Extrakce abdominálního plodového vektorkardiogramu

Stanislav Blažek

Master's thesis

Abdominal Fetal Vectorcardiogram Extraction

Abstract:

Diplomová práce se v teoretické části zabývá prostudováním problematiky zpracování signálu, neinvazivními metodami snímání elektrokardiogramu plodu se zaměřením na metody jednokanálové. Cílem bylo vybrat vhodnou metodu k extrakci plodového EKG, která dokáže plodové EKG extrahovat v dostatečné kvalitě k vykreslení plodového vektorkardiogramu. Po provedené rešerši byla vybrána metoda šablonového odčítání (Template substraction) pro velmi dobré hodnocení extrakce. Cílem praktické části je ověření, zda lze neinvazivním způsobem získat elektrokardiogramy plodu ve třech osách tak, aby mohly být použity pro vykreslení plodového vektorkardiogramu. Dále je pak praktická část pak zaměřena na vygenerování syntetických abdominálních signálů, předzpracování a zpracování abdominálních signálů s následnou extrakcí plodového EKG pěti metodami šablonového odčítání. Experiment byl proveden na umělých datech, generovaných z databáze FECGSYNDB, která umožňuje nastavit velké množství parametrů signálu, vzájemných poměrů mateřského a plodového EKG a různé typy artefaktů. Součástí experimentu je vyhodnocení úspěšnosti jednotlivých metod extrakce porovnáním s originálním plodovým EKG, pomocí střední kvadratické odchylky MSE, směrodatné odchylky RMSE a korelace v každé ose snímání. Toto porovnání bylo umožněno použitím syntetických dat, která při generování abdominálního signálu používá původní, ničím nezkreslený signál plodového EKG. Ten byl při generování uložen a později po extrakci plodového EKG z abdominálního signálu použit ke vzájemnému porovnání. Nejlepší výsledky dosahuje podle MSE metoda SUZANNA, nejlepší korelace mezi původním a extrahovaným signálem je u metody CERUTTI, nelze však říci, že by obě metody byly výrazně lepší než ostatní. Významný rozdíl byl v časové náročnosti, kdy metoda PCA vyžaduje na extrakci čas asi 25x až 40x delší než ostatní metody. Metoda LP při extrakci v určitých místech na konci signálu vykazovala singularitu, což se projevilo i na extrahovaném signálu.

Abstract:

In the theoretical part, the diploma thesis deals with the study of signal processing, non-invasive methods of fetal electrocardiogram scanning with a focus on single-channel methods. The aim was to select a suitable method for fetal ECG extraction, which can extract fetal ECG in sufficient quality to plot the fetal vector cardiogram. After the search, the template substraction method was chosen for a very good extraction evaluation. The aim of the practical part is to verify whether the electrocardiograms of the fetus in three axes can be obtained in a non-invasive way so that they can be used to plot the fetal vector cardiogram. Furthermore, the practical part is focused on the generation of synthetic abdominal signals, preprocessing and processing of abdominal signals with subsequent extraction of the fetal ECG by five methods of template subtraction. The experiment was performed on artificial data generated from the FECGSYNDB database, which allows to set a large number of signal parameters, maternal and fetal ECG ratios and different types of artifacts. A part of the experiment is the evaluation of the success of each extraction method by comparison with the original fetal ECG, using the mean square deviation (MSE), the standard deviation (RMSE) and the correlation in each scanning axis. This comparison was allowed by using synthetic data that uses the original, undistorted fetal ECG signal to generate the abdominal signal. This original signal was stored during generation and later, after extraction of the fetal ECG from the abdominal signal, it was used for comparison. According to MSE, the SUZANNA method achieves the best results; the best correlation between the original and extracted signal is by the CERUTTI method, but it cannot be claimed that both methods are significantly better than the others. There was a significant difference in time. The PCA method requires about 25 to 40 times longer extraction time than other methods. The LP method showed a singularity at certain points at the end of the signal, which was also reflected in the extracted signal.

Keywords

Vektorkardiografie, extrakce plodového elektrokardiogramu, neinvazivní snímání, šablonové odčítání, tepová frekvence, jednokanálové metody.

Keywords

Vectorcardiography, fetal electrocardiogram extraction, non, invasive abdominal sensing, template substraction, heart rate, single channel methods.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 4. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 2. 6. 2022
• Supervisor: René Jaroš
• Reader: Tomáš Šoustek

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta elektrotechniky a informatiky

Master programme:
Biomedicínské inženýrství