CN108682433A - 基于mfcc的一阶差分系数的心音类型识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于MFCC的一阶差分系数的心音类型识别方法，包含心音信号预处理、心音信号的自相关分段、心音信号的EMD分解，并筛选出主IMF分量、心音信号的MFCC的一阶差分系数提取算法、心音信号的训练和识别。本发明针对心音为周期信号的特点，提供的基于主IMF分量MFCC的一阶差分系数的心音类型识别方法，可有效提高识别率。
Description
技术领域
本发明涉及心音类型识别方法技术领域，特别涉及一种基于MFCC的一阶差分系数的心音类型识别方法。
背景技术
作为心脏及大血管机械运动所产生的振动信号，心音是人体最重要的生理信号之一。当心血管疾病尚未发展到足以产生临床及病理改变以前，心音中就会出现一些重要的病理信息，这些病理信息在许多疾病中都有特征性体现，这对心血管疾病的诊断和病情的估计都是十分有意义的。因此，心音分析是无创检测心血管疾病的重要手段，已经成为临床辅助诊断该类疾病的有效方法之一。
经验模式分解(EMD)是一种有效的时频分析方法，能自适应地将任何信号按频率由高到低分解成多个固有模态函数(Intrinsic Mode Function，IMF)，每个IMF分量包含原信号不同时间尺度的局部特征，对其分析可以更准确的反映原信号细节特征的相关信息。由于EMD分解是基于信号局部的时变特点，因此它非常适合处理非线性和非平稳信号。
针对心音信号为非线性非平稳信号的特点，故利用EMD对复杂的心音信号进行分解，再从分解得到的IMF分量中提取信号的特征信息更能反映心音的内在本质信息。Mel频率倒谱系数(MFCC)基于人耳对不同频率的语音具有不同的感知能力而提出，具有较好的鲁棒性，广泛应用于语音信号处理并取得较好的识别效果，而心音和语音都是振动信号且具有相似的特点，因此可将其应用于心音特征提取，以期有效提高识别率。
发明内容
本发明的目的是基于背景技术，针对心音为周期信号的特点，提供一种基于主IMF分量MFCC的一阶差分系数的心音类型识别方法，可有效提高识别率。
为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：
基于MFCC的一阶差分系数的心音类型识别方法，包含以下步骤：
步骤一：心音信号预处理；
A1.对收到的心音数据进行重采样；
A2.对重采样后的心音信号进行巴特沃斯低通滤波；
A3.对滤波后的心音信号进行去噪；
步骤二：心音信号的自相关分段；
B1.计算去噪后的心音数据的幅度均值；
B2.设定参数:重采样后，一个心音周期的最小点数s_min＝750，心音周期的最大点数s_max＝2500；
B3.由心音信号长度以及一个心音周期的最大长度相除得到该心音信号的分段数M；
B4.将这M段心音数据从开始到结束依次两两组合，若M为奇数则有多余的分段，多余的分段舍去；
B5.寻找每个组合段中第一个第一心音的起始点；
B6.计算组合段内所找到的第一心音起始点所在的心音周期与该段内的下个心音周期的自相关系数，并保存；
B7.选择所有组合段中最大的自相关系数所在的心音周期，作为分段结果；
步骤三：心音信号的EMD分解，并筛选出主IMF分量；
C1.确定心音信号x(t)所有的局部极大值和局部极小值；
C2.利用三次样条插值法对极值点进行处理得到极大值和极小值包络，并求出包络均值曲线m(t)，并用x(t)减去m(t)得：
h1(t)＝x(t)-m(t)；
C3.将h1(t)作为新的信号继续重复k次步骤C2得到h1k(t)，此时标准差SD为:
C4.若SD≤0.3，令h1k(t)＝cc1(t)即为所求的第一个固有模态分量IMF1，则剩余分量r1(t)＝x(t)-cc1(t)；
C5.对r1(t)重复步骤C4直至rn(t)为一单调函数，则分解过程结束，则此时心音信号x(t)可表示为：
步骤四：心音信号的MFCC的一阶差分系数提取算法；
D1.预加重滤波器；将心音信号x(t)通过一个高通滤波器，形式为：H(z)＝1-a*(z-1)，其中系数a的值介于0.9和1.0之间；
D2.计算每个固有模态分量IMF的MFCC；
D3.计算MFCC的一阶差分系数；在提取MFCC以后即可计算其一阶差分系数，将其记为△MFCC，其计算公式为：
其中c(n)为一帧心音信号的MFCC特征参数序列，k为常数；
步骤五：心音信号的训练和识别；
E1.将采集的N种类型的心音信号分为两组，一组作为训练样本，另一组作为测试样本；
E2.对训练组和测试组的心音信号进行EMD分解后每个IMF分量MFCC的一阶差分系数提取并保存；
E3.将提取到的训练样本以及测试样本的特征参数输入分类器进行分类处理，完成对不同心音类型的识别。
进一步地，所述步骤A1具体为对收到的心音信号进行5点重采样，采样频率为2205Hz。
进一步地，所述步骤A2具体为：对重采样后的心音信号进行滤波，设置通带最大衰减为3db，阻带最小衰减为18db。
进一步地，所述步骤A3采用dmey小波变换对滤波后的心音信号进行去噪。
进一步地，所述步骤B5中避免起点正好位于第一心音处，以连续100个点小于心音数据的幅值均值作为判定第一心音起始点的条件。
进一步地，所述步骤D2具体为：
D21.将自相关分段后的心音信号进行快速傅里叶变换；
D22.取平方计算心音信号的离散功率谱，将频谱能量乘以一组L个三角带通滤波器，求得每一个滤波器输出的对数能量，共L个；
D23.将上述的L个对数能量带入离散余弦变换，求出倒谱域参数：
k＝1,2,...,P；
其中{C}即为MFCC参数，P为MFCC的阶数，pj为第j个功率值参数，j为当前滤波器。
进一步地，所述步骤E3中的分类器为libsvm分类器。
进一步地，所述步骤D3中，k的取值为2。
本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：
本发明的基于MFCC的一阶差分系数的心音类型识别方法，通过改进提取MFCC这一倒谱域参数，来提取能表征不同类型心音特点的深层次信息，针对心音信号为非线性非平稳信号的特点，利用EMD对复杂的心音信号进行分解，再从分解得到的IMF分量中提取信号的特征信息更能反映心音的内在本质信息，同时利用具有较好的鲁棒性的Mel频率倒谱系数(MFCC)来进行心音信号处理，实现正常与几大类异常心音信号的有效识别，且识别精度较高，非常适合临床辅助诊断心血管疾病。
具体实施方式
下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。
实施例：
一种基于主IMF分量MFCC的一阶差分系数的心音类型识别方法，包括以下步骤：
第一步.心音信号预处理；
A1.对收到的心音数据进行重采样；
A2.对重采样后的信号进行巴特沃斯低通滤波；
A3.对滤波后的心音信号进行去噪。
其中，步骤A1对收到的心音信号进行5点重采样，采样频率为2205Hz；步骤A2对重采样后的信号进行滤波，设置通带最大衰减为3db，阻带最小衰减为18db；步骤A3采用小波变换对滤波后的心音信号进行去噪，且本实施例中具体采用dmey小波。
第二步.心音信号的自相关分段；
B1.计算去噪后的心音数据的幅度均值；
B2.设定参数:重采样后，一个心音周期的最小点数s_min＝750，心音周期的最大点数s_max＝2500；
B3.由心音信号长度以及一个心音周期的最大长度相除得到该心音信号的分段数M；
B4.将这M段心音数据从开始到结束依次两两组合，若M为奇数则有多余的分段，多余的分段舍去；
B5.寻找每个组合段中第一个第一心音的起始点；
B6.计算组合段内所找到的第一心音起始点所在的心音周期与该段内的下个心音周期的自相关系数，并保存；
B7.选择所有组合段中最大的自相关系数所在的心音周期，作为分段结果。
其中，步骤B5避免起点正好位于第一心音处，以连续100个点小于心音数据的幅值均值作为判定第一心音起始点的条件。
第三步.心音信号的EMD(Empirical Mode Decomposition，经验模式分解)分解，并筛选出主IMF(Intrinsic Mode Function，固有模态函数)分量；
对于一心音信号x(t)，首先确定出信号所有的局部极大值和局部极小值，然后利用三次样条插值法对极值点进行处理得到极大值和极小值包络，并求出包络均值曲线m(t)，用x(t)减去m(t)可得：
h1(t)＝x(t)-m(t)
将h1(t)作为新的信号继续重复k次上述步骤得到h1k(t)，此时标准差SD为:
若SD≤0.3，令h1k(t)＝cc1(t)即为所求的第一个固有模态分量IMF1，则剩余分量r1(t)＝x(t)-cc1(t)，对r1(t)重复上述步骤直至rn(t)为一单调函数，则分解过程结束。则此时信号x(t)可表示为：
EMD通过迭代的方法将IMF分量按照频率由高到低的顺序依从原始信号中分离出来，它们充分体现了原始信号所包含的细节成分。
由于不同的心音信号的频率范围有所差异，则不同的心音信号所分解出来的IMF个数也不同，而原始信号最主要的本质信息往往集中体现在某几个IMF分量上，加上虚假分量的存在，因此必须对IMF分量进行筛选。
互相关函数是判断在频域内两个信号是否相关的一个指标，它可以用来确定目标信号有多大可能性来自于输入信号。故可采用互相关系数准则对IMF分量筛选，即计算每阶IMF分量与原消噪后的心音信号之间的互相关系数，选择系数较大的IMF分量作为主IMF分量。
本实施例中通过分析大量实验数据表明，前四阶IMF分量与原去噪后的心音信号具有较强的相关性，因此选择IMF1～IMF4作为主IMF分量。
第四步.心音信号的MFCC的一阶差分系数提取算法；
在确定了主IMF分量即IMF1～IMF4后，分别对每个IMF分量单独提取特征参数MFCC的一阶差分系数。
D1.预加重滤波器；
D2.计算每个IMF分量的MFCC；
其中，步骤D1将心音信号s(n)通过一个高通滤波器，形式为：
H(z)＝1-a*(z-1)，其中系数a的值介于0.9和1.0之间。
步骤D2将自相关分段后的心音信号进行快速傅里叶变换，然后取平方计算心音信号的离散功率谱；将频谱能量乘以一组L个三角带通滤波器，求得每一个滤波器输出的对数能量，共L个；将上述的L个对数能量带入离散余弦变换，求出倒谱域参数：k＝1,2,...,P
其中{C}为MFCC参数，P为MFCC的阶数，pj为第j个功率值参数，j为当前滤波器。
D3：计算MFCC的一阶差分系数。
在提取MFCC以后即可计算其一阶差分系数，将其记为△MFCC，其计算公式为：
其中c(n)为一帧心音信号的MFCC特征参数序列，k为常数，通常取2。
第五步.心音信号的训练和识别。
E1.对采集的N种类型的心音信号，分为两组，一组作为训练样本，另一组作为测试样本；
E2.对训练组和测试组的心音信号进行EMD分解后每个IMF分量MFCC的一阶差分系数提取，并保存；
E3.将提取到的训练样本以及测试样本的特征参数输入libsvm分类器进行分类处理，完成对不同心音类型的识别。
因此，本发明的方法具体是先根据心音的特点，提出心音的自相关分段算法；再使心音信号经EMD分解得到有限个固有模态函数(Intrinsic Mode Function，IMF)，利用互相关系数准则筛选出主IMF分量，再提取主IMF分量MFCC的一阶差分系数，使之更加适合非稳定周期信号，以提高识别精度，最后对正常以及各个异常的病例信号进行有效的识别。
其主要通过主IMF分量MFCC的一阶差分系数这一特征，以表征不同类型心音特点的深层次信息，实现心音信号的有效识别，同时也为心音信号的分类识别提供了一种新的方法。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.基于MFCC的一阶差分系数的心音类型识别方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤一：心音信号预处理；
A1.对收到的心音数据进行重采样；
A2.对重采样后的心音信号进行巴特沃斯低通滤波；
A3.对滤波后的心音信号进行去噪；
步骤二：心音信号的自相关分段；
B1.计算去噪后的心音数据的幅度均值；
B2.设定参数:重采样后，一个心音周期的最小点数s_min＝750，心音周期的最大点数s_max＝2500；
B3.由心音信号长度以及一个心音周期的最大长度相除得到该心音信号的分段数M；
B4.将这M段心音数据从开始到结束依次两两组合，若M为奇数则有多余的分段，多余的分段舍去；
B5.寻找每个组合段中第一个第一心音的起始点；
B6.计算组合段内所找到的第一心音起始点所在的心音周期与该段内的下个心音周期的自相关系数，并保存；
B7.选择所有组合段中最大的自相关系数所在的心音周期，作为分段结果；
步骤三：心音信号的EMD分解，并筛选出主IMF分量；
C1.确定心音信号x(t)所有的局部极大值和局部极小值；
C2.利用三次样条插值法对极值点进行处理得到极大值和极小值包络，并求出包络均值曲线m(t)，并用x(t)减去m(t)得：
h1(t)＝x(t)-m(t)；
C3.将h1(t)作为新的信号继续重复k次步骤C2得到h1k(t)，此时标准差SD为:
C4.若SD≤0.3，令h1k(t)＝cc1(t)即为所求的第一个固有模态分量IMF1，则剩余分量r1(t)＝x(t)-cc1(t)；
C5.对r1(t)重复步骤C4直至rn(t)为一单调函数，则分解过程结束，则此时心音信号x(t)可表示为：
步骤四：心音信号的MFCC的一阶差分系数提取算法；
D1.预加重滤波器；将心音信号x(t)通过一个高通滤波器，形式为：H(z)＝1-a*(z-1)，其中系数a的值介于0.9和1.0之间；
D2.计算每个固有模态分量IMF的MFCC；
D3.计算MFCC的一阶差分系数；在提取MFCC以后即可计算其一阶差分系数，将其记为△MFCC，其计算公式为：
其中c(n)为一帧心音信号的MFCC特征参数序列，k为常数；
步骤五：心音信号的训练和识别；
E1.将采集的N种类型的心音信号分为两组，一组作为训练样本，另一组作为测试样本；
E2.对训练组和测试组的心音信号进行EMD分解后每个IMF分量MFCC的一阶差分系数提取并保存；
E3.将提取到的训练样本以及测试样本的特征参数输入分类器进行分类处理，完成对不同心音类型的识别。
2.根据权利要求1所述的基于MFCC的一阶差分系数的心音类型识别方法，其特征在于，所述步骤A1具体为对收到的心音信号进行5点重采样，采样频率为2205Hz。
3.根据权利要求1所述的基于MFCC的一阶差分系数的心音类型识别方法，其特征在于，所述步骤A2具体为：对重采样后的心音信号进行滤波，设置通带最大衰减为3db，阻带最小衰减为18db。
4.根据权利要求1所述的基于MFCC的一阶差分系数的心音类型识别方法，其特征在于，所述步骤A3采用dmey小波变换对滤波后的心音信号进行去噪。
5.根据权利要求1所述的基于MFCC的一阶差分系数的心音类型识别方法，其特征在于，所述步骤B5中避免起点正好位于第一心音处，以连续100个点小于心音数据的幅值均值作为判定第一心音起始点的条件。
6.根据权利要求1所述的基于MFCC的一阶差分系数的心音类型识别方法，其特征在于，所述步骤D2具体为：
D21.将自相关分段后的心音信号进行快速傅里叶变换；
D22.取平方计算心音信号的离散功率谱，将频谱能量乘以一组L个三角带通滤波器，求得每一个滤波器输出的对数能量，共L个；
D23.将上述的L个对数能量带入离散余弦变换，求出倒谱域参数：
其中{C}即为MFCC参数，P为MFCC的阶数，pj为第j个功率值参数，j为当前滤波器。
7.根据权利要求1所述的基于MFCC的一阶差分系数的心音类型识别方法，其特征在于，所述步骤E3中的分类器为libsvm分类器。
8.根据权利要求1所述的基于MFCC的一阶差分系数的心音类型识别方法，其特征在于，所述步骤D3中，k的取值为2。
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