（电气工程专业论文）心音信号采集和分析系统的研制.pdf

中文摘要 摘要 心脏病是严重威胁人类健康和生命的主要疾病之一。心音听诊是心脏疾病无创 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。但是，传统的心音 听诊器有存在多方面的不足，从而阻碍了医学在心音诊断方面的发展。而在国内， 到目前为止，心音信号采集和分析系统仍相当不成熟，基本上是停留在理论研究的 水平，少有实用意义上的心音信号分析诊断方面的电子医疗产品。 本文首先系统研究了心音信号的产生机理和主要特性，分析了传统声学听诊上 的不足，总结了目前国内外心音信号采集分析处理系统的研究现状和存在的问题， 结合重庆市医院资深医生提出的具体要求，从理论上证明了心音信号采集和分析方 法的可行性。接着，本论文综合应用模拟电子技术、数字电子技术、微控制器和 v i s u a lc + + 等多方面的知识，研制了以较低成本实现对患者心电信号的实时的监护、 记录与分析的心音信号采集和分析系统。 本论文主要作了以下几个方面的研究： 1 1 主要研究了心音信号的基本知识，包括心音的产生机理和主要特性，第一 心音、第二心音、第三心音和第四心音的频段范围等。 2 ) 做必要的实验，分析了心音信号存在的噪音以及分析心音传感器的特性。 并根据实验提出了心音信号的采集和处理方案。 3 ) 制作了心音信号的模拟信号处理电路，包括滤波、陷波、放大和去扰电路 等。 4 ) 设计了心音信号的采集电路，主要有信号的a d 转换、与上位机的通信、 液晶的显示、人机接口、d a 转换等，另外还有心音信号的回放电路。 5 ) 编写了下位机程序，主要包括a d 转换、通信、显示和控制等内容。 6 ) 对采集进来的数据进行上位机处理，主要包括滤波和快速傅立叶变换等。 7 1 用v i s u a lc + + 编写基于上位机的应用程序，包含有串口通信、多线程处理、 数据显示、数据记录等内容。 以上各项研究工作进展顺利，最终完成了科研样机，指标达到了设计要求，为 下一步的产品开发奠定了良好的基础。 关键字：心音传感器信号采集信号分析数字滤波串口通信v i s u a lc + l 编程 多线程编程 蔓苎塑墨 a b s t r a c t h e a r td i s e a s ei so n eo ft h em a i nd i s e a s e st h a tm e n a c eh u m a n sh e a l t h h e a r t s o u n d sa u s c u l t a t i o ni sa ni m p o r t a n tw a yo fn o n i n v a s i v ee x a m i n a t i o no fh e a r t d i s e a s e s ，r e g a r d l e s s o ft h el a t e s ta d v a n c e si n i m a g i n gt e c h n i q u e s a n d e l e c t r o c a r d i o g r a m ( e c g ) a u s c u l t a t i o ni s s t i l lt h ef i r s t r o u t i n e l yd o n ec a r d i o l o g i c a l e x a m i n a t i o n f o rc e n t u r i e sa c o u s t i c a l s t e t h o s c o p e h a sb e e nu s e dt o e a r l y 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 ld r a w b a c k s ，w h i c h h o l d sb a c kt h ed e v e l o p m e n to fm e d i c i n ei na u s c u l t a t i o n u pt on o w , t h es y s t e mo f h e a r ts o u n d sc o l l e c t i o na n da n a l y s e si ss t i l l q u i t ei m m a t u r e ，t os o m ed e g r e e ，o n l y t h e o r ya n ds t u d yi s c a r r i e do u t ，i ti sa l m o s tb l a n ko fp r a c t i c a le l e c t r o n i cm e d i c a l m a n u f a c t u r e d p r o d u c ti nh e a r ts o u n d sa n a l y s e s a n dd i a g n o s i s a t f i r s t ，t h e p a p e rr e s e a r c h e s t h e m e c h a n i s mo f p r o d u c t i o n a n d k e y p r o p e r t yo f h e a r ts o u n d s ， a n a l y s e st h ed r a w b a c k so f a c o u s t i c a ls t e t h o s c o p e ，c o n c l u d e st h ee x i s t i n gc o n d i t i o n sa n de x i s t e n t d e f i c i e n c yi nh e a r ts o u n d sc o l l e c t i o na n da n a l y s e s a tp r e s e n la n da c c o r d i n gt o c h o n g q k n g h o s p i t a la r c h i a t e r s t h es p e c i f i cr e q u i r e m e n t s ，d e m o n s t r a t e st h ef e a s i b i l i t yo ft h eh e a r ts o u n d s c o l l e c t i o na n da n a l y s e si nt h e o r y a f t e rt h a t , t h eh e a r ts o u n d sc o l l e c t i o na n d a n a l y s i ss y s t e m i sd e v e l o p e dw i t hl o w c o s tt or e a l i z et h er e a l t i m e m o n i t o r i n g ，t h er e c o r d a n da n a l y s i so fh e a r ts o u n d s a p p l y i n gal o to fs u b j e c t ss u c ha sa n a l o ge l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , d i g i t a le l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , m i c r o c o n t r o l l e ra n d v i s u a lc + + t h em a i nw o r k si nt h i sp a p e ra r el i s t e da sf o l l o w s ： s t u d y o nt h 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 f t h ef i r s t 、t h es e c o n d 、t h et h i r da n dt h ef o u r t hh e a n s o u n d s a n a l y z i n g t h en o i s e so f h e a r ts o u n dc o h e c f i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f h e a r t s o u n ds e n s o r s ，a n d b r i n g f o r w a r dt h es c h e m et oc o l l e c th e a r ts o u n d s d e s i g nt h ea n a l o gs i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t , c o n s i s t so ff i l t e rc i r c u i t , 5 0 h z r e j e c t o ra n da m p l i f i c a t i o ne t c d e s i g n t h ec o l l e c t i n gc i r c u i t ，c o n s i s t so f t h ea dc o n v e r t e r , t h ec o n l n u l l i c a t i o n w i t hp c ，t h ek e y , l c d ，d ac o n v e r t e re t c ，i na d d i t i o n ，d e s i g nt h eh e a r ts o u n d s p l a y b a c k c i r c u i t i i l 重庆大学硕士学位论文 c o m p i l e t h ep r o g r a mo f m i c r o p r o c e s s o r d i s p o s e t h ed a t ac o l l e c t e db yc o m p u t e r , a n dc a t t yo u td i g i t a lf i l t e ra n df f t c o n v e r s i o n p r o g r a m w i t hv i s u a lc + + b a s e d c o m p u t e r , c o n s i s t so f s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ， m u l t i t h r e a d ，t h ed i s p l a y a n d r e c o r d i n go f d a t a , e t c t h em e n t i o n e dw o r kh a sb e e nf i n i s h e d , a n dm a k ea ni n s t r u m e n t u s i n gf o r e x p e r i m e n t k e yw o r d s ：h e a r ts o u n d ss e n s o r , s i g n a lc o l l e c t i o ns i g n a la n a l y s ed i g i t a lf i l t e r s e r i a l c o m m u n i c a t i o n ，p r o g r a m m i n g w i t hv i s u a l c + + ，p r o g r a m m i n g w i t h i l l u 】t i t h r e a d i v 1 绪论 l 绪论 1 1 本课题的研究意义 1 1 1 本课题研究的重要意义”“ 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，是临床评估心脏功能状态的 最基本方法，是心脏及大血管机械运动状况的反映，当心姐管疾病尚未发展到足以 产生临床及病理改变( 如e c g 变化) 以前，心音中出现的杂音和畸变就是重要的 诊断信息。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 1 堤： 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。 上述已经提到，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，方能通过听诊对心脏的功能状态， 作出正确的评价和诊断； 第四，最重要的一点是，传统声学昕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。 根据资料显示，在电子心音听诊方面，国外有比较成熟的理论研究和实际的产 品，而在国内，这方面的研究还不成熟，相应的真正意义上的产品还存在很多的缺 陷。 心脏听诊是诊断心血管疾病的一种简单、重要的方法。心音图是将心脏听诊形 象化，并能将超过听觉敏感范围的声音记录下来，并结合心电图、颈动脉博动图、 心尖博动国及超声心动图等联合应用，进一步提高心血管疾病的诊断和鉴别水平， 对了解心血管功能、选择治疗方案、判断病理改变及研究某些疾病的机理提供了很 重庆大学硕士学位论文 有价值的资料。心音图检查有如下的段点：心音图检查可将心脏活动中产生的瞬 间即逝的声音，变为长期保存的、可供详细分析的图形；有利于随访心音及心脏杂 音的改变。心音图可以弥补心脏昕诊的不足。因为人耳的听觉的最敏感听诊频率 范围是2 0 2 0 0 0 0 h z ，其中有临床价值的心音及心杂音频率范围是2 0 1 0 0 0 h z 。故对 听诊易混淆的心音及杂音可通过心音图进行鉴别，此外心音图结合一f i , 电图、心尖博 动图及超声心动图可以推算心音和心杂音出现的时间，有助于明确其产生的生理、 病理机制。心音图在教学上的应用极为广泛，心音图结合心脏听诊，可帮助学生 掌握心音变化的规律和丰富听诊内容，可通过看图与听诊之间的反复实践，促进临 床听诊教学的发展。由此可见心音图具有心脏昕诊所没有的特点。但是心音图却不 能取代心脏听诊，因为心脏听诊方便易行，而且能分别心音的空间位置，所以心脏 听诊和心音图检查应结合使用，提高诊断水平。 1 1 2 心音的产生与传导机制。1 研究心音信号的产生与传导机制，对于认识体表心音与心音源之间的关系，了 解心音与心脏的生理、病理状况之间的相关性待方面有着重要的意义。多年来，许 多研究人员对心音的发生机理和传导机制从不同的方面进行了研究和探索，得到了 许多有价值的研究结果。下面综述了心音的产生与传导机制研究的新进展。 心音信号的产生机制 从流体力学的观点来看，心脏血流是在心电系统控制下能动的边界推动的非牛 顿流体运动，流体的运动、心脏瓣膜的运动以及心肌的收缩及振动和心电系统紧密 耦台。因而对心脏的振动力学分析以及心脏血液动力学的分析需要对此问题的完整 的数学描述，目前这样的数学模型还无法建立。 如果只考虑孤立的心脏，而不考虑心电信号的作用和肌肉收缩的问题，把心肌 收缩力看作沿边界分布的已知力，并设血液为不可压缩的牛顿流体，那么心脏内的 血液流动以及瓣膜的运动可以用几个方程描述。从理论上分析，在给定边界条件下， 这些方程是可以求解的，实际上由于方程的求解非常复杂，而且某些边界条件又不 可能得到，解这些方程是不可能的。因而下面只根据已有的文献，简述对于心脏的 动力学问题的定性分析结果，以期对认识心音信号的组成，认识心音信号的发生机 理、了解其特点有所帮助。 早年，人们曾认为心音是由瓣膜的关闭所产生的，以后发现这种认识是片面的。 对于心音的发生机理的研究不仅需要考虑心脏的血流动力学方面的特性，而且要研 究心脏的振动力学问题。下面对瓣膜的运动情况进行了分析。 主动脉瓣关闭：正常人的主动脉瓣、肺动脉瓣、二尖瓣、三尖瓣位于同一平面内。 主动脉瓣由三片新月形膜构成，由主动脉方向打开，边缘向主动脉凸起，主动脉根 部有三个主动脉窦，窦内形成一驻涡。b e l h o u s e 等从流动模型的实验结果出发，用 ! 竺堡一 _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - 一一 一维的流动理论分析了主动脉瓣的关闭过程，认为窦内旋涡由通过瓣失的血液对流 所形成，旋涡的存在引起了一些值得注意的现象。 在主动脉瓣关闭的过程中瓣膜受到窦内旋涡和逆压力梯度的共同作用而产生复 杂的振动形式，振动的过程中受到血液的流速、瓣膜本身的质量、主动脉窦内压力 以及瓣膜的生物力学性质等诸多因素的影响。瓣膜( 含房室瓣和动脉瓣) 关闭的原 因是流动减速造成的逆压力梯度，而不是流动速度。因而瓣膜的关闭对心脏的舒张 来说很灵敏，几乎没有回流。由于逆压力梯度的存在使主动脉瓣迅速关闭，由逆压 力梯度等因素促成的瓣膜的振动而后传向整个心脏( 肺动脉瓣的关闭有与之类似的 过程) 。实际上当收缩期末，心室输出的血流减时，主动脉窦的涡旋因其惯性的存在， 使得对瓣叶的压力没有改变，而对瓣膜的内侧的压力因血流减小而显著减小，这个 压力差最终推动瓣膜关闭。这由以下的b e i h o u s e 的工作所验证。 b e l h o u s e t a 对主动脉瓣的工作情况做了近似的理论分析，结果表明，在心室射 血期，主动脉窦内的漩涡控制主动脉瓣叶的位置，使其在流动加速度和收缩期流量 最高峰能保持位置稳定，既不堵塞冠状动脉入口也不堵塞输出的血流，在流动的减 速期，瓣叶平稳地转向关闭，最后在收缩期末完全关闭。二尖瓣和三尖瓣具有和主 动脉瓣极其相似的关闭过程，所不同的是此时旋涡产生于开启的二尖瓣或三尖瓣后 的心室区域中。 各个瓣膜的关闭过程中所产生的振动，形成心音的各个成分也具有相似性，我 们以二尖瓣的关闭为例，相应于第一心音的m i 成分，来讨论心音的发生机理。在 舒张期末二尖瓣已经平稳地关闭，关闭的最后阶段是由心室到心房的向流引起的。 当瓣膜关闭时，紧靠它运动的血液由于惯性而继续向心房运动并使瓣膜扩展，这种 弹性的伸展使血液反向的流动，于是瓣膜又冲过它的平衡位置并不断重复这种过程， 直到血液和瓣叶本身因受粘性阻尼而把能量损失掉才停止。由于两边压差随心室压 力升高而增加，瓣叶的平衡位置在整个过程中是改普通的，而且瓣叶的弹性性质是 非线性的，因而造成了心房和心室的高频压力脉动，这也是产生第一心音的主要变 化过程。 d a r a n d 在研究左心室振动对主动脉瓣关闭音a 2 的贡献中发现；左心室及其输 出血流对a 2 而言是一个主动的放大系统，表明a 2 由左心室的振动及输出血流和主 动脉瓣的振动所产生，因而a 2 成分中含有血液和左心室的振动成分。因而，可以 认为以上所描述的瓣膜的振动随着时间的推移而传向整个心脏，再经过心胸传导系 统到达体表形成了a 2 的主要成分。第二心音的主动脉瓣成分因而含有关t ，o 脏血 流的信息，瓣膜的生物物理性质信息等。 蜡膜的开启：实际的瓣膜富有弹性且高度柔顺，在其开启过程中，瓣膜产生抖振 和波动。瓣膜的波动与抖振是在开启过程中产生的，它与心脏其他部分的耦合非常 重盎查兰堡主堂焦笙奎 弱。由于旋涡对于瓣膜运动的稳定作用，使瓣膜开启的振动能量小于瓣膜关闭的能 量，且它们常常迭加在一起，给以后的心音信号分析带来了困难。 心脏振动源的特性：在一个心动周期内心肌的力学性质的变化、心脏的体积， 容积的变化，都会影响心脏的振动和振动的传播。以左心室为例，图1 所示为左心 室压力一心脏容积的变化图。图中由b 到c 是等容收缩期，心肌从松驰状态过渡到 收缩状态，其肌纤维长度不变而刚度突增，j b 室压力激剧增大，在c 点主动脉瓣打 开。可以看出，这一段中相应地存在着伊心音的二尖瓣成分和主动脉瓣成分。 压力 容量 图1 1 左心室容积一压力图 f i g 1t h ev o l u m e - p r e s s u r ef o r c eo f l e f tv e n t r i c l e 等容收缩期和等容舒张期的心肌刚性的突然变化，以及血液的突然加速和减速， 反映在心音信号上，使第一心音的音调较高，而第二心音的音调较低。 w o o d t 3 等利用动物实验对心脏的振动特性进行了研究。实验中，他们在狗的 l c x 区( 冠状动脉左旋支) 阻塞前后，从l c x 和l a d ( 冠状动脉左前降支) 的血流区同 时记录了心外膜的加速度，并季4 用二项式分布，作出了所提取信号的时频分布。实 验结果表明，没有缺血的区域中具第一心音的频率在所有的时间点上没有变化，而 缺血区的中心频率在阻塞期间显著抬高，这个结果是令人惊奇的，它与心脏的共振 的假设相矛盾，对第一心音时频谱的观察可以看到：在没有发生缺血时，两个区域 的振动表现出相似的动态变化。在l c k 阻塞以后，第一心音一开始的频率振荡受 到抑制，导致了在这个区间的频率成分有所上升，特别是在缺血区类似于脉冲的成 分更为显著，他们认为心肌的加速度的收缩过程产生了心音中上升的频率成分，缺 血所造成的对收缩过程的损伤，使这些成分减小，缺血区所增加的脉冲成分可能起 因于有效的心肌硬度的增加。这是由于心管缺血区缺乏收缩功能，但因为缺血区有 较高的壁强度、较薄的壁，较大的半径，并且此时位于受力一应变曲线的陡变部分， 冈而缺血区心肌比正常的心肌硬度高。 4 1 绪论 可见，心肌的机械特性对心脏动特性的影响较为显著的，这个实验同时也提供 了一种无创检测冠状动脉供血机能的方法。 心脏是整个循环系统的动力源，人体的血管以及各个组织构成了这个动务源的 负载，血液循环系统的负载特性又受到人体的体位，运动状况、情绪、呼吸状态等 多种因素的影响而产生随机性的变化，这种变化反过来又影响着心脏的工作状况。 心脏的周期性的运动受到交感神经的总体控制，目前对于研究心率的变异性来获得 关于神经系统的信息及认识心率的变化与呼吸状况之间的关系也是目前对心血管系 统研究的热点之一。 综上所述，可以将心音的发生机理归纳如下：心脏的瓣膜和大血管在血流冲击 下形成的振动，以及心脏内血流的加速与减速形成的湍流与涡流及其对心脏瓣膜， 心房、室壁的作用所产生的振动，再加上心肌在周期性的心电活动作用下其刚性的 迅速增加和减小形成的振动，经过心胸传导系统到达体表形成了体表心音。 心血管音的发音机理 对冠状动脉疾病的无损检测一直是致力于心血管医学研究的生物医学工程研究 人员的主要目标，利用心音对心疾病进行无损测检这方面的研究工作之一。目前， 帆管音的检测主要是指提取血管狭窄的信息。近年来，随着生活水平的提高，心血 管疾病有上升的趋势，由于心血管音可以早期，无创地反映心血管的病理状况，许 多科研人员从生物流体力学，信号的发生和传播机理等方面对心血管进行了深入细 致的研究，做出了许多有意义的实验和理论结果。 对正常人而盲，血液在心血管中运动所产生的振动非常微弱，且往往被心音的 大信号成分( 如第一，二心音，或心杂音) 所掩盖，在体表很难被检测到，但当心妇 管产生病理性变化( 如冠状动脉粥样变化) 而引起动脉狭窄所造成的血流湍流所引起 的振动，将会通过心胸传导系统而传播至体表，其信号强度虽然也十分徽弱，但所 幸的是在舒张期，j b 肌对冠状动脉的压力最小，冠状动脉中血流最大，此时对于无 动脉回流、瓣膜狭窄等有舒张期心杂音的病人而盲，心音又处于相对较为“安静” 的阶段，因而有可能检测到这种信号成分。 探讨血管音的发生机理，需要考虑两个方面，一是血管狭窄的血流动力学特性， 二是血管本身在血流作用下的振动特性。目前，对心血管系统建立完善的数学模型 依然十分困难，大多数的研究人员分别对心血管内的血流动力学特性和血管振动特 性进行建模，以减小建模的难度。 1 9 7 0 年，l e e n 和d e w a y l q 就指出如果血管音的发生和传播机理知的话，就有可 能对动脉粥样硬化造成的狭窄进行定量的诊断，b o n g h e r 和r o a c h r s 6 】在他们的文章 中指出孤立的动脉段在声激励下将会在其特征频率上发生共振。r o a c h t 5 】：对狗的股 动脉、颈动脉做了5 0 个在体实验，人为地造成动脉狭窄，然后用扩音器在狭窄的下 重厌大学坝士学位论又 游端检测流动噪声，实验说明动脉在某一部位变窄之后，其下游血管会发生扩张( p o s t s t e n o f i cd i l a t i o n ，简称p s d ) ，它和下游的流动分离和湍流有关，当这种湍流达到 一一定程度，p s d 才会发生发展。r o a c h 的实验结果不仅证明了湍流音的存在，而且 在一定程度上说明了湍流音的发生机理和发生部位，鉴于动脉血管的相似性，它对 认识心血管音的发生机理有一定的意义。k i m 等人 7 】经研究发现橡胶管中的湍流可 以产生两个相互重叠的频谱，一个湍流谱由扰动的血流所产生，另一一个是湍流造成 的血管的共振所产生的。 w a n g 等对血管音的发生机理进行了全面细致的分析研究，并利用前人的研究结 沦，建立了包括对动脉阻塞段的表征的描述冠状动脉的血流模型，以及描述有湍流 的动脉段的共振特性的模型。他们经过对s a p o z w i k o v 做出的冠状动脉模型的分析” ”，将其做出的1 1 6 段描述的冠状动系统进行简化，根据模型仿真做出了1 4 个元素 的左冠状动脉模型，简化后每一个元素又可以分为任意的“分段”，根据需要提供几 何上的变化。其中每一段的长度，横截面积等物理参数从动脉造影中获得，对于动 脉终端分支的阻性负载他们认为是直接与动脉驱动的区域有关，由牛顿方程和连续 方程导出的血流和压力之间的关系，可以由等效的电路表示，而且每一段的近端和 远端的压力关系可由模拟电路的传递函数求出。 w a n g 等将动脉段的共振模型与实验结果相比较，他们认为狭窄段就是共振腔。 而腔长可以清楚地从动脉造影中读出，这样就为分析血管音发生机理奠定了基础。 由以上模型可以得到任意段的关于血流速度v 的估计，根据f r e c l b e r g 1 2 ：给出的 公式可以得到计算压力的方法，从而可以推出共振信号的宽带谱的表示式。 由狭窄的产生的具有宽带谱的湍流音，激励血管而产生振动，理论和实验结果 都证实了每一段的谱中都存在两个共振峰，共振峰的能量和频率位置与血管的几何 形状和物理参数有关，第二共振峰与血管的狭窄有关。 1 2 国内外研究现状【2 j 心音信号比较复杂，对于不同的人，不同的时间可能出不动的心音波形，这就 给当前的研究带来了相当大的困难。目前，国内外有相当部分人和机构在从事这方 面的研究，下面是当前国内外心音信号分析处理的主要研究方向 1 2 1 对人2 i i , 6 , 脏瓣膜的无创伤检测 自七一f + 年代起，人工心脏瓣膜的无创伤性检测方法却显得很贫乏。人们开始利 用心音的频谱分析来评估瓣膜的功能和大小参数。l d u r a n d 1 等将传统谱分析方法 和现代谱分析方法应用于植入主动脉瓣位置上的人工生物瓣膜音的分析，并对这两 种谱分析方法的性能进行了比较研究。他们对i i 例病人记录了3 组数据，在记录心 音的同时，用心电信号q r s 波对心动周期自动定位，当第二心音中主动脉瓣和肺动 6 一一 ! 笪笙 脉瓣音相距较远时，就选取心音作为谱分析的数据，选取了2 0 个相似的心音周期后 再对其求平均，以提高信噪比并减小肺动脉瓣的成分，然后用5 种方法( f f t 法， 加汉宁窗的w e l c h 法，全极点模型，具有最大熵的零极点模型，外推至零的零极 点模型) 分别作谱估计。实验结果表明，周期图法和具有最大熵的零极点模型法提 供了谱峰的最稳定的估计( 具有最小方差) ：而估计谱分布的最稳定的方法则为周期 法和外推至零的零极点模型法。因而，在对谱峰和谱的分布都进行估计时，周期法 是最好的折衷。后来文献 2 】讨论了4 种谱技术在二尖辩位置植入的生物辩膜关闭音 的频谱特征提取中的性能差异( 偏差和方差) 。经过对直角窗f f t ( f f t r ) ，h a n 百n g 窗f f t ( f f t m ) ，s t e i g l i t z - m c b r i d e 最大熵法( s m m e ) 以及全极点模型( a p c ) 研 究表明在用于心音识别的参数提取中仅采取一种谱估计方法不会得到对所有谱参数 的最佳估计的。 l d u r a n d 等的研究还表明对人工生物瓣而言，当它出现钙化或纤维化病变时， 心音频谱中高频成分的能量增加，而对人工机械瓣膜而言，由于血栓的形成，频谱 中低频成分的能量增加。量佳谱估计方法不仅可以对人工瓣膜的工作状况进行分析， 而且还能提取心音信号的谱特征。 1 2 2 对心音微弱成分的研究 冠状动脉阻塞( 狭窄) 即使小至2 5 也将产生阻塞后湍流，相应地在心音图 ( p h o n oc a r d i og r a p h y ，p c g ) 中表现为杂音成分。而高度阻塞( 9 5 以上) 则由于 血流的减少使杂音反而减少。冠状动脉阻塞产生的听觉成分往往经中间组织的衰减， 而且为相应的瓣膜音所掩盖，所幸这些杂音成分发生在相对“安静”的舒张期，因 此利用舒张期p c g 信号研究对冠状脉非症状性缺陷的无创性检测极有潜力。 a k a y 等和s e m m l o w 等【3 ”，为了建立舒张期心杂音与冠状动脉阻塞对应关系， 连续研究了舒张期心音。a k a y 等的研究中单独分离了舒张期的中段部分，并用自适 应自回归参数模型作估计。自适应算法不需要信号的先验知识，能随时跟踪信号性 质的变化。因此对心音这样一种非平稳性较强的生理信号，运用自适应方法交获得 更有效的结果。s e m m o l w 5 等还用特征向量法对心音建模，研究舒张期心音频谱。 特征向量法在信号的信噪比比较低时，也能获得到高分辩率的谱估计。a k a y 6 等又 对相同问题采用了自回归移动平均模型( a r m a ) 进一步研究。a r m a 模型的性质 较全面，可以以较低的阶次来拟合，且对功率谱的谱峰和谱谷都有较好的表现。比 较冠状动脉狭窄病人在血管成形术前后的频谱可以发现有明显的不同，政党人与不 正常的频谱也可发现明显的不同。这些研究表明，冠状动脉狭窄提高了心音的高频 成分。 有关冠状动脉狭窄产生的心杂音的理论还处于讨论中，w 抽g 6 等提出，冠状动 脉控在血流的激励下引起的共振是产生舒张期心音一个原因。作者建立的噪声源模 一重壅奎堂堕主兰垡笙奎 j 一 型包括了左冠状动脉树的增长网络模型和动脉腔共振模型，前者用来决定血流量， 而后者的共振传递函数有两个共振峰，其频率取决于腔段的长度和直径以及末端的 负开车电阻。一般情况下，血流的低频波动激励了低共振频率而发生阻塞时较宽频 带的端流同时激励了低频和高频共振。这一理论小样本论证，可以解释冠状动脉狭 窄病舒张期心音高频成分的提高。 第三心音和第四心音这些心音的微弱成分也逐渐为人们所重视。a g g i o 等基于 质量块一弹簧模型研究了心肌缺血症的第三心音。 1 2 ，3 心音的模式识别与自动解释 心音中含有人体心脏大量的生理、病理信息，因此对用现代数字信号处理方法 提取的心音特征，用模式识别或神经网络对心音进行自动分类和识别，一直是人们 感兴趣的研究课题之一。 王海滨等【7 用b u r g 算法估计出心音信号的自回归模型( a u t o r e g r d s s i v e ，a r ) 模 型数数，将其作为特征矢量，以3 例正常人的6 个心动周期的第一、第二心音辩识 置信区域为判别标准，对2 例心脏病患者进行了对比辩识分析。卢耘等 8 6 f a t 分 形的概念，对心音信号进行了研究。结果表明分维数可以显著区分正常心音、二尖 瓣病变心音以及主动脉瓣病变心者。作者认为分形是波形定量分类的新方法，能定 量地描述波形的复杂程度，又不依赖于傅里叶变换所要求的周期性假设，为分析不 规则的心音信号带来了极大的方便。 d u r a n d 等针对猪心生物替换二尖瓣的关闭音，研究它的模式识别。报道中比较 了两种模式识别( 分类) 方法检测瓣膜交性的诊断性能。一种是以高斯一贝利斯模 型为基础，另一种是基于“最l 缶近”原则的三种距离测量算法。研究中通过两类指 导学飞处理来决定由6 个或再少的参数组成的最优判别模式。分类器的错误概率用 “余一”法来估计。 神经网络模式识别是模式识别这一领域中的强有力的工具，而且神经网络正在 不断的吸收新的思想，各种网络结构和学习规则正在发展研究之中。神经网络最重 要的特征是能根据样本学习，学习信号经归纳以后存在网络的要值中。神经网络可 以分为；有监督的学业习网络，无监督的学习网络，以及混合系统网络。其中b p ( b a c k - p r o p a g a t i o n a l g o r i t h m ) 是应用最广的方法 9 。a k a y _ 【1 0 】在1 9 9 3 年对用神经网 络识别冠状动脉狭窄的无创声检测进行了研究。他首先用自适应滤波器来减小舒张 期心音的背景噪声，再对减嗓后的心音信号建立a r 模型，将a r 模型系数作为特 征向量。用6 个正常的和6 个非正常的舒张期心音信号作为神经网络的学习样本， 去训练一个三层的b p 网络。识别结果表明：学习后的神经网络可以从6 4 例冠状动 脉狭窄的心凌晨信号中正确地选出5 0 例，从3 6 例正常的心音信号中选出3 2 例，其 准确率高于以往其它所用的识别方法。他认为如果在特征向量中再加入病人的状况 1 绪论 的其他信息，如体重、性别、年龄、吸烟与否等，识别的准确率将会进一步提高。 目前，对心音信号进行自动分类和识别绝大部分只局限于两类模式( 即正常、非正 常模式) 。 早年人们认为心音是由瓣膜的关闭所产生，以后发现这种认识是片面的。对心 音的发生机理不仅需要考虑心脏的血流动力学方面的特征，而且要研究心脏的振动 力学问题。心音的发生机理可以归纳如下：心脏的辩膜和大血管在血流冲击下形成 的振动，以及心脏内血流的加速与减速形成的湍流与涡流，以其对心脏辩膜、心房、 房壁的作用所产生的振动，再加上心肌在周期性的心电活动作用下其刚性的迅速增 加与减小形成的振动，经过心脑传导系统到达体表形成了体表心音。心音是较复杂 的生理过程之一。从其源特性来看，心音是由多个振动源在不同的空间位置、不同 时刻的振动所形成，振动源之间有不可忽视的作用，而且对每个源又有相当强的时 变性。多个源特性使得心音能量在体表的空间分布呈现一定的变化，即记录位置的 不同会影响心音信号的能量，但对其谱分布没有显著的影响。 心血管音一般是由狭窄的心血管形成的阻塞后湍流以其对狭窄段作用甩形成的 血管共振产生的，信号强较弱，对冠状动脉疾病的早期无创诊断有一定的意义。 1 2 4 心胸传播特性的建模与分析 心胸声传播系统对心音信号的作用是不容忽视的，然而由于技术上和和认识上 的原因，多年以来心胸传播特性对心音和心杂音的影响一直未受到临床医生的注意。 f e r u g l i o 早在1 9 6 2 年就指出 1 3 】：在心脏的不同腔室中产生的同样的信号，在胸 表面记录时信号却表现出不同的频率分布，h e i n t z e n 和v i e t o r t - “也强调过心肌和心 壁的机械运动对心音的传输有调制作用。新近发展的高保真记录心内心音的微型血 压计结合强有力的数字信号处理技术，给心音的传播特性的研究注入了强大的活力。 对心胸声传描特性的研究，可以使我们正确认识体表心音与以内心音的关系，了解 心胸系统对心内心音的作用，对从体表心音正确了解心脏的生理病理状况有着重要 的意义，对心胸声传播特性的研究是心音分析中的难点之一。心音的传播路径上的 复杂的生理结构以及心音源的复杂性使得建立物理模型非常困难，因而人们利用数 字信号处理方法来研究心音的传播特性。其中d u r a n d 等人利用动物实验对心胸传播 特性进行了深入细致研究，并观察了心肌收缩力、血压，心率等因素对心音传播特 性的影响，其实验结果具有较大的参考价值，金井等利用时变谱对心音的传播特性 进行了研究，其实验结果因为考虑心音的时变特性，与实际情况更为接近。 d u r a n d 实验模型 d u r a n d 1 5 建立了能够反映心脏内心音的时变特性的系统模型，来研究通过心肌 和胸部组织的声传播特性。研究中所用模型如图所示。其中，x ( 0 为心内心音，m n l 为记录仪的仪器噪声，u ( t ) 为输入记录系统记录的p c g ，i ( t ) 为输出背景噪声，y ( 0 重垦查堂堕主兰垡丝墨 一 分为输出系统记录的p c g ，v ( t ) 表示心内p c g 对体表p c g 的贡献，h c ( t ，砷为系统 的时变冲激响应，利用此模型对m i ( 第一心音的二失瓣成分) 和a 2 ( 第二心音的主 动脉瓣成分) 传播路径上的声传播特性进行分析的传感器位置分别位于胸部表面的 主动脉区和心尖区。在a 2 的传播路径上有主动脉根部以及体表与主动脉区之间的 胸部组织，在m 1 的传播路径上有左心室。心肌和位于心尖部和体表之间的胸部组 织。在实验中，在左心室的等容收缩期采集m 1 ，在左心室的等容舒张期采集a z 成分，调整以上公式中的参数n ，使其位于等容期的中心，并调整m 使其与等容期 长度相关。 d u r a n d 等利用此模型，通过动物实验，对心胸系统的幅度、和相位传输特性进 行了研究，并且计算出了系统的时变的相干函数。但是，虽然他们在计算系统的传 输函数时引入了时间概念，但是在计算时由于固定了参数n ( 对于一个心音周期而 盲) ，使得其计算结果并未真实地反映心胸声传播特性的时变特性，即使这样，d u r a n d 的工作仍以其深入和全面而具有十分重要的意义。 金井实验模型 金井等对胸壁加振和无加振情况下的心胸传输系统的时变特性进行了研究。 x ( t ) 为加振荡器的输出信号，u ( t 弘b 内心音，h o ( o 为心胸声传输特性，h ：( “n ) 为在 第i 个心动周期的心脏一食道声传输特性，y ( t ) 为加振时由食道检出的信号，y - ( i ) 为无加振时的食道内的信号，利用加振和无加振时的胸壁到食道，胸壁到心脏的传 递函数就可以推导出心一胸和心脏内的传递函数h o ( f ) 、h ：( f ) 。 模型评价 d u r a n d 等建立的心音传播的模型利用了s t f t 来构造联系心内和体表心音的时 变传输函数和时变相干函数。据此模型，心内压力的波动激励了一个包括心脏结构 和胸部组织的时变的传输系统，在体表记录的心音表明心脏内心音受到高斯白噪声 的影响。从建立的模型可以看出，如果心内和和体表心音之间的s t f t 已知的话， 那么就可以估计时变的心胸传输函数和相干函数，相干谱的值位于o 1 之间，相 应于给定频率处的传输函数的可靠性。 d u r a n d 等利用这种方法，研究了神经肌肉传导阻滞、胸部解剖结构、p r 间期， 心率和心肌收缩力对心音的谱分布以及传输函数、相干函数的影响，d t t r a n d 的模型 的基本局限在于假设心脏内心音为系统的激励，而实际上心内心音也是高度复杂的 的收缩过程的输出。心肌、瓣膜和心室内部血液的耦合振动不可能理想化成时变的 或非时变的传输函数。而且，岫内心音为压力波动，胸部心音为横波转化成的压力 波动，可见二者具有相当大的差别，当表现在时域波形上的差异时，减小了相干函 数的数值，对所做出的相位传输特性、谱传输都有一定的影响，根据这样的看法， 心外膜的振动可以看成是胸传输函数的最合适的输入信号。尽管存在这样的局限性， 绪论 但心内心音和心外膜记录的心音的高度相度( 金井模型也利用了这样的假设) 表明了 d u r a n d 模型仍然具有相当有效的分析能力，其分析结果有相当大的可信度。 金井实验模型可以通过对加振和无加振情况下的心胸传导特性的分析，分离出 了心胸的传输函数，其输入、输出信号分别从胸表面和食道内取出，消除了在d u r a n d 实验中所采心内传感器与心脏振动系统互相耦合的影响，从这一方面而盲，金井模 型对心胸传输函数的估计较为准确。而且，他通过对传输函数，相干函数的时变谱 分析，研究了心胸声传输系统的时变性，并考虑了呼吸对传输函数的影响。金井模 型也具有与d u r a n d 模型相似的问题，即他也认为心肌等心内至胸表面或食道之间可 以看成是一个时变的传输函数。虽然这样，金井的实验因在时频域研究了心胸传辅 特性而具有其独之处。 d u r a n d 在其对m i 成分和a 2 成分的心胸传输特性中指出左心室s l 和s 2 对体 表心音的贡献中7 0 h z 以下是有意义的，而2 5 0 h z 以上可以忽略，这是他们所采用 的谱估计方法的局限性所致。实际上，采用小波变换得到的心音谱说明c ：，在 4 0 0 h z 左右仍有较强的信号成分存在，表明了小波变换对高频快变的弱信号的较高 的分析能力，同时也说明利用小波分析方法来研究心胸传输特性，可望得到较为符 合实际的传输特性的估计。 金井实验中采用了短时傅里叶变换采计算出时变的心胸声传输函数，因为短时 傅早叶变换本身固有的局限性，对于心音信号这个非平稳性较强的信号利用这种方 法计算出心胸传输函数，不可避免的带有一定