專利名稱：一種心音信號(hào)定位、分段方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及心音信號(hào)處理領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)是一種心音信號(hào)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(jìn)的輔助診斷儀器的開(kāi)發(fā) 與利用，使得心音信號(hào)的利用受到冷落。然而超聲多譜勒儀，其價(jià)格昂貴，并不易于普及； ECG信號(hào)雖然對(duì)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(hào)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(gè)心音成份，其中S1、S2是可聽(tīng) 到的部分，S3、S4強(qiáng)度很弱，幾乎不可聽(tīng)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(hào)中包含 了這些豐富的信息，在檢測(cè)該類型疾病的領(lǐng)域，心音信號(hào)有著無(wú)可比擬的優(yōu)越性。同時(shí)心音 信號(hào)的檢測(cè)方便、無(wú)創(chuàng)、花費(fèi)極小，可作為心臟病檢測(cè)、預(yù)防的常規(guī)手段。然而傳統(tǒng)的心臟聽(tīng) 診技術(shù)是以人耳聽(tīng)音來(lái)進(jìn)行的，這種方式依賴于人耳聽(tīng)力的靈敏度和聽(tīng)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(dòng)分析儀，能簡(jiǎn)易、方便地檢測(cè)心 音信號(hào)，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(huì) 價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。數(shù)字心音自動(dòng)分析的研究核心是心音信號(hào)的自動(dòng)分段技術(shù)和模式識(shí)別技術(shù)，目前 心音信號(hào)的自動(dòng)分段技術(shù)主要有兩種一種是傳統(tǒng)的借助于心電信號(hào)等做參考心音分段算 法，另一種是不借助任何信號(hào)的分段算法。第一種需要借助于心電信號(hào)或頸動(dòng)脈波信號(hào)的心音信號(hào)分段算法，通過(guò)心電 QRS(心電波群)波形與心音的時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)心電QRS波的位置定出一個(gè)心動(dòng)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(shí)域特性的方法進(jìn)行心音信號(hào)的 分段；Lener提出利用心電信號(hào)與頸動(dòng)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(hào)主要能量的分布，進(jìn)而對(duì)心音進(jìn)行分段。H Liang 則采用小波分解與重構(gòu)算法對(duì)心音進(jìn)行分段，首先小波分解心音信號(hào)，然后根據(jù)si、s2的 頻率選擇重構(gòu)頻帶，對(duì)重構(gòu)后的信號(hào)計(jì)算香農(nóng)能量，進(jìn)而通過(guò)香農(nóng)能量實(shí)現(xiàn)心音的分段。國(guó) 內(nèi)趙治棟提出的利用最優(yōu)小波閥值消噪算法對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、希爾伯特變換提取心 音信號(hào)包絡(luò)以及心音信號(hào)的固有特性實(shí)現(xiàn)心音的分段。傳統(tǒng)的心音信號(hào)分段算法不足之處在于第一、需要心電信號(hào)或頸動(dòng)脈波信號(hào)作 參考，增加了軟硬件的負(fù)擔(dān)；第二、心音信號(hào)本身是一種典型的非平穩(wěn)信號(hào)，傳統(tǒng)的心音分 段算法把心音信號(hào)當(dāng)成一種平穩(wěn)信號(hào)處理，利用其時(shí)域和頻域特征進(jìn)行定位，這種做法會(huì) 產(chǎn)生較大誤差；第三、傳統(tǒng)的心音分段算法對(duì)心音信號(hào)的質(zhì)量要求較高，并且對(duì)噪聲敏感。
不借助于心電信號(hào)分段技術(shù)缺點(diǎn)第一、算法復(fù)雜度高，非常耗時(shí)。第二、噪聲對(duì)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(shí)間的信息，也 不能判斷收縮期以及舒張期的時(shí)間范圍，更不能做到心音信號(hào)周期的精確定位。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)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(dòng)精確定位 心音信號(hào)并分段的方法。一種心音信號(hào)定位、分段方法，包括如下步驟1)對(duì)心音信號(hào)預(yù)處理，即取去噪后的至少大于兩個(gè)心音周期的心音信號(hào)；即需要 對(duì)取出的原始的心音信號(hào)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(gè)心音周期的 心音信號(hào)，為后面的步驟、裝置提供純凈的心音信號(hào)。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) 心音周期乘以采樣速率確定，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(hào)的第一點(diǎn)作為起始點(diǎn)；這個(gè)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160點(diǎn)到48 點(diǎn)之間。這是容易實(shí)現(xiàn)的。3)計(jì)算記錄相鄰兩個(gè)計(jì)算周期信號(hào)的相關(guān)系數(shù)；取起始點(diǎn)后一個(gè)計(jì)算周期的心 音信號(hào)與其后相鄰的長(zhǎng)度為一個(gè)計(jì)算周期的心音信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算并存儲(chǔ)。4)向后滑動(dòng)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(dòng)的步長(zhǎng)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(hào)長(zhǎng)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1，即搜索最大值。6)根據(jù)步長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)可以 獲得最高的計(jì)算精度，但是會(huì)帶來(lái)最大的計(jì)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(duì)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(duì)應(yīng)計(jì)算起始點(diǎn)取心音周期長(zhǎng)度的一段心音信號(hào)即為完 整的一個(gè)周期的心音信號(hào)。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)，η是相關(guān)的點(diǎn)數(shù)，即上述第6)步中的計(jì)算周期，χ是上述第3)中相鄰兩個(gè)計(jì)算周期信號(hào)的第一段心音數(shù)據(jù)，y是上述第3)中相鄰兩個(gè)計(jì)算周期信號(hào)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(hào)，范圍從1到η。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(chǔ)單元，用于記錄上述經(jīng)過(guò)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(guò)預(yù)處理后的心音信號(hào)為純凈的心音信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到其相 關(guān)系數(shù)，再經(jīng)過(guò)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(hào)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(duì)心音信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，過(guò)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(gè)計(jì)算周期信號(hào)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(duì)心音信號(hào)進(jìn)行分段。所述濾波功能模塊為去噪功能模塊，對(duì)心音信號(hào)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)。優(yōu)選的，本發(fā)明提供的心音信號(hào)定位、分段裝置還包括一存儲(chǔ)單元，用于記錄經(jīng)過(guò) 計(jì)算得出的相關(guān)系數(shù)。本發(fā)明提供的心音信號(hào)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子谠谇度胧江h(huán) 境下使用，不需要對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)提取，香農(nóng)能量計(jì)算等預(yù)處理，大大簡(jiǎn)化了算法復(fù)雜度。2.定位分段精度高(最高達(dá)1個(gè)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(wú)需高速?gòu)?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(hào)如心電信號(hào)、頸動(dòng)脈波信號(hào)。6.對(duì)不同周期信號(hào)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；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(hào)定位、分段方法，該心音信號(hào)包含15個(gè)心音周期，如圖1所示，是這 樣實(shí)現(xiàn)的首先，開(kāi)始于步驟Sl對(duì)上述心音信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，即濾波，過(guò)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(hào)的第一個(gè)點(diǎn)為起始點(diǎn)。然后進(jìn)入第S3步以第一個(gè)周期(從起始點(diǎn)開(kāi)始后一個(gè)周期間隔)和第二個(gè)周期 (第一個(gè)周期后的一個(gè)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)r = ι~jj2
\ΙηΣχ2-(Σχ)其中，r是相關(guān)系數(shù)，η是相關(guān)的點(diǎn)數(shù)，即第S6步中的計(jì)算周期，χ是上述第S3中相鄰兩個(gè)計(jì)算周期信號(hào)的第一段心音數(shù)據(jù)，y是上述第S3中相鄰兩個(gè)計(jì)算周期信號(hào)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(hào)，范圍從1到η。并將計(jì)算得到的相關(guān)系數(shù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元里，以備后用。然后進(jìn)入第S4步向后滑動(dòng)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(dòng)的步長(zhǎng)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(hào)長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)可以獲得最高的計(jì)算精度，但是會(huì)帶來(lái)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中搜索相關(guān)系數(shù)極值2，即 搜索最大值，極值2(為2279)所對(duì)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(duì)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(hào)，圖2b、c、d為分段后相鄰的 前三段心音信號(hào)，由圖2a和圖2b、c、d的對(duì)比可以看出，分段算法有效的對(duì)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
一種心音信號(hào)定位、分段方法，其特征在于包括如下步驟1)對(duì)心音信號(hào)預(yù)處理，即取去噪后的至少大于兩個(gè)心音周期的心音信號(hào)；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(gè)計(jì)算周期信號(hào)的相關(guān)系數(shù)；4)向后滑動(dòng)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，即最大值；6)根據(jù)步長(zhǎng)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中搜索相關(guān)系數(shù)極值2，即最大值，極值2所對(duì)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(duì)應(yīng)計(jì)算起始點(diǎn)取心音周期長(zhǎng)度的一段心音信號(hào)即為完整的一個(gè)周期的心音信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的心音信號(hào)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(hào)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)算得到務(wù)冬 Σ/-(Σ 少)2其中，r是相關(guān)系數(shù)，η是相關(guān)的點(diǎn)數(shù)，即上述第6)步中的計(jì)算周期， χ是上述第3)中相鄰兩個(gè)計(jì)算周期信號(hào)的第一段心音數(shù)據(jù)， y是上述第3)中相鄰兩個(gè)計(jì)算周期信號(hào)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(hào)，范圍從1到η。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的心音信號(hào)定位、分段方法，其特征在于 設(shè)置一存儲(chǔ)單元，用于記錄經(jīng)過(guò)計(jì)算得出的相關(guān)系數(shù)。
5.一種心音信號(hào)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(duì)心音信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，過(guò)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(gè)計(jì)算周期信號(hào)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(duì)心音信號(hào)進(jìn)行分段。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的心音信號(hào)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(hào)定位、分段裝置，其特征在于還包括一存儲(chǔ)單元， 用于記錄經(jīng)過(guò)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(hào)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(duì)心音信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，過(guò)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(gè)計(jì)算周期信號(hào)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(duì)心音信號(hào)進(jìn)行分段。本發(fā)明提供的心音信號(hào)定位、分段方法和裝置利用自相關(guān)系數(shù)法、能自動(dòng)精確定位。
文檔編號(hào)G06F19/00GK101919704SQ20101026349
公開(kāi)日2010年12月22日 申請(qǐng)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(qǐng)人:濟(jì)南大學(xué)