第十三章 声音信号处理.ppt

1、第十三章 声音信号处理,生物体也是一个发音系统，如呼吸运动发出的呼吸音、心脏运动发出的心音等。这些声音都是肌体相应的运动部分的状态的反映，携带了相应的运动部分的生理和病理状态的信息。声音信号处理的目的就是在于提取能区分相应的运动部分的生理、病理特征的信息。 第一节 心音信号处理 正常人体的心音信号包括第一心音和第二心音，第一心音来自二尖瓣和三尖瓣的开放和关闭，第二心音来自主动脉瓣和肺动脉瓣的开放和关闭。一些心脏疾病如瓣膜和心肌的疾病会使正常的心音信号发生一定的变化，原因主要有两类，一类是由瓣膜(包括二尖瓣、三尖瓣、主动脉瓣和肺动脉瓣)疾病所引起的，包括第一心音、第二心音的分裂和心脏杂音；另一类

2、则是由心房或心室的心肌疾病产生的不正常血流所引起的。通过分析心音信号，就可以在一定程度上诊断瓣膜或心肌的疾病。,一、心音信号采集,计算机化心音信号采集系统，主要包括：换能器、信号放大器、模数转换器、计算机软硬件等。 1. 心音时域波形,图13-1 正常心音图 图13-2 房室隔缺损病人心音图,二、心音信号处理方法,心音的处理方法包括时域的参数计算和波形分析。经典谱分析方法和现代谱分析方法或称参数模型法在心音信号的分析中曾起着十分重要的作用，谱特征在表征心脏疾病及状态方面也有一定效果。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估计，估计谱分布的最稳定方法为周期图法和外推至零的零极点模型

3、法。,信号的时频分析方法分为线性和非线性两大类。线性时频分析主要有短时傅里叶变换、小波变换和独立成份分析等几种形式。非线性时频分析主要指二次型时频分布。二次型时频分布表示“信号在时间-频率平面上的能量分布，也就是信号在某时刻的功率谱”。常用的有Wigner分布，Choe-Williams分布，Cone核分布等。,(1) 短时傅里叶变换(STFT),短时傅里叶变换是在信号短时平稳假设的基础上对信号分段进行傅里叶变换的，分析窗的类型和长度对结果的影响很关键。图13-3是采用Gauss窗的短时傅里叶变换对正常第二心音的变换结果，可以看出心音的特征在时间-频率二维平面上的变化情况。 图13-3 第二心

4、音的功率谱,(2)小波分析,小波分析具有更好的时频特性，被誉为数学的显微镜，因此也被应用到心音的分析中。,图13-4 第二心音分裂的时域波形和小波变换谱,第二节、肺音和呼吸音信号处理,肺听诊也一直是呼吸系统疾病诊断和疗效观察的基本方法。肺音信号是肺内气管产生的振动传导到胸壁的声学信号，这些信号所含频率成份以及信号特征与呼吸系统病理、生理学相关性的研究一直受到国际肺音学界的广泛重视。 一、肺音分类及发生机制,(1)正常肺音的发生机理,Forgacs的涡流理论认为肺泡呼吸音的音源是较大支气管内的涡流。 (2) 连续性肺音的发生机理 气道壁颤振理论。这个理论表明：当气道内气流速度大于或等于某一速度(

5、这一速度称为气道壁颤振的临界速度)时，气道不稳定，即气道壁振动，而其振动频率与气道壁的声学特性及气流参数有关。 (3)间断性音的发生机理 Forgacs提出气道压差学说，即病变已呈闭合的气道，在吸气时引起突然开放和闭合，使产生的压差突然消除和再生成，便产生间断性音。,二、肺音的临床及生理学意义,在正常通气时，通气流量和肺容积等对肺音的产生都有很大的影响，故可以利用监测肺音特征量的变化来实现对通气状态的无人监测，尤其对重症病人的监测，具有特殊意义。 捻发音通常仅在肺部的某一局部(病灶处)出现，有人初步研究过这种音在胸壁表面的分布。 水泡音的产生与气道分泌物有关，在较大的粗气道内产生的，它不仅在吸

6、气相可听到，也可在呼气时听到，易受咳嗽影响。,三、肺音信号分析方法,时域分析（波形分析）,图13-6 哮喘肺音图,肺音的时域图如图13-6所示。时域分析一般计算各特征波形的峰值、波形的持续时间等。,2.傅立叶频域分析,图13-7 功率谱,一般将肺音进行傅立叶变换后计算其功率谱，如图13-7所示，用以研究谱分布与特征与肺部疾病的关系。,3. 动态谱,动态谱也称为时变谱，采用功率谱随时间变化而形成的一系列三维曲线图。时变谱可同时显示呼吸音相对强度与频率成份随时间变化的过程，比一般的FFT功率谱显示出更多的信息，更容易显示出肺音的时变特性。如从时变谱中可得到能量随呼吸过程的变化情况，由此可区别出呼吸

7、相。又比如从时变谱中可以得到一些频域分析参数(如谱峰频率、带宽等)随呼吸过程的变化情况，从中了解共振峰的迁移，又如从时变谱中可以得到一些肺音时域信息，如呼吸音的持续时间，可估计出每一次喘呜的发作时间。总之，这是一种时间、频域、幅值域的三维显示图，蕴含着肺音的各种信息。,时变谱分析与其它呼吸医学参数(如气流参数、气道压力等)相结合将更加有助于揭示出肺音中的大量有用信息，有助于肺音发生与传播机理的进一步研究，这是一种十分有效的研究方法，有利于研究肺音特征与呼吸疾病之间的相关性，为肺音临床广泛应用提供可靠的生理学、病理学依据。 临床上常见的异常连续性肺音哮呜音，多见于阻塞性气道疾病，其线性时变谱如图13-8所示。哮呜音功率谱绘成线状谱，由基频与谐频组成，而其基频随时间变化，其相对振幅也随时间变化。,图13-8 动态谱,第三节 关节音信号处理,关节音携带有关节的生理、病理信息。临床上研究最多的就是颌关节音，TMJ音图的物理特性显示出了在诊断和治疗中的意义。 一、关节音信号获取 关节音信号由声-电换能器拾取，模拟信号放大器，再经AD转换输入通用计算机处理。为避免干扰，检测可在金属屏蔽室内进行。 一般包含几种常用的处理方法，时域分析，信号频域分析，以及关节音信号分