（电力电子与电力传动专业论文）基于自适应时频分析方法的心音信号分析研究.pdf

西华大学硕士学位论文 性和可信性，本文提出以分类精度最大为判断准则的核函数参数与松弛 变量的优化方法，建立了心音信号分类的支持向量机模型，选取标准数 据库中n m 、a f 、a r 、a s 、m r 每类心音信号的8 0 组2 维特征向量中每 类6 0 组数据作为支持向量机的学习样本，对余下的每类2 0 组数据进行测 试，得到每类的分类精度( 灯) 均为1 0 0 ，同时对临床上采集的与上述4 种同类心脏杂音信号和正常心音信号中每类2 4 个心动周期进行分类实 测，分类精度分别为：n m 、a f 、m r 的分类精度均为1 0 0 ，而a r 、a s 均为9 5 8 3 ，验证了该方法的分类有效性。 。e ) 心音信号分析与识别的软件系统。本文以m a t l a b 语言的可视化功能实 现了心音信号分析与识别的软件运行平台构建，可完成对心音信号的读 取、预处理，绘制时频、能量特性的三维图及两维等高线图；同时，利 用m a t l a b 与e x c e l 的动态链接，实现对心音信号分析数据的存储以及 统计功能；最后，通过对心音信号2 维特征向量的分析，实现心音信号的 自动识别功能。 本文的研究特色主要体现在心音信号特征向量提取的方法以及多分类支持 向量机模型的建立两方面。 综上所述，本文从理论与实践两方面对心音信号进行了深入的研究，主要 是采用自适应锥形核时频分析方法提取心音信号特征向量，根据心音信号特征 向量组成的散点图，建立心音信号分类的支持向量机模型，并对正常心音信号 和4 种心脏杂音信号进行了分类研究，取得了较为满意的分类结果，但由于用 于分类的心脏杂音信号种类及数据量尚不足，因此，今后的工作重点是采集更 多种类的心脏杂音信号，进一步提高心音信号分类精度，使本文研究成果能最 终应用于临床心脏量化听诊。 关键词：心音信号，小波降噪，非平稳信号，心脏杂音，信号处理，时频分析， 自适应，支持向量机 i i 西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h eh e a r ts o u n ds i g n a lb a s e do na d a p t i v e t l m e - t r e q u e n c ya n a l y s i s - p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i c a ld r i v e g r a d u a t e ：s u ns h u p i n g s u p e r v i s o r ：w a n gh a i b i n h e a r ts o u n ds i g n a l sa r eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp h y s i o l o g i c a ls i g n a l s ， c o n t a i n i n gal a r g en u m b e r o f p h y s i o l o g i c a la n dp a t h o l o g i c a li n f o r m a t i o nf o rv a r i o u s p a r t so ft h eh e a r t ，s u c ha sa t r i a , v e n t r i c l e ，l a r g eb l o o dv e s s e l s ，c a r d i o v a s c u l a r h e a r t s o u n ds i g n a la n a l y s i sa n dr e c o g n i t i o ni sa ni n d i s p e n s a b l em e a n so fu n d e r s t a n d i n g t h es t a t eo ft h eh e a r ta n db l o o dv e s s e l s i nt h i sp a p e r , w ec a r r i e do u ta ni n d e p t h s t u d yi nh e a r ts o u n ds i g n a la n a l y s i sa n dr e c o g n i t i o n t h ec o n t e n tc o v e r st h ea n a l y s i s o fh e a r ts o u n ds i g n a l ，h e a r ts o u n ds i g n a le i g e n v e c t o re x t r a c t i o n ，m e a n w h i l e ，t h e c l a s s i f i c a t i o nb e t w e e nn o r m a lh e a r ts o u n ds i g n a l sa n dt h ef o u rk i n d so fh e a r t m u r m u r ss i g n a l ，s u c ha sa t r i a l f i b r i l l a t i o n ( a f ) ，a o r t i cr e g u r g i t a t i o n ( a r ) ，a o r t i c s t e n o s i s ( a s ) a n dm i t r a lr e g u r g i t a t i o n ( m r ) t h i sw o r ki n c l u d e st h ef o l l o w i n gf i v e a s p e c t s ： a ) h e a r ts o u n ds i g n a la c q u i s i t i o na n dp r e p r o c e s s i n g ：i nt h i sp a p e r ，w eu s et h e d e v e l o p e ds t e t h o s c o p ew i t har e c o r d e rf u n c t i o n ，t oa c h i e v et h ea c q u i s i t i o no f h e a r ts o u n ds i g n a l b ya n a l y z i n gt h en o i s eo fh e a r ts o u n ds i g n a l ，w a v e l e t d e n o i s ew a ss e l e c t e da saf i l t e r i n gm e t h o df o rh e a r ts o u n ds i g n a l a c c o r d i n gt o t h ee x p e r i m e n t a la n a l y s i s 。w ec h o o s eg a r r o t et h r e s h o l df u n c t i o nc o m b i n e dw i t l l m u l t i l e v e lt h r e s h o l da st h ea p p r o a c hf o rh e a r ts o u n dd a t ap r e - p r o c e s s i n g p r o g r a m b ) t i m e f r e q u e n c ya n a l y s i so f h e a r ts o u n ds i g n a l s ：i nt h i sp a p e r , u s i n gf i v ek i n d so f t i m e f r e q u e n c ya n a l y s i sm e t h o dr e s p e c t i v e l y , i no r d e rt og e tt h et i m e - - f r e q u e n c y s p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c so f h e a r ts o u n ds i g n a l s t h er e s u l t ss h o wt h a t ：d i f f e r e n t m e t h o d so ft i m e f r e q u e n c ya n a l y s i sa r er e l a t e dt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fh e a r t s o u n ds i g n a l s t h a ti s ，m a k eac o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o nb e t w e e nt h en e e df o r i i i 西华大学硕士学位论文 as m a l lc r o s s t e r mi n t e r f e r e n c ea n dt h eh i 曲t i m e f r e q u e n c yr e s o l u t i o n i nv i e w o ft h i s ，a na d a p t i v ec o n ek e r n e lt i m e f r e q u e n c ya n a l y s i sm e t h o dw a sp r o p o s e d e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ed i s t r i b u t i o nb e t t e rr e f l e c tt h et i m e f r e q u e n c ys t r u c t u r e o fh e a r ts o u n ds i g n a l s i t sp e r f o r m a n c ei ss u p e r i o rt ot h eg e n e r a lc k da n d c w d ，s p e cd i s t r i b u t i o n a tl a s t ，t h e m e t h o do f a d a p t i v e c o n ek e m e l t i m e - f r e q u e n c yw a ss e l e c t e df o ra n a l y z i n gt h eh e a r ts o u n ds i g n a l s e i g e n v e c t o re x t r a c t i o no fh e a r t s o u n d s i g n a l s ：a c c o r d i n gt o t h e a n a l y z e d t i m e - f r e q u e n c y r e s u l t so ft h es t a n d a r dh e a r ts o u n dd a t ao f3 m l i t t m a n n s t e t h o s c o p e sd a t a b a s e ，e x t r a c t i n gt h e8g r o u p so ff e a t u r e s ，w i t ht h e 。 h e l po ff i h s e rd i m e n s i o n a l i t yr e d u c t i o na p p r o a c h ，t h e2 一de i g e n v e c t o r w a s e x t r a c t e d ，w h i c hi se a s yt oc l a s s i f yh e a r ts o u n ds i g n a l s c l a s s i f i c a t i o no fh e a r ts o u n ds i g n a l s ：a c c o r d i n gt ot h ec o m p o s i t i o no fh e a r t s o u n ds i g n a l ss c a t t e r g r a m ，r e s e a r c ho nt h es u p p o r tv e c t o rm a c h i n ek e m e l f u n c t i o n ，t h es e l e c t i o nm e t h o do fm u l t i c l a s s i f i c a t i o ns u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ，a t t h es a m et i m e ，b a s e do nt h ep u r p o s ea n dc r e d i b i l i t yo fc l a s s i f i c a t i o na st h e c r i t e r i af o rj u d g i n gt h ek e r n e lf u n c t i o np a r a m e t e r sa n dt h er e l a x a t i o nv a r i a b l e so f t h e o p t i m i z a t i o n ，as u p p o r t v e c t o rm a c h i n em o d e lw a se s t a b l i s h e df o r c l a s s i f i c a t i o no fh e a r ts o u n ds i g n a l s s e l e c t6 0h e a r ts o u n dd a t af r o m8 0h e a r t s o u n dd a t af o re a c ht y p eo fg r o u pi n2 - de i g e n v e c t o rd a t aw i t ht h es t a n d a r d d a t a b a s en m 、a f 、a r 、a s 、m ra sa s u p p o r tv e c t o rm a c h i n el e a r n i n gs a m p l e s ， t h er e m a i n i n g2 0d a t aw e r es e tf o rt e s to f e a c ht y p e t h ec l a s s i f i c a t i o na c c u r a c y ( o f e a c ht y p ew a s10 0 a tt h es a m et i m e ，t h ec o l l e c t e dc l i n i c a ld a t aw i t ht h e a b o v e - m e n t i o n e ds a m et y p eo f2 4c a r d i a cc y c l e sw e r et e s t e d t h ec l a s s i f i c a t i o n a c c u r a c yo fn r 、a f 、m rw a s1 0 0 a n dt h a to fa r 、a sw a s9 5 8 3 ， r e s p e c t i v e l y t h es o f t w a r es y s t e mo fh e a r ts o u n ds i g n a la n a l y s i sa n dc l a s s i f i c a t i o n ：i nt h i s p a p e r , 嘶t ht h em a t l a b v i s u a l i b l ef u n c t i o n ，t h es o f t w a r ep l a t f o r mf o rt h eh e a r t s o u n ds i g n a la n a l y s i sa n dr e c o g n i t i o nw a se s t a b l i s h e d ，w h i c hc a nr e a dt h eh e a r t s o u n ds i g n a l ，r e a l i z et h ep r e t r e a t m e n tf o rh e a r ts o u n d s i g n a l s ，d r a w t h e i v 0 由 0 西华大学硕士学位论文 t h r e e d i m e n s i o n a la n dt w o - d i m e n s i o n a lc o n t o u rm a pf o rt i m e f r e q u e n c ya n a l y s i s ， e n e r g yc h a r a c t e r i s t i c s s i m u l t a n e o u s l y , u s i n g t h e d y n a m i c l i n kb e t w e e n m a t l a ba n de x c e l ，t h ed a t ao fh e a r ts o u n ds i g n a la n a l y s i sw e r es t o r a g e d a n ds t a t i s t i c a lf u n c t i o n sw e r er e a l i z e d f i n a l l y , t h r o u g ht h ea n a l y s i so fh e a r t s o u n ds i g n a l2 - de i g e n v e c t o r , a u t o m a t i cr e c o g n i t i o nf o rh e a r ts o u n ds i g n a l sw a s a c h i e v e d i n t h i sp a p e r , t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es t u d yw a sr e f l e c t e do nt h e e x t r a c t i o nm e t h o do fh e a r ts o u n ds i g n a le i g e n v e c t o ra n dt h ee s t a b l i s h m e n to f m u l t i - c l a s s i f i c a t i o ns u p p o r tv e c t o rm a c h i n em o d e l g e n e r a l l ys p e a k i n g ，i nt h i sp a p e r , h e a r ts o u n ds i g n a l sw e r es t u d i e db o t hi nt h et h e o r ya n dp r a c t i c e t h eh e a r ts o u n d e i g e n v e c t o r w a sm a i n l ye x t r a c t e db yt h ea d a p t i v ec o n ek e r n e lt i m e f r e q u e n c y a n a l y s i s a c c o r d i n gt ot h ec o m p o s i t i o no f h e a r ts o u n ds i g n a ls c a t t e r g r a m ，t h es u p p o r t v e c t o rm a c h i n em o d e lo fh e a r ts o u n ds i g n a lc l a s s i f i c a t i o nw a se s t a b l i s h e d a n d n o r m a lh e a r ts o u n ds i g n a l sa n dt h ef o u rk i n d so fh e a r tm u r m u r sw e r er e s e a r c h e di n o r d e rt oo b t a i nam o r es a t i s f a c t o r yc l a s s i f i c a t i o nr e s u l t s h o w e v e r , t h et y p e so fh e a r t m u r m u r sa r es t i l li n s u f f i c i e n tf o rt h ec l a s s i f i c a t i o n ，t h e r e f o r e ，t h ef u t u r ew o r ki st o f o c u so nc o l l e c t i n gm o r et y p e so fh e a r tm u r m u r si no r d e rt of u r t h e ri m p r o v et h e c l a s s i f i c a t i o na c c u r a c y k e yw o r d s ：h e a r ts o u n ds i g n a l ，w a v e l e td e n o i s e ，n o n s t a t i o n a r ys i g n a l ，c a r d i a c m u r m u r s ，s i g n a lp r o c e s s i n g ，t i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i s ，a d a p t i v e ，s u p p o r tv e c t o r m a c h i n e v 西华大学硕士学位论文 1 0 声明 本人声明呈交的学位论文是本人在西华大学导师和在日本学习期间的导师 共同指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注的和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得西华大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果属西华大学所有，特此声明。 作者签名： 川年 月 乡 日 孙新奉 导 6 月) e t 西华大学硕士学位论文 1 1 使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密函适用本授权书。 ( 请在以上口内划4 ) 学位论文作者签名：孙槲奉 指导教 日期。川- 弓 日期： 西华大学硕士学位论文 1 前言 1 1 课题研究的意义与目的 随着国内生活水平的不断提高，与生活条件相关的心脏疾病的患者越来越 多，根据国家卫生部2 0 0 7 年1 0 月统计数据表明：心脏病已成为农村和城市居 民主要疾病死亡原因，位居第4 位n 3 。可见，心脏病己成为危害人类健康的多发 病和常见病。因此，心血管疾病的防治和诊断成为医学界面临的首要问题之一。 而心音信号是人体最重要的生理信号之一，它含有关于心脏各个部分如心 房、心室、大血管、心血管及各个瓣膜功能状态的大量的生理病理信息。心音 检测和分析是了解，t l , 脏和血管状态的一种不可缺少的手段。心脏听诊是医师评 估心脏存在的病变及功能状态的最基本的方法之一。心电图检查是心脏变时性 和变传导性的最佳监测方法，但也不能用来监测心脏的变力性。先天心脏瓣膜 受损、心电传导组织病变引起的心脏机械活动障碍都能由心音反映出来，而且 某些心血管系统的病变在导致e c g 信号出现异常前，首先导致心脏杂音和心音 变异【2 】，而且心音检查有无创性、重复性好的优点，心音具有心电不可替代的 诊断信息。 所以，心音信号的研究一直是引人注目的课题。心音信号中含有大量的关 于人体心脏和血管的生理及病理信息，而且含有人体心肺循环系统和周身循环 系统的部分信息【3 】。直到现在，心脏听诊仍然是检测心脏疾病的一种基本诊断 手段。随着心音的发生机理、心胸传播特性等方面研究工作的深入开展以及现 代数字信号处理技术的广泛应用，越来越多的研究结果表明心音信号的测量及 处理在实际应用中具有重要意义。计算机技术和现代数字信号处理技术的发展， 也为研究心音并最终更准确地诊断心血管疾病提供了必要的手段。 本课题研究的目的与意义就是通过采用自适应锥形核时频分析方法提取心 音特征向量，根据一t l , 音特征向量组成的散点图，建立心音分类的支持向量机模 型，初步实现多种心脏杂音的自动识别，为各种心脏杂音定量评价体系的建立 打下坚实的技术和临床实验基础。 西华大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 在我国从事心音信号的分析研究较早的是9 0 年代西安交通大学生物医学工 程与仪器系对心音信号进行分析处理l z j 。其所做工作主要是将时频分析方法应 用于心音信号处理，如心音信号分析的新方法一联合时频分析【3 1 ，这篇文章 是一篇综述，它介绍了信号的时频分析方法，线性时频分析：短时傅立叶变换 ( s t f t ) ，小波变换及g a r b o 展开。非线性时频分析：w i g n e r - v i l l e 分布，c o h e n 分布及时频分布级数。它对以上提到的方法理论进行了介绍，综述了时频分析 方法在心音信号处理方面的应用及研究。心脏杂音信号的时变谱分析【4 】， 该篇文章利用时频分析方法对心脏杂音( 收缩期杂音、舒张期杂音、连续性杂 音) 进行了分类研究，得到了各种杂音的时变谱。对不同心脏病人的心脏杂音 分析表明不同类型的心脏杂音基于锥形核分布的时变谱具有明显的时频特征。 一种基于c h o i w i l l i a m s 分布的心音信号检测方法【5 】，该篇文章将 c h o i w i l l i a m s 分布用于心音信号的分析，对心音信号的各个成分在时频平面的 能量分布动态变化过程进行了研究。使用c h o i w i l l i a m s 分布研究了第一、第二 心音的定位。基于广义指数分布的心音信号时频特性分析【6 】，它利用了广 义指数分布方法对正常和异常第二心音信号进行时频分析，在时频分布图上描 述了心音在时频域的动态变化特征。心音信号的识别与分类【7 】，综述了心 音信号的识别与分类的基本方法。 另外，文献心音信号的非高斯a r 模型双谱分析【8 】，采用双谱分析技术对 心音信号分析进行了探讨，对比了非高斯a r 模型和f f t 的双谱分析，为心音 信号的数字分析方法提出了新的思路。使用短时f o u r i e r 变换、小波分析、h i l b e r t 谱分析三种方法对比分析了心音信号，重点介绍了使用h i l b e r t 谱分析心音信号。 其在心音分析领域提出了新颖的想法，把现代的谱分析技术应用到心音分析中， 提供了心音分析的新思路。 重庆大学和山东大学也做了大量研究。重庆大学在心音信号的分析研究中 做了很多工作，其中心音信号的时频分析【9 】，对心音信号使用了短时傅立叶 变换和小波分析两种方法对比，对正常和异常心音进行分析，比较了两种方法 2 西华大学硕士学位论文 的特点。心音信号识别的意义及其方法的研究【lo 】，综述了心音识别的意义、 方法及今后工作的研究方向。山东大学医学院生物医学工程研究室完成的研究， 应用小波变换进行心音三维时频分析的研究【】j 】应用小波变换分析方法对正 常人和典型心脏病人的心音数据分组进行不同尺度的小波变换，得出了综合反 映心音的时间、频率、强度的三维信息彩色心音图，反映心音信号在不同时域、 频域与强度范围内细节性信息，对提取的时频参数进行分析，得出差异，为临 床心脏病诊断提供参考。该心音分析中使用了对应的心电信号对心音进行定位。 此外，云南大学研究并发表的基于小波变换心音定位【1 2 】利用小波变换 的多分辨率分析，分解重构心音信号，使用了归一化香农定理定位s 1 、s 2 。基 于小波多分辨率分析的第一第二心音提取【l3 】，利用小波的多分辨率分析，分 解并重构信号，从而提取第一、第二心音。 以上即为国内对心音信号的研究大体上涉及的方面和所做的工作。 1 2 2 国外研究现状 在国外，自上世纪6 0 年代开始，国际生物医学界，尤其是美国、加拿大、 日本和欧洲等国家和地区的相当一批学者一直在从事心音的分析和研究，每年 都有一批高质量的论文在国际上发表，部分成果己在临床上得到了应用，如加 拿大蒙特利尔临床医学研究所的l d ur a n d 博士领导的工作组就一直在对心音 进行研究，并取得了很多研究成果。在1 9 8 6 年，l d u r a n d 将传统谱分析方法和 现代谱分析方法应用与植入主动脉位置上的人工生物膜瓣音的分析，并对这两 种谱分析的性能进行了比较【l4 1 。在1 9 9 0 年对狗的心脏做实验，把心音强度和心 肌收缩能力联系起来研究l l 引。a k a ym 在1 9 9 4 年对比研究了离散二进小波变换 和短时傅立叶变换在分析动脉狭窄所产生的湍流音方面的能力【1 6 】。实验结果表 明，小波分析对湍流音的变化更为敏感，它提供了更高的高频分辨率。r i c em l 。 d o y l ed j 在1 9 9 5 年对心音图检测定位对比，迸一步研究得出“第一心音的幅度 是心肌收缩能力的标准度量的结论1 1 7 】，这是心音学研究在应用上的重要拓展。 r i t o l aj ，l u k k a r i n e ns 在1 9 9 6 年比较几种时频分布在心音信号分析中的应用【1 8 】。 b e i as i r ，l k h a d r a ，a h a l a b b a s i 在19 9 6 年采用高斯窗函数对心音 信号进行傅立叶分析，并讨论了该方法分析不同心音信号的结烈1 9 1 ，但其分析 西华大学硕士学位论文 结果很不直观。l i a n gh ，l u k k a r i n e ns ，h a r t i m oi 在1 9 9 7 年提出了基于信号包 络图的心音分段算法【2 0 1 ，采用了小波的分解与重构，使用s h a n n o n 平均能量包 络计算，选定阈值，找出峰值点位置。l i a n gh u i y i n g ，s a k a r il ，i i r oh 在1 9 9 7 年利用小波变换提取心音信号特征【2 l 】，主要研究了利用小波变换识别s 1 和s 2 方法。o s k i p e rt ，w a t r o u sr 在2 0 0 0 年利用心音各成分的频域特性【2 2 】使用小波变 换或其他时频分析方法对其进行滤波，提出心音各成分特征，并利用神经网络 方法对心音进行识别。a b d e l g h a n id ，f e t h ib r 在2 0 0 0 年采用h a m m i n g 窗函数 对心音信号进行分析【2 3 1 ，这着重讨论了窗的不同长度对分析结果的影响。 从以上介绍的国内国外对心音信号研究的历史与现状，我们可以总结出， 目前对心音信号的分析检测研究取得一定的进展，但仍为定性分析，随着信号 处理与分析技术的不断发展，对心音的研究也将逐步由定性分析进入定量分析 的阶段。国内外许多生物医学工程研究人员将传统的模式识别方法，以及神经 网络方法用于心音的识别与分类，期望实现心音的自动识别凹【2 5 1 。 1 3 心音产生与传导机制 1 3 1 心音产生机理 从生理上讲，心音信号是一种机械振动信号，是心脏舒缩运动中心脏瓣膜 和大血管的机械振动产生的。在心脏的窦房结发生有节律的电兴奋后，电兴奋 沿神经传导，并发生电一肌肉耦联，引起心肌的收缩舒张运动。正常人的心音 随心脏搏动呈周期性变化，心动周期从右心房电激动引起心房收缩开始，心房 收缩后是心房舒张，当心房开始舒张时，两侧心室几乎同时步入收缩期，然后 是心室舒张，如此循环往复，如图l 一1 所示。临床上分为第一心音( s 1 ) 、第二心 音( s 2 ) 、第三心音( s 3 ) 和第四心音( s 4 ) ，多数情况下只能听到s l 和s 2 。图1 2 所示 为典型的心电图( e c g ) 和一t l , 音图( p c g ) 。 心室收缩心室舒张 心房舒张 f i g l 1 t i m er e l a t i o n sb e t w e e na t r i a la n dv e n t r i c u l a ri ne a c hc a r d i a cc y c l e 图1 _ 1 心动周期中心房与心室的时间关系 4 西华大学硕士学位论文 f i 9 1 5 2 ( a ) e c g ( b ) p c g 图12 ( a ) 心电图( b ) 心音图 a ) 心脏的心肌力学特性 在一个心动周期内心室的压力、心脏的体积、容积的变化均会影响心脏的 振动及振动的传播。图13 所示为心室压力一心脏容积一心肌收缩速度关系三维 图。心室的收缩过程中，在a 点受刺激，收缩成分开始缩短，速度向觚增大， 然后沿压力一速度曲线下降至c 点，这表示心室的等容收缩。从c 点肌肉开始缩 短，沿c 至e 发生射血。如果在开始收缩时，心室的容积增大，那么在压力不变 的情况下，心室的收缩过程便是沿h j i c e 进行。最大等长压力可由p d 增大至 p 0 1 ，而缸的变化不大。也就是说，在心室舒张末期容积增大时，心肌的收缩 状态变化不大。实际上，心脏工作的力学条件是不固定和不均匀的。例如心室 收缩所遇到的动脉血压便是不固定的，最初增大，而后下降。所以心室射血期 的收缩不是“等张 的，而是“张力增强性收缩。或者开始是正性，而后又 负性张力增强性收缩。此外，在射血期，心室直径减小，还会改变室壁张力和 室内压的关系。 西华大学硕士学位论文 速度 力 f i g l _ 3t h er e l a t i o n sb e t w e e nv e n t r i c u l a rp r e s s u r ea n dh e a r tv o l u m e 图1 3 心室的压力、心脏的体积、容积关系 b ) 心脏的血液动力学特性 心脏是血液循环的动力泵，它的活动受到诸多物理和化学因素的影响。血 管是由多分支的、大小不同又可伸缩的管道组成的。血液是一种含有血细胞的 复杂悬浮液，属于非牛顿流体，因此难以用精确的数学模型来处理血液在心血 管系统流动的问题。随着血液流过主动脉、较大的初级分支、较小的第二级分 支及小动脉时，其速度逐渐减慢，在毛细血管中速度最慢；当血流通过小静脉 并向腔静脉流动时，速度又逐渐加快。并且在循环系统的不同部位，速度只与 横截面积有关。一般认为，血液在血管内流动方式分为层流和湍流。在层流情 况下，血液每个质点的流动方向都一致，与血管的长轴平行；但各质点的流动 速度不一，在血管轴心处流速最快，越靠近管壁流速越慢，这时血流量与压力 满足p o i s e u i l l e 定律：q = 7 w 4 ( 一e o ) ( s n l ) 。其中q 为血流量，r 为血管半径，( 只一只) 为血管两端压力差，l 为血管长度，t 1 为血液粘度。当血液流速加快到一定程度 后则形成湍流，这时血液中各质点的流动方向不再一致，出现迅速的、呈轴射 状的流线。此外，血管腔的突然变窄或扩张也会使层流中断而形成湍流。在湍 流情况下，p o i s e u i l l e 定律不再适用，此时血流量与血管两端压力差的平方根成 正比。 c ) 心音产生机理的讨论 对于心音产生的确切机理，目前尚存在一定的争议。一种是基于瓣膜理论 的解释，另一种是基于心脏血液动力学的解释。 基于瓣膜理论的解释认为，s i 二个高频成分是由二尖瓣关闭( ) 及三尖瓣 关闭( 五) 所产生。& 二个高频成分是由半月瓣关闭( 即主动脉瓣成分彳：与肺动脉 瓣成分恳) 所致。s s 发生于舒张早期心室快速充盈时，心房血液急速进入心室， 6 西华大学硕士学位论文 引起心室壁振动；发生在心房收缩之后和蜀之前，是由心房收缩和心室壁振 动产生的【2 6 】【2 7 1 。 基于心脏血液动力学理论的解释认为，& 产生在左室和主动脉近心端内， 是在左室收缩早期因半膜关闭血流变速引起左室肌、二尖瓣和左室流出道产生 回响的结果。它由四个部分组成：第一个成分是心肌紧张和收缩引起的低频、 低振幅的振动。第二个成分为高频、高振幅的振动，由二尖瓣关闭和左侧房室 血流中断所引起。第三个成分也是高频、高振幅的振动，由三尖瓣关闭和右侧 房室血流中断所引起。第四个成分系心室射血引起的大血管扩张及涡流而产生 的低频振动。& 是由于半月瓣关闭后大血管内血液返流的振动所致。它也由四 个部分组成：第一个成分是在心室等容舒张期，心室收缩的终止，压力迅速下 降引起的左室壁的低频、低振幅振动。第二个成分是血液返流引起的半月瓣关 闭产生的高频、高振幅的振动，且主动脉瓣关闭成分( 彳2 ) 在前，肺动脉瓣关闭 成分( 恳) 在后。第三个成分为室壁、大血管壁振动导致的低频、低振幅振动。 第四个成分为房室瓣开放引起的低频、低振幅振动。岛、& 均系血流变速形成 作用力，使得心室壁、半膜及其支持结构发生振动。 1 3 2 心一胸声传输系统 研究心一胸声系统对心内心音的作用，掌握体表心音和心内心音之间的关 系，有助于我们从体表心音了解心脏的生理病理状况。自8 0 年代以来，随着高 保真记录心内心音的微型血压计的出现以及数字信号处理技术的发展，心一胸声 传输特性的研究日益被人们所重视。 d u r a n d 等人从1 9 8 5 年开始以狗为实验对象对心音传输问题进行了一系列的 研究。他们建立了一个能够反映心脏内心音时变特性的系统模型，利用短时傅 里叶变换来构造联系心内心音与体表心音的时变传递函数和时变相干函数，并 观察了心肌收缩力、p r 间期、心率、血压等因素对心音传输特性的影响。以下 简要介绍他们的研究方法并进行相应的讨论。 d u r a n d 和g u a r d o 将瓣膜理论和心脏血液动力学理论结合起来，提出了一种 较为全面的关于心音产生机理的观点。认为心音源于心脏瓣膜、心房、室壁和 大血管在血流冲击下的振动，心脏内血流的加速与减速所形成的湍流和扰动， 以及心肌在周期性心电活动作用下的收缩和松驰形成的振动，这些振动经一t l , 胸 传输系统到体表成为体表心音1 1 7 j 。 7 西华大学硕士学位论文 t 1 。a t , 【_ 枷 兕钳 ：。音上羔工二：弋棚檄 i i 魄张i 雕耥 心音一面寄 习七卫砖 一f l 厂 厂 厂一 蚧”厂_ 1 h m ( ti ) r 1 代讨h 怕m 胃 快一i ：- i _ ；i 高_ 上 快时变馒时变 时不变 输入 心脾传输系统 ( 一个心动周期) f i g1 _ 4h e a r t - c h e s ts y s t e mm o d e l 图14心一胸声系统模型 8 输出 西华大学硕士学位论文 1 4 本文的主要工作及结构安排 本文在总结前人研究工作的基础上，针对该研究领域中存在的心音分析方法 问题和分类识别技术难点展开了深入的研究，研究内容的组织方式如下： 第1 章总体论述研究心音的目的和意义。根据心音的产生与传导机制，指出了 较为全面的心音产生机理的观点。同时指出了本文的主要工作及结构安 排。 第2 章心音信号采集与预处理。采用自行研制的带有录音机功能的听诊器实现 对心音信号的采集。通过对心音噪声分析，选用小波降噪作为心音信号 的滤波方法。根据实验分析，选择d o n o h o 阈值函数结合多级阈值的方 法作为心音数据预处理方案。 第3 章心音信号时频分析方法。采用5 种时频分析方法分别对心音信号进行时 频谱特性分析，依据分析结果以及在小的交叉项干扰与高的时频分辨率 之间所作的综合考虑，选择最优时频分析方法。 第4 章心音信号特征向量提取。根据对3 ml i t t m a n n s t e t h o s c o p e s 叫j 数据库中 标准心音数据的时频分析结果，提取8 组特征数据，通过f i h s e r 降维处理 方法提取出了实现分类可视化，且最易于分类的心音的2 维特征向量， 作为心音分类的特征向量。 第5 章心音信号分类方法。根据心音特征向量组成的散点图，研究支持向量机 核函数、多分类支持向量机的选取方法，同时，基于分类的目的性和可 信性，提出以分类精度最大为判断准则的核函数参数与松弛变量的优化 方法，建立心音分类的支持向量机模型，通过对数据库中心音数据的分 析，验证该方法的分类有效性。 第6 章心音信号分析与识别的软件系统。以m a t l a b 语言的可视化功能实现心音 分析与识别的软件运行平台构建完成对心音信号分析与自动识别功能。 第7 章总结与展望。 9 西华大学硕士学位论文 2 心音信号采集与预处理 心脏在其生理活动的一个周期内要完成收缩、泵血、舒张等动作，在这一 过程中，因瓣膜的开关、心肌的舒缩、血流的冲击及血管壁的振动而产生心音。 心音是由许多频率不同、振幅不等的波形组成的复合音。正常心脏活动产生的 振动，由心脏传导至胸壁表面，其频率范围从1 8 0 0 h z ，而对有病心脏产生的 某些杂音频率可达1