CN101530331A - 基于Labview开发平台的心音信号检测与分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于Labview开发平台的心音信号检测与分析系统。该系统由心音信号检测硬件部分和心音信号分析处理软件系统两部分组成。心音信号检测硬件部分由心音传感器、心音信号放大器、微机USB接口摸块、微机系统组成；心音信号分析软件系统由WindowsXP系统软件、Labview开发软件以及由其个各功能子程序组成的心音信号分析模块。该系统能完成心音信号的采集、显示、回放、存贮以及时域和频域分析。该系统构成简单，操作方便，心音分析功能强大。是心音相关疾病诊断的有效工具。

Description

基于Labview开发平台的心音信号检测与分析系统

技术领域：

本发明涉及一种医学信号检测与分析系统，特别是只基于Labview开发平台的心3音信号检测与分析系统。是心音相关疾病诊断的有效工具。

背景技术：

在人体心脏的心动周期中，心肌收缩、瓣膜启闭、血液加速度和减速度对心血管壁的加压和减压作用以及形成的涡流等因素引起的机械振动，可通过周围组织传递到胸壁。将听诊器放在胸壁某些部位，就可以听到声音，称为心音。用传感器将这些机械振动转换成电信号记录下来，便得到了心音图。心音发生在心动周期的某些特定时期，其音调和持续时间也有一定的规律，正常心脏可听到4个心音：即第一、第二、第三和第四心音。多数情况下只能听到第一和第二心音，在某些健康儿童和青年人也可听到第三心音，40岁以上的健康人也有可能出现第四心音。心脏某些异常活动可以产生杂音或其它异常心音。因此，检测心音或记录心音图对于心脏疾病的诊断有重要意义。心音信号是人体最重要的声信号，也是临床评价心脏功能状况的最基本的方法之一。与心脏疾病相关的各种信息常常反映在心音信号中，心音信号的改变和杂音的出现，往往是心脏病的最早体征。正常人的心音随着心脏搏动呈现周期性变化，但是，不同的人、不同的心脏病变所产生的心音是不同的，从这个意义上来说，心音是非平稳信号。为了全面了解心音的特征，许多学者从不同的角度，应用不同的方法对心音信号进行研究。由于心音信号幅值小，干扰多，采用常规的处理方法往往不能收到良好的效果。另外，心音信号中包含了大量关于心脏、血管、瓣膜、血液等运动及状态的信息，如果能从心音中获取这些信息，对某些心血管疾病的早期诊断具有重要的意义。但由于受到以下限制，心音的临床价值还未得到有效的发挥：(1)心音的生理及病理机制尚未完全明确；(2)缺乏定量的分析技术(3)听诊易受医生主观因素的影响。因此，对心音信号的计算机分析可以客观的提取诊断信息，辅助临床诊断。目前，时域分析主要有：分段、能量、包络等；频域分析主要有：FFT、参数模型等。但是，这些技术都是单一的，从一个角度观察和分析心音信号。并采用高级计算机语言编程，工作量大，系统复杂，操作不便。推广应用受到限制。许多分析方法只限于研究及实验。

发明内容：

在充分了解和分析国内外目前在心音信号检测和分析方面发展现状的基础上，克服现有技术的缺点和不足。利用近年来信号处理领域的重大成就，以及计算机软、硬件技术，并结合近几年美国NI公司开发的Labview8.5为代表的虚拟仪器技术，提供了一种基于Labview开发平台的心音信号检测与分析系统。该系统由心音信号检测硬件部分和心音信号分析处理软件系统两部分组成。心音信号检测硬件部分由心音传感器、心音信号放大器、微机USB接口摸块、微机系统组成；心音信号分析软件系统由WindowsXP系统软件、Labview开发软件以及由其个各功能子程序组成的心音信号分析模块。该系统能完成心音信号的采集、显示、回放、存贮以及时域和频域分析。该系统构成简单，操作方便，心音分析功能强大。是心音相关心脏疾病诊断的有效工具，在相关心脏疾病的早期临床诊断中，具有良好效果。心音信号检测硬件部分各个部件、模块的作用及功能：心音传感器，检测人体心音信号，并将其转换为电信号，送给心音信号放大器。心音信号放大器，对心音传感器检测到的微弱电信号进行放大，送给微机USB接口摸块。微机USB接口摸块，该模块属智能模块，由高度集成化信号处理电路、A/D转换、USB通信电路等组成，输出数字音频信号。其作用是将放大后的心音信号经A/D转换，以USB通信方式将心音数字信号送给微机系统。微机系统，包括主机、显示器、打印机、键盘、鼠标、系统软件(WindowsXP)和应用软件(Labview8.5)。其作用是完成对心音信号的采集、显示、存贮、处理、分析等。

心音信号分析软件系统，包括心音信号的采集、显示、回放、存贮软件模块，心音信号时域分析软件模块，心音信号频域分析软件模块，心音信号其它方法分析软件模块。各个模块的作用及功能：心音信号的采集、显示、回放、存贮软件模块，完成对硬件检测到的心音信号进行实时采集、显示、存贮和回放等功能。心音信号时域分析软件模块，完成对心音信号的均值、方差、均方值、最大值、最小值、相关与卷积等时域特性的计算与分析。心音信号频域分析软件模块，完成对心音信号的FFT、频谱分析、功率谱分析、相干函数分析等频域分析功能。心音信号其它方法分析软件模块，完成对心音信号的基于短时傅里叶变换(STFT)的能量的联合时频分布、基于Wigner-Ville(WVD)的能量的联合时频分布、基于Daubechies4小波基的小波变换(DWT)等的分析功能。此外，心音信号分析软件系统，还包含了心音信号的数字滤波和加窗处理功能。本系统通过对心音信号的检测与分析，能够综合判断和分析正常与异常心音信号的特征。是心音相关心脏疾病诊断的有效工具，在相关心脏疾病的早期临床诊断中，具有良好效果。

附图说明：

图1是基于Labview开发平台的心音信号检测与分析系统的硬件组成原理框图。

图2是基于Labview开发平台的心音信号分析软件系统组成原理框图。

图3是基于Labview8.5的心音信号采集VI子程序前面板图

图4是基于Labview8.5的心音信号采集VI子程序后面板图

图5是基于Labview8.5的心音信号数字滤波器VI子程序前面板图

图6是基于Labview8.5的心音信号数字滤波器VI子程序后面板图

图7是基于Labview8.5的心音信号幅值特征值及谱分析VI子程序前面板图

图8是基于Labview8.5的心音信号幅值特征值及谱分析VI子程序后面板图

图9是基于Labview8.5的心音信号功率谱分析VI子程序前面板图

图10是基于Labview8.5的心音信号功率谱分析VI子程序后面板图

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，是基于Labview开发平台的心音信号检测与分析系统的硬件组成原理框图。心音传感器1，检测人体心音信号，并将其转换为电信号，送给心音信号放大器2。心音信号放大器2，对心音传感器检测到的微弱电信号进行放大，送给微机USB接口摸块3。微机USB接口摸块3，该模块属智能模块，由高度集成化信号处理电路、A/D转换、USB通信电路等组成，输出数字音频信号。其作用是将放大后的心音信号经A/D转换，以USB通信方式将心音数字信号送给微机系统4。微机系统4，包括主机、显示器、打印机、键盘、鼠标、系统软件(WindowsXP)和应用软件(Labview8.5)。其作用是完成对心音信号的采集、显示、存贮、处理、分析等。基于Labview8.5的心音信号采集VI子程序，如图3、图4所示。

如图2所示，是心音信号分析软件系统组成原理框图。处理过程如下：首先将硬件采集的心音数据送数字滤波器处理，滤除干扰噪声，然后分别进行时域分析、频域分析和其它方法分析。在对心音信号进行各种分析之前，要进行加窗处理，得到有限长的序列心音信号。心音信号分析系统可以完成以下功能：数字滤波、加窗处理，时域分析、频域分析和其它方法分析。可以进行各种参数设置，包括采样设置、滤波器类型选择及其参数设置、窗函数类型选择等。下面分别叙述每个模块的原理及实现方法。

心音信号的数字滤波：在数字信号处理中，滤波具有极其重要的作用，数字滤波器已获得广泛应用。在测试领域中，越来越广泛地利用数字滤波方法进行滤波。利用数字滤波可以方便地从复杂的待测信号(包括有用信号、直流偏置、随机噪声和谐波频率成分等)中分离出某一特定频率的信号。由心音传感器检测到的心音信号多数混有不同程度的干扰，为了得到不失真的原始心音信号，在诊断分析前要进行必要的预处理——滤波。本发明针对心音信号中常见的干扰设计了基于labview8.5的心音信号数字滤波器。与一般的滤波器相比，可以更好的滤除心音信号中的干扰。对于心音信号中混叠有噪声信号，为了消除干扰，在进行FFT变换之前，要先进行滤波处理。本发明采用了巴特沃斯(Butterworth)、切比雪夫(Chebyshev)、椭圆(Ellipse)、贝塞尔(Bessel)等滤波器，可根据具体情况选择使用。基于labview8.5的心音信号数字滤波器系统如图5、图6所示。

心音信号的加窗处理：系统采用的是数字频谱分析原理，利用LabVIEW强大的数字信号处理功能，对系统硬件采集的心音数据进行滤波、加窗、FFT运算等处理，得到信号的幅度谱、相位谱以及功率谱。在采样过程中，对不同的频率信号，选用合适的采样速率，以满足采样定理，从而防止频率混叠。进行傅立叶变换的数据在理论上应为无限长的离散数据序列。实际上，我们只能对有限长的信号进行分析与处理，所以必须对无限长离散序列截断，只取采样时间内有限数据，这样就存在频谱泄漏，在本发明中用加窗的方法来减少频谱泄漏。心音信号时域分析软件模块：该模块包含心音信号的均值、方差、均方值、最大值、最小值、相关分析和卷积等的计算程序。心音信号是非平稳信号，其幅值特征值包括均值、方差、均方值等，在labview8.5开发软件中，DC表示信号均值；RMS-表示信号均方根值；aximum Peck-表示信号最大值；Minimum Peck-表示信号最小值；Peck to peck-表示信号峰峰值。在labview8.5开发软件中，实现心音信号时频分析的幅值特征值的求取.如图7、图8所示。设X(t)、Y(t)分别表示不同的两种心音信号，其相关的运算有三个步骤：(1)平移；(2)相乘；(3)积分.乘积曲线下所包含面积即为t时刻的卷积值。沿整个时间轴经个上述3个步骤后，即可得X(t)与Y(t)的相关曲线。其卷积的运算有四个步骤：

(1)反折；(2)平移；(3)相乘；(4)积分.乘积曲线下所包含面积即为t时刻的卷积值。沿整个时间轴经个上述4个步骤后，即可得X(t)与Y(t)的卷积曲线。在labview8.5开发软件中，实现相关与卷积运算的VI子程序从其功能上有简单明确的4种：自相关VI、互相关VI、卷积VI和反卷积VI。

心音信号频域分析软件模块：该模块包含心音信号的FFT、频谱分析、功率谱分析、相干函数分析等的计算程序。心音信号的FFT：1822年，Fourier正式出版推动世界科学研究进展的巨著《热的解析理论》(The-Analytic-Theoryof Heat)。由于这一理论成功地求解了困扰科学家150年之久的牛顿二体问题微分方程，因此Fourier分析成为几乎每个研究领域科学工作者乐于使用的数学工具，尤其是理论科学家。Heat)。由于这一理论成功地求解了困扰科学家150年之久的牛顿二体问题微分方程，因此Fourier分析成为几乎每个研究领域科学工作者乐于使用的数学工具，尤其是理论科学家。目前，Fourier的思想和方法得到广泛应用。Fourier分析的主要内容：从本质上讲，Fourier变换就是一个棱镜(Prism)，它把一个信号函数分解为众多的频率成分，这些频率又可以重构原来的信号函数，这种变换是可逆的且保持能量不变。

总之，心音信号FFT是心音信号功率谱、互谱、频率响应函数、相干函数等经典频域分析和许多相关分析方法的基础。利用它可以直接对长度为N的离散数据序列进行DFT变换。由于FFT在频域分析中的广泛应用，因此，在微机程序中，往往只有FFT子程序或函数，而没有DFT子程序或函数。对心音信号作FFT，一般按以下步骤选取参数：(1)估计X(t)的截止频率f_max或按所需的最高频率对X(t)作低通滤波；(2)估计所需的频率分辨率Δf₁；(3)确定采样间隔Δ或采样频率f_s(Δ≦1/2f_max或f_s≧2f_max)；(4)确定X(t)的一个样本的最小采样长度N_min(N_min＝1/(Δf₁Δ))；(5)对以2为基的FFT，按2的整数次幂及N≧N_min圆整采样点数；由以上各步骤确定的采样间隔Δ和采样长度N将无混叠误差产生，且保证了FFT后的谱线间隔Δf＝1/(NΔ)<Δf₁。(6)选取适当的窗函数以减小泄露误差。

心音信号的谱分析主要包含以下内容：(1)频谱分析：包括幅值谱和相位谱、实部频谱和虚部频谱；(2)功率谱分析：包括自谱和互谱；(3)频率响应函数分析：系统输入信号与系统输出信号频谱之比；(4)相干函数分析：系统输入信号与系统输出信号之间频谱的相关程度。离散傅里叶变换是上述心音信号的谱分析技术在微机中实现的基础。在Labview 8.5中，有基本的傅里叶变换VI子程序，可根据需要编写其他频谱分析VI子程序.如图9、图10所示。

心音信号的其它分析方法软件模块：该模块包含心音信号的STFT的能量联合时频分布、WVD的能量联合时频分布、基于Daubechies4的小波基的小波变换等的计算程序。短时傅立叶变换(Short Time Fourier Transform，STFT)，将一个信号的STFT定义如下：

$S(\mathrm{\&omega;},t)=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}{{\&Integral;}_{-\&infin;}^{+\&infin;}e}^{-\mathrm{jat}}s\left(\mathrm{\&tau;}\right)h(\mathrm{\&tau;}-t)\mathrm{d\&tau;}$

其中h(t)是窗函数.沿时间轴移动分析窗，我们可以得到两维的时频平面。STFT方法最大的优点是容易实现。STFT分析实质上是限制了时间窗长的Fourier分析.

STFT只能选定一个固定的窗函数，且STFT分析受限于不确定性原理，较长的窗可以改善频域解但会使时域解变糟；而较短的窗尽管能得到好的时域解，频域解却会变得模糊。使用该分析方法能同时刻画出心音信号的时域和频域特征。是联合时频分析的一种。在Labview8.5中，STFT时频图{X}，该二维数组用于描述联合时频域中的时间波形能量分布。VI使用下列公式计算STFT时频图{X}中的行数(时间轴)：

行数＝(X中的元素个数/时间增量)，然后向下取整。

VI使用下列公式计算STFT时频图{X}中的列数(频率轴)：

列数＝((X中的元素个数/2)+1)，然后向下取整。

Wigner-Ville分布(WVD)，实际信号s(t)的Wigner-Ville分布定义为：

$\mathrm{WVD}(t,\mathrm{\&omega;})={\&Integral;}_{-\&infin;}^{+\&infin;}X(t+\frac{\mathrm{\&tau;}}{2})X^{*}(t-\frac{\mathrm{\&tau;}}{2})e^{-\mathrm{\&omega;\&tau;}}\mathrm{d\&tau;}$

式中：x(t)为s(t)的解析信号。在Wigner-Ville分布中使用解析信号x(t)而不是原实际信号s(t)的优点在于：第一，解析信号的处理中只采用频谱正半部分，因此不存在由正频率项和负频率项产生的交叉项；第二，使用解析信号不需要过采样，同时可避免不必要的畸变影响。用此方法计算心音信号频率在时频平面上的分布。是联合时频分析的一种。

基于Daubechies4的小波基的小波变换，小波分析是目前数学中一个迅速发展的新领域，它同时具有理论深刻和应用十分广泛的双重意义。它与Fourier变换、视窗Fourier变换(Gabor变换)相比，这是一个时间和频率的变换，因而能有效的从信号中提取特真信息，通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化分析(Multiscale Analysis)，解决了Fourier变换不能解决的许多困难问题，从而小波变化被誉为“数学显微镜”，它是信号分析发展史上里程碑式的进展。小波算法是一种时频分析方法，广泛应用于信号分析和图像处理等领域。小波包分解可以对信号的全频段正交分解，提高信号在频域中的分辨率，不仅可以看到信号的概貌，也可以看到细节，在分析处理时能方便地提取信号特征。小波包分解后信号的时域分辨率降低，用重构算法可以提高时域分辨率。小波包分解和重构信号时无冗余、无泄漏，信息量是完整的。LabVIEW的小波包分析使用Wavelet TransformDaubechies4VI的Daubechies4函数，以点积的方法求出小波包变换。

总之，该系统可以直观形象地反映出各组心音信号在不同时域、频域与强度范围内细节性的信息，丰富了心音分析的内容，可以直接观察到它所包含的有利于疾病诊断和鉴别诊断的特征信息。研究中选择了时域参数，反映了各心音成分所含能量的大小，可提示心音和杂音的强度变化；频域参数，反映了波谱能量随频率的分布情况。结果表明，对室间隔缺损患者、二间瓣狭窄患者、冠心病患者等，与正常人对比，能量明显增高或降低。通过心音时频分析和其它分析能获取对冠心病早期诊断具有重要参考价值的病变信息。是心音相关疾病诊断的有效工具。系统可在各级医疗单位普及使用。

Claims (7)

1. 【权利要求1】一种基于Labview开发平台的心音信号检测与分析系统。其特征在于：该系统由心音信号检测硬件部分和心音信号分析处理软件系统两部分组成。心音信号检测硬件部分由心音传感器、心音信号放大器、微机USB接口摸块、微机系统组成；心音信号分析软件系统由WindowsXP系统软件、Labview开发软件以及由其各个功能子程序组成的心音信号分析模块。该系统能完成心音信号的采集、显示、回放、存贮以及时域和频域分析。
2. 【权利要求2】权利要求1中所述的心音信号分析模块。其特征在于：所述的心音信号分析模块包括心音信号的采集、显示、回放、存贮软件模块，心音信号时域分析软件模块，心音信号频域分析软件模块，心音信号其它方法分析软件模块.
3. 【权利要求3】权利要求2中所述的心音信号的采集、显示、回放、存贮软件模块，心音信号时域分析软件模块，心音信号频域分析软件模块，心音信号其它方法分析软件模块。全部心音信号分析软件模块均基于Labview开发平台及其附属软件包研发而成。
4. 【权利要求4】权利要求2和权利要求3中所述的心音信号的采集、显示、回放、存贮软件模块。其特征在于：该模块的心音信号的采集、显示、回放、存贮等功能是在Labview开发平台下，利用其相应的功能子程序(VI)，编制而成。
5. 【权利要求5】权利要求2和权利要求3中所述的心音信号的时域分析软件模块。其特征在于：该模块包含心音信号的均值、方差、均方值、最大值、最小值、相关分析和卷积等的计算程序。该计算程序是在Labview开发平台下，利用其相应的功能子程序(VI)，编制而成。
6. 【权利要求6】权利要求2和权利要求3中所述的心音信号的频域分析软件模块。其特征在于：该模块包含心音信号的FFT、频谱分析、功率谱分析、相干函数分析等的计算程序。该计算程序是在Labview开发平台下，利用其相应的功能子程序(VI)，编制而成。
7. 【权利要求7】权利要求2和权利要求3中所述的心音信号的其它方法分析软件模块。其特征在于：该模块包含心音信号的STFT的能量联合时频分布、WVD的能量联合时频分布、基于Daubechies4的小波基的小波变换等的计算程序。该计算程序是在Labview开发平台下，利用其相应的功能子程序(VI)，编制而成。

Images