MATLAB胎心率形态分析工具箱 V1.1c

软件X 11（2020）100428原始软件出版物MATLAB的胎心率形态分析工具箱S. A、B、A。Houzé德梅利c，A.Delgranchec，L. PeyrodieD，R. Beuscartb，D.来自Aulnoit的Houzea生物医学信号处理单元（UTSB），医学和医学学院，UCLille，F-59800，里尔，法国b法国北部大学，里尔大学，UDSL EA 2694，F-59000，里尔，法国法国里尔天主教大学里尔天主教医院产科，F-59020，里尔d生物医学信号处理单元（UTSB），高等工程研究学院（Yncréa-HEI），59800，法国里尔AR T I CL E I NF O文章历史：2018年11月15日收到以修订形式接收2020年2月10日接受2020年2月18日关键词：胎心率基线加速减速MATLABA B ST RA CT胎儿心率（FHR）是预防分娩期间胎儿缺氧的筛查信号。当专家分析这个信号时，他们必须确定一个基线，然后识别减速和加速度。这些步骤可能是自动化的，并且通过信号处理分析变得更加客观。文献中已经描述了各种方法，但是没有用于执行这些步骤的开源MATLAB工具箱包括一个标准的信号预处理功能、12种用于胎儿心率分析的重新编码文献方法、一个信号查看器（由专家进行注释）和一个具有各种标准的评估程序。©2020作者.由爱思唯尔B.V.发布这是CC BY许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。软件元数据当前软件版本V1.1c指向此版本可执行文件的永久链接https://github.com/utsb-fmm/FHR法律软件许可GPL v3.0MATLAB计算平台/操作系统安装要求&依赖性信号 处理工具箱如果有指向用户手册的链接-如果正式发布，则在参考文献列表中包含对该http://utsb.univ-catholille.fr/fhr-review问题支持电子邮件：samuel. univ-catholille.fr代码元数据当前代码版本V1.1c此代码版本https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX_2018_217使用的代码/存储库的永久链接法律代码许可证GPL v3.0使用git的代码版本控制系统使用MATLAB的软件代码语言编译要求、操作环境&依赖性信号 处理工具箱如果有开发人员文档/手册的http://utsb.univ-catholille.fr/fhr-review问题支持电子邮件：samuel. univ-catholille.fr1. 动机胎儿心率（FHR）是监测妊娠、分娩和生产期间胎儿健康的关键参数。良好的FHR解释对于减少不必要的剖腹产非常重要*通讯作者。电子邮件地址：Samuel. univ-catholille.fr（S. 布代特）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2020.100428产程和手术产程，同时降低胎儿酸中毒风险。FHR的分析首先包括确定几个基本参数：基线（即最水平、最小振荡FHR段的平均水平[1]）、可变性（即在没有胎儿运动或子宫收缩的情况下，在稳定期内振幅的变化）、加速发作（即FHR突然增加超过每分钟15次心跳（BPM），持续时间超过15秒）、减速发作（即FHR暂时降低超过152352-7110/©2020作者. 由Elsevier B.V.出版。这是CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）下的开放获取文章。ScienceDirect上提供的内容列表软件X报纸主页：www.elsevier.com/locate/softx2S. 布代特，A.乌兹·德迈利等人。软件X 11（2020）100428BPM，持续时间超过15秒）和正弦模式。根据国际妇产科联合会（FIGO）的分类[1]，如果(i)基线范围为110至160 BPM，（ii）变异性范围为6至25 BPM，以及（iii）存在加速度，但无减速（加速被认为是FHR的再保证特性，但减速不是。）FHR信号的解释受到相当大的观察者间和观察者内变异性的影响，这是有时不精确的评估标准和缺乏实践培训的结果。自动分析可以消除这种变异性，从而改善对分娩期间缺氧风险的预测。当试图自动分析FHR时，主要问题是计算基线，所有其他参数都是根据基线确定的。基线已定义 FIGO定义为"最水平、最低振荡FHR段的平均水平"。然而，目前尚不清楚在临床实践中应如何选择这些片段，尤其是使用自动分析。除了水平性和振荡量之外，影响分段选择的其他标准包括：（i）分段的一些研究人员已经开发了自动分析冰毒（AAM）（一些综述[3，4]）。不幸的是，几乎没有任何算法或标准工具的开源编程版本来 显示 FHR 分析 和测 量任 何方 法的有 效性 。 最近发 布的MATLAB工具箱CTG-OAS [5]提供了自动心脏造影分析的过程，如形态、线性、非线性和时频特征的计算它还包括酸中毒的预测模型。然而，很明显，CTG-OAS的FHR信号处理中的一个关键问题是缺乏通用的专家注释数据库。每个研究者都必须完成他/她自己的评估，没有共同的评估标准。在这里，我们描述了一个MATLAB工具箱，它提供了一些工具来测试、显示和评估各种文献方法，以及未来的方法。文献中的11种方法已经以这种方式重新编程。本研究与三篇早期出版物[4、6、7]相关。样本数据也在[8]中描述。所有数据和源代码均根据通用公共许可证（GPL第3版）分发，可在[http://utsb.univ-catholille.fr/fhr-review]上获得。2. 软件说明2.1. 软件体系结构FHR形态分析工具箱在MATLABR版本R2017b及更高版本中工作，需要信号处理工具箱。MATLABR的早期版本也应该工作，但尚未测试。MATLABR为包括信号处理在内的数学提供了大量易于使用的内置函数。Hence，它是一个非常有效的软件工具，用于开发新的过程，大多数研究FHR信号处理的研究人员都使用它。该工具箱被设计为模块化软件包。它包括一个图形用户界面（GUI）（将与fhrmorpho一起启动），允许将其用作独立工具。用户选择要打开的FHR文件和AAM;界面，然后显示相应的基线和A/D。专家也可以通过绘制基线并选择每个A/D的开始和结束，使用该界面注释和分析FHR记录。然后可以显示代表AAM和专家之间分歧程度的指数（见第2.2.5节）。该工具箱包括156个FHR记录的数据集（在[8]中取消注册）。其中66篇论文构成了一个培训数据集，并附有专家共识分析。其他90项记录构成了一个评估数据集，共识分析是保密的。欢迎开发FHR分析新方法的研究人员提交其AAM分析（基线和A/D）进行评估。排行榜将显示在http上：//utsb.univ-catholille.fr/fhr-review.工具箱也可以通过MATLAB中的命令行界面调用;因此，它可以与其他工具箱或软件交互2.2. 软件功能2.2.1. 打开FHR文件电子胎儿监护仪（心电图仪）记录来自位于胎儿头皮上的多普勒超声探头或ECG探头的该原始信号用于确定瞬时新生儿心率，该心率通过使用RS232协议。我们已经开发了一种捕获和记录这些信号的方法。所有信号均以4 Hz采样和存储，FHR的精度为0.25 ppb，生育记录仪（TOCO）信号的精度为0.5 mmHg。由于没有标准的FHR文件格式，我们设计了我们自己的（可以用fhropen函数打开）：（i）uint32作为UNIX时间戳，用于记录的开始。（ii）对于每个样本，（ii.a）uint16对来自第一传感器的FHR进行编码（乘以4），（ii.b）uint16对来自第二传感器的FHR信号进行编码（在双胞胎的情况下或当多普勒和头皮ECG传感器都存在时）（x4），（ii.c）uint8对生育记录仪信号进行编码（x2），以及（ii.d）Uint8用于信号质量（0：无信号，1：低质量信号，2：高质量信号）。当FHR信号丢失时，它设置为02.2.2. 预处理可以使用fhrpre-过程函数执行标准预处理：排除离群值样本（小于30秒且与下一个周期的差异大于25 BPM的周期）。一位医学专家确定并排除了母体心率段和不可靠信号。缺失数据的周期通过线性插值完成。2.2.3. 自动化方法分析对文献中的11个AAM进行了重新编程;每个AAM背后的主要思想的简要描述见表1。每个AAM提供特定的基线算法，并且其中一些提供用于A/D检测的算法（如表1的右手列中所描述的）。我们还添加了一种标准的A/D检测方法（简单检测），可应用于所有基线方法。该标准方法简单地包括将A/D定义为FHR（i）分别在基线以上或以下至少15秒和（ii）在该期间的任何时间达到基线以上至少15 BPM的值的期间。这种方法被Ayres [10]和Pardey [11]引用，并且可能被Wrobel [12]和Lu [13]使用。对于aamcazares、aamjimenez、aammantel、aamtaylor和aamwmbb函数，用户可以选择执行标准方法或开发人员特定的方法S. 布代特，A.乌兹·德迈利等人。软件X 11（2020）1004283表1工具箱中十二种形态分析方法的描述函数名称第一作者、年份和参考文献基线计算是否描述了加速/减速阈值？阿梅尔Ayres de Campos等人（2000年）[10]基于10分钟移动窗口中的"频繁"是（=标准阈值）阿姆卡扎雷斯Cazares等人（2002年）基于形态过滤器;打开过滤器删除仅描述为[14]加速和闭合滤波器可消除减速。加速度（假设与减速相同）阿姆胡泽Houzé等人（1990）基于应用于各种信号的一系列逻辑规则否（未明确描述）[15]衍生品，然后是平滑步骤。足以重新编程）Aamjimenez希门尼斯等人（2002年）不稳定周期（在截止值以上有一个导数）是是的[16]删除，并在平滑后计算基线剩余信号。Aamlu卢和魏（2012）一种使用经验模式分解的方法;周期否（可能为标准）[13]显示两个连续区域之间的显著差异阈值）从基线计算中排除最小FHRAammaedaMaeda等人（2012年）基线设定为最常发生的FHR水平否（未明确描述）[17]在10 bpm宽的储物箱中。足以重新编程）阿曼特尔Mantel等人（1990年）方法使用模式或其他局部最大值是的[18、19]FHR直方图以获得初始基线。最终基线是通过逐步调整第一个基线（基于关于道斯等人。[19]方法。此方法已开发用于产前记录。阿蒙盖利Mongelli等人（1997）此方法计算主模式和辅助模式。否[20]模式;两种模式都可以切换，具体取决于连续性和频率标准。AampardeyPardey等人（2002年）[11]第一种方法使用直方图模式或其他局部最大值。通过线性滤波获得第二个基线FHR和修剪作为第一基线的函数（基于Dawes等人[19]方法。是（=标准阈值）阿姆泰勒Taylor等人（2000年）一种线性低通滤波方法，采用渐进式微调。是的[21]阿姆罗贝尔Wróbel等人（2013年）基于无数过滤器：介于两者之间的中间方法否（可能为标准）[12]线性平均滤波器和模式的使用。阈值）AAMWMFBBoudet等人（2019年）基于加权中值过滤器基线（WMFB）。The是的[7]权重设置为FHR处于的前一概率基线状态。FHR不稳定期较低概率。 连续基准计算为渐进式修剪过程。与上一个周期相差甚远基线的概率也很低2.2.4. 查看者通过使用fhrmorpho函数，用户可以打开一个.fhr文件，并使用特定的界面显示它。此界面在正常网格上显示FHR和TOCO信号，并使用户能够滚动浏览记录。查看器显示原始FHR（黑色）和预处理的插值FHR（灰色）。如果选择了AAM，则会显示相应的基线和A/D。还可以显示（如果存在）或创建文件的创建专家分析首先包括通过在指定点之间进行线性插值来鼠标左键单击可添加一个点，右键单击可删除一个点。接下来，可以定义加速（A）和减速（D）周期，以及三种不同类型的排除周期：不可靠信号（U）、过冲（O）或不待分析的周期（N）。通过按下键盘上的相应键（A、D、U、O或N）来可以同时打开两个或多个窗口（对于每个AAM），并进行同步滚动。2.2.5. 统计评价在[4]中，我们描述了AAM分析和专家分析之间不一致的几个指标这些索引可以显示在主fhrmorpho界面上，用于单独记录（见图1）或通过evaluateaam函数，该函数计算整个记录集的值。计算的指数总结见表2。在[4]中，我们认为MADI是对给定项目进行总体评估的最佳标准。AAM; MADI旨在为两种分析之间的差异提供适当的权重，MADI是一个专门开发的指数，对应于两个基线期间时间比例的模糊测量，表明FHR信号处于相同状态（即基线状态、加速状态或减速状态）。3. 说明性示例图1显示了主要fhrmorpho函数的屏幕截图。窗口（A）使用户能够选择要显示的方法和要分析的文件窗口（C）对应于Lu等人的分析s AAM [13]，而Window（D）对应于专家分析。此处显示的信号包含大量加速度（绿色阴影）。加权中值滤波器基线WMFB方法识别了大部分，但由于基线计算不正确，增加了一些平滑的减速（粉红色）。窗口（B）显示WMFB AAM的评估。可以看出，由于AAM添加的减速数，减速的PPV仅为0.1584. 影响该工具箱用于研究[4，6]中，通过参考专家共识来比较各种文献。使用[8]中描述的数据，所有实验均可4S. 布代特，A.乌兹·德迈利等人。软件X 11（2020）100428-=表2用于测量自动形态学分析和专家形态学分析之间差异的标准。基线之间的根均方差（RMSD）（当A是方法的基线，B是专家的基线时，基线评估RMSD定义为√−n（Ai-Bi）2）减速检测加速度检测i=1n绝对差异大于15 BPM的点的比例（15 BPM差异率）敏感性（SEN，正确检测到的A/D发作次数占专家定义的发作总数的百分比阳性预测值（PPV）是正确检测到的A/D发作数量，占系统检测到的所有发作的百分比。AAM.）F测量（SEN和PPV的谐波平均值;F）措施2*PPV *SEN）PPV+ SEN持续时间之间的RMSD（测量每个减速持续时间之间的差异）持续时间之间的平均差异（AAM倾向于高估或低估减速持续时间的指标）敏感性正预测值（PPV）F-测量持续时间之间的RMSD持续时间之间的平均差异合成不一致性（SI）系数（考虑加速度和减速度的数量、位置和面积，并对应于A/D表面差异的百分比）。形态分析不一致指数（MADI）对应于两个基线期间时间比例的模糊测量，表明FHR信号处于相同状态（即，基线、A或D状态）。[4]图2. 每个AAM的性能以三个指标（减速的F测量、加速度的F测量和基线的RMSD）为参考专家共识[4，7]。重复。图2显示每个方法在每个标准评估FHR的不同特征。我们最初研究的主要结论[13]是Lu et al.在几乎所有研究标准方面，AAM在复制专家分析方面显著优于其他10种AAM。最近，我们的团队开发了一种新的WMFB方法，其性能显著优于Lu等人。方法[7]。然而，估计的基线在一些记录中仍然不令人满意-表明在WMFB方法用于临床实践之前可以而且应该取得进展。该工具箱将使其他研究人员能够（i）在相同的数据集上复制我们的实验，（ii）可视化并更好地理解问题模式，以及（iii）尝试开发新的AAM并对其进行测试。[4，6]中使用的数据（在[8]中描述）可在http://utsb.univ-catholille.fr/fhr-review上获得。希望将其结果与其他研究人员进行比较的研究人员可以提交他们对评估数据集的分析，排行榜将显示在本网站上。该工具箱也可用于希望通过断层扫描分析FHR信号并量化病理学特征（A/D的数量和面积、心动过速的发生率等）的研究人员。这个过程对于客观地测量分娩过程中治疗的效果可能是非常重要的（羊膜输注， 使用催产素等）。最后，FHR的MAA的最终目标是最好地预测胎儿酸中毒的风险，从而提供决策支持（剖腹产、手术分娩等）。该研究需要大量的交付数据集，以便从工具箱中获得基本输出（例如，加速度数、减速面积和基准面等）。可用于构建风险评分。最近进行了几项试验[22]，但AAM尚未显著改善决策过程。我们希望这里介绍的工具箱将帮助研究人员建立更好的模型。作为确定酸中毒风险评分的第一步，尝试模拟FIGO [1]、CNGOF [23]和NICE [24]发布的指南中使用的分类可能是有用的。这些分类-酸中毒的风险在一些方面有所不同，但在所有方面都有所不同基线加速度和减速度的相同定义。因此，这12种形态分析方法可应用于所有三个分类系统。5. 结论FHR形态分析工具箱是一个开源程序，适用于寻求改进信号处理方法的研究人员或寻求量化病理FHR特征的物理学家。它提供了有关此主题的准备工作工具：数据、预处理函数、显示函数和评估函数。该工具箱专注于形态学分析。在未来的研究中，我们将制定评估FHR变异性的指标总体比较S. 布代特，A.乌兹·德迈利等人。软件X 11（2020）1004285图1. 主fhrmorpho界面的插图：（A）主窗口，（B）WMFB方法与专家共识的不一致性评估，（C）WMFB方法的分析，（D）专家共识分析。. (For关于此图例中对颜色的引用，读者请参阅本文的Web版本。）和动力学，这是用于预测胎儿酸中毒的其它特征。最终目标是建立胎儿酸中毒的预测模型。竞争权益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报道的工作。参考文献[1]艾尔斯-德坎波斯D，斯潘CY，钱德拉哈兰E。FIGO产时胎儿监测共识指南：心 脏 造 影 。 国 际 妇 产 科 杂 志 ， 2015;131 （ 1 ） ： 13-24 。http://dx.doi.org/10.1016/j.ijgo.2015.06.020.[2]Sabiani L，et al.产科专家在审查异常胎心率追踪和随访时的观察者内和观察者间一致性。产科管理。 美国妇产科杂志，2015;213（6）：856.e1-8。http：//dx.doi.org/10.1016/j.ajog.2015.08.066.[3]Jezewski J、Horoba K、Roj D、Wrobel J、Kupka T、Matonia A.评估胎儿心率基线估计算法对临床重要模式检测的影响。Biocybern生物医学工程2016;36（4）：562-73。http://dx.doi.org/10.1016/j.bbe.2016.06.003.[4]Houzé de l '11 种 方 法 与 专 家 共 识 。 生 物 医 学 信 号 过 程 控 制 2019;49 ： 113-23 。http://dx.doi.org/10.1016/j.bspc.2018.10.002.[5] Cömert Z，Kocamaz AF.用于分析胎儿心率信号的开放获取软件。生物医学信号过程控制2018;45：98-108。http://dx.doi.org/10.1016/j.bspc.2018.05.016。[6]胡泽·德·奥尔努瓦A、布代特S、德梅利R、佩罗迪L、博斯卡R、胡泽·德·奥尔努瓦D。基线胎心率分析：11种自动方法与专家共识。在2016年IEEE第38届国际年会上发表于医学和生物学工程学会（EMBC）。2016年，第3576-81页。http://dx.doi.org/10.1109/EMBC.2016. 7591501.6S. 布代特，A.乌兹·德迈利等人。软件X 11（2020）100428[7]Boudet S、Houzé de l'Aulnoit A、Demailly R、Peyrodie L、Beuscart R、Houzé de l'Aulnoit D。使用加权中值过滤器进行胎心率基线计算。计算生物医学2019;114. 103468. http://dx.doi. org/10.1016/j.compbiomed.2019.103468。[8] Boudet S，et al.用于形态学训练的胎儿心率信号数据集调用分析方法并根 据 专 家 共 识 对 其 进 行 评 估 。 2019 年 预 印 本 ; （ 2019060139 ） 。http://dx.doi.org/10.20944/preprints201907. 0039.v1.[9]Houzé de l'Aulnoit A，et al.用于电子医疗中胎儿监测的智能移动数据模块的开 发 。 《 医 学 系 统 杂 志 》 2018;42 （ 5 ） ： 83 。 http ： //dx.doi.org/10.1007/s10916-018-0938-1.[10]艾尔斯-德坎波斯D，伯纳德斯J，加里多A，马克斯-德萨J，佩雷拉-莱特L.SisPorto，2.0：心脏图自动分析程序。 《母体胎儿医学杂志》2000;9（5）：311-8。http://dx.doi.org/10.1002/1520-6661（200009/10）9：5 311：：AID-MFM12>3.0.CO;2-9.[11] 帕迪J，莫尔登M，雷德曼CWG。无应力试验数值分析的计算机系统美国妇产科杂志，2002;186（5）：1095-103。http://dx.doi.org/10.1067/mob.2002.122447.[12]Wróbel J，Horoba K，Pander T，Jezewski J，Czabański R.应用多种滤波器改善胎儿心率信号解释。 Biocy-伯尔尼生物医学工程2013;33（4）：211-21。http://dx.doi.org/10.1016/j.bbe.2013. 09.004.[13]卢Y，魏S。使用经验模式分解的FHR信号的非线性基线估计。2012年IEEE第11届信号处理国际会议（ICSP），第3. 2012年，第1645-9. http：//dx.doi.org/10.1109/ICoSP.2012.6491896.[14]Cazares S，Moulden M，Redman CWG，Tarassenko L.产时胎心率基线自动估计的形态学过滤器。2001年。[15]Houzé de l'Aulnoit D、Beuscart R、Brabant G、Corette L、Delcroix M.胎儿心率的实时分析。医学和生物学会工程，1990年。IEEE第十二届年度国际会议论 文 集 。 1990 年 ， 第 1994- 1995 页 。 http://dx.doi.org/10.1109/IEMBS.1990.692125年。[16]希门尼斯L，冈萨雷斯R，盖坦M，卡拉斯科S，巴尔加斯C。胎儿心率基线估计的计算机化算法。心脏计算2002;477-80。http://dx.doi.org/10.1109/CIC.2002.1166813.[17]前田K、内津M、野口Y、松本F、长泽T。中央计算机化自动胎儿心率诊断与快速和直接报警系统。开放医学器械J 2012;4：28-33。http://dx.doi.org/10.2174/1875181401204010028。[18]Mantel R 、 van Geijn HP 、 Caron FJ 、 Swartjes JM 、 van Woerden EE 、Jongsma HW。产前胎儿心率的计算机分析：1.基线确定。国际生物医学计算杂志1990;25（4）：261-72。http://dx.doi.org/10.1016/0020-7101（90）90030-X。[19]Mantel R 、 van Geijn HP 、 Caron FJ 、 Swartjes JM 、 van Woerden EE 、Jongsma HW。产前胎儿心率的计算机分析：2.加速和减速的检测。国际生物医学计算杂志1990;25（4）：273-86。http：//dx.doi.org/10.1016/0020-7101（90）90031-O.[20]Mongelli M，Dawkins R，Chung T，Sahota D，Spencer JA，张AM。分娩中基线胎心率的计算机估计：低频线。Obstet J Gynaecol 1997;104（10）：1128 33。http：//dx.doi.org/10.1111/j.1471-0528.1997.tb10935.x.[21] Taylor GM，et al.分娩中实时计算机化胎儿心率监测算法的开发和验证。BJOG 2000;107 （ 9 ） ： 1130-7 。http://dx.doi.org/10.1111/j.1471-0528.2000.tb11112. x.[22] 儿童协作组。分娩期间胎儿心率的计算机化解释（INFANT）：一项随机对 照 试 验 《 柳 叶 刀 》 2017;389 （ 10080 ） ： 171929 。http://dx.doi.org/10.1016/S0140-6736（17）30568-8。[23] Carbonne B，Dreyfus M，Schaal J.胎儿心率分类：产科医生和助产士的颜色 编 码 。 《 妇 产 科 产 科 生 物 生 殖 杂 志 》 2013;42 （ 6 ） ： 509-10 。http://dx.doi.org/10.1016/j.jgyn.2013.07.003.[24]国家妇女和儿童健康合作中心（英国）。产时护理：分娩期间对健康妇女及其婴儿的护理。2017年，[在线]。可从https://www.nice.org.uk/guidance/cg190/章节/建议中获得。[访问日期：2020年1月27日]。