心音的分析

2392004年7月中國醫學(xué)物理學(xué)雜志J.,2004第21卷第4期Chinese Journal of Medical Physicsvol.21. No.4心音的分析何飛燕(東莞理工學(xué)校，廣東東莞523006)摘要:自上世紀70年代以來(lái),由于計算機和現代數字信號處理技術(shù)的發(fā)展,生物醫學(xué)工作者對心音進(jìn)行了大量的分析研究，相繼運用了譜分析、時(shí)頻分析、小波變換和最優(yōu)匹配法等方法。譜分析不適合對非平穩隨機心音信號的分析。國內外工作者通過(guò)加核函數和采用模糊函數等方法來(lái)減少時(shí)頻分布中的交叉項。具有自適應性時(shí)一頻窗的小波變換可以得到更能反映心音病例特征的信息。最優(yōu)匹配法是一種沒(méi)有交又項的時(shí)頻分析方法。關(guān)鍵詞:心音;時(shí)須分析;小波變換; MP中圖分類(lèi)號: R540.4文獻識別碼: A文章編號: 1005-202(2004)04 -0239-02The Analysis on Heart SoundsHE Fei-yen(Dongguan Science and Technical School of Guang Dong Prorince, Donggruan Guangdong 523006, China)Abstract: In this paper, the siuation and the destination of the heart sound study were introduced, at the same time, some methodswhich were used to research heart sound by these biomedical researchers since the 70's on the last century were introduced, theyincluded the spectral analysis, the distribution of time frequency. the wavelet translation, the malching pursuit, and so on. The spectralanalysis is not suit for analyzing the typical non- stationary stochastic signal. These researchers on the world have reduced the Cro8s-terms on the distribution of time- frequency by nuclear function or fuzzy function. The wavelet translation with the adapive time-frequency window could gain the characters that more rllet the symploms of heart sound. The matching pursuit is the analysis oftime-frequeney without the cross-terms.Key words: the heart Bound; the distribution of time - frequency; the wavelet trunslation; the matching pursuit感區以?xún)鹊男畔⑼?還記錄了大量10 Hz以下的信息叫。但是，前言單純心音圖是無(wú)法顯示心臟雜音的強度分級、雜音的性質(zhì)、頻近年來(lái),隨著(zhù)物質(zhì)生活水平的提高,心血管疾病在我國星率和許多柔軟的高音調雜音。上升趨勢。有資料表明，單純冠心病發(fā)病率在我國男性增加70年代后，與其它檢查手段相比，心音圖的發(fā)展相對緩26%,女性增加19% ,并且對國民健康構成了極大的威脅,其死慢,主要原因有:(1)心音圖是- -種典型的非平穩隨機信號,所亡率已上升為各類(lèi)疾病之首。在發(fā)達國家中心血管疾病也是以不能用確定的數學(xué)函數來(lái)描述;(2)對心音的產(chǎn)生機理仍存在各種死亡原因之最。有爭議的說(shuō)法,這使得心音信號的特征與生理病理的結合不緊心音信號是人體最重要的生理信號之一,它含有關(guān)于心臟密,往往會(huì )有一病多癥,一癥多病的情況;(3)缺乏對心音信號各個(gè)部分(如心房、心室、大血管、心血管及各個(gè)瓣膜)功能狀態(tài)系統的、定量的分析;(4)沒(méi)有標準化的心音采集儀器。的大量的生理病理信息。盡管心臟聽(tīng)診可以診斷許多心臟疾90年代以來(lái)，由于計算機技術(shù)和現代數字信號處理技術(shù)病。但是,人耳聽(tīng)力敏感局限(102Hz以上)和聽(tīng)診者的臨床經(jīng)驗的發(fā)展,大大地提高了對傳統心音的分析能力。因此,國內外生在很大程度上影響了聽(tīng)診的準確度。計算機技術(shù)和現代數字信物醫學(xué)界的人士對心音信號進(jìn)行了較全面的、系統的研究。心號處理技術(shù)的發(fā)展,為研究心音并最終更準確地診斷心血管疾音信號的分析與研究主要在以下幾個(gè)方面:(1)對S,和S.的生病提供了必要的手段。.理病理研究;(2)對人工心臟瓣膜的無(wú)創(chuàng )傷檢測;(3)對心音微弱成分(第三心音和第四心音)的分析研究;(4)分析心臟雜音1心音基本發(fā)展及分析方法概況,的頻率變化規律;(5)從一個(gè)心動(dòng)周期中定位提取心音成分;(6)1.1研究心音的發(fā)展過(guò)程對心音傳導機制建模。自上世紀60年代以來(lái),心音圖(phonocardiogram ,PCG)的出現在分析所用的PCG信號，是通過(guò)心音傳感器把人體心現曾為心血管疾病的診斷提供過(guò)幫助,心音圖除了記錄聽(tīng)力敏音轉化為電信號，再通過(guò)A/D采集卡量化后記錄于計算機中的數字信號,因此,心音圖有了數字心音圖之稱(chēng)。運用現代數字收稿日期:2003-11-28作者簡(jiǎn)介:何飛燕(1969-),女,講師,工學(xué)碩士。主要從事電子通訊和行深,言號劉|中國煤化工均生理及病理關(guān)系進(jìn)二的基礎研究和臨床診信息系統專(zhuān)業(yè)的教學(xué)與研究。電話(huà): (762000-288;斷上都YHCNMHG疾病中,用現代數字E- -mail: lghfy@21cn.com。-240-中國醫學(xué)物理學(xué)雜志第21卷第4期_ 2004年7月信號處理技術(shù)分析心音具有很大的潛力。(1)1.2心音的分析研究方法πOTV品 n!(n+1)!自上世紀60年代以來(lái)，生物醫學(xué)界對心音進(jìn)行了大量的J是第一類(lèi)一階函數,而∞0為尺度因子。研究,按其所運用的方法和研究的目的不同,主要有下面四種。(2)采用模糊函數:模糊函數是雷達、通信領(lǐng)域中設計分析1.2.1譜分析信號時(shí)常用的函數,它的定義尚未統一。鄭玲等"應用式(2)定上世紀90年代以前，心音分析工作者主要采用FFT、AR義的模糊函數來(lái)減少心音時(shí)頻分布的交叉項。和ARMA等譜分析,而且其研究對象又局限在狗、鴿和豬等動(dòng)A5(6,)站L_s(+2)》"(一號)“*山(2)物的心音。采用這些方法對心音從心腔到胸表的傳導特性進(jìn)行建模和心音的共振頻率。研究表明:心胸聲傳系統還是一個(gè)時(shí)時(shí)頻分析能夠反映心音的動(dòng)態(tài)變化特性,但是其時(shí)頻窗是變模型。Durand 等人田,基于信號與系統的TFR確立了如圖1固定的,如果其窗口長(cháng)度取的過(guò)長(cháng),盡管可提高頻率分辨率,但所示的建立了參量模型，該模型能夠反映時(shí)變的心胸聲傳系時(shí)間分辨率變得較低;反之,時(shí)間分辨率提高,頻率分辨率變充。低。圖1中x(t)表示心內心音,n(1)表示輸出背景噪音,0()是1.2.3小波分布心胸聲傳系統的輸出y(l)胸表記錄的心音,h(t,r)是心胸聲傳由于小波變換中的時(shí)一頻窗具有自適應性,所以可以得到系統的時(shí)變頻率響應。更能反映心音病例特征的信息。心音信號的小波變換譜在不同尺度上的分布相應于心臟不同部分的振動(dòng)信息。尺度較小的部x(1)h0,n]- 0()分相應于信號的高頻成分，可以表示心臟瓣膜的振動(dòng)信息、血流本身及其對其它部分相互作用的信息。而尺度較大的部分相應于信號的低頻部分,這是心肌與大血管等心臟的質(zhì)量較大的部分在瓣膜血流和肌肉的作用下產(chǎn)生的振動(dòng)。團1心胸聲傳系統因此它在時(shí)域和頻域同時(shí)具有良好的局部化性質(zhì),從而可Fig,1 The modeling of heart-thorax acoustic system以把分析的重點(diǎn)聚焦到任意的細節,被譽(yù)為數學(xué)“顯微鏡"。近無(wú)論是采用FFT,還是采用參數模型(LPC、AR和ARMA)年來(lái),國內生物醫學(xué)工作者7應用連續小波變換對心音的頻率的諧分析,都是基于平穩信號的分析方法,這樣難以反映出心范圍進(jìn)行估計和對心音做三維分析。音信號的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。如果采用參數模型,例如LPC模型，但是在分析信號時(shí),在有些情況下,選用不同的小波基函則應該正確選擇LPC的階次,數據長(cháng)度等。而且,在對心音信數,會(huì )得出截然不同的結果。選取合適的小波基,會(huì )使計算出的號進(jìn)行譜分析時(shí)應該針對不同的分析目的,采用相應的參數選小波系 數能夠最好地反映信號的特征。取性能最好的算法。功率譜分析的另一個(gè)缺點(diǎn)是:功率譜只能12.4 MP(the matching pursuit)反應幅頻特性,而忽視了往往蘊含著(zhù)大量信息的相頻特性。實(shí)現MP方法的具體過(guò)程是，首先針對與心音信號特點(diǎn)建但這并不意昧譜分析就不再用在心音的研究中,九十年代立一個(gè)有確定頻率和已知衰減系數的信號冗余庫,再將實(shí)際心后,SavaHP等間就采用政進(jìn)的前后向預算的Prory方法對用機音信號與該信息庫中的每個(gè)基信號進(jìn)行匹配。首先匹配系數最械瓣膜修復后的心臟心音的譜分布進(jìn)行了研究。大的實(shí)際心音信號的第一個(gè)分量，然后將實(shí)際信號減去該分1.2.2時(shí)頻分布(TFRs)量,用余信號在冗余庫中重新匹配以獲取第二個(gè)分量,依此類(lèi)由于心臟搏動(dòng)過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,因此,要獲得心臟的推,直到余量少到- -定指標為止。依此方法得到的分量可完全血液動(dòng)力學(xué)特征,就需要研究心音信號頻率成分隨時(shí)間的變化消除交叉項。規律。1998年,Xuan Zhang等人采用MP(matching pursuil)對心時(shí)一頻分析是研究非平穩隨機信號的有效工具。一般來(lái)音進(jìn)行分析和重構。設法將聽(tīng)力敏感區以外的心音轉到敏感區說(shuō),時(shí)一頻分析方法具有很強的能量聚集作用,不需要知道信內,以提高醫生診斷準確度。王威廉等人運用該方法對正常的號頻率隨時(shí)間的確定關(guān)系，只要信噪比足夠高,通過(guò)時(shí)一頻分第一心音和不正常的第一心音作了系統的分析及識別分類(lèi)。此析方法就可以在時(shí)間-頻率平面上得到信號的時(shí)間頻率關(guān)系。外,還有其他分析方法來(lái)研究心音。2001年,inpping Xu等人閉但是,時(shí)一頻分布有一個(gè)嚴重的不足即存在交叉項。交叉應用nonlinear tansient chip signal model 把第二心音的兩個(gè)項是二次型或雙線(xiàn)性的時(shí)一頻分布的固有結果,它們來(lái)自多分主要成分分離出來(lái)(A2和P2)。量信號中不同信號分量之間的交叉作用。交叉項對心音信號特綜上所述,心音研究的方法基本上是隨現代數字信號處理征頻率的提取將產(chǎn)生影響。技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。為減少交叉項，國內外的生物醫學(xué)工作者作了大量工作，2總結取得了一定的研究成果。歸結起來(lái)有以下幾種:(1)加核Guo 等人叫應用Bessel核的TFRs對第一心音和中國煤化工信號間的交叉項的影心臟雜音分析時(shí)可得到比較好的時(shí)-頻分布。他在時(shí)頻計算式響,以:MHC N MH G征參量。隨著(zhù)數字信中加了如式(1)的函數:號處理技術(shù)的提高,通過(guò)心音分析工作者的努力,心音的研究(下轉第243頁(yè))中國醫學(xué)物理學(xué)雜志第21卷第4期2004年7月2.3工作原理染色標本數較多,可達10片左右;④操作步驟簡(jiǎn)單,染色質(zhì)量首先,根據標本染色的需要,在儀器的染色程序編程器上清晰;⑤獨特的廢液回收系統具有綠色環(huán)保功能符合國際潮設定其染色自動(dòng)程序(其中包括染液種類(lèi)的選定、沖洗時(shí)間的流;設定、環(huán)境溫度的選擇以及染色步驟的設計等)。另外,儀器提(3)玻片標本自動(dòng)染色機是一-種適用于生物學(xué)、微生物學(xué)、供了兩種標準程序:標準程序1和標準程序2。免疫學(xué)病理學(xué)以及臨床病理輔助診斷等學(xué)科的標本切片染色具體的工作方式為:在設定的染色自動(dòng)程序的控制下,步的全新自動(dòng)化儀器設備。特別是采用單片機編程技術(shù)來(lái)實(shí)現進(jìn)電動(dòng)機首先驅動(dòng)放置在托架導軌上的玻片標本托架作水平玻片標本的自動(dòng)染色、沖洗功能、自動(dòng)控時(shí)和控溫等功能,是現運動(dòng),使其托架.上的玻片標本正對著(zhù)所需染液的滴管;然后,在代醫學(xué)實(shí)驗設備發(fā)展的必然趨勢;繼電器J-Js的控制下完成其托架上所有玻片標本的第一種染(4)該產(chǎn)品可用于醫學(xué)生物標本的革蘭氏染色法、HE染色液的滴染操作過(guò)程;經(jīng)過(guò)一定的染色時(shí)間后 ,啟動(dòng)繼電器J。進(jìn)法以及相關(guān)的染色法,而且該自動(dòng)染色機已經(jīng)獲得了國家知識行玻片標本的清水沖洗，從而完成標本的第-種染液的染色;產(chǎn) 權局頒發(fā)的專(zhuān)利證書(shū)(專(zhuān)利號:ZL 02 2400.7)。再經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間間隔,儀器重復上述步驟,從而完成標本的第二、第三.--、第n種染液的染色,直至玻片標本的全部染色。參考文獻:同時(shí)，顯示器將用數字和代碼的形式實(shí)時(shí)顯示染色的全部過(guò)[]傅揚烈.單片機原理與應用教程[M]北京:電子工業(yè)出版社，2002,圣。[2]姜寶港.智能家用電器原理與維修[M].北京:機械工業(yè)出版社，3結論2002,5.[3]甘平,等用電荷耦合提高pH計測最準確度[]傳感器技術(shù), 2001,(1)據調查目前我國大部分實(shí)驗室、醫院以及醫學(xué)科研所20(9):49-51.對玻片標本的染色都主要是采用手工操作,普遍存在著(zhù)染色質(zhì)[4] Berelowits J T, Poluta M A J. Design and implementation of PC-based system for acquisition of a neonatal vital signs database[].量不高、工序繁瑣、耗費時(shí)間和染液等缺點(diǎn)。所以,國內急需適Autonedica, 194,161):97-107.合中國實(shí)際國情的醫用玻片標本自動(dòng)染色機。據《中國醫療器[s]甘平,等心電模擬信號發(fā)生器的設計與制作[J],重慶大學(xué)學(xué)報(自械產(chǎn)業(yè)年鑒>提供的資料顯示,國外醫用染色機的售價(jià)普遍都然科學(xué) 版), 2001,24:129-130.在25萬(wàn)元人民幣左右，國內廠(chǎng)家生產(chǎn)的組織染色機的售價(jià)也[6]田源,等.誘發(fā)電位儀電極接觸電阻檢刮系統的研制方法[辦中國醫學(xué)物理學(xué)雜志, 203.202)115116.6在4萬(wàn)元左右。而本自動(dòng)染色機的價(jià)格大約只有國內組織染色[7]黃力字,等.基于單片機的血壓監護儀的研制[J].中國醫療器被雜機價(jià)格的1/20,而且國內目前還未發(fā)現有此同類(lèi)產(chǎn)品。因此，志，20264):253-255.在市場(chǎng)上的競爭力是顯易而見(jiàn)的:[8]杜曉蘭,等.呼吸、體溫兩參數檢測電路的設計I生物醫學(xué)工程雜(2)該全自動(dòng)染色機具有以下特點(diǎn):①全自動(dòng)程序化操作: .志, 2001,18(4):538~540.②體積小、重量輕、易于搬動(dòng)和產(chǎn)品運行環(huán)境容易滿(mǎn)足;③-次[9]湯黎明,等.精密神經(jīng)閾值刺激儀的研制小醫療衛生裝備，2001,22(6):12~14.(上接第240頁(yè))將取得更多的成果。.[5] Wang WL, Guo Z, Yang J, et al. analysis of the first heart soundusing the matching pursuit method[J]. Med. Bio. 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