生物医学工程在线

生物医学工程在线生物医学位股份有限公司201110.1186/1475-925X-10-109研究适用于数字，减法Phonocardiography（DSP），心脏杂音的检测和表征穆罕默德阿里阿克巴里1，卡姆兰哈桑尼1，玛丽亚姆Sangargir3马赫迪Navidbakhsh，约翰D多伊尔2，4，Kourosh Bajelani3和扎赫拉萨达特艾哈迈迪1（1）生物力学系，科学和研究科，德黑兰，伊朗伊斯兰阿扎德大学，（2）麻醉科，美国凯斯西储大学，俄亥俄州克利夫兰诊所勒纳医学院，（3），伊朗德黑兰，伊朗科技大学机械工程学系（4），伊朗德黑兰，德黑兰大学医学科学院医学物理与生物医学工程穆罕默德阿里阿克巴里电子邮件：akbari.mohamadali ，卡姆兰哈桑尼（通讯作者）电子邮件：k.hasani srbiau.ac.ir约翰多伊尔电子邮件：马赫迪Navidbakhsh电子邮件：mnavidiust.ac.ir玛丽亚姆Sangargir电子邮件：sangargir.bme kouroshBajelani电子邮件：V扎赫拉萨达特艾哈迈迪电子邮件：收稿日期：2011年10月25日接受：2011年12月20日线上发表于：2011年12月20日抽象背景在心脏周期的运动中，心脏通常会产生重复的生理声音。然而，在病理的情况下，如心脏瓣膜狭窄或室间隔缺损，血液湍流，这样会导致产生更多的声音，这就是所谓的杂音。杂音在本质上是随机发生的，而潜在心脏底层的心音是不确定的。创新我们表明一个新的分析技术，我们称之为数字减影心音描记术（数字信号处理器），可以用来分隔随机杂音组件从底层确定性的心音。方法我们的数字记录心音在60个婴儿和成年人中使用高速USB接口和程序金浪前胸壁。录音包括个人与心脏结构疾病以及正常的个人和由个人无辜的心脏杂音的录音。使用自定义的计算机程序称为Murmurgram数字减影的信号进行分析。从本质上讲，这一计划中减去录制的声音从两个相邻心动周期产生一个差分信号，以下简称“murmurgram”其他软件使用包括频谱图（16版），GoldWave（5.55版）以及定制的MATLAB代码。结果我们的初步数据提出了一系列的8个例子。这些情况表明，先进的信号处理技术可用于分离心音杂音。请注意，这些只是初步的研究结果并且在正常范围内得到的测试结果尚未确定。结论心脏杂音不能脱离基本确定性心音，这样我们使用数字信号处理器进行处理。数字信号处理器有潜力成为一个可靠和经济的新的诊断方法来筛选结构性心脏病。然而，数字信号处理器必须进行下一步的评判，以此来确定一个大型系列病人的特点和其潜在的临床病理学。关键词数字减影- phonocardiography -用MATLAB - Murmurgram背景在健康的心血管系统中，血液流动一般是在字符层。在某些病理条件下，如心脏瓣膜的狭窄或小孔室间隔，血液流动会变得动荡，并可以作为杂音已知的噪音听到1。为难临床医生的一个困难是杂音，这仅是部分的总声发射信号从心脏发出的声音，其中也包含基本正常心音。这一事实是个复杂的聆听过程。聆听从听诊器的心脏（听诊）发出的声音，是一种常见诊断的第一步。随后往往是通过超声心动图来检查听诊时发现的异常。然而，普通听诊和超声心动图的费用和尴尬缺乏可靠性，实用性，以及缺乏物美价廉的定价，非侵入性的方法是一个可取的发展听诊计划，也可以适应连续监测2-6 。为了更好地确定发现的确定性的心音，本研究旨在以申请一个新的（未发表）分析，非专利技术，被称为数字减影心音描记术（数字信号处理器），用来发展成一种非侵入性手段的检测和表征心脏杂音，如引起的心脏瓣膜病变或其他类型的心脏病理学。所提出的方法是根本不同从以前的心音信号处理力度。DSP技术是建设两个相邻时间的心脏周期，我们在此呼吁“murmurgram”之间的差异信号，启动这些努力，它从根本上不同于以往的技术。此外，基于确定性，加上随机的组件心音模型，我们似乎很有道理，我们表明，通过数学推理和计算机模拟如何murmurgrams将有望表现。此外，它是我们的经验（虽然不一定初步）来观察异常情况的方法，如二尖瓣关闭不全或主动脉瓣狭窄患者murmurgrams同正常情况下有些不同。方法我们收集的心音在儿科门诊modares医院进行储存，此医院位于德黑兰，时间为2010至2011。从收集资料上看，共有59例，其中7例正常，他们的平均年龄在5岁至26岁的年龄范围内。患者可获得书面知情同意书的出版情况及所附含的图像。书面同意书的副本是本杂志的主编进行行政审查的。患者（正常对照组除外）有心脏杂音的历史，其中包括室间隔缺损（VSD），房间隔缺损（ASD）的法洛氏四联症（TOF）10，与主动脉4 22狭窄（AS），肺动脉狭窄（PS），进行超声心动图确诊的情况下，一些病历和诊断结果摘要载于表1。表1记录一些患者的心音研究。病人的研究数病人的年龄病人的体重心脏疾病模拟案例1.健康模拟案例2.室间隔缺损模拟CASE3.房间隔缺损案例12378健康案例22669健康案例3822室间隔缺损案例41549房间隔缺损案例5616飞行时间案例61855聚苯乙烯案例7515议员案例8820的AS记录设置使用一台笔记本电脑基于心音记录在伊斯兰阿扎德大学的科学和研究部开发的系统中，以此来进行数据记录。图1显示系统框图。连接到胸前一块的，是一个微型驻极体的麦克风，它连接到商业的音频放大器的输出，然后在44 kHz的16位分辨率的数字化中输出。类似的安排，也可用于记录的心电图（ECG），这种记录，以协助识别从每个心动周期的开始计算。（由于心电图的数字化，使用的声卡是高通在20赫兹左右，进行过滤，这个信号是比那些记录全带宽条件下的有所不同。然而，尽管这样，心电图QRS波仍然可以被用作每个心动周期的开始进行标记。），此设置被放在一个容易录制心脏病诊所和其他地方的移动车。表2显示的是用于记录数据的设备。图1系统已用于收集数据充足的示意图。表2这是在这个项目中使用的设备清单。设备备注1胸前胸件赫尔麻醉2乳胶管从听诊器3微型驻极体麦克风实际型号33030134声级校准器，94分贝艾克斯特型号4077445商业音频放大器，音量调节和仪表6心电图BioampliferUFI的型号2122i7USB音频接口极限特工UA-1EX型麦克风校准，使用艾克斯特声级校准器进行校准，它的为型号407744，它在1KHZ正弦波的条件下能产生94分贝的声音强度。任何录制的声音与校准记录进行比较，则有可能获得绝对的声强测量。为了实现高品质的录音，患者会在临床录音环境下保持完全沉默。每个记录被分为五个部分，持续3分钟一次。还要提供保健措施，以确保腹鸣音（从胃和肠道）及其他文物是不存在的。所有的声音都使用Goldwave软件被记录（5.55版），其中包括录制工具，筛选和分析声音。使用这个软件，我们还从心电图记录中删除一些电力设施的频率（50 Hz）。虽然GoldWave提出了广泛的数字滤波器，进一步过滤在MATLAB中，包括取消直流漂移和低高通滤波。通过详细的代码可以看出，我们产生的连续两个周期中找到的R峰的确切位置的方法，只有在儿童问题的murmurgram中有所作为。泛汤普金斯算法是一个很好的选择和伟大的采样率，它对录音系统产生很大的帮助。此外，心跳率不会对声音信号产生任何影响，从我们的角度来看，这是由我们在做实验的基础上总结出来的，详细记录数据的方法可以参考6。技术和分析问题我们使用MATLAB结合的信号处理器和实时数据采集系统的计算核心工具箱。两个相邻的时间心音周期，PCG-1和盈科-2，在获得的每个心动周期的开始标记中使用的心电图QRS波。两个盈科周期的区别是一个murmurgram。图2说明了盈科的加减法。图2减去两个连续的心跳建设“murmurgram”，结果示意图。请注意，这个过程是个复杂的事实，由于生理变异，并非所有的心脏周期是相同的长度。因此，任何数据在收集之前的数据分析关于murmurgrams的建设必须首先受到初步分析，以确定目前持续时间最长的心脏周期。首先，在一个法律周期找到原料murmurgram，然后形成盈科之间的差异（周期）和盈科（周期i +1）。正如之前的QRS波和第一心音（可能主要是由于呼吸）的发病时间较早，在自然变化的调整过程中必须根据使用上的任何两个盈科周期之间的交叉相关的对齐减去形成murmurgram。图3显示的交叉相关的对齐和减法步骤。图3交叉相关路线和连续两次心跳的减法，建设“murmurgram”。PCG1和PCG2是连续两个心音周期。继murmurgram建设后，我们应用彩色光谱补充时间域murmurgram进行分析。信号强度颜色映射如下：红色橙色黄色绿色蓝色黑色。这些彩色光谱图使用颜色来表示在特定的时间和频率信号强度。我们的初步建议是，在正常murmurgram相当“扁平化”（统一的字符）和“低强度”的时间和频率域内进行，而这种预期并非是患者出现心脏杂音的情况下发生的。最后，它往往是重要的是能够描述他们分布在心动周期中的杂音，例如，收缩压或舒张压。例如，几乎所有的杂音，舒张过程中都会发生异常。结果模拟案例1图4显示了模拟PCGS中模拟心脏健康（第一和第二小组）的样本。murmurgram和相应的颜色频谱显示在底部的两个小组。每个模拟盈科是1心脏占用0.7秒的运行时间周期。请注意，murmurgram是“扁平化”，主要是根据200赫兹的频率成分来判定。图4模拟正常PCGS（第一和第二小组）。murmurgram和相应的颜色频谱显示在第三和底部面板。（模拟案例1）。模拟案例2在两个连续心跳模拟VSD的情况下，数据显示在图5的第一和第二小组。光谱图在图中最底部显示，表明杂音有扩大到700赫兹的频率成分。图5模拟病人的VSD（第一及第二板）PCGS。可以看出杂音，有扩大到700赫兹左右（模拟案例2）的频率成分。模拟案例3图6显示了从模拟房间隔缺损情况下的PCGS。murmurgram和相应的颜色频谱显示在底部的两个小组中。模拟盈科是1占用0.7秒的运行时间周期。请注意，murmurgram是不是“平”之间S1and S2的。在这种情况下murmurgram在收缩中期杂音延伸约600赫兹的频率成分。图6从模拟房间隔缺损病人的样本PCGS（第一和第二小组）。S1和S2之间的murmurgram（图三）是不是“扁平化”。杂音延伸超过600赫兹的频率成分。第二心音明显分成两个盈科轨迹（模拟案例3）。临床病例1和2图7和8盈科展示样品（第一和第二小组）是以一个健康的23岁女孩和一个健康的26岁男子为样本，不管他是否有心脏杂音。murmurgrams和相应的颜色频谱图显示的是第三组和第四组的情况。在图7中的PCGS 1心脏覆盖图为0.8秒，而经过时间周期8PCGS 1的心脏占用0.9秒的运行时间周期。请注意，这两个数字的murmurgram是平坦的，很大程度上受到杂音频率为150赫兹的影响。图7此图片显示了从一个健康的23年的岁女孩无辜的心脏杂音，心音样本（第一及第二图）。murmurgram和相应的颜色频谱显示在第三个和第四个面板。在这种情况下murmurgram是相对“扁平化”，和频率的杂音内容主要是在150赫兹（临床病例1）。图8显示了从一个健康的26年老汉一个无辜的心脏杂音诺特尔样品图标题盈科样本（第一和第二小组）。murmurgram和相应的颜色频谱显示面板中的三，四。murmurgram是相对“扁平化”，很大程度上受到杂音的频率是150赫兹（临床病例2）。临床病例3图9给出了室间隔缺损情况下的盈科样本（第一和第二小组），根据7岁的女孩，显示的是1个心动周期。S1和S2之间的murmurgram（第三小组）是不是“扁平化”进行说明。在光谱图的底部，表明杂音有扩大到600赫兹的频率成分。在我们谈到的murmurgram中的S1和S2之间，如图，它是一个holosystolic杂音，杂音的位置是10。图9样品PCGS（第一和第二小组）从病人的VSD。请注意，S1和S2之间的murmurgram（图三）不行为“扁平化”（统一的字符）。杂音有扩大到600赫兹左右（临床病例3）的频率成分。图10比较收缩中期holosystolic的杂音示意图。临床案例4下面是两个15岁男孩连续心跳的建筑署的数据，如图11所示。请注意，murmurgram是不是“平”之间的S1和S2。杂音有延伸约400赫兹的频率成分。自闭症声学特性的生理解释如下：杂音的特点主要是在收缩中期发生，因此在离开右心室时血液会明显增加，这样的增加会导致右心室的负荷，从而使收缩期的时间延长，这是与一个S2分裂（见红圈）。图11样品从自闭症患者PCGS（第一和第二小组）。S1和S2之间的murmurgram（第三小组）是不是“扁平化”。杂音有延伸约400赫兹的频率成分。第二心音明显分为两个盈科波形（临床病例4）。临床案例5图示为8岁男孩的数据图12，S1和S2之间的murmurgram（第三小组）是不是“扁平化”，相当于一个频率扩展到400赫兹左右的组件的收缩期杂音。请注意，在飞行时间下（室间隔缺损，右心室肥厚，聚苯乙烯，和压倒一切的主动脉），两个VSD和PS有收缩期杂音。其结果是从两个来源中（图12）收缩期杂音。图12从法洛氏四联8岁患者四部曲的记录。该murmurgram表明有收缩期杂音，并延伸到400赫兹左右（临床病例5）的频率成分。临床案例6图13显示的是18岁男孩的数据及数据列。是不是“平”之间的S1and S2的murmurgram（图三）。收缩期杂音的频率分量会超过500赫兹。在肺动脉瓣狭窄下（PS），血液会艰难的进入肺动脉。这种情况的特点是一个严酷的收缩期杂音现象（图13）。图13中18岁的患者的肺动脉瓣狭窄。杂音是在时间和频率成分的收缩，扩展到500赫兹以上（临床案例6）。临床案例7图14显示的是一个5岁女孩的数据及MR。S1和S2之间的murmurgram（第三小组）是不是“扁平化”，与延长至400 Hz的频率元件的收缩期杂音有着相关的联系。必须引起注意的是一个holosystolic杂音会存在一个明显的舒张早期组件（可能是由于快速通过二尖瓣口前向血流）。图14在一个5岁的患者的二尖瓣关闭不全。murmurgram显示与频率扩展到400赫兹（临床病例7）组件的收缩期杂音。临床案例8图15给出的是一个8岁男孩的数据。录音由1秒的心脏周期和0.7秒的心脏周期提供。杂音是S1和S2和S1和S2之间的murmurgram（图三）是不是“扁平化”有关。频率扩展到400赫兹时，主动脉瓣狭窄（AS）是与恶劣的主动脉面积的收缩中期杂音有关。在这种情况下，杂音开始后S1会显示并会达到最大值，到350400 Hz的频率之间，随后缩小到最小前的S2。图15在8岁的病人的主动脉瓣狭窄。杂音是S1和S2，并在这一地区的murmurgram是不是“扁平化”的频率扩展到约400赫兹（临床病例8）组件，。讨论在这项研究中的心电图同步数字减影和光谱分析是用来研究心音和杂音的一种全新的方式。虽然旧phonocardiograph设计仍然是有用的，但新的方法更加实用，它以研究心脏疾病为准，该系统提供了两个新的尺寸，分别是传统的图形和听诊方法。它们是：（1）数字减影杂音心音分开的确定性成分的能力;（2）申请光谱分析提取的杂音信号的能力。在这个系统中，我们使用的数字信号处理技术，会构建一个的“murmurgram”，从盈科周期中减去盈科周期i +1，我们定义为由此产生的信号。因此，一个murmurgram是简单的两个连续的心脏跳动声发射之间的差异。在实践中，心电图QRS波被用作每个心动周期的开始标记，可以使任何两个连续的的PCGS对齐，并减去产生的murmurgram。也请注意，这样还可以得到另一系列的murmurgrams减去盈科循环周期从等于I +2。例如。现在我们正在集中使用的“近邻”盈科周期。基于这一模型，一个正常的murmurgram应该或多或少持平，而在整个心动周期（系统噪声的影响和生物变异范围内）增加在murmurgram的信号下，预计将会发生在心动周期与心内的动荡地区的血流量增加，导致心脏结构病变。我们的做法是在改善国家的技术，也就是关于杂音，无底层确定性心音信号。通过这种方式心音及心脏杂音会隔离，系统将会指引医生检测到信号及表现特征，这个可能是相当困难的可靠性检测，我们会使用听传统手段-听诊器。例如当心脏跳动迅速，或当心脏的心脏杂音出现微弱的情况时。结论心脏杂音是可以用数字减影分析技术把底层确定性的心音进行分离。数字减影Phonocardiography有潜力成为一个可靠和经济的新的结构性心脏病筛查诊断方法。电子辅助材料附加文件1：MATLAB代码。最后提出的杂音对齐的代码。（DOCX 14 KB）参考文献1。wierwille长：小儿心脏杂音：在初级保健的评估和管理。护士Pract2011，36（3）：22-8。2。rangayyan马币，莱纳的RJ：心音信号分析：回顾与展望。在生物医学工程CRC的文学评论1988年，15：3。3。杜兰德LG电子，布兰查德男，克劳蒂尔，萨巴赫HN，斯坦因的PD：猪阀bioprosthetic植入二尖瓣地位的患者计算机辅助心音光谱分类的模式识别方法的比较。IEEE跨生物医学工程1990年，37（12）：1121年至1129年。4。杜兰德LG电子，布兰查德男，萨巴赫HN，斯坦因的PD：比较计算机辅助分类在猪bioprosthetic阀门患者心音光谱的光谱技术。医学生物学COMPUT工程1991，31：229。5。杜兰德LG，Pibarot病人：对数字信号处理的honocardiogram