（生物医学工程专业论文）心音信号的提取和处理研究.pdf

摘要 论文最后对全文进行了总结，指出了存在的一些不足，并对下一步的研究工 作进行了展望。 关键词：心音心音传感器滤波心音包络心音管理系统 a b s t r a c t a b s tr a c t h e a ns o u n d s i g n a li so 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 h e a ns o u l l d s a u s c u l t a t i o ni s 锄i 1 1 1 p o r t a n tw a yo fn o n i n v a s i v ee x 锄i n a t i o no fh e a r td i s e a s e s r e g a r d l e s so f t h el a t e s ta d v 锄c e si ne c gt e c l l l l i q u e s ，h e a ns o u 王1 da u s c u l t a t i o ni ss t i l lt h e f i r s tc h o i c eb e i n gd o n ei nc a r d i a cc l i l l i c b u ts t e t h o s c o p eh a sb e e nu s e dt 0 c a n 哆o u t a u s c u l t a t i o np r o c e s s t r a d i t i o n a ls t e t h o s c o p e ，h o w e v e r ，h a ss e v e r a lc l r a w b a c l c s ，w l l i c h h o l d sb a c kt l l ed e v e l o p m e n to fh e a ns o u n da u s c u l t a t i o n p h o n o c a r d i o g r ：姗s ( p c g s ) v i s u a l i z ec a r d i a c a u s c u l 伽i o n ， a i l d i m p r o v et l l ed i a 印o s i sl e v e li fc a r d i o v a s c u l a r d i s e a s e s i ti sc o n v 饥i e n tt 0 a j l a j y z et l l eh e a r ts o u n d 锄de x t r a c tt l l ec h a r a c t 甜s t i c p a r a m 鲫e rf o rd o c t o r st 0o b t a i nb a s i ci o n l l a t i o no fh e a r t 趾l dm 址( em o r ee x a c t d i a g n o s i s u pt on o w ，t l l es y s t e mo fh e a ns o u l l d sc o l l e c t i n g 锄da i l a l y z i n gm e 1 0 di s s t i l lq u i t ei m m a t u r e n oe l e c 臼o n i ce q u i p m e mh a sb e e n a p p l i e di nc l i l l i c n e p a p e r h a sd e s i 萨e dab n do fp m b l eh e a r ts o u l l d 锄a l y z i n gi n s t 九珊e n tb a s e d 0 ne m b e d d e dc o m p u t l 玎a i l dh a sa c l l i e v e dt l l ef o l l o 谢n gm n c t i o n s ：a c q u i th e a ns o u i l d s ， c 印t u r e 雒dd i s p l a yc 硼r c n th e 矾s o u l l ds i 鲫l s ；m 锄a g ep a t i e n ti i 怕肌a t i o n 锄dd a t a f i l e s ，p e r f o 肌t 1 1 es p e c 仃l l i l la n dt i m ea i l a l y s i so ft l l eh e a ns o u n d s ；r e p l a yt h es h a p ea i l d s o u n do fh e a ns o 岫ds i 印a l s ，锄d 删e wt l l ep r c v i o u sr e c o r d i n g s n ei n s t 彻n e n ti s s m a l l ，l o w c o s ta r l dc o n v e 血e mt 0o p e r a t e t l l i ss t l j d yp r o v i d e ss o m eb a s i ca n a l y s i s m e t h o d s 锄dt l l ea n a l y s i st o o lf o rc l i n i c a n di ta l s 0p l a y sab a s i sr o l ef o rt l l ea s s i s t a n t d i a 印o s i so ft h eh e a nd i s e a s e s t h eh e a ns o u n ds i 扣a l i sn o n - s t a t i o n a 黟。i no r d e rt 0g e t ac o m p r e h e n s i v e 岫d e r s t a n d i n go ft 1 1 ec h a r a c t e r i s t i cf o rt l l eh e a ns o 啪d ，i ti sn e c e s s a r y t 0a n a l y z ei t 访t i m e ，f k q u e n c y ，柚dt i m e - 行e q u e n c yd o m a i n 【) u et om e i n t e r f e r e n c e ，t l l e h e a ns o u i l ds i g n a l i sn o s e ds om a tt i l ep r e p r o c e s s i n gi sn e c e s s a r yt 0r e m o v et l l en o i s e s a 舭rt l l ep r e p r o c e s s i n g ，t 1 1 eq u a l i t ) ，o fs i 印a li si m p r o v e d 锄dc a i lb eu s e df o r 缸t h e r a n a l y s i s t h em a i nw o r k si nt t l i sp a p e ra r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) s t l l d yo nt 量1 eb a s i ck n o w l e d g eo fh e a r ts o u n d s ，c o n s i s t so ft h em e c h a n i s mo f p r o d u c t i o na n dk e yp r o p e r t yo fh e a ns o u n d s ； ( 2 ) a n a l y z e dt l l en o i s e so fh e a r ts o u n dc o l l e c t i o na n dt h ec h a r a 【c t e r i s t i co fh e a n s o u l l ds e n s o r s ，锄dd e s i g i l e dah e 扒s o u n d ss e n s o r ( 3 ) d e s i 朗t h e 如a l o gs i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t ，d i g i t a lp r o c e s s i n gc i r c u i t 锄dt h e m e t l l o d so fs i g n a lp r o c e s s i n g a b s t 阳【c t ( 4 ) b a s e dt h em a t l a b ，t h ep a p e rd e s i g n e daf i l t e r 锄da n a l y z e dt 1 1 eh e 狃s o u l l di n t i m e ，舶q u e n c y ，t i m e - 舶q u e n c yd o m a i n ，e x t r a c t e dt l l ee n v e l o p eo f t i l eh e 甜s o u l l d ( 5 ) t oo p e r a t eh e a r ts o u n da n a l y s i ss y s t e mc o n v e n i e n t l y ，t h ep 印e rp r o g r a l m e da c o n t r o ls y s t e mi nc + + ，t h es y s t e mi sd e s i g n e dw i t hc o n t i o lm o d u l e sa n dt h e 劬c t i o ni s i m p l e m e n t e d w i t i lc a l l b a c kf - 1 c t i o n s f i n a l l y ，、em a d eac o n c l u s i o n ，p o i n to u ts o m ed i s a d v 锄t a g e so ft h es y s t e m ，a l s o p r o p o s et h ef u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n si nt h i s6 e l d k e y w o r d s ：h e a r ts o u n d h e a ns o u n ds e n s o r e n v e l o p eo f h e a ns o u i l d h e a r ts o u i l d a n a l y s i ss y s t e m 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果：也不包含为获得西安电子科技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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：隘囱绳 嗍率， 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 嚣髯豸 嗍；卜矽。 第一章绪论 第一章绪论 长久以来，心血管疾病一直是严重威胁人类健康的疾病之一，且随着人类生 活水平的提高，心血管疾病的发病率逐年提高，医师和医疗器械工程人员一直追 求提高心血管疾病的早期诊断能力和确诊率，而心音信号分析在医学上是非常有 用的。 1 1 1 心音的基础知识 1 1 课题研究的目的及意义 心音是在心动周期中，由于心肌的收缩和舒张，瓣膜启闭，血流冲击心室壁 和大动脉等因素引起的机械振动，通过周围组织传到胸壁，将耳朵紧贴胸壁或将 听诊器放在胸壁一定部位所听到的声音。心音是评价心脏功能状态的一种基本方 法，包含着心脏各个部分本身及相互之间作用的生理和病理信息。正常人的心音 随心脏搏动呈现周期性的变化，临床上分为第一心音( s 1 ) 、第二心音( s 2 ) 、 第三心音( s 3 ) 、第四心音( s 4 ) 。通常很容易听到s 1 和s 2 ，有时能听到s 3 或s 4 。 正常人的s 1 发生于心室收缩，心室压略大于心房压，房室瓣关闭的过程。s 2 产生 于半月瓣关闭，主动脉和肺动脉内血流减速的过程中。s 3 产生于舒张早期心室快 速充盈时，心房血液急速进入心室，引起心室壁振动。s 4 是由心房收缩和心室振 动产生。从临床的角度，心动周期分为收缩期和舒张期。收缩期从听到第一音时 开始，第二音开始前终止。舒张期从第二音开始，在次一个第二音开始前终止。 任何发生于第一音开始后和第二音开始前的声音，表示在收缩期。任何发生在第 二音开始后和第一音开始前的声音，表示在舒张期。上述心动周期指的是心室而 非心房。但是心房也有收缩期和舒张期，当心室舒张时，心房收缩，当心室收缩 时，心房舒张。 心脏听诊的位置传统上分为以下五个区域，是以心脏各瓣膜的名称命名的， 分别为f l l ： ( 1 ) ：肺动脉瓣听诊区，在胸骨左缘第二肋间隙，恰同肺动脉瓣的瓣口相对， 相当于肺动脉瓣的解剖位置。此区听诊来自肺动脉瓣的声音最佳。 ( 2 ) ：主动脉瓣听诊区，在胸骨右缘第二肋间隙，因升主动脉向上向前弯曲 而到右侧，主动脉瓣在此离胸壁最近，此区听诊来自主动脉瓣的声音最佳。 ( 3 ) ：三尖瓣听诊区，在胸骨左缘第四肋间隙，相当于右心室最靠近胸壁表 2 心音信号的提取和处理研究 面的部位。此区听诊来自三尖瓣和右心室的声音最佳。 ( 4 ) ：二尖瓣听诊区，一般称为心尖区，在左侧第五肋间隙锁骨中线内侧， 相当于血流从左心房驱入左心室的方向。此区听诊来自二尖瓣和左心室的声音最 佳。 ( 5 ) ：主动脉瓣第二听诊区，位于胸骨左缘第三肋间隙，有些学者甚至认为 还应该包括第四肋间隙，大致相当于主动脉瓣的解剖位置。 实际上听诊绝不仅仅限于这些区域，因为有些重要体征常常出现在其他区域， 如右胸骨旁，剑突下，腋下，颈部和肩胛区间。不同的听诊区得到的心音信号略 有不同，进行分析时应注意。 心杂音是心音中一组历时较长，频率不同，振幅不同的混合性振动，根据杂音 发生的时间可分为收缩期杂音，舒张期杂音和连续性杂音。为了便于描述和对心 杂音的特征及其变化做出比较，应注意杂音发生的时间，杂音的性质，强度，部 位和传导以及杂音与呼吸，体位等的关系1 2 l 。 ( 1 ) 杂音的部位：杂音最响的部位通常与瓣口的位置一致。例如，二尖瓣杂 音最响的部位在心尖区附近；三尖瓣杂音在胸骨左缘第四，第五肋间最响。 ( 2 ) 杂音发生的时间：舒张期杂音总是异常的；而收缩期杂音可以是病理性 的，也可以是生理性的；全收缩期杂音多为病理性的，收缩早期杂音可能为功能 性的。 ( 3 ) 杂音的性质：杂音的性质反映一定的心脏病理解剖和血液动力学改变， 比杂音的部位甚至时间更有意义。喷射性杂音主要反映收缩期血流前向受阻或通 过瓣口的血流速率增加；回流性杂音反映收缩期和舒张期瓣膜关闭不全；充盈性 杂音反映舒张期血流充盈受阻；乐性杂音由器质性心脏病产生。 ( 4 ) 杂音的强度：有助于判断杂音的性质，但并不是判断疾病程度的可靠依 据。一般来说，杂音越响，意义越大，功能性杂音的强度一般比较弱，病理性杂音 的强度则较强。 ( 5 ) 杂音的传导：不同的杂音传导的方向和部位不同，熟悉它们对判断杂音 的来源及性质有一定的帮助。 ( 6 ) 杂音与呼吸，体位，运动及药物的关系：杂音的强度常受一些因素的影 响，临床上可以利用这些因素改变杂音的强度，达到明确杂音的来源和性质的目 的。 心音和杂音的频率约是0 1 0 0 0 h z ，多数在4 0 6 0 0 h z ，也有少数低于4 0 h z 或者高 于1 0 0 0 h z 。心音图学上将其按频率进行分类，大于1 2 0 h z 者为高频音，8 0 1 2 0 h z 者 为中频音，低于8 0 h z 者为低频音。心音和常见杂音的频谱分布是： 第一心音和第二心音 5 0 一1 0 0 h z 第三心音和第四心音 1 0 一5 0 h z 第一章绪论 舒张期充盈性隆隆样杂音 4 0 5 0 h z 舒张期回流性杂音和收缩期喷射性杂音 1 0 0 6 0 0 h z 心包摩擦音 1 0 0 6 0 0 h z 根据心音的频率可以判断心音中是否含有心杂音，结合发生的时间可以判断 是收缩期杂音还是舒张期杂音。 1 1 2 心音和心脏疾病的关系 经长期的临床实践经验发现，心杂音及心音变异疾病常常体现出以下关系【2 】： ( 1 ) 二尖瓣狭窄：s 1 增强，s 2 呈正常分裂，出现开瓣音，舒张中期杂音及收 缩期前杂音，在心尖部与胸骨左缘第四肋间之间记录最好。 ( 2 ) 二尖瓣关闭不全：s 1 正常或减弱，s 2 正常，严重时出现s 3 ，收缩期杂音 延长超越s 2 ，呈递减型，在心尖部记录最好。 ( 3 ) 三尖瓣狭窄：在三尖瓣区会听到s 1 增强，舒张期杂音、开瓣音与二尖瓣 狭窄时情况相似，但吸气时三尖瓣狭窄的杂音和开瓣音会增强而二尖瓣狭窄的杂 音会减弱。 ( 4 ) 三尖瓣关闭不全：s 1 减弱，s 2 常出现反常分裂，在三尖瓣区可听到收缩 期杂音占据全收缩期，吸气时杂音会增强，这与二尖瓣关闭不全不同。 ( 5 ) 主动脉瓣狭窄：s 1 正常，严重时s 2 反常分裂，收缩期杂音成菱形，高峰 出现于收缩中期。 ( 6 ) 主动脉瓣关闭不全：严重时s 1 减弱，s 2 正常或增强，舒张期出现高频递 减型杂音，在主动脉瓣区可听到收缩期喷射性杂音。 ( 7 ) 肺动脉瓣狭窄：s 1 正常或增强，s 2 明显分裂，在肺动脉瓣区可听到收缩 期喷射性菱形杂音。 ( 8 ) 肺动脉瓣关闭不全：s 1 正常，s 2 增强，在肺动脉瓣区可听到舒张早期杂 音，在主动脉瓣第二听诊区可听到收缩期喷射性杂音。 ( 9 ) 室间隔缺损：s 1 正常或减弱，s 2 增强及呈现宽分裂，在主动脉瓣第二听 诊区可听到收缩期杂音，杂音持续整个收缩期。 ( 1 0 ) 房间隔缺损：s 1 增强并出现分裂，s 2 增强并呈固定分裂，在肺动脉瓣 区可听到收缩期杂音持续整个收缩期，在主动脉瓣第二听诊区可听到舒张期隆隆 样杂音。 ( 1 1 ) 高血压：s 1 正常，也可能增强，s 2 常为窄分裂，常有s 4 ，出现s 3 则为 严重高血压，偶有主动脉喷射音，心底部常有主动脉瓣区收缩期喷射性杂音，心 尖部有收缩期杂音。 由此可见，心音信号中包含大量的人体心脏生理病理信息，是一种检测心脏 4 心音信号的提取和处理研究 疾病的重要手段。 1 1 3 本课题的研究目的及意义 心音信号是人体最重要的声信号之一，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病理信息，是临床评估心血管系统功 能状态的一种基本方法，是心脏及大血管机械运动状况的反映。在一些心血管疾 病发展到产生临床及病理改变以前，心音中出现的杂音和畸变是重要的诊断信息。 可以通过分析这些病理特征来提前预防某些疾病。更值得一提的是，心音在心血 管疾病中具有重要价值，是心血管疾病无创性检测的重要方法，具有心电图、超 声心电图不可取代的优势，其主要特点是： 第一，心血管疾病尚未发展到足以产生某种病症之前，心音中的杂音或心音 的变化能预示着某种形式心脏病的来临。 第二，先天性心脏瓣膜受损、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。 第三，心音具有心电不可替代的诊断信息。 第四，心音检查具有无创性、重复性好的等特点。 心音信号的主要应用有： 第一，心音在人工心脏瓣膜无创伤检测中的应用1 3 - 4 l 。人工心脏瓣膜的应用越 来越广泛，但存在的一个主要问题是移植瓣膜的寿命不长，导致瓣膜疲劳的主要 因素是瓣膜钙化。当瓣膜钙化后，人工心脏瓣膜关闭声音的主频有向高频变化的 趋势。因此，可以利用瓣膜关闭声音的频谱来探测人工心脏瓣膜的退化程度。 第二，心音在心肌收缩能力评价中的应用1 5 。6 1 。d u r a n d 等研究了心肌收缩力对 心音谱和心音传输特性的影响，结果表明，心肌收缩力的改变剧烈的影响心音的 强度。r i c e 和d o y l e 对心音图检测定位对比，研究得出了“第一心音的幅度是心肌 收缩能力的标准度量的结论，这是心音学研究在应用上的重要拓展。 第三，心音在心血管疾病诊断中的应用【7 1 。心音图检查将心脏听诊形象化， 进一步提高了心血管疾病的诊断和鉴别诊断水平。与传统的心脏听诊相比，心音 图检查有其独特的优点：( 1 ) 心音图检查不容易受主观因素的影响；( 2 ) 对于 超过听觉灵敏度所能辨别的心音和杂音，心音图检查有助于确定心音和杂音的时 间和性质；( 3 ) 心音图在教学上应用广泛，它与心脏听诊相结合，既丰富了听诊 内容又可帮助学生掌握听诊要素。 上述己经提到，心音信号对于临床诊断具有重要的理论和实际意义。然而， 由于以下原因阻碍了心音分析的利用和发展： 第一，心音的产生机制在争论之中，临床上很少单凭听诊做诊断。 第一章绪论 第二，目前缺少定量的心音分析技术。 第三，易受医生主观判断的影响，医师常不能清楚地分辩大量有诊断意义和 低频心音成分，往往只能是有经验的心脏病专家，才能通过听诊对心脏的功能状 态，做出正确的评价和诊断。 第四，最重要的一点是传统声学听诊不能够把心音的病理信息记录下来，为 后面的心音诊断和分析作为参考。 综上所述，有必要发展一种由计算机辅助的心音自动分析和诊断系统。此分 析系统能显示病人的资料，心音图等相关信息，并能够从时域、频域、时频域三 个角度对心音信号进行分析，提取不同域的特征参数，根据得到的特征参数对心 音信号进行病理分析和分类。 1 2 国内外对心音信号研究的现状 1 2 1 国内对心音信号的研究现状 我国对心音信号的研究开始于9 0 年代西安交通大学生物医学工程与仪器系。 随后，越来越多的人开始研究心音信号，研究的内容大致可以分为两类：信号的 处理与分析，心音分析系统的研制。 对心音信号进行分析之前，首先要对其进行滤波，消除其中的噪声。除硬件 滤波外1 8 】，目前常用的方法是小波分析消除低频和高频噪声，利用带阻滤波器消 除5 0 h z 工频干扰。心音信号的分析主要包括三个方面：时域分析，频域分析，时一 频分析。时域分析主要是提取心音信号的包络，出现的方法有：周静等人提出的 平均归一化香浓能量1 9 j ，赵治栋等人利用希尔伯特变换提取包络【l o j 。频域分析主 要是查看心音信号的频率成分，由于心音信号是非平稳信号，单纯提取频率成分 意义不大，因此很少有人做这方面的工作。时一频域分析是利用时间和频率的联合 函数来表示心音信号，这是目前研究的热点，目前的主要方法有：短时傅里叶变 换【1 1 。14 1 ，w i g n e 卜v i l l e 分布，小波分析【一5 1 ，希尔伯特一黄变换【”。1 引。此外，浙江 大学杨群清等人对心音信号进行非线性时间序列分析以提取血液动力学特征【l 7 1 ， 山东大学李桥等人利用谱分析法建立了心音信号的彩色三维图谱库1 1 8 l 。 心音信息系统是用某种编程语言开发的心音信号分析软件，需要一台运行 w i n d o w s 操作系统的p c 机，应具有心音信号的采集、存储、分析、病人报告打印等 功能。目前，已经有人开始研究基于虚拟仪器或嵌入式计算机的心音信息系统， 并开始对心音进行定量分析。 6 心音信号的提取和处理研究 1 2 2 国外对心音信号的研究现状 国外对心音信号的研究比国内开展的早，l 。d u r a n d 在1 9 8 6 年将传统谱分析方 法和现代谱分析方法应用于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【l9 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。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【2 1 1 。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 e 。ml ，d o y l e 。 dj 在1 9 9 5 年对心音图检测定位对比，进一步研究得出“第一心音的幅度是心肌收 缩能力的标准度量 的结论，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 年比较了几种时频分布在心音信号分析中的应用。b e l a s i r ， k h a d r a 。l 。在1 9 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果，但其分析结果很不直观。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。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，选定闭值，找出峰值点位置，主要研究了 利用小波变换识别s 1 和s 2 方法【2 2 1 。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，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。h e b d e n 等人提出了利用统计学原理 和神经网络区分s 1 ，s 2 的方法【2 3 1 ，它不需要同时记录新电信号作为判断标准，既 能够节省存储空间又摆脱了电隔离设备的束缚，还节约了成本。h a d j i l e o n t i a d i s 等人根据心音信号的非线性性质和高阶统计量的相位性质利用三阶统计量提取 s 1 ，s 2 【2 4 1 。此外，从2 0 0 5 年开始，如何提取s 3 逐渐成为研究的热点。由于s 3 振幅低， 频率低且持续时间短，因此不能用提取s 1 ，s 2 的方法来提取s 3 。c h r i s t e r ，a h l s t r o m 等人根据非线性动力学原理，利用时域循环检测方法提取s 3 【2 5 1 ，此方法结果准确， 但是计算复杂。k u i l l a r 等人首先利用小波变换一阀值滤波将s l ，s 2 ，s 3 从噪声中分离 出来，然后利用高频标记识别s 3 1 2 6 1 。 综合比较国内国外对心音信号的研究，我们可以知道：目前对心音信号的分析 检测研究还不成熟，对信号进行的特征识别的方法仍然需要改进。 1 3 心音分析的热点和不足 当前心音分析的热点主要包括两个方面：第三心音的提取和心音分析系统的 开发。由于第三心音振幅小，频率低，利用常规的方法很难提取，但是第三心音 有助于研究左心室的功能，因此如何提取第三心音成为广大学者关注的焦点。随 第一章绪论 7 着科技的发展和社会的进步，心音分析系统的开发已成为心音分析的发展趋势。 它能对心音信号进行自动分析，为临床诊断提供基本的分析工具。目前，随着虚 拟仪器及嵌入式系统的广泛应用，人们已经开始利用它们设计心音分析系统。 目前，心音分析主要存在两方面的不足： ( 1 ) 方法有限，并且各有缺点。预处理方面，除硬件滤波外，现有的滤波方 法只有小波分析可以进行多分辨率分析，但它不能很好的消除低频噪声。时域分 析方面，比较成熟的方法只有平均归一化香农能量，但是由于它采用了分段取样 的方法，得到的结果过于模糊；时一频分析方面，主要是利用短时傅里叶变换，小 波分析等传统的时一频分析方法，它们只能进行定性的分析，很难得到定量的结果。 ( 2 ) 心音分析系统的功能有待进一步完善。目前所开发的分析系统多数只能 实现数据采集，波形显示和初步的信号分析功能，几乎不能进行自动识别，与成 熟的辅助诊断系统还有很大的距离。 第二章信号处理的基础知识 9 第二章信号处理的基础知识 本章简要介绍了几种信号处理方法的基本理论知识，如：数字滤波器的设计， 傅里叶分析，短时傅里叶变换，小波分析，希尔伯特变换，黄变换等。为后续从 时域，频域，时频域对心音信号进行分析及处理奠定了理论基础。 2 1 数字滤波器的设计 滤波器可分为模拟滤波器和数字滤波器。模拟滤波器是用来处理模拟的或连 续时间的信号的；数字滤波器是用来处理数字信号( 具有量化幅度电平的离散时 间信号) 。 数字滤波器是最近几十年来迅速发展起来的一门新技术和新科学，它在理论 上和实践中都有重要的作用。数字滤波器理论在网络与滤波理论中占有越来越重 要的地位。与模拟滤波器相比较，数字滤波器有以下优点： ( 1 ) 精度高。在数字系统中的1 7 位字长其精度可达到1 0 一。因此，在很多高 精度的系统和测量中，数字滤波技术是很有效的工具。 ( 2 ) 可靠性高。模拟系统中各种参数都有一定的温度系数，会随着环境的条 件变化而变化，并且容易出现感应、杂散效应甚至振荡，而在数字系统中，对这 些因素的影响要小得多。 ( 3 ) 灵活性高。一个数字系统的性能主要由乘法器的各系数决定，这些系数 是存放在系数存储器中的，只要对这些存储器输入不同的数据，就可以随时改变 系统的参数，从而得到不同的系统，这对工程试验研究尤为便利。 ( 4 ) 便于大规模集成。数字部件具有高度的规范性，便于大规模集成、大规 模生产，数字滤波器可以获得有限的单位脉冲响应，可以容易地实现准确的线性 相位的滤波器响应，这是模拟滤波器难以实现的。 ( 5 ) 多维过滤。数字系统的一个很大的特点是可以拥有庞大的存储单元，因 而可以将一帧图像或数帧图像信号储存起来，实现对图像的多维滤波或帧间滤波。 数字滤波的核心思想是突出有效波，抑制干扰波。根据有效波和干扰波的频 谱特性和视速度方面的差异，分别用频率滤波和二维视速度滤波来区分它们。频 率滤波又称一维频率滤波，视速度滤波又称为二维视速度滤波。数字滤波可以在 时间域内进行，也可以在频率域内进行。频率域滤波是把原始信号分解成各种不 同频率的信号，让它们通过滤器后，观测各种不同频率的信号在振幅和相位上的 变化，这种变化关系称为频率特性。时间域滤波是把一个单位脉冲通过滤波器， 将其输出称为脉冲响应( 或时间特性或滤波因子) ，脉冲响应是一个振幅随时间 l o 心音信号的提取和处理研究 变化的函数，其傅立叶变换就是频率响应。按滤波器的性质，可把滤波分为无畸 变滤波器，纯相位滤波器和纯振幅滤波器。 目前，在数字信号处理系统中，数字滤波器已经应用在地震法勘测、地震预 报、雷达、声纳、语言的分解与合成、空间技术、高空摄影、遥感、生物医疗以 及电视等许多方面。 从实现方法上可以分为：有限冲激响应( f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ，f i r ) 和无限冲激响应( i n f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ，i i r ) 滤波器。每一种又有模拟 滤波器和数字滤波器两种。对于i i r 滤波器，数字带阻滤波器可以由模拟低通滤波 器通过一系列转换得到。 i i r 滤波器的系统函数为： y 6z 一， 朐= 器= 驷z 一意 智“ ( 2 一1 ) 该滤波器的脉冲响应h ( n ) 在n = 0 区间有值。 f i r 滤波器的系统函数为： h ( z j = 芸 _ 一1 = 矗( 甩) z 叫 一1 0 ( 2 2 ) 该滤波器的脉冲响应在n = 0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，n 一1 的优先个点上有值。 从功能上经典滤波器可以分为四种：低通，高通，带通和带阻滤波器。因此 本节首先介绍模拟低通滤波器的设计【2 7 1 。 2 1 1 数字滤波器的结构 ( 1 ) i i r 数字滤波器结构 i i r 滤波器的系统函数为 h ( z ) = 则ii r 滤波器的差分方程可表示为 ( 2 3 ) 删2 驴( ) + 酗如以) ( 2 - 4 ) 厂= o七= ll y 一4 l 由其系统函数或差分方程易知，实现i i r 滤波器有三种结构，即直接型、级联 第二章信号处理的基础知识 型和并联型。 一：直接型 直接型分为直接i 型和直接i i 型两种。 i 直接i 型，其具体体现形式如图2 1 所示。直接i 型结构是独立地实现有利函 数纠的每一部分，然后把潭门级联起来。直接i 的特点是直观，但速度慢，不经 济( 需要n + m 个延迟器) 。 x ( n ) r l 1l r ，r z lz l 6 口l ，r，i- l 1ijr 臼 z l y ( n ) 图2 1 ：直接i 型滤波器结构 i i 直接i i 型，其具体现形式如图2 2 所示。直接工工型其实是把直接i 型的每两 个延迟并排，用一个单位增益分支连在一起，这种结构就叫直接i i 型。 x ( n ) 1l r l r z lz 一1 口1， r1，6 。l jr1l 二：级联型 图2 2 ：直接i i 型滤波器 y ( n ) 1 2 心音信号的提取和处理研究 对i i r 滤波器系统函数进行因式分解，若a 。，b ，均为实数，则零点c ，和极点d ，只 有实数或共轭复数。合并共轭因子有： h ( z ) = 彳n ( 1 一g ，z 。1 ) n ( 1 + 届，z 一+ 殷，z 一2 ) 瓦弋f 一 ( 2 5 ) 兀( 1 一p z 。1 ) r 1 ( 1 一口i ，一口2 ，z 一2 ) 将单实根视为二阶因子的特例，设m n 例_ a 彝豁= a 帆， 6 ， 其中，表示( n + 1 ) 2 中的最大整数。日( z ) 称为二阶基本节，可采用直接i i 型实现， 例则由日。( z ) 级联而成。级联型的具体体现形式如图2 3 所示。 l 1l r z l 口l 届j j 1r l 1 1l z l 口2 ， ， 尾、 1l1 图2 3 ：级联型i i r 滤波器结构 级联型结构的特点是延迟单元较少，二阶基本节利用率高( 可以时分复用) ， 可以单独调整各对零极点而不影响其它。 三：并联型 将h ( z ) 展开成部分分式之和，有： 例= 善南+ 善蔷端+ 饕z 件2 ：协7 ， 通常i i r 系统满足m n ，此时有： 第二章信号处理的基础知识 例= 善南+ 善尚崛 浯8 ， 并联型的具体体现形式如图2 4 所示。 图2 4 ：并联型i i r 滤波器结构 ( 2 ) f i r 数字滤波器结构 第一：直接型结构 工程f i r 滤波器的差分方程为： 少俐= 芝撇) 砌一价 ， 1 2 0 ( 2 9 ) 系统函数为： 例= 釉歹 ( 2 - 1 0 ) 直接型也叫横向滤波器、卷积型结构，f i r 滤波器的直接型结构在m a t l a b 信号 工具箱内，由函数f i1 t e r 实现。 第二：级联结构 系统函数例可以分解成一阶和二阶多项式之积 何例= 轨( z ) + 篓m z ) ( 2 - 1 1 ) 其中h l ( z ) = 口o + 口l i z ，日2 i ( z ) = 成“届t z l + 及i z 2 。级联结构示意图如图 1 4 心音信号的提取和处理研究 2 5 所示： 围围一围 删 - 图2 5 ：级联结构示意图 级联结构型f i r 滤波器可以单独控制每个基本节的零点，但运算时间比直接型 长，乘法较直接型多。 f i r 滤波器的级联结构也可以用m a t l a b 来编程获得，其方法类似i i r 滤波器的 级联结构。 第三：线形相位型结构 f i r 滤波器的线性相位结构有偶对称和奇对称，但不论厅俐为偶对称还是奇对 称都有： 当n 为偶数时，系统函数为 要一l 何例= 艺厅( 刀) 旷z 训- l - 】 ( 2 1 2 ) 当n 为奇数时，系统函数为 胃例= 釉【z - ( + ) 】州岩 n 害o iy i ： l 对于这两种情况，都可以用f i r 直接型实现，其信号流图2 6 如图所示： x ( n ) y ( n ) z l 1 ) 第二章信号处理的基础知识 x ( n ) y ( n ) z lz l 图2 6 ：线形相位型结构f i r 滤波器实现信号流图 2 2 数字滤波器的设计方法 2 2 1i i r 数字滤波器的设计方法 1 1 2 ( 譬- 1 ) i i r 数字滤波器的设计方法主要有三种：模拟滤波器变换( 经典设计) 法，直 接设计法，最大平滑滤波器设计法。表2 1 给出了数字i i r 滤波器设计的主要方法 及m a t l a b 工具函数。 ( 1 ) i i r 滤波器的经典设计 基于模拟滤波器的变换原理，首先根据滤波器的技术指标设计相应的模拟滤 波器，然后再将设计好的模拟滤波器变换为满足给定技术指标的数字滤波器，这 就是数字ii r 滤波器的经典设计法。 在m a t l a b 中，经典设计i i r 数字滤波器采用下面的步骤： 一：根据给定的性能指标和方法，首先对设计性能指标中的频率指标进行转 换，转换后的频率指标作为模拟滤波器原型设计指标。 二：估计模拟滤波器的最小频率和边界频率，可利用m a t l a b 工具函数 b u t t o r d ，c h e b l o r d 等。 三：设计模拟低通滤波器原型，可利用m a t l a b 工具函数b a t t a p ，c h e b l a p 等。 四：由模拟低通原型经频率变换得到模拟滤波器( 低通、高通、带通、带阻) ， 可利用m a t l a b 工具函数1 p 2 1 p ，1 p 2 h p ，1 p 2 b s ，l p 2 b p 等。 五：将模拟滤波器离散化得到i i r 数字滤波器，可利用m a t l a b 工具函数 b i1i n e a r ，i m p i n v a r 等。 在m a t l a b 信号处理工具箱中，设计性能指标的转换应根据不同设计方法进行 1 6 心音信号的提取和处理研究 不同的处理。 设计方法说明工具函数 经典设计方首先设计满足性能要求的模拟完全设计函数 法 滤波器，在离散化变为数字滤波b u t t e r ，c h e b y l ，c h e b y 2 ，e l li p ，b e s s e l f 器 阶数估计函数 b u t t o r d ，c h e b l o r d ，c h e b 2 0 r d ，e 11i p o r d 低通模拟原型滤波器函数 b u t t a p ，c h e b l a p ，c h e b 2 a p ，e 1 1 i p a p 频率转换函数 l p 2 1 p ，1 p 2 b p ，l p 2 h p ，l p 2 b s 滤波器离散化函数 b i l i n e a r ，i m p i n v a r 直接设计法在离散域内用最小二乘法逼近 y u l e w a l k 给定的幅频特性 最大平滑滤设计一般化低通滤波器，其零点 m a x f l a t 波器设计法多于极点 表2 1 ：i i r 滤波器设计的主要方法及m a t l a b 工具函数 一：脉冲响应不变法 脉冲响应不变法，可按图2 7 对设计性能中的频率指标作处理。 模拟指标 w = qq r模拟原型指标 数字指标 w = 职 缈缈 图2 7 ：频率指标变换 第二章信号处理的基础知识 1 7 模拟指标 w = q q 。q ， 模拟原理指标 数字频率 形= 2 丁t a n 詈 缈j 口 缈s彤 图2 8 ：数模频率指标变换 二：双线性变换法 双线性变换法，m a t l a b 信号处理工具按图2 8 对性能指标中的频率指标进行处 理。 以上介绍了ii r 数字滤波器设计原理、步骤和方法。实际上，m a t l a b 信号处理 工具箱还提供了i i r 滤波器设计的完全函数，读者只要直接调用这些函数就可以直 接实现所需要i i r 数字滤波器。 不过请读者注意，在m a t l a b 滤波器设计工具函数中，数字采用标准化频率， 取值范围为0 1 之间，标准化频率1 对应数字频率为兀，对应的模拟频率为采样频 率的一半。表2 2 给出了个滤波器的调用格式。 2 2 2f i r 数字滤波器的设计 设计f i r 数字滤波器的方法有窗函数法、频率抽样法、最优化设计等。m a t l a b 信号处理工具箱提供的f ir 数字滤波器的设计函数及采用的设计方法如表2 3 所 示。 ( 1 ) 窗函数法设计f i r 数字滤波器 在信号处理中不可避免地要遇到数据截短问题，我们在实际工作中所能处理 的离散序列总长是有限长。把一个长序列变成有限长的短序列不可避免的要用到 窗函数。因此，窗函数本身的研究及应用时信号处理的一个基本问题。 设x ( n ) 为一长序列，w ( n ) 为窗函数，n = 0 ，1 ，n 一1 ，用w ( n ) 乘x ( n ) 得 x ( 刀) = x ( 刀) w ( 刀) ( 2 1 4 ) x 为n 点序列，其d t f t 为 心音信号的提取和处理研究 - f ，( p ) = 三f 二j f ( p ) h 7 ( p j ( w 一口) d 秒 ( 2 1 5 ) 由此可以看出，窗函数倒不仅影响原来信号的时域的形状，也影响了其在 时域的形状。 滤波器类型m a t l a b 函数调用格式 说明 巴特沃斯 b ，a = b u t t e r ( n