心音信號特征自動(dòng)提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及心音信號分析處理的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種心音信號的特征自動(dòng)提 取方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 心音是在心動(dòng)周期中，由于心肌收縮和舒張、心臟瓣膜的啟閉，以及血流沖擊心室 壁和大動(dòng)脈等因素所引起的機(jī)械振動(dòng)，通過周圍組織傳到胸壁而產(chǎn)生的微弱振動(dòng)信號。心 音信號中包含了大量有關(guān)于心臟生理和病理的信息，當(dāng)心血管疾病尚未發(fā)展到足以產(chǎn)生臨 床及病理改變之前，心音中出現(xiàn)的雜音和畸變對心臟瓣膜病及某些先天性心臟病的診斷有 重要意義。
[0003] 通常檢測心音的方式是通過心音聽診，臨床經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生或者專業(yè)人士通過聽 診器可對病患是否患有心臟疾病作出初步診斷，但這容易受醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)以及聽診水 平、環(huán)境等因素的影響，且結(jié)果不具有定量分析的作用。隨后心音圖的出現(xiàn)彌補(bǔ)了這一不 足，但是心音圖是通過同時(shí)記錄心電和心音信號，不能進(jìn)行定量分析，在很大程度上依靠分 析人員的專業(yè)知識和臨床經(jīng)驗(yàn)。目前使用最多，被認(rèn)為是診斷心臟疾病"金標(biāo)準(zhǔn)"的是超聲 心動(dòng)圖，通過測量人體的射血分?jǐn)?shù)以及各種參數(shù)來綜合判斷心臟功能狀態(tài)，這種方法準(zhǔn)確 性相較前兩種方法可靠性提高了許多，但費(fèi)用較昂貴。綜上所述，通過心音信號來診斷人體 心臟功能是一種成本低、無創(chuàng)性、可靠性高的診斷方法，具有極大的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
[0004] -般心音信號的橫軸為時(shí)間軸，縱軸為幅值。心臟儲備指標(biāo)(在心音上的表現(xiàn)為心 音信號特征，即S1/S2，D/S，其中，Sl為第一心音特征值，S2為第二心音特征值，D/S為時(shí)限 比，diastole/systole的縮寫）。當(dāng)心臟正常時(shí)，心音信號的時(shí)域特征是心臟的舒張期大于 收縮期，在心音上則反映為第二心音開始到下一周期第一心音信號開始的持續(xù)時(shí)間大于第 一心音開始到第二心音開始時(shí)的持續(xù)時(shí)間，則D/S等于第二心音開始到下一周期第一心音 信號開始的持續(xù)時(shí)間，與第一心音開始到第二心音開始的持續(xù)時(shí)間的比值。醫(yī)護(hù)人員可以 通過上述指標(biāo)評價(jià)人體心臟功能狀況，進(jìn)而對人體心臟相關(guān)的疾病能進(jìn)行早期的診斷，有 利于心臟相關(guān)疾病的早期診斷與治療，實(shí)現(xiàn)了心臟疾病的無創(chuàng)檢測。
[0005] 但是在心音信號特征提取方面，傳統(tǒng)的是通過參考信號來對心音信號進(jìn)行分段和 定位，常用的參考信號有心電信號、勁動(dòng)脈信號。心電信號對心音信號進(jìn)行分段和定位，是 基于心電信號Q、R、S、T波的起始點(diǎn)與心音信號具有一一對應(yīng)的關(guān)系，但其不足之處在于必 須以獲取有效的心電信號為前提，同時(shí)不能實(shí)現(xiàn)對心音信號特征值的自動(dòng)獲取，其分析也 需要靠經(jīng)驗(yàn)豐富的相關(guān)人員基于參考信號人為的確定。而現(xiàn)代使用最多的分段方法就是采 用信號包絡(luò)的方法來對信號進(jìn)行分段和定位，不采用參考信號可實(shí)現(xiàn)心音信號的自動(dòng)分 段，因此對算法要求較高，消耗時(shí)間長，目前提取信號包絡(luò)的算法大多存在包絡(luò)不光滑，原 始信息丟失過多的不足，且目前存在的最大的一個(gè)困難就是不能實(shí)現(xiàn)心音信號特征值的自 動(dòng)獲取，特別是對含有噪聲和干擾較大的信號準(zhǔn)確率較低，不能精確對心音信號舒張期和 收縮期的精確定位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，本發(fā)明專利目的在于怎么提供一種算法簡單， 對心音信號舒張期和收縮期進(jìn)行精確定位，實(shí)現(xiàn)心音信號特征的自動(dòng)獲取方法。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0008] 心音信號特征自動(dòng)提取方法，包括如下幾個(gè)步驟：
[0009] a)對采集到的心音信號進(jìn)行重采樣后，再經(jīng)過預(yù)處理得到預(yù)處理信號XT(k);
[0010] b)利用中提琴積分波形方法，提取預(yù)處理信號XT(k)中的信號包絡(luò)Et(HI)JP:
[0011]
[0012] 其中，Lt是步長，k為系數(shù)，m=0,1，2,…，M，M為預(yù)處理信號XT(k)的長度，兄（/?；)為 2倍Lt區(qū)間內(nèi)的預(yù)處理信號XT(k)的信號均值；
[0013] c)對信號包絡(luò)進(jìn)行分段；
[0014] d)定位得到第一心音分段區(qū)和第二心音分段區(qū)，計(jì)算得到第一心音分段區(qū)的第一 心音特征值和第二心音分段區(qū)的第二心音特征值，提取心音信號特征。
[0015] 進(jìn)一步，所述步驟a的具體步驟為：
[0016] al)對所述采集到的心音信號進(jìn)行重采樣后得到采樣信號，用高通濾波器和陷波 濾波器對采樣信號進(jìn)行濾波得到濾波信號；
[0017] a2)對濾波信號進(jìn)行小波多分辨率分析去噪，得到所述預(yù)處理信號XT(k)。
[0018] 進(jìn)一步，所述步驟b的具體步驟為：
[0019] bl)通過以下公式計(jì)算得到步長Lt:
[0020] Lt=O. 5*0 .l*Fs;
[0021]其中，F(xiàn)s為所述步驟a中重米樣的米樣頻率；
[0022] b2)求取2倍Lt區(qū)間內(nèi)的預(yù)處理信號XT(k)的信號均值Z (川），即：
[0023]
[0024] b3)利用中提琴積分波形方法，提取預(yù)處理信號XT(k)中的信號包絡(luò)Et(HI)JP:
[0025]
[0026] 進(jìn)一步，所述步驟c)的具體步驟為：
[0027] cl)對信號包絡(luò)ET(m)進(jìn)行加窗分幀處理后，截取光滑的η個(gè)周期的信號包絡(luò)為處 理信號包絡(luò);設(shè)定閾值線Level = 0.01截取處理信號包絡(luò)，對處理信號包絡(luò)η個(gè)周期中第i個(gè) 周期信號進(jìn)行分段的方法如下：
[0028] c2)閾值線Level = O.01與處理信號包絡(luò)的第i個(gè)周期信號有4個(gè)相交點(diǎn)，在橫軸 上，這4個(gè)相交點(diǎn)從左到右依次命名為第i個(gè)周期第一心音的左包絡(luò)分段點(diǎn)，第i個(gè)周期第一 心音的右包絡(luò)分段點(diǎn)，第i個(gè)周期第二心音的左包絡(luò)分段點(diǎn)，第i個(gè)周期第二心音的右包絡(luò) 分段點(diǎn)；在橫軸上，將這4個(gè)相交點(diǎn)坐標(biāo)從左到右依次保存在包絡(luò)分段數(shù)組C的第i組數(shù)據(jù) 中；
[0029] c3)在包絡(luò)分段數(shù)組C中，依次提取出第i個(gè)周期第一心音的左包絡(luò)分段點(diǎn)坐標(biāo)和 第i個(gè)周期第二心音的左包絡(luò)分段點(diǎn)坐標(biāo)并保存在左包絡(luò)分段數(shù)組α的第i組數(shù)據(jù)中，依次 提取出第i個(gè)周期第一心音的右包絡(luò)分段點(diǎn)坐標(biāo)和第i個(gè)周期第二心音的右包絡(luò)分段點(diǎn)并 坐標(biāo)保存在右包絡(luò)分段數(shù)組Cr的第i組數(shù)據(jù)中；
[0030] C4)按照上述步驟c2、c3的方法對處理信號包絡(luò)η個(gè)周期中其余周期信號進(jìn)行分 段。
[0031] 進(jìn)一步，所述步驟d)的具體步驟為:對處理信號包絡(luò)η個(gè)周期中第i個(gè)周期信號做 如下處理：
[0032] dl)獲取存放在左包絡(luò)分段數(shù)組α中第i組數(shù)據(jù)和右包絡(luò)分段數(shù)組Cr中第i組數(shù)據(jù)： 第i個(gè)周期第一心音的左包絡(luò)分段點(diǎn)，第i個(gè)周期第一心音的右包絡(luò)分段點(diǎn)，第i個(gè)周期第二 心音的左包絡(luò)分段點(diǎn)，第i個(gè)周期第二心音的右包絡(luò)分段點(diǎn)；定位第i個(gè)周期第一心音的左 包絡(luò)分段點(diǎn)與第i個(gè)周期第一心音的右包絡(luò)分段點(diǎn)的區(qū)間為第i個(gè)周期第一心音分段區(qū)，定 位第i個(gè)周期第二心音的左包絡(luò)分段點(diǎn)與第i個(gè)周期第二心音的右包絡(luò)分段點(diǎn)的區(qū)間為第i 個(gè)周期第二心音分段區(qū)；
[0033] d2)通過峰逐層算法求取處理信號包絡(luò)中第i個(gè)周期的局部極大值，確定位于第i 個(gè)周期第一心音分段區(qū)內(nèi)的極大值為第i個(gè)周期第一心音特征值，確定位于第i個(gè)周期第二 心音分段區(qū)內(nèi)的極大值為第i個(gè)周期第二心音特征值;并將這2個(gè)極大值點(diǎn)對應(yīng)的橫坐標(biāo)保 存在數(shù)組peak的第i組數(shù)據(jù)中；
[0034] d3)按照上述步驟dl、d2的方法對處理信號包絡(luò)η個(gè)周期中其余周期信號進(jìn)行分段 定位；
[0035] d4)結(jié)合心音信號時(shí)域特征，確定所有第一心音特征值與第二心音特征值，提取心 音信號特征。
[0036] 進(jìn)一步，所述步驟c4)后面還包括以下步驟：
[0037] c5)獲取預(yù)處理信號XT(k)中橫坐標(biāo)范圍與處理信號包絡(luò)橫坐標(biāo)范圍相同的時(shí)間 段信號為處理信號；
[0038] c6)求取處理信號的短時(shí)能量信號和短時(shí)過零率信號，然后設(shè)定閾值Mh，即：
[0039]
[0040] 用閾值Mh截取短時(shí)能量信號，對短時(shí)能量信號和短時(shí)過零率信號η個(gè)周期中第i個(gè) 周期信號進(jìn)行如下處理：
[0041] C7)閾值Mh與短時(shí)能量信號的第i個(gè)周期信號有4個(gè)相交點(diǎn)，在橫軸上，這4個(gè)相交 點(diǎn)從左到右依次命名為第i個(gè)周期第一心音的左能量分段點(diǎn)，第i個(gè)周期第一心音的右能量 分段點(diǎn)，第i個(gè)周期第二心音的左能量分段點(diǎn)，第i個(gè)周期第二心音的右能量分段點(diǎn)；在橫軸 上，將這4個(gè)相交點(diǎn)坐標(biāo)從左到右依次保存在能量分段數(shù)組A的第i組數(shù)據(jù)中；
[0042] c8)在能量分段數(shù)組A中，依次提取出第i個(gè)周期第一心音的左能量分段點(diǎn)坐標(biāo)和 第i個(gè)周期第二心音的左能量分段點(diǎn)坐標(biāo)并保存在左能量分段數(shù)組Al的第i組數(shù)據(jù)中，依次 提取出將第i個(gè)周期第一心音的右能量分段點(diǎn)坐標(biāo)和第i個(gè)周期第二心音的右能量分段點(diǎn) 坐標(biāo)并保存在右能量分段數(shù)組Ar的第i組數(shù)據(jù)中；
[0043] c9)在短時(shí)過零率信號的第i個(gè)周期信號上，獲取第i個(gè)周期第一心音的左包絡(luò)分