一種心音信號(hào)周期參數(shù)估計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于生物信號(hào)檢測(cè)與識(shí)別的研究領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 人體的各種生理信號(hào)反映人們的健康狀況。心音信號(hào)是人體最為重要的生理信號(hào) 之一，它是心臟及心血管系統(tǒng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀況的反映，是在心動(dòng)周期中由于心肌收縮舒張、瓣 膜啟閉以及血流沖擊心室壁和大動(dòng)脈等引起的一種機(jī)械振動(dòng)。心音中蘊(yùn)含著有關(guān)人體健康 狀況的重要信息，通過(guò)提取這種信息并進(jìn)行有效的識(shí)別能夠?qū)崿F(xiàn)客觀的數(shù)字化心音聽(tīng)診， 從而能為患者提供可靠的診斷結(jié)果。
[0003] 然而，心音信號(hào)是一種不平穩(wěn)的準(zhǔn)周期循環(huán)信號(hào)，需要對(duì)其進(jìn)行分段處理從而獲 得反映每個(gè)心循環(huán)的心音信號(hào)。因此，可靠的心音識(shí)別技術(shù)的一個(gè)重要前提是需要能夠心 音信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的分段處理，這就需要準(zhǔn)確地估計(jì)出心音信號(hào)中的周期參數(shù)。心音中的周 期參數(shù)包括：心周期、心縮期和心舒期，其中心周期的倒數(shù)就是心率。心音信號(hào)的周期參數(shù) 估計(jì)是心音分段研究中的主要難點(diǎn)之一?，F(xiàn)有的心音信號(hào)的周期參數(shù)估計(jì)方法獲得的心音 周期參數(shù)存在可靠性差的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的心音信號(hào)的周期參數(shù)估計(jì)方法獲得的心音周期 參數(shù)存在可靠性差的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種心音信號(hào)周期參數(shù)估計(jì)方法。
[0005] 本發(fā)明的一種心音信號(hào)周期參數(shù)估計(jì)方法，所述方法包括如下步驟：
[0006] 步驟1 :對(duì)待估計(jì)的心音信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理；
[0007] 步驟2 :對(duì)預(yù)處理后的心音信號(hào)提取平均香農(nóng)能量包絡(luò)信號(hào)；
[0008] 步驟3 :采用奇異值譜分析方法對(duì)提取的包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行平滑；
[0009] 步驟4 :對(duì)平滑后的包絡(luò)信號(hào)估計(jì)心音信號(hào)的周期參數(shù)。
[0010] 所述步驟1中，對(duì)待估計(jì)的心音信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理的方法包括：
[0011] 將待估計(jì)的心音信號(hào)進(jìn)行能量標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后降采樣為2kHz，并采用6階巴特 沃斯濾帶通波器對(duì)降采樣后的心音信號(hào)進(jìn)行帶通濾波以濾除截止頻率以外的其他聲音和 噪聲，得到預(yù)處理后的心音信號(hào)X(η)，其中η是心音的采樣索引。
[0012] 所述步驟2中，對(duì)預(yù)處理后的心音信號(hào)提取平均香農(nóng)能量包絡(luò)信號(hào)的方法包括：
[0013] 采用長(zhǎng)度為W、幀移為W/2的滑動(dòng)窗口作用于預(yù)處理后的心音信號(hào)χ(η)進(jìn)行分幀， 對(duì)幀窗口中的心音信號(hào)按公式（1)計(jì)算其平均香農(nóng)能量包絡(luò)：
[0015] 對(duì)心音信號(hào)X(η)進(jìn)行包絡(luò)提取后所得到的包絡(luò)信號(hào)為e(m)，m為幀索引。
[0016] 所述步驟4包括如下步驟：
[0017] 步驟4. 1 :計(jì)算平滑后包絡(luò)信號(hào)的單邊自相關(guān)函數(shù)：
[0018] 平滑后包絡(luò)信號(hào)e(m)依據(jù)公式（2)計(jì)算其單邊自相關(guān)函數(shù)r(l):
[0020] 其中：1是平滑后包絡(luò)信號(hào)e(m)的延后量，Μ是平滑后包絡(luò)信號(hào)e(m)的長(zhǎng)度。
[0021] 步驟4.2 :在自相關(guān)函數(shù)r(l)中選取符合條件峰值并排序：
[0022] 選取最大心音周期范圍內(nèi)的所有K個(gè)峰值并按其大小進(jìn)行排序?yàn)椋?br>[0023] r⑴ >q2r">r(K) 公式（3)
[0024] 并記錄每個(gè)峰值所對(duì)應(yīng)的延后位置，記作：L= } 1⑴，1⑵，…，loo};
[0025] 步驟4. 3:根據(jù)公式⑷估計(jì)心周期1τ:
[0027]步驟4. 4:根據(jù)公式（5)估計(jì)心縮期lsys和心舒期1 dla:
[0029] 其中，1T為心周期，i，j= 1，2，…K。
[0030] 所述步驟4. 4,根據(jù)公式（5)估計(jì)心縮期lsys和心舒期1 dla的具體過(guò)程為：
[0031] 步驟4. 4. 1 :令初始距離d= + °°，其中+ 表示正無(wú)窮大；
[0032] 步驟4. 4. 2:從L中任意選取1(1)和1 (j)且滿足1 (1)和1 (j)皆小于心周期1τ;如果 選取為空集，則執(zhí)行步驟4. 4. 5,如果選取為非空集，則執(zhí)行步驟4. 4. 3;
[0033]步驟 4. 4. 3:如果 |VI.廠1T| <d則執(zhí)行l(wèi)sys= 1 ;，ldia= 1 .j，當(dāng)込彡 1 .j或 1sys = l.j，ldla= 1i，當(dāng)1j;
[0034] 步驟4. 4. 4:從L中移除1(1)和1 (j)，轉(zhuǎn)到步驟4. 4. 2;
[0035] 步驟4. 4. 5:結(jié)束循環(huán)，當(dāng)前得到的lsys和1dla就是所要估計(jì)的心縮期和心舒期。
[0036] 所述步驟3中，采用奇異值譜分析方法對(duì)提取的包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行平滑的方法包括：
[0037] 將提取的長(zhǎng)為Μ的包絡(luò)信號(hào)e(m)依據(jù)公式（6)構(gòu)造軌跡矩陣（trajectory matrix)X：
[0039] 其中：k是預(yù)先選定的常量，使得其所對(duì)應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)度大于最大的心周期；然后， 對(duì)軌跡矩陣X按公式（7)進(jìn)行特征值分解：
[0040]X=USVT 公式（7)
[0041] 其中：U、V分別是由奇異值分解的左、右特征向量作為列向量所構(gòu)成的矩陣，S是 由k個(gè)特征值所構(gòu)成的對(duì)角陣；選取前q個(gè)特征值所對(duì)應(yīng)的左、右特征向量構(gòu)成矩陣Uq和 Vq以及前q個(gè)特征值所構(gòu)成的對(duì)角陣Sq，則構(gòu)造軌跡矩陣X的近似矩陣Xq可表示為：
[0042]Xq=UqSqVqT 公式（8)
[0043] 由公式⑶中所得到的近似矩陣Xq生成平滑后包絡(luò)信號(hào)e(m)，m為幀索引。
[0044] 本發(fā)明的有益效果在于，本發(fā)明包括心周期、心縮期和心舒期三個(gè)重要的參數(shù)估 計(jì)，以為心音信號(hào)分段提供可靠的依據(jù)。本發(fā)明具有易于實(shí)現(xiàn)、可靠性好的特點(diǎn)，因此適合 推廣使用。
【附圖說(shuō)明】
[0045] 圖1為預(yù)處理后的心音信號(hào)的曲線示意圖；
[0046] 圖2為平均香農(nóng)能量包絡(luò)信號(hào)心音信號(hào)的曲線示意圖；
[0047]圖3為單邊自相關(guān)函數(shù)的曲線示意圖，橫坐標(biāo)為延后位置，心周期為72,心縮期為 30,心舒期為42。
【具體實(shí)施方式】
[0048] 結(jié)合圖1、圖2和圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的一種心音信號(hào)周期參數(shù) 估計(jì)方法，所述方法包括如下步驟：
[0049] 步驟1，對(duì)待估計(jì)的心音信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理：
[0050] 將待估計(jì)的心音信號(hào)進(jìn)行能量標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后降采樣為2kHz，并采用6階巴特 沃斯濾帶通20~900Hz波器對(duì)降采樣后的心音信號(hào)進(jìn)行帶通濾波以濾除截止頻率以外的 其他聲音和噪聲，得到預(yù)處理后的心音信號(hào)X(η)，其中η是心音的采樣索引。所得到的心音 信號(hào)如圖1所示。
[0051] 步驟2 :對(duì)預(yù)處理后的心音信號(hào)提取平均香農(nóng)能量包絡(luò)信號(hào)：
[0052] 采用長(zhǎng)度為W、幀移為W/2的滑動(dòng)窗口作用于預(yù)處理后的心音信號(hào)χ(η)進(jìn)行分幀， 對(duì)幀窗口中的心音信號(hào)按公式（1)計(jì)算其平均香農(nóng)能量包絡(luò)：
[0054] 對(duì)心音信號(hào)χ(η)進(jìn)行包絡(luò)提取后所得到的包絡(luò)信號(hào)為e(m)，m為幀索引。所得到 平均香農(nóng)能量包絡(luò)信號(hào)e(m)如圖2所示。
[0055] 步驟3 :采用奇異值譜分析方法對(duì)提取的包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行平滑：
[0056] 將提取的長(zhǎng)為Μ的包絡(luò)信號(hào)e(m)依據(jù)公式（6)構(gòu)造軌跡矩陣（trajectory matrix)X：
[0058] 其中：k是預(yù)先選定的常量，使得其所對(duì)應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)度大于最大的心周期1250毫 秒；然后，對(duì)軌跡矩陣X按公式（7)進(jìn)行特征值分解：
[00