基于重復(fù)性特征的心音信號壓縮算法
【專利摘要】一種基于重復(fù)性特征的心音信號壓縮算法，利用心音的高度重復(fù)性特征，去除心音信號的冗余，實(shí)現(xiàn)心音信號的壓縮存儲。本發(fā)明將心音分解成若干時頻分量，鑒于心音是重復(fù)產(chǎn)生的，那么心音的各時頻分量也存在著重復(fù)性。將非重復(fù)的心音時頻分量的參數(shù)歸納成一個字典。對于待壓縮的心音信號，只需從字典中找出最匹配的參數(shù)組重構(gòu)時頻分量，并記錄參數(shù)組的字典索引和時頻分量的發(fā)生時刻。這樣，幅度較大的信號被保留下來，剩下的信號稱為殘余信號。對殘余信號，進(jìn)一步利用矢量量化技術(shù)壓縮。本發(fā)明能以任意預(yù)先指定的失真度進(jìn)行壓縮，并獲得較高的壓縮比。
【專利說明】基于重復(fù)性特征的心音信號壓縮算法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于重復(fù)性特征的心音信號壓縮算法?；谛囊舻闹貜?fù)性特征， 利用參數(shù)字典和矢量量化技術(shù)對心音信號進(jìn)行壓縮。利用心音重復(fù)性特征減少存儲量，對 殘余信號采用矢量量化，可預(yù)先指定失真程度，實(shí)現(xiàn)心音信號的壓縮存儲。

【背景技術(shù)】
[0002] 在長期監(jiān)測心音時，有必要對心音信號進(jìn)行壓縮，以降低存儲量。心音是一種機(jī)械 振動信號。理論上，任何一種一維信號的壓縮算法均適用于心音信號壓縮。但是，心音具有 臨床的診斷價值，要求恢復(fù)信號的失真度小。因此，只有針對心音獨(dú)有的特性，才能開發(fā)出 失真度小、壓縮比高的壓縮算法。當(dāng)前的心音壓縮算法，一般以變換域編碼為主，尚未充分 利用心音的特殊性質(zhì)，在失真度和壓縮比之間未達(dá)到更好的平衡。本發(fā)明充分利用了心音 的重復(fù)性特征，結(jié)合矢量量化技術(shù)，顯著地降低了心音信號的存儲量。本發(fā)明能夠以指定的 失真度進(jìn)行壓縮，可根據(jù)需要選擇恰當(dāng)?shù)氖д娑?，從而?shí)現(xiàn)壓縮性能的最佳平衡。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 心音信號是需要長時間采集的生物醫(yī)學(xué)信號，相關(guān)的壓縮存儲算法需要較高的壓 縮比，并且不允許有較大失真。本發(fā)明基于心音的重復(fù)性特征，利用參數(shù)字典和矢量量化對 心音信號進(jìn)行壓縮，能夠在失真度較低的情況下達(dá)到較高的壓縮比，使心音信號的長時間 采集記錄不再占用大量的存儲空間。
[0004] 一種基于重復(fù)性特征的心音信號壓縮算法，步驟如下：
[0005] 1)構(gòu)造心音信號的參數(shù)字典，用于存放心音中非重復(fù)的分量。從待壓縮的目標(biāo)心 音信號中分割一部分用于構(gòu)造字典。鑒于心音有高度重復(fù)性，構(gòu)造字典沒有必要用到全部 信號，可減少計(jì)算量。
[0006] 將分割出的心音信號表達(dá)成K個時頻分量和殘余信號r(t)之和，表達(dá)方式如下

【權(quán)利要求】
1. 一種基于重復(fù)性特征的心音信號壓縮算法，其特征在于，步驟如下： 1) 構(gòu)造心音信號的參數(shù)字典，用于存放心音信號中非重復(fù)的分量；從待壓縮的目標(biāo)心 音信號中分割一部分用于構(gòu)造字典； 將分割出的心音信號表達(dá)成K個時頻分量和殘余信號r(t)之和，表達(dá)方式如下：
其中％是第i個分量的幅度，ti是相對于心音分割開始時刻的時間延遲，〇i是第i個 分量的時間支撐區(qū)間，A是第i個分量的頻率，0i是第i個分量的相位；K值使殘余信號 r(t)滿足如下表達(dá)式
將上述每個時頻分量中的a、|3、f和〇四參數(shù)組成一個向量，即形成K個向量；通過 聚類，將K個向量劃分成M個聚類，以聚類中心代表該類，形成M個不重復(fù)的相應(yīng)向量；M個 不重復(fù)的向量即為字典，向量在字典中的位置序號稱為索引； 2) 壓縮步驟1 :通過字典壓縮時頻分量；根據(jù)待壓縮的目標(biāo)心音信號，從字典中找出最 匹配的參數(shù)向量，用當(dāng)前信號減去參數(shù)向量重構(gòu)的時頻分量，記錄該向量的發(fā)生時刻和字 典中的索引；重復(fù)上述步驟，直到殘余信號的能量小于門限P時為止；門限P由心音-雜音 能量比R確定；心音能量集中在20-200HZ范圍內(nèi)，雜音的能量范圍在200-600HZ范圍內(nèi)；R 定義為
3) 壓縮步驟2 :通過矢量量化技術(shù)壓縮殘余信號；首先將殘余信號中的一部分劃分出 來，用于矢量量化的碼書及相關(guān)參數(shù)的訓(xùn)練；需要訓(xùn)練的內(nèi)容包括矢量維數(shù)k、碼書大小N 和碼書本身；訓(xùn)練完成后，對待壓縮的殘余信號依據(jù)參數(shù)進(jìn)行矢量量化，獲得碼書索引并存 儲下來； 殘余信號的矢量量化壓縮受維數(shù)k和碼書大小N的影響，其規(guī)律性如下所示：隨著k的 增大，失真度增大，壓縮比增大；隨著N的增大，失真度減小，壓縮比減??；獲得最適合的k 和N參數(shù)的搜索算法的步驟為：（1)預(yù)設(shè)最大的失真度；（2)任意一組k、N進(jìn)行碼書訓(xùn)練并 矢量量化，獲得實(shí)際的失真度與壓縮比；(3)若實(shí)際的失真度大于預(yù)設(shè)的失真度，則按照失 真度更小的方向選擇下一組k、N; (4)若實(shí)際的失真度小于預(yù)設(shè)的失真度，則比較壓縮比， 按照壓縮比更大的方向選擇下一組k、N;(5)重復(fù)（3)-⑷步驟，若在預(yù)設(shè)失真度條件下無 法獲得更高的壓縮比，那么此時的k、N即為最佳值； 心音信號壓縮后，需要存儲的信息包括時頻分量的發(fā)生時間、參數(shù)向量的字典索引和 矢量量化的碼書索引；心音信號的解壓縮過程為根據(jù)時頻分量的發(fā)生時間、參數(shù)向量的字 典索引和矢量量化的碼書索引重構(gòu)信號； 4)評價心音信號壓縮性能的指標(biāo)：壓縮比CR和標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差百分比PRD;壓縮比CR用來衡量信號的壓縮程度，定義為 CR=b*L/C (6) 其中b是采集心音時樣本的量化位數(shù)，L是待壓縮信號的樣本數(shù)；C是心音信號壓縮后 的碼長；C是Ci、Ct、Cq的總和；Ci是余量信號矢量量化后碼書索引的碼長，Ct是時頻分量 發(fā)生時刻的碼長，Cq是時頻分量索引的碼長； PRD用來衡量信號的失真度，定義為
其中x(i)是待壓縮信號，1是均值，y(i)是恢復(fù)信號；CR和PRD是評價心音信號壓 縮效果的指標(biāo)，也是搜索算法中確定參數(shù)的約束條件。
【文檔編號】H03M7/30GK104506198SQ201410842744
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月30日
【發(fā)明者】唐洪, 孫建 申請人:大連理工大學(xué)