專利名稱：一種心音信號定位、分段方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及心音信號處理領(lǐng)域，具體來說是一種心音信號周期定^f立方法。
背景技術(shù)：
超聲多譜勒儀和ECG (Electrocardiogram心電圖)等先進(jìn)的輔助診斷儀器的開發(fā)與利用，使得心音信號的利用受到冷落。然而超聲多譜勒儀，其價格昂貴，并不易于普及；ECG信號雖然對與血液循環(huán)和血液組織相關(guān)疾病的診斷比較有效，但是卻不能有效地反映與器質(zhì)性心臟病有關(guān)的病理信息。
心音信號包含了能反映心臟正?；蛘卟±淼呢S富的信息，正常的心音包含第 一心音(SI)、第二心音(S2)、第三心音(S3)和第四心音(S4)四個心音成份，其中S1、 S2是可聽到的部分，S3、 S4強(qiáng)度很弱，幾乎不可聽到。如果心臟功能出現(xiàn)異?；蛘咝难艹霈F(xiàn)病變，心音中將包含除Sl、 S2之外的其他外雜音成份，這些出現(xiàn)的雜音和畸變等重要的診斷信息，可以反映心血管疾病尚和一些難以產(chǎn)生產(chǎn)生臨床及病理改變以前的癥狀。心音信號中包含了這些豐富的信息，在檢測該類型疾病的領(lǐng)域，心音信號有著無可比擬的優(yōu)越性。同時心音信號的檢測方便、無創(chuàng)、花費(fèi)極小，可作為心臟病檢測、預(yù)防的常規(guī)手段。然而傳統(tǒng)的心臟聽診技術(shù)是以人耳聽音來進(jìn)行的，這種方式依賴于人耳聽力的靈敏度和聽者的主觀經(jīng)驗(yàn)與判斷能力，其作用有很大的局限性。研制一種數(shù)字式心音自動分析儀，能簡易、方便地檢測心音信號，為醫(yī)護(hù)人員和病人提供有效的參考信息，滿足醫(yī)院和病人的需要，具有極大的社會價值和經(jīng)濟(jì)價值。
數(shù)字心音自動分析的研究核心是心音信號的自動分段技術(shù)和模式識別技術(shù)，目前心音信號的自動分段技術(shù)主要有兩種 一種是傳統(tǒng)的借助于心電信號等做參考心音分段算法，另一種是不借助任何信號的分段算法。
第 一 種需要借助于心電信號或頸動脈波信號的心音信號分段算法，通過心電QRS (心電波群)波形與心音的時間對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)心電QRS波的位置定出一個心動周期，然后進(jìn)行分段。M. W. Groch提出利用心電作為參考，根據(jù)心音時域特性的方法進(jìn)行心音信號的分段；Lener提出利用心電信號與頸動脈波作為參照的心音分段算法。第二種就是LG Durand以及H Liang等才是出了不借助于心電的心音的分段算法。LG Durand利用匹配追蹤算法定位心音信號主要能量的分布，進(jìn)而對心音進(jìn)行分段。H Liang則采用小波分解與重構(gòu)算法對心音進(jìn)行分段，首先小波分解心音信號，然后根據(jù)sl、 s2的頻率選擇重構(gòu)頻帶，對重構(gòu)后的信號計(jì)算香農(nóng)能量，進(jìn)而通過香農(nóng)能量實(shí)現(xiàn)心音的分段。國內(nèi)趙治棟提出的利用最優(yōu)小波閥值消噪算法對心音信號進(jìn)行預(yù)處理、希爾伯特變換提取心音信號包絡(luò)以及心音信號的固有特性實(shí)現(xiàn)心音的分段。
傳統(tǒng)的心音信號分段算法不足之處在于第一、需要心電信號或頸動脈波信號作參考，增加了軟硬件的負(fù)擔(dān)；第二、心音信號本身是一種典型的非平穩(wěn)信號，傳統(tǒng)的心音分段算法把心音信號當(dāng)成一種平穩(wěn)信號處理，利用其時域和頻域特征進(jìn)行定位，這種做法會產(chǎn)生較大誤差；第三、傳統(tǒng)的心音分段算法對心音信號的質(zhì)量要求較高，并且對噪聲敏感。
不借助于心電信號分段技術(shù)缺點(diǎn)第一、算法復(fù)雜度高，非常耗時。第二、噪聲對分段的效果影響較大；第三、只能定位sl、 s2的大概位置，喪失了 sl、 s2持續(xù)時間的信息，也不能判斷收縮期以及舒張期的時間范圍，更不能做到心音信號周期的精確定位。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種利用自相關(guān)系數(shù)法實(shí)現(xiàn)的、能自動精確定位心音信號并分段的方法。
一種心音信號定位、分段方法，包括如下步驟
1 )對心音信號預(yù)處理，即取去噪后的至少大于兩個心音周期的心
音信號；即需要對取出的原始的心音信號進(jìn)行濾波(可采用低通濾波，
去除高頻噪聲)、去噪(可采用小波去噪法去除呼吸音、部分摩擦音等特定噪聲)處理，取去噪后的至少大于兩個心音周期的心音信號，為后面的步驟、裝置提供純凈的心音信號。
2 )初始狀態(tài)確定單元確定起始周期、最大周期和起始點(diǎn)，周期根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，由經(jīng)驗(yàn)心音周期乘以釆樣速率確定，計(jì)算周期以起始周期作為初始值，起始點(diǎn)的確定一般可以采用預(yù)處理后心音信號的第 一點(diǎn)作為起始點(diǎn)；這個經(jīng)驗(yàn)心音周期是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，例如人正常情況下心跳是70次，心跳周期就是14ms左右， 一般心跳范圍可以考慮50次到150次，這樣周期就是20ms到6ms左右，根據(jù)采樣率8k進(jìn)行換算，以采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)算的周期在16 0點(diǎn)到4 8點(diǎn)之間。這是容易實(shí)現(xiàn)的。3) 計(jì)算記錄相鄰兩個計(jì)算周期信號的相關(guān)系數(shù)；取起始點(diǎn)后一個計(jì)算周期的心音信號與其后相鄰的長度為一個計(jì)算周期的心音信號數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算并存儲。
4) 向后滑動計(jì)算起始點(diǎn)，判斷如果達(dá)到結(jié)束點(diǎn)則進(jìn)入第5 )步，否則返回第3)步；起始點(diǎn)滑動的步長根據(jù)計(jì)算精度和運(yùn)算復(fù)雜度進(jìn)行調(diào)整，通常情況下可以取l,結(jié)束點(diǎn)的確定由心音信號長度減去計(jì)算周期獲得。
5) 在上述相關(guān)系數(shù)中搜索相關(guān)系數(shù)極值l，即搜索最大值。
6) 根據(jù)步長增加計(jì)算周期，若計(jì)算周期大于最大周期則進(jìn)入第8)步，否則返回第3)步；此步驟中所增加的步長可以根據(jù)計(jì)算精度和系統(tǒng)運(yùn)算能力進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)取l時可以獲得最高的計(jì)算精度，但是會帶來最大的計(jì)算量。
7) 在上述相關(guān)系數(shù)極值1中相關(guān)系數(shù)極值2，極值2所對應(yīng)的計(jì)算周期即為心音周期；
8) 從相關(guān)系數(shù)極值2所對應(yīng)計(jì)算起始點(diǎn)取心音周期長度的一段心音信號即為完整的一個周期的心音信號。
所述第3 )步是計(jì)算相關(guān)系數(shù)是根據(jù)下述公式計(jì)算得到
其中，r是相關(guān)系數(shù)，
w是相關(guān)的點(diǎn)數(shù)，即上述第6)步中的計(jì)算周期，x是上述第3)中相鄰兩個計(jì)算周期信號的第一段心音數(shù)據(jù)，y是上述第3)中相鄰兩個計(jì)算周期信號的第二段心音數(shù)據(jù)，/,/分別指兩段心音中數(shù)據(jù)的序號，范圍從1到w。
計(jì)算得出的相關(guān)系數(shù)后續(xù)需要用到，故設(shè)置一存儲單元，用于記錄上述經(jīng)過計(jì)算得出的相關(guān)系數(shù)，這是容易實(shí)現(xiàn)的。
這樣，經(jīng)過預(yù)處理后的心音信號為純凈的心音信號，然后經(jīng)過計(jì)算可以得到其相關(guān)系數(shù)，再經(jīng)過兩次搜索就得到了精確的心音周期，然后再根據(jù)得到的心音周期進(jìn)行分段，實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的目的。
一種心音信號定位、分段裝置，包括
一預(yù)處理單元，包括濾波功能模塊，用于對心音信號進(jìn)行預(yù)處理，過濾帶外噪聲；一初始狀態(tài)確定單元，用于確定起始周期、最大周期和起始點(diǎn)； 一計(jì)算單元，用于計(jì)算相鄰兩個計(jì)算周期信號的相關(guān)系數(shù)；
一第 一 搜索單元，用于在上述相關(guān)系數(shù)中搜索相關(guān)系數(shù)極值1; 一第二搜索單元，用于在上述相關(guān)系數(shù)極值1中相關(guān)系數(shù)極值2;
一分段單元，用于對心音信號進(jìn)行分段。
所述濾波功能模塊為去噪功能模塊，對心音信號進(jìn)行濾波(可采 用低通濾波，去除高頻噪聲)、去噪(可釆用小波去噪法去除呼吸音、 部分摩擦音等特定噪聲)。
優(yōu)選的，本發(fā)明提供的心音信號定位、分段裝置還包括一存儲單 元，用于記錄經(jīng)過計(jì)算得出的相關(guān)系數(shù)。
本發(fā)明提供的心音信號定位、分段方法和裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)
1. 算法復(fù)雜度低、實(shí)用性強(qiáng)，非?？焖俚牡玫叫枰男囊糁芷冢?易于在嵌入式環(huán)境下使用，不需要對心音信號進(jìn)行包絡(luò)提取， 香農(nóng)能量計(jì)算等預(yù)處理，大大簡化了算法復(fù)雜度。
2. 定位分段精度高(最高達(dá)1個樣點(diǎn))，且精度根據(jù)應(yīng)用環(huán)境可調(diào)。
3. 抗干擾能力強(qiáng)。
4. 易于實(shí)現(xiàn)，無需高速復(fù)雜的電子線路就可以容易實(shí)現(xiàn)。
5. 不需要借助任何參考信號如心電信號、頸動脈波信號。
6. 對不同周期信號具有自適應(yīng)性，為分類算法提供準(zhǔn)確參考。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的流程圖2a為本發(fā)明實(shí)施例中原始心音效果圖(第二段心音分裂)； 圖2b為本發(fā)明實(shí)施例中分段以后第一段心音效果圖； 圖2c為本發(fā)明實(shí)施例中分段以后第二段心音效果圖； 圖2d為本發(fā)明實(shí)施例中分段以后第三段心音效果圖。
具體實(shí)施例方式
一種心音信號定位、分段方法，該心音信號包含15個心音周期， 如圖l所示，是這樣實(shí)現(xiàn)的
首先，開始于步驟Sl對上述心音信號進(jìn)行預(yù)處理，即濾波，過濾 掉高頻噪聲，截至頻率限制在1.5K。
然后進(jìn)入步驟S2確定起始周期、最大周期，取1500點(diǎn)做起始周 期，3000點(diǎn)做最大周期，并以這段心音信號的第一個點(diǎn)為起始點(diǎn)。
然后進(jìn)入第S3步以第一個周期(從起始點(diǎn)開始后一個周期間隔)和第二個周期(第一個周期后的一個周期間隔)做相關(guān)，根據(jù)下述公
式計(jì)算得到相關(guān)系數(shù)
其中，r是相關(guān)系數(shù)，
w是相關(guān)的點(diǎn)數(shù)，即第S6步中的計(jì)算周期， x是上述第S3中相鄰兩個計(jì)算周期信號的第一段心音數(shù)據(jù)， 少是上述第S3中相鄰兩個計(jì)算周期信號的第二段心音數(shù)據(jù)， /,乂分別指兩段心音中數(shù)據(jù)的序號，范圍從1到w。 并將計(jì)算得到的相關(guān)系數(shù)存儲在存儲單元里，以備后用。 然后進(jìn)入第S4步向后滑動計(jì)算起始點(diǎn)，判斷是否達(dá)到結(jié)束點(diǎn)(結(jié) 束點(diǎn)取31000點(diǎn))，如果達(dá)到結(jié)束點(diǎn)則進(jìn)入第S5步，否則返回第S3步； 起始點(diǎn)滑動的步長根據(jù)計(jì)算精度和運(yùn)算復(fù)雜度進(jìn)行調(diào)整，通常情況下 可以取1,結(jié)束點(diǎn)的確定由心音信號長度減去計(jì)算周期獲得。
然后進(jìn)入第S5步，即第一搜索單元在上述相關(guān)系數(shù)中搜索相關(guān)系 數(shù)極值1,即搜索最大值。
然后再進(jìn)入第S6步，根據(jù)步長增加計(jì)算周期，若計(jì)算周期大于最 大周期(取3000 )則進(jìn)入第S7步，否則返回第S3步；此步驟中所增 加的步長可以根據(jù)計(jì)算精度和系統(tǒng)運(yùn)算能力進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)取1時可以 獲得最高的計(jì)算精度，但是會帶來最大的計(jì)算量。
再進(jìn)入第S7步，即第二搜索單元在上述相關(guān)系數(shù)極值1中相關(guān)系 數(shù)極值2,極值2 (為2279 )所對應(yīng)的計(jì)算周期即為心音周期。
最后進(jìn)入第S8步進(jìn)行分段，根據(jù)上述確定的心音周期對該段心音 分段，結(jié)果如圖2所示。其中，圖2a為具有第二心音分裂特征的原始 心音信號，圖2b、 c、 d為分段后相鄰的前三段心音信號，由圖2a和 圖2b、 c、 d的對比可以看出，分段算法有效的對心音周期進(jìn)行了估計(jì)， 并進(jìn)行了有效分段。
權(quán)利要求
1.一種心音信號定位、分段方法，其特征在于包括如下步驟1)對心音信號預(yù)處理，即取去噪后的至少大于兩個心音周期的心音信號；2)初始狀態(tài)確定單元確定起始周期、最大周期和起始點(diǎn)；3)計(jì)算記錄相鄰兩個計(jì)算周期信號的相關(guān)系數(shù)；4)向后滑動計(jì)算起始點(diǎn)，判斷如果達(dá)到結(jié)束點(diǎn)則進(jìn)入第5)步，否則返回第3)步；5)在上述相關(guān)系數(shù)中搜索相關(guān)系數(shù)極值1；6)根據(jù)步長增加計(jì)算周期，若計(jì)算周期大于最大周期則進(jìn)入第8)步，否則返回第3)步；7)在上述相關(guān)系數(shù)極值1中相關(guān)系數(shù)極值2，極值2所對應(yīng)的計(jì)算周期即為心音周期；8)從相關(guān)系數(shù)極值2所對應(yīng)計(jì)算起始點(diǎn)取心音周期長度的一段心音信號即為完整的一個周期的心音信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的心音信號定位、分段方法，其特征在于 所述第2)步確定起始周期和最大周期是這樣實(shí)現(xiàn)的根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，由 經(jīng)驗(yàn)心音周期乘以采樣速率確定。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的心音信號定位、分段方法，其特征在 于所述第3)步是計(jì)算相關(guān)系數(shù)是根據(jù)下述公式計(jì)算得到其中，r是相關(guān)系數(shù)，"是相關(guān)的點(diǎn)數(shù)，即上述第6)步中的計(jì)算周期， x是上述第3)中相鄰兩個計(jì)算周期信號的第一段心音數(shù)據(jù)， 少是上述第3)中相鄰兩個計(jì)算周期信號的第二段心音數(shù)據(jù)， /,y分別指兩段心音中數(shù)據(jù)的序號，范圍從1到"。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的心音信號定位、分段方法，其特征在于: 設(shè)置一存儲單元，用于記錄經(jīng)過計(jì)算得出的相關(guān)系數(shù)。
5. —種心音信號定位、分段裝置，其特征在于包括 一預(yù)處理單元，包括濾波功能模塊，用于對心音信號進(jìn)行預(yù)處理,過濾帶外噪聲；一初始狀態(tài)確定單元，用于確定起始周期、最大周期和起始點(diǎn)；一計(jì)算單元，用于計(jì)算相鄰兩個計(jì)算周期信號的相關(guān)系數(shù)； 一第一搜索單元，用于在上述相關(guān)系數(shù)中搜索相關(guān)系數(shù)極值l; 一第二搜索單元，用于在上述相關(guān)系數(shù)極值1中相關(guān)系數(shù)極值2; 一分段單元，用于對心音信號進(jìn)行分段。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的心音信號定位、分段裝置，其特征在于 所述濾波功能模塊為去噪功能模塊。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的心音信號定位、分段裝置，其特征在于: 還包括一存儲單元，用于記錄經(jīng)過計(jì)算得出的相關(guān)系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種心音信號定位、分段方法和裝置，包括一預(yù)處理單元，包括濾波功能模塊，用于對心音信號進(jìn)行預(yù)處理，過濾帶外噪聲；一初始狀態(tài)確定單元，用于確定起始周期、最大周期和起始點(diǎn)；一計(jì)算單元，用于計(jì)算相鄰兩個計(jì)算周期信號的相關(guān)系數(shù)；一第一搜索單元，用于在上述相關(guān)系數(shù)中搜索相關(guān)系數(shù)極值1；一第二搜索單元，用于在上述相關(guān)系數(shù)極值1中相關(guān)系數(shù)極值2；一分段單元，用于對心音信號進(jìn)行分段。本發(fā)明提供的心音信號定位、分段方法和裝置利用自相關(guān)系數(shù)法、能自動精確定位。
文檔編號A61B7/00GK101637394SQ20091001796
公開日2010年2月3日 申請日期2009年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月26日
發(fā)明者付文杰, 吳雅敏, 姜曉慶, 楊星海, 王玉泰 申請人:濟(jì)南大學(xué)