心音的分析

2392004年7月中国医学物理学杂志J.,2004第21卷第4期Chinese Journal of Medical Physicsvol.21. No.4心音的分析何飞燕(东莞理工学校，广东东莞523006)摘要:自上世纪70年代以来,由于计算机和现代数字信号处理技术的发展,生物医学工作者对心音进行了大量的分析研究，相继运用了谱分析、时频分析、小波变换和最优匹配法等方法。谱分析不适合对非平稳随机心音信号的分析。国内外工作者通过加核函数和采用模糊函数等方法来减少时频分布中的交叉项。具有自适应性时一频窗的小波变换可以得到更能反映心音病例特征的信息。最优匹配法是一种没有交又项的时频分析方法。关键词:心音;时须分析;小波变换; MP中图分类号: R540.4文献识别码: A文章编号: 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感区以内的信息外,还记录了大量10 Hz以下的信息叫。但是，前言单纯心音图是无法显示心脏杂音的强度分级、杂音的性质、频近年来,随着物质生活水平的提高,心血管疾病在我国星率和许多柔软的高音调杂音。上升趋势。有资料表明，单纯冠心病发病率在我国男性增加70年代后，与其它检查手段相比，心音图的发展相对缓26%,女性增加19% ,并且对国民健康构成了极大的威胁,其死慢,主要原因有:(1)心音图是- -种典型的非平稳随机信号,所亡率已上升为各类疾病之首。在发达国家中心血管疾病也是以不能用确定的数学函数来描述;(2)对心音的产生机理仍存在各种死亡原因之最。有争议的说法,这使得心音信号的特征与生理病理的结合不紧心音信号是人体最重要的生理信号之一,它含有关于心脏密,往往会有一病多症,一症多病的情况;(3)缺乏对心音信号各个部分(如心房、心室、大血管、心血管及各个瓣膜)功能状态系统的、定量的分析;(4)没有标准化的心音采集仪器。的大量的生理病理信息。尽管心脏听诊可以诊断许多心脏疾90年代以来，由于计算机技术和现代数字信号处理技术病。但是,人耳听力敏感局限(102Hz以上)和听诊者的临床经验的发展,大大地提高了对传统心音的分析能力。因此,国内外生在很大程度上影响了听诊的准确度。计算机技术和现代数字信物医学界的人士对心音信号进行了较全面的、系统的研究。心号处理技术的发展,为研究心音并最终更准确地诊断心血管疾音信号的分析与研究主要在以下几个方面:(1)对S,和S.的生病提供了必要的手段。.理病理研究;(2)对人工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1心音基本发展及分析方法概况,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)1.1研究心音的发展过程对心音传导机制建模。自上世纪60年代以来,心音图(phonocardiogram ,PCG)的出现在分析所用的PCG信号，是通过心音传感器把人体心现曾为心血管疾病的诊断提供过帮助,心音图除了记录听力敏音转化为电信号，再通过A/D采集卡量化后记录于计算机中的数字信号,因此,心音图有了数字心音图之称。运用现代数字收稿日期:2003-11-28作者简介:何飞燕(1969-),女,讲师,工学硕士。主要从事电子通讯和行深,言号刘|中国煤化工均生理及病理关系进二的基础研究和临床诊信息系统专业的教学与研究。电话: (762000-288;断上都YHCNMHG疾病中,用现代数字E- -mail: lghfy@21cn.com。-240-中国医学物理学杂志第21卷第4期_ 2004年7月信号处理技术分析心音具有很大的潜力。(1)1.2心音的分析研究方法πOTV品 n!(n+1)!自上世纪60年代以来，生物医学界对心音进行了大量的J是第一类一阶函数,而∞0为尺度因子。研究,按其所运用的方法和研究的目的不同,主要有下面四种。(2)采用模糊函数:模糊函数是雷达、通信领域中设计分析1.2.1谱分析信号时常用的函数,它的定义尚未统一。郑玲等"应用式(2)定上世纪90年代以前，心音分析工作者主要采用FFT、AR义的模糊函数来减少心音时频分布的交叉项。和ARMA等谱分析,而且其研究对象又局限在狗、鸽和猪等动A5(6,)站L_s(+2)》"(一号)“*山(2)物的心音。采用这些方法对心音从心腔到胸表的传导特性进行建模和心音的共振频率。研究表明:心胸声传系统还是一个时时频分析能够反映心音的动态变化特性,但是其时频窗是变模型。Durand 等人田,基于信号与系统的TFR确立了如图1固定的,如果其窗口长度取的过长,尽管可提高频率分辨率,但所示的建立了参量模型，该模型能够反映时变的心胸声传系时间分辨率变得较低;反之,时间分辨率提高,频率分辨率变充。低。图1中x(t)表示心内心音,n(1)表示输出背景噪音,0()是1.2.3小波分布心胸声传系统的输出y(l)胸表记录的心音,h(t,r)是心胸声传由于小波变换中的时一频窗具有自适应性,所以可以得到系统的时变频率响应。更能反映心音病例特征的信息。心音信号的小波变换谱在不同尺度上的分布相应于心脏不同部分的振动信息。尺度较小的部x(1)h0,n]- 0()分相应于信号的高频成分，可以表示心脏瓣膜的振动信息、血流本身及其对其它部分相互作用的信息。而尺度较大的部分相应于信号的低频部分,这是心肌与大血管等心脏的质量较大的部分在瓣膜血流和肌肉的作用下产生的振动。團1心胸声传系统因此它在时域和频域同时具有良好的局部化性质,从而可Fig,1 The modeling of heart-thorax acoustic system以把分析的重点聚焦到任意的细节,被誉为数学“显微镜"。近无论是采用FFT,还是采用参数模型(LPC、AR和ARMA)年来,国内生物医学工作者7应用连续小波变换对心音的频率的谐分析,都是基于平稳信号的分析方法,这样难以反映出心范围进行估计和对心音做三维分析。音信号的动态变化过程。如果采用参数模型,例如LPC模型，但是在分析信号时,在有些情况下,选用不同的小波基函则应该正确选择LPC的阶次,数据长度等。而且,在对心音信数,会得出截然不同的结果。选取合适的小波基,会使计算出的号进行谱分析时应该针对不同的分析目的,采用相应的参数选小波系 数能够最好地反映信号的特征。取性能最好的算法。功率谱分析的另一个缺点是:功率谱只能12.4 MP(the matching pursuit)反应幅频特性,而忽视了往往蕴含着大量信息的相频特性。实现MP方法的具体过程是，首先针对与心音信号特点建但这并不意昧谱分析就不再用在心音的研究中,九十年代立一个有确定频率和已知衰减系数的信号冗余库,再将实际心后,SavaHP等间就采用政进的前后向预算的Prory方法对用机音信号与该信息库中的每个基信号进行匹配。首先匹配系数最械瓣膜修复后的心脏心音的谱分布进行了研究。大的实际心音信号的第一个分量，然后将实际信号减去该分1.2.2时频分布(TFRs)量,用余信号在冗余库中重新匹配以获取第二个分量,依此类由于心脏搏动过程是一个动态过程,因此,要获得心脏的推,直到余量少到- -定指标为止。依此方法得到的分量可完全血液动力学特征,就需要研究心音信号频率成分随时间的变化消除交叉项。规律。1998年,Xuan Zhang等人采用MP(matching pursuil)对心时一频分析是研究非平稳随机信号的有效工具。一般来音进行分析和重构。设法将听力敏感区以外的心音转到敏感区说,时一频分析方法具有很强的能量聚集作用,不需要知道信内,以提高医生诊断准确度。王威廉等人运用该方法对正常的号频率随时间的确定关系，只要信噪比足够高,通过时一频分第一心音和不正常的第一心音作了系统的分析及识别分类。此析方法就可以在时间-频率平面上得到信号的时间频率关系。外,还有其他分析方法来研究心音。2001年,inpping Xu等人闭但是,时一频分布有一个严重的不足即存在交叉项。交叉应用nonlinear tansient chip signal model 把第二心音的两个项是二次型或双线性的时一频分布的固有结果,它们来自多分主要成分分离出来(A2和P2)。量信号中不同信号分量之间的交叉作用。交叉项对心音信号特综上所述,心音研究的方法基本上是随现代数字信号处理征频率的提取将产生影响。技术的发展而发展。为减少交叉项，国内外的生物医学工作者作了大量工作，2总结取得了一定的研究成果。归结起来有以下几种:(1)加核Guo 等人叫应用Bessel核的TFRs对第一心音和中国煤化工信号间的交叉项的影心脏杂音分析时可得到比较好的时-频分布。他在时频计算式响,以:MHC N MH G征参量。随着数字信中加了如式(1)的函数:号处理技术的提高,通过心音分析工作者的努力,心音的研究(下转第243页)中国医学物理学杂志第21卷第4期2004年7月2.3工作原理染色标本数较多,可达10片左右;④操作步骤简单,染色质量首先,根据标本染色的需要,在仪器的染色程序编程器上清晰;⑤独特的废液回收系统具有绿色环保功能符合国际潮设定其染色自动程序(其中包括染液种类的选定、冲洗时间的流;设定、环境温度的选择以及染色步骤的设计等)。另外,仪器提(3)玻片标本自动染色机是一-种适用于生物学、微生物学、供了两种标准程序:标准程序1和标准程序2。免疫学病理学以及临床病理辅助诊断等学科的标本切片染色具体的工作方式为:在设定的染色自动程序的控制下,步的全新自动化仪器设备。特别是采用单片机编程技术来实现进电动机首先驱动放置在托架导轨上的玻片标本托架作水平玻片标本的自动染色、冲洗功能、自动控时和控温等功能,是现运动,使其托架.上的玻片标本正对着所需染液的滴管;然后,在代医学实验设备发展的必然趋势;继电器J-Js的控制下完成其托架上所有玻片标本的第一种染(4)该产品可用于医学生物标本的革兰氏染色法、HE染色液的滴染操作过程;经过一定的染色时间后 ,启动继电器J。进法以及相关的染色法,而且该自动染色机已经获得了国家知识行玻片标本的清水冲洗，从而完成标本的第-种染液的染色;产 权局颁发的专利证书(专利号:ZL 02 2400.7)。再经过一定的时间间隔,仪器重复上述步骤,从而完成标本的第二、第三.--、第n种染液的染色,直至玻片标本的全部染色。参考文献:同时，显示器将用数字和代码的形式实时显示染色的全部过[]傅扬烈.单片机原理与应用教程[M]北京:电子工业出版社，2002,圣。[2]姜宝港.智能家用电器原理与维修[M].北京:机械工业出版社，3结论2002,5.[3]甘平,等用电荷耦合提高pH计测最准确度[]传感器技术, 2001,(1)据调查目前我国大部分实验室、医院以及医学科研所20(9):49-51.对玻片标本的染色都主要是采用手工操作,普遍存在着染色质[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、工序繁琐、耗费时间和染液等缺点。所以,国内急需适Autonedica, 194,161):97-107.合中国实际国情的医用玻片标本自动染色机。据《中国医疗器[s]甘平,等心电模拟信号发生器的设计与制作[J],重庆大学学报(自械产业年鉴>提供的资料显示,国外医用染色机的售价普遍都然科学 版), 2001,24:129-130.在25万元人民币左右，国内厂家生产的组织染色机的售价也[6]田源,等.诱发电位仪电极接触电阻检刮系统的研制方法[办中国医学物理学杂志, 203.202)115116.6在4万元左右。而本自动染色机的价格大约只有国内组织染色[7]黄力字,等.基于单片机的血压监护仪的研制[J].中国医疗器被杂机价格的1/20,而且国内目前还未发现有此同类产品。因此，志，20264):253-255.在市场上的竞争力是显易而见的:[8]杜晓兰,等.呼吸、体温两参数检测电路的设计I生物医学工程杂(2)该全自动染色机具有以下特点:①全自动程序化操作: .志, 2001,18(4):538~540.②体积小、重量轻、易于搬动和产品运行环境容易满足;③-次[9]汤黎明,等.精密神经阈值刺激仪的研制小医疗卫生装备，2001,22(6):12~14.(上接第240页)将取得更多的成果。.[5] Wang WL, Guo Z, Yang J, et al. analysis of the first heart soundusing the matching pursuit method[J]. Med. Bio. Eng, Comput,2001,396):644- 648.[6)] Sava HP， Edward IT, MoDonell. Spectral compsition of heart[1]郑玲,宋长宏高小格,等采用模棚函数消除维格纳分布的交叉项及sounds before and after mechanical heart valve implantation using其在心音信号分析中的应用[I.航天医学与医学工程,1995,8(1):a roodified forward -backward prony's meathod [J]. IEE Trans.15-22.Bioned. Eng, 196.437):734.[2] Durand LG, Pibard P. Digial Sigal Proessing of the Ponocar[7]李桥，赵玲,那庆余等应用小波变换进行心音三维时顎分析的研究diogum:Review of the Most Recent Advancements[], Critical Re[JI.中国医学物理学杂志0110-11221views in Biomedical Engneg199.23/4):163-219.[8]胡晓,王威廉.基于小波变换第一心音频率检测川生物医学工程学[3] Zhang X Durand LG. Time -frequency scaling tnsformation of杂志2003.(3).the phonoeardiogram based of the matching pursuit method [J].9] 胡晓,王威廉.基于小波变换心音定位用生物医学工程与临床, .IEEE Trans. Biomed. Eng1998.458>92-979.2002./4)[4] Xu JP, Durand LG, Pibern P. Extnction of the Aorie and Pul-中国煤化工ime-frequey dsibuiosmonary Components of the seond Heart Sound Using a Nonlinersel Kermel[] IEEE Trans.Transient Chirp Signal Model[J]. IEEE Trans Biomed. Eng, 2001,YHCNMHG48(3)277-283.