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位方法。
背景技術(shù)：
超聲多譜勒儀和ECG(EleCtr0Cardi0gram心電圖)等先進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常或者病理的豐富的信息，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強度很弱，幾乎不可聽到。如果心臟功能出現(xiàn)異常或者心血管出現(xiàn)病變，心 音中將包含除Si、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等提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，進而對心音進行分段。H Liang 則采用小波分解與重構(gòu)算法對心音進行分段，首先小波分解心音信號，然后根據(jù)si、s2的 頻率選擇重構(gòu)頻帶，對重構(gòu)后的信號計算香農(nóng)能量，進而通過香農(nóng)能量實現(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si、s2的大概位置，喪失了 si、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，本發(fā)明提供了一種利用自相關(guān)系數(shù)法實現(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，周期根據(jù)經(jīng)驗值，由經(jīng)驗 心音周期乘以采樣速率確定，計算周期以起始周期作為初始值，起始點的確定一般可以采 用預(yù)處理后心音信號的第一點作為起始點；這個經(jīng)驗心音周期是經(jīng)驗數(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進行換算，以采樣點數(shù)計算的周期在160點到48 點之間。這是容易實現(xiàn)的。3)計算記錄相鄰兩個計算周期信號的相關(guān)系數(shù)；取起始點后一個計算周期的心 音信號與其后相鄰的長度為一個計算周期的心音信號數(shù)據(jù)進行相關(guān)運算并存儲。4)向后滑動計算起始點，判斷如果達到結(jié)束點則進入第5)步，否則返回第3)步； 起始點滑動的步長根據(jù)計算精度和運算復(fù)雜度進行調(diào)整，通常情況下可以取1，結(jié)束點的確 定由心音信號長度減去計算周期獲得。5)在上述相關(guān)系數(shù)中搜索相關(guān)系數(shù)極值1，即搜索最大值。6)根據(jù)步長增加計算周期，若計算周期大于最大周期則進入第8)步，否則返回第 3)步；此步驟中所增加的步長可以根據(jù)計算精度和系統(tǒng)運算能力進行調(diào)整，當(dāng)取1時可以 獲得最高的計算精度，但是會帶來最大的計算量。7)在上述相關(guān)系數(shù)極值1中搜索相關(guān)系數(shù)極值2，即搜索最大值，極值2所對應(yīng)的 計算周期即為心音周期；8)從相關(guān)系數(shù)極值2所對應(yīng)計算起始點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)步是計算相關(guān)系數(shù)是根據(jù)下述公式計算得到其中，r是相關(guān)系數(shù)，η是相關(guān)的點數(shù)，即上述第6)步中的計算周期，χ是上述第3)中相鄰兩個計算周期信號的第一段心音數(shù)據(jù)，y是上述第3)中相鄰兩個計算周期信號的第二段心音數(shù)據(jù)，
i，j分別指兩段心音中數(shù)據(jù)的序號，范圍從1到η。計算得出的相關(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)過計算 得出的相關(guān)系數(shù)，這是容易實現(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)得到的心音周期進行分段， 實現(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；一計算單元，用于計算相鄰兩個計算周期信號的相關(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，即搜索最大值；一第二搜索單元，用于在上述相關(guān)系數(shù)極值1中搜索相關(guān)系數(shù)極值2，即搜索最大 值；一分段單元，用于對心音信號進行分段。所述濾波功能模塊為去噪功能模塊，對心音信號進行濾波(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)。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1.算法復(fù)雜度低、實用性強，非?？焖俚牡玫叫枰男囊糁芷?，易于在嵌入式環(huán) 境下使用，不需要對心音信號進行包絡(luò)提取，香農(nóng)能量計算等預(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1個樣點)，且精度根據(jù)應(yīng)用環(huán)境可調(diào)。3.抗干擾能力強。4.易于實現(xiàn)，無需高速復(fù)雜的電子線路就可以容易實現(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)明實施例的流程圖；圖2a為本發(fā)明實施例中原始心音效果圖(第二段心音分裂)；圖2b為本發(fā)明實施例中分段以后第一段心音效果圖；圖2c為本發(fā)明實施例中分段以后第二段心音效果圖；圖2d為本發(fā)明實施例中分段以后第三段心音效果圖。
具體實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1所示，是這 樣實現(xiàn)的首先，開始于步驟Sl對上述心音信號進行預(yù)處理，即濾波，過濾掉高頻噪聲，截至頻率限制在1. 5K。然后進入步驟S2確定起始周期、最大周期，取1500點做起始周期，3000點做最大 周期，并以這段心音信號的第一個點為起始點。然后進入第S3步以第一個周期(從起始點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)下述公式計算得到相關(guān)系數(shù)r = ι~jj2
\ΙηΣχ2-(Σχ)其中，r是相關(guān)系數(shù)，η是相關(guān)的點數(shù)，即第S6步中的計算周期，χ是上述第S3中相鄰兩個計算周期信號的第一段心音數(shù)據(jù)，y是上述第S3中相鄰兩個計算周期信號的第二段心音數(shù)據(jù)，i，j分別指兩段心音中數(shù)據(jù)的序號，范圍從1到η。并將計算得到的相關(guān)系數(shù)存儲在存儲單元里，以備后用。然后進入第S4步向后滑動計算起始點，判斷是否達到結(jié)束點(結(jié)束點取31000 點)，如果達到結(jié)束點則進入第S5步，否則返回第S3步；起始點滑動的步長根據(jù)計算精度 和運算復(fù)雜度進行調(diào)整，通常情況下可以取1，結(jié)束點的確定由心音信號長度減去計算周期 獲得。然后進入第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。然后再進入第S6步，根據(jù)步長增加計算周期，若計算周期大于最大周期(取3000) 則進入第S7步，否則返回第S3步；此步驟中所增加的步長可以根據(jù)計算精度和系統(tǒng)運算能 力進行調(diào)整，當(dāng)取1時可以獲得最高的計算精度，但是會帶來最大的計算量。再進入第S7步，即第二搜索單元在上述相關(guān)系數(shù)極值1中搜索相關(guān)系數(shù)極值2，即 搜索最大值，極值2(為2279)所對應(yīng)的計算周期即為心音周期。最后進入第S8步進行分段，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行了 估計，并進行了有效分段。
權(quán)利要求
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；3)計算記錄相鄰兩個計算周期信號的相關(guān)系數(shù)；4)向后滑動計算起始點，判斷如果達到結(jié)束點則進入第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，即最大值；6)根據(jù)步長增加計算周期，若計算周期大于最大周期則進入第8)步，否則返回第3)步；7)在上述相關(guān)系數(shù)極值1中搜索相關(guān)系數(shù)極值2，即最大值，極值2所對應(yīng)的計算周期即為心音周期；8)從相關(guān)系數(shù)極值2所對應(yīng)計算起始點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現(xiàn)的根據(jù)經(jīng)驗值，由經(jīng)驗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 計算相關(guān)系數(shù)是根據(jù)下述公式計算得到務(wù)冬 Σ/-(Σ 少)2其中，r是相關(guān)系數(shù)，η是相關(guān)的點數(shù)，即上述第6)步中的計算周期， χ是上述第3)中相鄰兩個計算周期信號的第一段心音數(shù)據(jù)， y是上述第3)中相鄰兩個計算周期信號的第二段心音數(shù)據(jù)， i，j分別指兩段心音中數(shù)據(jù)的序號，范圍從1到η。
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)過計算得出的相關(guān)系數(shù)。
5.一種心音信號定位、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； 一計算單元，用于計算相鄰兩個計算周期信號的相關(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，即搜索最大值； 一第二搜索單元，用于在上述相關(guān)系數(shù)極值1中搜索相關(guān)系數(shù)極值2，即搜索最大值； 一分段單元，用于對心音信號進行分段。
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；一計算單元，用于計算相鄰兩個計算周期信號的相關(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中搜索相關(guān)系數(shù)極值2；一分段單元，用于對心音信號進行分段。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G06F19/00GK101919704SQ20101026349
公開日2010年12月22日 申請日期2010年8月19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:濟南大學(xué)