستم و مدل کردن آن به کار میرود. ورودی های یکسان هم به سیستم مجهول و هم به فیلتر تطبیقی داده میشود و تفاضل خروجیها مجدداً به فیلتر بازخورد پیدا میکند تا ضرایب فیلتر را بهروز کند و در نهایت فیلتر تطبیقی مطابق با سیستم مجهول و ویژگیهایی همانند آن خواهیم داشت.[8]
شکل:4 ساختار فیلتر تطبیقی برای شناسایی سیستم
.2.2.3 مدلسازی معکوس
مدل سازی معکوس یا عکس کانولوشن یکی دیگر از کاربردهای فیلترهای تطبیقی است که در شاخه های متفاوت رشته های فنی و مهندسی استفاده میشود یکی از مهمترین کاربردهای آن در مخابرات است که بنام متعادل سازی از آن استفاده میشود. از متعادل سازها برای کاهش اعوجاج کانال استفاده میشد .یکی دیگر از کابردهای مدل سازی معکوس در سیستمهای کنترل است. در طراحی یک کنترل کننده که از بههم بستن تعدادی کنترل کننده تشکیل میشود، تطابق بین هریک از اجزا با یکدیگر و در نتیجه با کل ساختار ضروری است.[9]
. 3.2.3 پیش بینی سیستم
پیش بینی سیستم یکی دیگر از کاربردهایی فیلترهای تطبیقی استفاده شدهاست. پیش بینی یکی از روشهای تخمین طیف سیگنال است که از آن در مدل سازی فرآیندهای تصادفی به منظور یافتن متغیرهای مطرح شده در این طرحها استفاده میشود. در این ترکیب سیگنال از یک فرآیند تصادفی توسط فیلتر سازگار با ورودی بوجود آمدهاست. ورودی فیلتر بسته به شرایط سیستم میتواند هر سیگنال طبیعی از جمله نویز سفید گاوسی باشد. [10]
.4.2.3 حذف تداخل
حذف تداخل با توجه به نوع سیگنال مزاحمی که باید حذف شود، دارای زیر شاخههای بسیار زیادی است که همگی با کمک فیلترهای تطبیقی با هدف جدا سازی سیگنال مطلوب از سیگنال مزاحم ایجاد میشوند. در این روش هدف اصلی در حذف تداخل، بهدست آوردن تخمینی از سیگنال مزاحم و
