CN109998514A - 一种非规则心音信号的心率计算方法 - Google Patents

一种非规则心音信号的心率计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非规则心音信号的心率计算方法,包括对获得心音信号进行滤波去噪、对去噪后的心音信号进行二值化处理、初定第一心音S1和第二心音S2的坐标位置、计算第一心音分裂情形下的心率。本发明的非规则心音信号的心率计算方法可以准确的获得非规则心音信号特别是第一心音分裂的心音信号对应的心率，相较常规的心音信号处理及心率计算方法，本申请的技术方案对心音信号处理识别的准确率有很大提高，对后续的进一步分析意义重大。

Description

一种非规则心音信号的心率计算方法
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，特别涉及一种非规则心音信号的心率计算方法。
背景技术
心音是在心动周期中由于心肌收缩舒张、瓣膜启闭及血流冲击心室壁、大动脉壁等引起的机械振动所产生的声音。心音是了解心脏状态的一项重要手段，具有心电监测不可取代的临床价值。心音信号作为一种不稳定的周期循环信号，将其正确分段就能获得独立的周期，从而快速计算出心率，便于进行进一步的分析识别。
常规采集到的心音信号一般包含第一心音(S1)和第二心音(S2)，当前第一心音的时刻到下一个第一心音(临S1)的时刻间距称为一个心音周期。目前大多数技术方案对心音的分段分析都是建立在这种常规模式下的，但是心音的类型不局限于这一种，有一些非规则的心音类型也很常见，如果能对非规则心音进行正确的分段，会对心音信号处理识别的准确率有很大提高，对后续的分析意义重大。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术中不足，提供一种非规则心音信号的心率计算方法，对第一心音分裂这种情况的非规则信号进行分段，每个分段为一个心音周期，并基于此计算心率。
为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：
一种非规则心音信号的心率计算方法，主要通过多次校正，最后筛选出正确的心音周期，用于计算心率与后续分析，具体包括以下步骤：
第一步：对获得心音信号进行滤波去噪；
第二步：对去噪后的信号进行二值化处理；
具体包括：
首先，将去噪后的信号的幅值取绝对值，然后计算平均幅值m1；
其次，根据得出的平均幅值m1，计算第一幅值阈值T1，T1＝m1*(2–M1/N1)，其中，M1为获得的信号中幅值大于m1的信号点的个数，N1为获得的信号中包含的信号点的总个数；
最后，将幅值小于第一幅值阈值T1的信号点剔除，并对剩余的信号点再次进行求取平均幅值m2，并将求得的平均幅值m2作为第二幅值阈值T2；
第三步：初定第一心音S1和第二心音S2的坐标位置，具体包括：
对经第二步剔除处理后剩余的信号点，将幅值小于第二幅值阈值T2的信号点剔除，对于剩下的信号点以一个单位时间t为一个步长，且一个步长为一个区域单位，求取每个区域单位中幅值最大的信号点的横坐标(时间点)，本技术方案中以60ms为一个步长，并依次将得到的横坐标按照作为第一周期S1前、S1后、S2，第二周期S1前、S1后、S2，……，直至最后一个周期的S1前、S1后、S2(若最后一个周期中仅包含S1前或仅包含S1前、S1后则将该周期的数据剔除)的顺序存储于数组a中；
第四步：计算第一心音分裂情形下的心率，具体包括：
步骤一：将数组a中存储的数据：第一周期的S1前、S1后、S2，第二周期的S1前、S1后、S2，依次记为S1前、S1后、S2和临S1前、临S1后、临S2；
步骤二：根据心率计算公式R＝60*f/(临S1前-S1前)，f为信号的采样频率，得到一个心率值R1；
步骤三：计算参数r11，r11＝S2-S1前，其中，r11代表一个周期中第一心音到第二心音的时间间隔；
步骤四：计算参数r12,r12＝临S1前–S2；r12代表一个周期的第二心音到相邻下一个周期的第一心音的时间间隔；
步骤五：判定将各周期S1前作为该周期的第一心音S1是否可信：
若计算出的数据满足心率R1在[30,240]的范围内，且r11<r12,则进入步骤六，否则，剔除数组a中第一周期的S1前、S1后、S2数据，并将数组a中当前的第二个周期记为第一个周期，第三周期记为第二周期，并返回步骤一；
步骤六：把数组a中，第二周期的S1前、S1后、S2作为新的S1前、S1后、S2，将第三周期的S1前、S1后、S2作为新的临S1前、临S1后、临S2，根据心率计算公式R＝60*f/(临S1前-S1前)，得到第二个心率值并记为R2，并进入以下判断步骤：
S1.如果|R1–R2|/(R1+R2)<THres,THres为经验阈值，本技术方案设定为0.15，则判定将第一周期的S1前作为该周期的第一心音S1可信，则将第一周期的第一心音S1保存在新的数组b中，并将数组a中当前的第二个周期记为第一个周期，第三周期记为第二周期后并返回步骤一；
S2.如果|R1–R2|/(R1+R2)>THres,且R1<R2,则用第二周期的S1后的值替代心率计算公式中临S1前的值重新计算心率值R2,并再次判定，如果新的心率值R2满足|R1–R2|/(R1+R2)<THres,则判定将第一周期的S1前作为该周期的第一心音S1可信，则将第一周期的第一心音S1保存在新的数组b中,并将数组a中当前的第二个周期记为第一个周期，第三周期记为第二周期后并返回步骤一；
否则，就舍弃当前的第一周期将第一周期的数据剔除，并将数组a中当前的第二个周期记为第一个周期，第三周期记为第二周期，并返回步骤一；
S3.如果|R1–R2|/(R1+R2)>THres,且R1>＝R2，则用第二周期的S2的值替代心率计算公式中临S1前的值重新计算心率值R2,并再次判定，如果新的心率值R2满足|R1–R2|/(R1+R2)<THres,则判定将第一周期的S1前作为该周期的第一心音S1可信，则将第一周期的第一心音S1保存在新的数组b中,并将数组a中当前的第二个周期记为第一个周期，第三周期记为第二周期后并返回步骤一；
否则，就舍弃当前的第一周期将第一周期的数据剔除，并将数组a中当前的第二个周期记为第一个周期，第三周期记为第二周期，并返回步骤一；
步骤七：遍历完所有数组a中保存的所有周期的数据后，即可得出保存在数组b中的一系列可信第一心音S1的位置数据，并将数组b中两两相邻的第一心音S1中，第二个S1记为临S1，如数组b中保存的前3个第一心音S1，则在第一个S1与第二个S1的组合中，第二个S1为临S1，在第二个S1与第三个S1的组合中，第三个S1为临S1的规律，通过心率计算公式R＝60*f/(临S1-S1)，得出获取的心音信号的实时心率。
本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：
通过本申请的技术方案可以准确的获得非规则心音信号特别是第一心音分裂的心音信号对应的心率，相较常规的心音信号处理及心率计算方法，本申请的技术方案对心音信号处理识别的准确率有很大提高，对后续的进一步分析意义重大。
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：
一种非规则心音信号的心率计算方法，特别是一种第一心音分裂的心音信号的心率计算方法，主要通过多次校正，最后筛选出正确的心音周期，以便用于计算心率与后续分析，具体包括以下步骤：
步骤1：对获得心音信号进行滤波去噪；
步骤2：对去噪后的信号进行二值化处理；
具体包括：
步骤2.1，将去噪后的信号的幅值取绝对值，然后计算平均幅值m1；
步骤2.2，根据得出的平均幅值m1，计算第一幅值阈值T1，T1＝m1*(2–M1/N1)，其中，M1为获得的信号中幅值大于m1的信号点的个数，N1为获得的信号中包含的信号点的总个数；
步骤2.3，将幅值小于第一幅值阈值T1的信号点剔除，并对剩余的信号点再次进行求取平均幅值m2，并将求得的平均幅值m2作为第二幅值阈值T2；
步骤3：初定第一心音S1和第二心音S2的坐标位置，具体包括：
对经步骤2.3剔除处理后剩余的信号点，将幅值小于第二幅值阈值T2的信号点剔除，对于剩下的信号点以一个单位时间t为一个步长，且一个步长为一个区域单位，求取每个区域单位中幅值最大的信号点的横坐标(时间点)，本技术方案中以60ms为一个步长，并依次将得到的横坐标按照作为第一周期S1前、S1后、S2，第二周期S1前、S1后、S2，……，直至最后一个周期的S1前、S1后、S2(若最后一个周期中仅包含S1前或仅包含S1前、S1后则将该周期的数据剔除)的顺序存储于数组a中；
步骤4：计算第一心音分裂情形下的心率，具体包括：
步骤4.1：将数组a中存储的数据：第一周期的S1前、S1后、S2，第二周期的S1前、S1后、S2，依次记为S1前、S1后、S2和临S1前、临S1后、临S2；
步骤4.2：根据心率计算公式R＝60*f/(临S1前-S1前)，f为信号的采样频率，得到一个心率值R1；
步骤4.3：计算参数r11，r11＝S2-S1前，其中，r11代表一个周期中第一心音到第二心音的时间间隔；
步骤4.4：计算参数r12,r12＝临S1前–S2；r12代表一个周期的第二心音到相邻下一个周期的第一心音的时间间隔；
步骤4.5：判定将各周期S1前作为该周期的第一心音S1是否可信：
若计算出的数据满足心率R1在[30,240]的范围内，且r11<r12,则进入步骤六，否则，剔除数组a中第一周期的S1前、S1后、S2数据，并将数组a中当前的第二个周期记为第一个周期，第三周期记为第二周期，并返回步骤4.1；
步骤4.6：把数组a中，第二周期的S1前、S1后、S2作为新的S1前、S1后、S2，将第三周期的S1前、S1后、S2作为新的临S1前、临S1后、临S2，根据心率计算公式R＝60*f/(临S1前-S1前)，得到第二个心率值并记为R2，并进入以下判断步骤：
步骤4.6.1.如果|R1–R2|/(R1+R2)<THres,THres为经验阈值，本技术方案设定为0.15，则判定将第一周期的S1前作为该周期的第一心音S1可信，则将第一周期的第一心音S1保存在新的数组b中，并将数组a中当前的第二个周期记为第一个周期，第三周期记为第二周期后并返回步骤4.1；
步骤4.6.2.如果|R1–R2|/(R1+R2)>THres,且R1<R2,则用第二周期的S1后的值替代心率计算公式中临S1前的值重新计算心率值R2,并再次判定，如果新的心率值R2满足|R1–R2|/(R1+R2)<THres,则判定将第一周期的S1前作为该周期的第一心音S1可信，则将第一周期的第一心音S1保存在新的数组b中,并将数组a中当前的第二个周期记为第一个周期，第三周期记为第二周期后并返回步骤4.1；
否则，就舍弃当前的第一周期将第一周期的数据剔除，并将数组a中当前的第二个周期记为第一个周期，第三周期记为第二周期，并返回步骤4.1；
步骤4.6.3.如果|R1–R2|/(R1+R2)>THres,且R1>＝R2，则用第二周期的S2的值替代心率计算公式中临S1前的值重新计算心率值R2,并再次判定，如果新的心率值R2满足|R1–R2|/(R1+R2)<THres,则判定将第一周期的S1前作为该周期的第一心音S1可信，则将第一周期的第一心音S1保存在新的数组b中,并将数组a中当前的第二个周期记为第一个周期，第三周期记为第二周期后并返回步骤4.1；
否则，就舍弃当前的第一周期将第一周期的数据剔除，并将数组a中当前的第二个周期记为第一个周期，第三周期记为第二周期，并返回步骤4.1；
步骤4.7：遍历完所有数组a中保存的所有周期的数据后，即可得出保存在数组b中的一系列可信第一心音S1的位置数据，并将数组b中两两相邻的第一心音S1中，第二个S1记为临S1，如数组b中保存的前3个第一心音S1，则在第一个S1与第二个S1的组合中，第二个S1为临S1，在第二个S1与第三个S1的组合中，第三个S1为临S1的规律，通过心率计算公式R＝60*f/(临S1-S1)，得出获取的心音信号的实时心率。
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 (3)

1.一种非规则心音信号的心率计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.对获得心音信号进行滤波去噪；
B.对去噪后的心音信号进行二值化处理：
B1.将去噪后的心音信号的幅值取绝对值，然后心音信号计算平均幅值m1；
B2.根据得出的平均幅值m1，计算第一幅值阈值T1，T1＝m1*(2–M1/N1)，其中，M1为获得的信号中幅值大于m1的信号点的个数，N1为获得的信号中包含的信号点的总个数；
B3.将幅值小于第一幅值阈值T1的信号点剔除，并对剩余的信号点再次进行求取平均幅值m2，并将求得的平均幅值m2作为第二幅值阈值T2；
C.初定第一心音S1和第二心音S2的坐标位置：
C1.对经步骤B剔除处理后剩余的信号点，将幅值小于第二幅值阈值T2的信号点剔除；
C2.对于剩下的信号点以一个单位时间t为一个步长，且一个步长为一个区域单位，求取每个区域单位中幅值最大的信号点的横坐标；
C3.依次将得到的横坐标按照作为第一周期S1前、S1后、S2，第二周期S1前、S1后、S2，…第n周期S1前、S1后、S2的顺序规律存储于数组a中，其中，若最后一个周期的仅包含S1前或仅包含S1前、S1后则将该周期的数据剔除；
D.计算第一心音分裂情形下的心率：
D1.将数组a中存储的数据：第一周期的S1前、S1后、S2，第二周期的S1前、S1后、S2，依次记为S1前、S1后、S2和临S1前、临S1后、临S2；
D2.根据心率计算公式R＝60*f/(临S1前-S1前)，f为信号的采样频率，得到一个心率值R1；
D3.计算参数r11，r11＝S2-S1前，其中，r11代表一个周期中第一心音到第二心音的时间间隔；
D4.计算参数r12,r12＝临S1前–S2；r12代表一个周期的第二心音到相邻下一个周期的第一心音的时间间隔；
D5.判定将各周期S1前作为该周期的第一心音S1是否可信：
若步骤D2至D5中计算出的数据满足心率R1在[30,240]的范围内，且r11<r12,则进入步骤D6，否则，剔除数组a中第一周期的S1前、S1后、S2数据，并将数组a中当前的第二周期记为第一周期，第三周期记为第二周期，并返回步骤D1；
D6.把数组a中，第二周期的S1前、S1后、S2作为新的S1前、S1后、S2，将第三周期的S1前、S1后、S2作为新的临S1前、临S1后、临S2，根据心率计算公式R＝60*f/(临S1前-S1前)，得到第二个心率值并记为R2，并进入以下判断步骤：
D6.1.如果|R1–R2|/(R1+R2)<THres,THres为经验阈值，本技术方案设定为0.15，则判定将第一周期的S1前作为该周期的第一心音S1可信，则将第一周期的第一心音S1保存在新的数组b中，并将数组a中当前的第二个周期记为第一个周期，第三周期记为第二周期后并返回步骤D1；
D6.2.如果|R1–R2|/(R1+R2)>THres,且R1<R2,则用第二周期的S1后的值替代心率计算公式中临S1前的值重新计算心率值R2,并再次判定，如果新的心率值R2满足|R1–R2|/(R1+R2)<THres,则判定将第一周期的S1前作为该周期的第一心音S1可信，则将第一周期的第一心音S1保存在新的数组b中,并将数组a中当前的第二个周期记为第一个周期，第三周期记为第二周期后并返回步骤D1；
否则，就舍弃当前的第一周期将第一周期的数据剔除，并将数组a中当前的第二个周期记为第一个周期，第三周期记为第二周期，并返回步骤D1；
D6.3.如果|R1–R2|/(R1+R2)>THres,且R1>＝R2，则用第二周期的S2的值替代心率计算公式中临S1前的值重新计算心率值R2,并再次判定，如果新的心率值R2满足|R1–R2|/(R1+R2)<THres,则判定将第一周期的S1前作为该周期的第一心音S1可信，则将第一周期的第一心音S1保存在新的数组b中,并将数组a中当前的第二个周期记为第一个周期，第三周期记为第二周期后并返回步骤D1；
否则，就将第一周期的数据剔除，并将数组a中当前的第二个周期记为第一个周期，第三周期记为第二周期，并返回步骤D1；
D7.遍历完所有数组a中保存的所有周期的数据后，得出一系列可信第一心音S1的位置数据并保存在数组b中的，并在将数组b中以每个两两相邻的第一心音S1则第二个S1记为临S1的规律，通过心率计算公式R＝60*f/(临S1-S1)，得出获取的心音信号的实时心率。
2.根据权利要求1所述的一种非规则心音信号的心率计算方法，其特征在于，所述步骤C2中，单位时间t为60ms。
3.根据权利要求1或2所述的一种非规则心音信号的心率计算方法，其特征在于，所述经验阈值THres的取值为0.15。
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