（控制理论与控制工程专业论文）心音时频分析方法及虚拟动态心音分析系统的研究.pdf

h e a r ts o u n ds i g n a l st i m e f r e q u e n c y a n a l y s i sm e t h o da n d v i r t u a l d y n a m i ch e a r ts o u n dsi g n a la n a l y s i ss y s t e mr e s e a r c hb y w e iz h e m s l a n z h o uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y 2 0 0 5 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f d o c t o ro f e n g i n e e r i n g 1 n c o n t r o l t h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g t h e i ne g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl iz h a n m i n g a p r i l 2 0 11 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均 已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名 蝴 日期 护伊争月 日 j 学位论文版权使用授权书 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 即 学校有 权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 本人授权兰州理工大学可以将本学位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 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据 库 并通过网络向社会公众提供信息服务 作者签名 昭稚 导师签名 二蠢中酽弓p 日期 辨 日期 如 侔 中月 日 月 厂多日 博士学位论文 目录 l i j 录 摘要 a b s t r a c t i i i 插图索引 v 第1 章绪论 1 1 1 弓i 言 1 1 2 课题的研究意义 l 1 3 国内外研究现状综述 2 1 4 本文的研究目的和主要工作 5 第2 章心音信号概述 7 2 1 心脏的基本结构 7 2 1 1 心脏的夕h 形 7 2 1 2 心脏的形态结构 7 2 2 常见心脏疾病 1 0 2 3 心音信号的产生机理 1 3 2 3 1 心音的主要成分和时域特性 1 4 2 3 2 心音的频域特性 1 5 2 3 3 心音分裂 一 o 1 5 2 4d 结 1 6 第3 章基于联合时 频分布的心音信号分析 1 7 3 1 基于s t f t 的心音分析 1 7 3 1 1s t f t 基本概念 1 7 3 1 2 基于s t f t 的心音分析 l9 3 2 基于j t s a 的心音分析 2 0 3 2 1 时频分布的一般理论 2 0 3 2 2 基于j t s a 的心音分析 2 5 3 3 基于j t s a 的心音m i f 分析 2 8 3 3 1 瞬时频率估计算法 2 8 3 3 2 基于j t s a 的心音m i f 分析 3 1 心音时一频分析方法及虚拟动态心音分析系统的研究 3 3 3 基于j t s a 的心音m i b 分析 3 2 3 4 叫 结 3 2 第4 章基于小波变换的心音信号分析 3 5 4 1 基于d w t 的多分辨心音信号分析 3 5 4 1 1 离散小波变换的多分辨率分析 3 5 4 1 2 基于离散小波变换的多分辨率心音信号分析 3 9 4 2 基于多分辨小波变换的心音信号分析 4 0 4 2 1 多分辨率分析 4 0 4 2 2 基于多分辨小波变换的心音信号分析 4 2 4 3 基于2 d 小波变换的心音信号能量图分析 4 2 4 3 1 二维小波变换理论 4 2 4 3 2 基于2 d 小波变换的心音信号能量图分析 4 5 4 4 j 结 4 7 第5 章基于时间序列的心音信号分析 4 8 5 1 基于t s a 的心音信号分析 4 8 5 1 1 时间序列概念 4 8 5 1 2 基于时间序列的心音信号分析 5 1 5 2 基于a r 方法的心音信号3 d 分析 5 2 5 2 1a r 方法介绍 5 2 5 2 2 基于a r 方法的心音信号3 d 分析 5 5 5 3 基于f f t 方法的心音信号3 d 分析 5 6 5 3 1 快速傅里叶变换理论 5 6 5 3 2 基于f f t 方法的心音信号3 d 分析 5 8 5 4 爿 结 6 0 第6 章虚拟动态心音信号检测与分析系统的研究 6 1 6 1 开发环境简介 6 1 6 2 心音信号的采集 6 2 6 3 心音信号的滤波 6 4 6 3 1 心音信号的时变滤波 6 5 6 3 2 心音信号的连续小波滤波 6 7 6 3 3 心音信号的离散小波滤波 6 8 6 4 虚拟动态心音信号检测与分析系统设计 7 1 6 4 1 硬件部分设计 7 2 博士学位论文 量曼皇量舅曼鼍量曼曼曼i i i e l m m 蔓 6 4 2 软件部分设计 7 5 6 5 小结 一7 6 结论与展望 7 8 参考文献 81 致谢 9 1 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录 9 2 附录b 攻读学位期间所取得的其它成绩 9 3 h i 博士学位论文 摘要 心脏病是世界上严重危害人们身体健康的最重要的疾病之一 近1 0 年来 随着生 活水平的提高和平均寿命的延长 全球心脏病发病率正在逐年上升 而且还有年轻化的 趋势 心脏病的危害具有严重性 广泛性和复杂性 这给心脏病的诊断和治疗提出更高 的要求 心脏病的防治关键在于早期诊断 及时治疗 因此 积极开展心脏病无损检测 和诊断研究 对于心脏病的防治是十分必要的 心音信号是人体重要的生理信号之一 蕴含了人体心脏和血管中丰富的原始生理 病理信息 对于临床诊断和治疗意义重大 论文在深刻分析国内外心音信号检测和分析方法的基础上 克服传统技术的缺点和 不足 利用近年来信号处理领域的重大成就及计算机软 硬件技术 并结合l a b v i c w 8 6 开发平台为代表的虚拟仪器技术 开发了虚拟动态心音信号检测与分析系统 特别是运 用联合时频 时间序列 小波变换等现代数字信号分析技术对心音信号进行深入研究 为心脏病早期诊断提供有效工具 论文主要针对心音信号时 频分析方法和虚拟动态心 音信号检测与分析系统展开研究 取得了以下四个方面的研究成果 1 基于y r s a 联合时 频分析 的心音信号分析 内容涉及基于s t f t 短时傅里叶变 换 的心音分析 基于盱s a 联合时一频分析 的综合心音分析 基于j t s a 的心音m i f 瞬 时频率 分析和基于j t s a 的心音m m 瞬时带宽 分析 通过心音信号的联合时频分 析得到了心音信号在时间一频率平面上频率随时间的变化过程 采用一些特殊的变换来 突出心音信号的特征 由于时频分析方法具有很强的能量聚集作用 因此很容易得到心 音信号的能量图谱 通过能量图谱的比较分析 实现了心音相关疾病的早期诊断 2 基于w r 小波理论 的心音信号分析 内容涉及基于d w t 离散小波变换 的 多分辨心音信号分析 基于c w t 连续小波变换 多分辫的心音信号分析 基于多尺 度小波变换的心音信号分析和基于2 d 小波变换的心音信号能量图分析 充分利用小波 变化多分辨率的特性 提取了心音信号的细节特征 成功的提取了第一心音和第 t h 音 并根据第一心音 第二心音及其他杂音所表现出的时间和能量特征 实现了对心音相关 疾病的鉴别诊断 3 基于t s a 时间序列分析 的心音信号分析 内容涉及基于t s a 的心音信号分析 基于a r 方法的心音信号三维分析和基于f f t 方法的心音信号三维分析 通过建立a r 模型的方法以及采用快速傅立叶变换方法 进行了心音信号的三维分析 跟踪比较了正 常人 二尖瓣狭窄和主动脉瓣狭窄患者心音的三维图谱特性 对比分析了这几种不同类 型的心音信号三维图谱峰值特征 位置以及频率变化等的特点 实现了心音相关疾病的 预测诊断 4 虚拟动态心音信号检测与分析系统的研究 虚拟动态心音信号检测与分析系统由 硬件部分和分析软件系统两部分组成 硬件部分由心音传感器 心音信号放大器 微机 u s b 接口摸块 微机系统组成 分析软件系统由w m d o w s x p 系统软件 l a b v i e w 开发 心音时一频分析方法及虚拟动态心音分析系统的研究 i i 皇曼曼舅量曼曼皇曼暑皇曼曼蔓曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼量曼鼍曼曼曼寰皇皇曼皇曼舅量曼曼曼曼蔓曼曼量笪曼曼量曼曼量曼鼍曼量曼鼍曼曼皇曼量皇皇舅曼皇皇 软件以及由其各个功能子程序组成的心音信号分析模块 该系统能完成心音信号的采 集 显示 回放 存贮以及时域和频域分析 该系统构成简单 操作方便 心音分析功 能强大 是心音相关疾病诊断的有效工具 关键词 心音 联合时一频分布 小波变换 时间序列 博士学位论文 皇皇曼皇量量舅鼍曼舅舅曼曼曼曼鼍 一i ii 皇曼量曼量皇曼曼皇曼量曼曼曼鼍曼曼皇曼曼曼曼曼曼鼍曼皇皇暑皇曼曼曼曼量皇皇量皇曼曼量曼量曼量皇量皇曼曼皇量鼍 a b s tr a c t h e a r td i s e a s ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n td i s e a s e si nt h ew o r l dw h i c h s e r i o u s l ye n d a n g e r s t h eh e a l t ho fp e o p l ei nt h ew o r l d i nt h er e c e n tp a s t10 y e a r s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl i v i n g s t a n d a r d sa n dl i f ee x p e c t a n c yi n c r e a s e s t h eg l o b a li n c i d e n c eo fh e a r td i s e a s ei s i n c r e a s i n g y e a rb yy e a r b e c a u s eo ft h ef e a t u r e so fs e v e r i t y u n i v e r s a l i t ya n dc o m p l e x i t yo fh e a r td i s e a s e t h ed e m a n do fd i a g n o s i sa n dt r e a t m e n tt oh e a r td i s e a s eb e c o m eh i g h e r t ot h ep r e v e n t t i o no f h e a r td i s e a s e t h em o s te f f e c t i v em e t h o di se a r l yd i a g n o s i sa n dt i m e l yt r e a t m e n t t h e r e f o r e t h en o n d e s t r u c t i v et e s t i n ga n dd i a g n o s i sf o rh e a r td i s e a s ep r e v e n t i o ni sv e r ye s s e n t i a l h e a r t s o u n ds i g n a li so n eo fi m p o r t a n th u m a np 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 saw e a l t ho fo d g m a l 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 no fh u m a nh e a r to rb l o o dv e s s e l s i ti so fg r e a t s i g n i f i c a n c ef o rt h ec l i n i c a ld i a g n o s i sa n dt r e a t m e n t i nt h i sp a p e r b a s e do nt h ea n a l y s i so fm e t h o di nh e a r ts o u n ds i g n a ld e t e c t i o na n da n a l y s i s o v e r c o m i n gt h ed e f i c i e n c yo fp r e v i o u sm e t h o da n dt e c h n o l o g y d e v e l o p i n gv i r t u a lh e a r t s o u n ds i g n a ld e t e c t i o na n da n a l y s i ss y s t e me m p l o y i n gs i g n i f i c a n ta c h i e v e m e n t si n t h ef i e l do f s i g n a lp r o c e s s i n g c o m p u t e rh a r d w a r ea n ds o r w a r et e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s c o m b i n e dw i t h l a b v i e w 8 6 d e v e l o p m e n tp l a t f o r ma st h er e p r e s e n t a t i v eo ft h ev i l t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y e s p e c i a l l yt h ea p p l i c a t i o no fj o i n tt i m e f r e q u e n c y t i m es e r i e s w a v e l e tt r a n s f o r ma n a l y s i so f m o d e m d i g l t a ls i g n a l d e p t hs t u d yo f h e a r ts o u n ds i g n a l sp r o v i d ea ne f f e c t i v et o o lf o rt h ee a r l y d i a g n o s i so fh e a r td i s e a s e t h i sp a p e ri sr e l a t e dt oh e a r ts o u n ds i g n a l st i m e f r e q u e n c ya n a l y s i s m e t h o da n dav i r t u a ld y n a m i ch e a r ts o u n ds i g n a ld e t e c t i o na n da n a l y s i ss y s t e m a c h i e v e i n g f o l l o w i n gf o u ra s p e c tr e s u l t s 1 b a s e do nj t s ao o i n tt i m e f r e q u e n c ya n a l y s i s o ft h eh e a r ts o u n ds i g n a la n a l y s i s t h e h e a r ts o u n da n a l y s i sw h i c hi sb a s e do nt h es t f t s h o r tt i m ef o u r i e rt r a n s f o r m t h ei n t e g r a t e d h e a r ts o u n da n a l y s i sw h i c hi sb a s e do nj t s a j o i n tt i m e f r e q u e n c ya n a l y s i s m i f i n s t a n t a n e o u sf r e q u e n c y a n da n a l y s i so fh e a l ts o u n d sw h i c hi sb a s e do nj t s am i b i n s t a n t a n e o u sb a n d w i d t h a n a l y s i s a c c o r d i n gt ot h ej o i n tt i m e f r e q u e n c ya n a l y s i so fh e a r t s o u n ds i g n a l t h ep r o c e s so ff r e q u e n c yc h a n g eo v e rt i m ei so b t a i n e di nt h et i m e f r e q u e n c y p l a n e u s i n gs o m es p e c i a lt r a n s f o r m a t i o n st oh i g h l i g h ts o m es p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c so fh e a r t s o u n d s a st h et i m e f r e q u e n c ya n a l y s i sm e t h o dh a sas t r o n ge n e r g ya g g r e g a t i o n s oi ti se a s yt o g e tt h ee n e r g ym a po fh e a r ts o u n ds i g n a l st h r o u g hc o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h ee n e r g y s p e c t r u mt oa c h i e v ee a r l yd i a g n o s i so fh e a r tr e l a t e dd i s e a s e s 2 b a s e do nw t w a v e l e ta n a l y s i s o ft h eh e a r ts o u n ds i g n a la n a l y s i s i tc o v e r st h e m u l t i r c s o l u t i o n a n a l y s i s o fh e a r ts o u n ds i g n a lb a s e do nd w t d i s c r e t ew a v e l e t t r a n s f o r m a n dc w t c o n t i n u o u sw a v e l e tt r a n s f o r m m u l t i s c a l ew a v e l e tt r a n s f o r mo fh e a r t i i i 心音时一频分析方法及虚拟动态心音分析系统的研究 s o u n ds i g n a la n a l y s i sa n de n e r g ym a po fh e a r ts o u n ds i g n a lb a s e do nw a v e l e t b a s e d2 d t a k e f u l la d v a n t a g eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i r e s o l u t i o nw a v e l e tt r a n s f o r mt oe x t r a c tt h e d e t a i l e df e a t u r e so fh e a r ts o u n ds i g n a l s s u c c e s s f u l l ye x t r a c tt h ef i r s th e a r ts o u n da n ds e c o n d h e a r ts o u n d a n da c c o r d i n gt ot h ea p p e a r i n gt i m ea n de n e r g yf e a t u r eo ft h ef i r s th e a r ts o u n d s e c o n dh e a r ts o u n da n do t h e rn o i s e n o r m a lh e a r ts o u n d sa n da b n o r m a lh e a r ts o u n d s 啪b e d i s t i n g u i s h e d a n ds od oh e a r td i s e a s er e l a t e dh e a r ts o u n d s 3 b a s e do nt s a t i m es e r i e sa n a l y s i s o ft h eh e a r ts o u n ds i g n a la n a l y s i s i tc o n s i s t so ft h e h e a r ts o u n ds i g n a la n a l y s i sb a s e do nt s a 3 da n a l y s i sb a s e do na rm e t h o da n df f tm e t h o d t h et h r e e d i m e n s i o n a la n a l y s i so fh e a r ts o u n d si sd i db ye s t a b l i s h i n ga rm o d e la n df a s t f o u r i e rr a m s f o r mm e t h o d c o m p a r e dn o r m a ls u b j e c t s m i t r a ls t e n o s i sa n da o r t i cs t e n o s i si n p m i e n t sw i t ht h r e e d i m e n s i o n a lm a po fh e a r ts o u n dc h a r a c t e r i s t i c s t oa n a l y s et h e s ed i f f e r e n t t y p e so fh e a r ts o u n ds i g n a lc h a r a c t e r i s t i c sb ya n a l y z m gt h r e e d i m e n s i o n a lm a po fs p e c t r a l p e a k s t h el o c a t i o na n df i e q u e n c yc h a n g i n gc h a r a c t e r i s t i ci nt oa c h i e v eap r e d i c t i o no f d i s e a s e r e l a t e dd i a g n o s i s 4 v n t u a ld y n a m i ch e a r ts o u n dd e t e c t i o na n da n a l y s i ss y s t e m v i n u a ld y n a m i ch e a r ts o u n d s i g n a ld e t e c t i o na n da n a l y s i ss y s t e mc o n s i s t so fh a r d w a r ea n da n a l y s i ss o f t w a r es y s t e m h a r d w a r ei sm a d eu pb yt h eh e a r ts o u n ds e n s o r h e a r ts o u n ds i g n a la m p l i f i e r c o m p u t e ru s b i n t e r f a c eb l o c ka n dc o m p u t e rs y s t e m a n a l y s i ss o f t w a r es y s t e mc o n s i s t so fw i n d o w sx p s y s t e ms o r w a r e l a b v i e wd e v e l o p m e n ts o f t w a r ea n dh e a r ts o u n ds i g n a la n a l y s i sm o d u l e w h i c hc o n s i s t so fk i n d so fs u b r o u t i n e s 1 1 1 es y s t e mc a nc o m p l e t et h eh e a r ts o u n ds i g n a l a c q u i s i t i o n d i s p l a y r e v i e w s t o r a g e a n da n a l y s i so ft i m ea n df r e q u e n c yd o m a i n ms y s t e m i sc o n s t i t u t e ds i m p l y c a nb eo p e r a t e dc o n v e n i e n t l y a n dh a sap o w e r f u lc a p a c i t yo fh e a r t s o u n da n a l y s i s i ti sa ne f f e c t w et o o lo fd i a g n o s i so f h e a r ts o u n d sr e l a t e dd i s e a s e s k e yw o r d s h e a r ts o u n d j o i n tt i m e f r e q u e n c yd i s t r i b u t i o n w a v e l e tt r a n s f o r m t i m es e r i e s i v 博士学位论文 插图索引 图2 1 心脏的外形 前面观 7 图2 2 心脏的外形 后面观 8 图2 3 心脏基本结构 9 图2 4 正常心音的时域波形图 1 5 图3 1 基于s t f t 的心音分析 前面版图 1 9 图3 2 基于s t f t 的心音分析 程序框图 2 0 图3 3 主动狭窄患者的图谱 2 0 图3 44 5 岁健康男性的图谱 2 2 图3 51 8 岁健康男性图谱 2 2 图3 6 基于j t s a 的心音分析 前面版图 2 6 图3 7 基于j t s a 的心音分析 程序框图 2 6 图3 8 肺静脉反流患者图谱 2 7 图3 94 3 岁健康女性图谱 2 8 图3 1 0 基于j t s a 的心音m i f 分析 前面版图 3 0 图3 1 1 基于j t s a 的心音m i f 分析 程序框图 3 0 图3 1 2 基于j t s a 的心音m i f 正常图谱分析 3 1 图3 1 3 基于j t s a 的心音m i f 主动脉狭窄患者图谱分析 3 1 图3 1 4 基于j t s a 的心音m i b 分析 前面版图 3 2 图3 1 5 基于j t s a 的心音m i b 分析 程序框图 3 2 图3 1 6 基于j t s a 的心音m i b 肺静脉反流患者图谱分析 3 3 图3 1 7 基于j t s a 的心音m i b 4 5 岁健康男性的图谱分析 3 4 图4 1 基于d w t 的多分辨心音信号分析 前面版图 3 9 图4 2 基于d w t 的多分辨心音信号分析 程序框图 4 0 图4 34 5 岁健康男性图谱 4 1 图4 4 基于多分辨小波变换的心音信号分析 前面版图 4 2 图4 5 基于多分辨小波变换的心音信号分析 程序框图 4 3 图4 64 3 岁健康女性图谱 4 3 图4 7 基于2 d 小波变换的心音信号能量图分析 前面版图 4 5 图4 8 基于2 d 小波变换的心音信号能量图分析 程序框图 4 6 图4 9 正常s 1 s 2 能量图谱 4 6 图4 1 04 3 岁健康女性图谱 4 7 图5 1 基于t s a 的心音信号分析 前面版图 5 1 v 心音时一频分析方法及虚拟动态心音分析系统的研究 一 i i 毫曼皇曼曼曼舅曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼皇曼量曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼鼍曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼皇曼寰曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼量曼量曼鼍曼舅曼 图5 2 基于t s a 的心音信号分析 程序框图 5 2 图5 34 8 岁健康女性图谱 5 3 图5 44 5 岁健康男性图谱 5 3 图5 5 基于a r 方法的心音信号3 d 分析 前面版图 5 6 图5 6 基于a r 方法的心音信号3 d 分析 程序框图 5 6 图5 7 正常图谱 5 7 图5 8 基于f f t 方法的心音信号3 d 分析 前面版图 5 8 图5 9 基于f f t 方法的心音信号3 d 分析 程序框图 5 9 图5 1 04 5 岁健康男性图谱 5 9 图6 1 声音输入v i 6 2 图6 2 心音信号采集前面板 6 3 图6 3 心音信号采集部分程序框图 6 3 图6 4 心音信号采集效果图 6 4 图6 5 心音时变滤波器 前面版图 6 5 图6 6 心音时变滤波器 程序框图 6 6 图6 7 时变滤波效果图 6 6 图6 8 基于c w t 的心音滤波器 前面版图 6 8 图6 9 基于c w t 的心音滤波器 程序框图 6 9 图6 1 0 基于c w t 的心音滤波器效果图 6 9 图6 1 1 基于d w t 的心音滤波器 前面版图 7 1 图6 1 2 基于d w t 的心音滤波器 程序框图 7 1 图6 1 3 基于d w t 的心音滤波器效果图 7 2 图6 1 4 硬件原理图 7 2 图6 1 5 系统软件组成原理图 7 5 图6 1 6 时域分析程序框图 7 6 图6 1 7 频域分析程序框图 7 7 v i 博士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着现代社会物质生活水平的提高 心血管疾病的发病率和死亡率己越来越高 单 纯冠心病发病率在我国男性增加2 6 女性增加1 9 在我国因心血管疾病死亡者占总 死亡人数的4 4 在发达国家中 心血管疾病也是各种死亡原因之最 美国2 0 0 7 年报 道了7 0 0 0 万人有不同形式的心血管疾病 可见 心脏病已成为危害人类健康的多发病 和常见病 因此 心脏系统疾病的防治和诊断已成为医学界面临的首要问题之一 并且 对国民健康构成了极大的威胁 其死亡率己上升为各类疾病之首 1 1 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 心尖博动图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 机理提供了很有价值的资料 尽管心音图有很多优点 但是 单纯的心音图无法显示心脏杂音的强度分级 杂音 的性质 频率和许多柔软的高音调杂音 通常需要有实际经验的医师同时使用听诊来分 析心音 自上世纪8 0 年代以来 随着计算机技术和数字信号处理技术的发展 数字心 音信号的记录和分析成为可能 并陆续出现将谱分析方法和时频分析方法应用到心音信 号的处理中 使得心音信号的识别和分析技术不断地得到提高 但由于心音信号是一种 非平稳信号 所包含的病理信息比较复杂 从而使心音信号处理技术的发展比较缓慢 计算机技术和现代数字信号处理技术的发展 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 2 1 1 3 1 2 课题的研究意义 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心 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化 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 4 7 1 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 心音时一频分析方法及虚拟动态心音分析系统的研究 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 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 当心血管疾病尚未发展到 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 是心血管疾病进行无 创伤检测的重要方法 具有心电图 超声心电图不可取代的优势 其主要特点是网 1 弘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 2 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 3 心音具有心电不可替代的诊断信息 4 弘心音检查具有无创伤性 重复性好等特点 生物医学工程是运用现代自然科学和工程技术的原理与方法 从工程学的角度 在 多种层次上研究生物体 特别是人体的结构 功能及其他生命现象的学科 其目的就是 要造福于人类的科学活动 它是当代最受重视 最具吸引力的高科技领域之一 而本课 题正是适应这一需要的 在生物医学工程领域 心音信号的研究工作与心脏病的诊治有着密切的联系和广泛 的应用前景 当前 心音信号的分析和相关信息的提取已成为心脏病诊治工作中不可缺 少的辅助检查方法之一 它对病理分析和研究具有很高价值 但由于现有手段的限制 对心音信号的分析还不能达到很好的效果 需要在现有的基础上进一步改善 是新技术 在新领域中的有益探索 9 1 时频分析技术是近些年来新兴的非平稳信号处理技术 在这一领域的研究还并不成 熟 尤其在生物医学领域的相关研究更是有待推进 寻求一种高分辨率的 更为有效的 时频分析方法有其重要的现实意义 本论文的工作为它在这个领域的应用作了有益的尝 1 3 自上世纪 断提供过重要 博士学位论文 以下的信息 但是 单纯心音图是无法显示心脏杂音的强度分级 杂音的性质 频率和 许多柔软的高音调杂音 7 0 年代后 与其它检查手段相比 心音图的发展相对缓慢 主 要原因有 1 心音图是一种非常难分析的可视信号 2 对心音的产生机理仍存在有争 议的说法 3 缺乏对心音信号系统的 定量的分析 4 心音信号的随机性和复杂性 5 没有标准化的心音采集仪器 1 5 6 1 9 0 年代以来 由于计算机技术和现代数字信号处理技术的发展 提高了对传统心音 的分析能力 因此 国内外生物医学界的人士对心音信号进行了较全面的 系统的研究 主要有以下几个方面 1 对s l 和s 2 的生理病理研究 2 对人体心脏瓣膜的无创伤检测 3 对心音微弱成分 第三心音和第四心音 的分析研究 4 分析心脏杂音的频率变化规 律 5 从一个心动周期中定位提取心音成分 6 对心音传导机制建模 运用现代数字 信号处理方法对心音的各个成分与心脏的生理及病理关系进行深入细致的探索和研究 对心血管疾病的基础研究和临床诊断都有十分重要的意义 2 0 目前 在国内对心音的分析处于中 初级阶段 浙江大学 西安交大 重庆大学 华南理工和清华大学等对心音的传导 产生 检测进行过分析和研究 并有相关论文发 表 在国外 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 分成果已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 u r a a 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 2 l 自上世纪6 0 年代 以来 生物医学界对心音进行了大量的研究 按其所运用的方法和研究的目的不同 大 致可定为以下几个阶段 第一阶段 方法 f f r a r 和a r m a 等谱分析 实验对象 狗 鸽 猪 1 1 9 8 2 年 1 9 8 6 年 a u b c r t 等人利用快速傅里叶变换 f f t 分析心音从心腔到胸表 的传导特性 研究结果表明 在胸表记录的心音是心内心音经胸组织滤波传导到胸表的 而且 它受到胸周围组织的影响 是一个时变模型圈 2 同期 d u r a n d 等人 基于信号与系统的t f r 建立了参量模型 该模型能够反映 时变的心胸声传导系统 2 3 2 4 3 b a y k a l 等人分析了第 6 音产生时 心胸声传导系统共振频率的能量分布 关 闭音的共振频率可通过衰减正弦模型估计而得 研究表明 机械瓣膜共振频率与心音记 录的位置关系不大 但能量分布与记录位置有较大的关系 2 5 4 胡广涛等人运用自回归谱o r 对s 1 和s 2 进行分析检测 2 6 从上可知 在早期 对心音的研究重点在于对心胸声传导系统的建模 研究表明 心胸声传导系统受到多种因素的影响 它可以看成是低通 时变的系统 而对不同的心 音成分的作用有着明显的差别 在分析心音信号时 无论是采用f f t 还是采用参数模型 l p c a r 和a r m a 的谱分析 都是基于平稳信号的分析方法 这样难以反映出心音信 号的动态变化过程 2 o l 3 心音时一频分析方法及虚拟动态心音分析系统的研究 第二阶段 由于心脏搏动过程是一个动态过程 因此 要获得心脏的血液动力学特 征 就需要研究心音信号频率成分随时间的变化规律 在此期间相继采用了时 频分析 法和小波分析法 1 1 9 9 2 年 2 ja l n o u s 和l du r a n d 报道了采用短时傅里叶变换对心音信号的时 频 表示 谱图 的研究情况 研究表明 最佳窗长为1 6 到3 2 m s 小于1 6 m s 时的窗将低频成 分展开高频成分中 使其频率分辨率较差 而大于3 2 m s 时的窗虽提高了频率分辨率 但却不能正确地反映心音信号的时变特性 3 2 1 2 w o o d j c 等人首先采用t f r s 分析了8 条狗的第一心音得出结论 a 频率从4 0 持续增加到1 4 0 h z 需3 0 5 0 m s b 在等容收缩期间 在6 0 h z 到1 0 0 h z 具有更平稳的成 分 c s 1 具有两个宽的频带 d 对应于二尖瓣关闭存在一个高频振荡 3 3 3 g u o 等人应用b e s s e l 核的t f 黜对第一心音和心脏杂音进行了分析 得到了比 较好的时 频分布 3 伯5 1 4 由于小波分析具有较好的时频分辨率 所以 早在1 9 9 1 年 k h a d m 和b e n t l e y 等人就开始把小波变换运用到心音分析中 在此期间 双线性时频分析方法 t f r 和小 波变换分析法在心音分析中得到了应用 通过观察心音的时 频分布来确定心音正常与 否也逐渐升温 但是 有些时 频分析 如维格纳时 频分布 有一个明显的缺点就是存在 较多的交叉项 这样也影响了特征参数的提取 最终要降低识别分类的准确度 小波分 析优于时 频分析 但是 选用不同的小波基函数会得出截然不同的结果 3 6 4 0 第三阶段 采用方法 t f r s m p t h em a t c h i n gp u r s u i t 分析数据 瓣膜修复后的 心音 1 1 9 9 6 年 s a v ahp 等人用一种改进的前后向p r o n y 预测算法对采用生物瓣膜修复 后的心音分析 瓣膜的状况影响功率谱的高频部分 2 5 0 h z 以上 4 1 1 2 1 9 9 7 年 e d e b i a i s 等人应用s t f t b d 和c w d 三种方法比较分析了心脏杂音 s i m u l a t e d 使用3 0 m s 的汉明窗得到了较好的效果 4 2 5 0 3 1 9 9 8 年 x u a nz h a n g 等人采用m p m a t c h i n gp u r s u i t 对心音进行分析和重构 设 法将听力敏感区以外的心音转到敏感区内以提高医生诊断准确度 同年 s a v a