韋 哲 辛 邁 汪凌艷 趙 鈺

基于LabVIEW2011的心音信號STFT分析*

韋 哲①② 辛 邁①③* 汪凌艷④ 趙 鈺⑤

目的：為了便于對心音信號進(jìn)行分析，提高操作經(jīng)驗(yàn)不足人員的分析能力和病情診斷效率，實(shí)現(xiàn)對于病癥的快速鑒別。方法：引入短時傅里葉變換(STFT)理論進(jìn)行算法分析研究，利用LabVIEW2011進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)將一維的心音信號圖形轉(zhuǎn)化為有較強(qiáng)識別特征的強(qiáng)度圖譜形式。結(jié)果：成功利用所設(shè)計(jì)的程序?qū)崿F(xiàn)對心音信號基于STFT的圖譜分析，簡化了對于病情判別過程，提高了工作效率。結(jié)論：采用心音信號的STFT分析方法能夠?qū)崿F(xiàn)對于心音信號分析的優(yōu)化，可以起到預(yù)想的作用。

心音信號；LabVIEW2011；短時傅里葉變換

[First-author’s address]Lanzhou General Hospital, Lanzhou Military Area Command, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China.

短時傅里葉變換(short time Fourier transform，STFT)是當(dāng)前在信號處理和分析領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用的一類技術(shù)[1]。在圖像處理、油氣勘探、地質(zhì)學(xué)分析和聲信號處理等方面的應(yīng)用優(yōu)勢尤為突出，受到相關(guān)學(xué)者的重視[2-5]。給定一個時間寬度很短的窗函數(shù)γ(t)，令窗函數(shù)γ(t)在t軸上滑動，則信號x(t)的STFT表達(dá)為(公式1)：

STFT是信號x(t)在“分析時間t”附近的“局部頻譜”。公式1顯示，STFTx(t，f)既是時間的函數(shù)，也是頻率的函數(shù)，因此要根據(jù)所分析的信號特點(diǎn)來決定相關(guān)性能的取舍[6]。

實(shí)踐表明，STFT是一種最為直觀和簡單的時頻表示，能夠克服傳統(tǒng)傅里葉變換不能反映信號時頻局域性的缺陷[7]。該方法的應(yīng)用關(guān)鍵在于根據(jù)信號特征選取窗函數(shù)，本研究選取以Hanning窗(又稱升余弦窗)為例進(jìn)行分析[8]。

1 基于STFT的心音信號分析系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 整體設(shè)計(jì)構(gòu)成

通過心音信號采集傳感器采入心音信號；由于在前期分析設(shè)計(jì)階段進(jìn)行較多的準(zhǔn)備工作，使得最終設(shè)備的整體采集穩(wěn)定性好，噪聲雜波對于整體影響微小[9-10]。為了保險(xiǎn)起見，可根據(jù)具體情況選擇濾波方法(見“基于LabVIEW2011對心音信號時變?yōu)V波的實(shí)現(xiàn)”，“基于LabVIEW2011對心音信號連續(xù)小波變換濾波的實(shí)現(xiàn)”，“基于LabVIEW2011對心音信號離散小波變換濾波的實(shí)現(xiàn)”)；濾波處理之后將信號進(jìn)行STFT分析，系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

采集傳感器使用之前設(shè)計(jì)成功的基于2.4 G技術(shù)的無線傳感器，基于LabVIEW2011編程實(shí)現(xiàn)信號的實(shí)時采集顯示和重播復(fù)現(xiàn)在前期的研究中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。

1.2 基于STFT分析模塊的設(shè)計(jì)

根據(jù)STFT相關(guān)理論，將所需實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行程序化設(shè)計(jì)。利用LabVIEW2011的高級工具包[11]進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，其后面板如圖2所示。

圖2 基于STFT理論所設(shè)計(jì)分析終端后面板圖

2 實(shí)驗(yàn)論證

利用設(shè)備采集正常人的心音信號和心臟二尖瓣狹窄患者的心音進(jìn)行分析。如圖3、圖4所示，通過將圖3和圖4對比可見，利用STFT處理后的心音譜樣圖比單純的心音信號一維圖形具有更好的辨識性，通過譜樣強(qiáng)度圖的形式可以將信號的特征表現(xiàn)得更加明顯，在心臟病癥的識別方面為廣大分析者提供了便利[12-15]。

圖3 正常心音圖形和經(jīng)STFT后處理的譜樣圖

圖4 二尖瓣狹窄心音圖和經(jīng)STFT處理后的譜樣圖

3 結(jié)語

本研究相關(guān)患者心音數(shù)據(jù)來源于蘭州軍區(qū)蘭州總醫(yī)院干二科。目前，已利用該系統(tǒng)將各類患者30余例的心音信號進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化取樣、儲存及規(guī)范等工作。實(shí)際應(yīng)用證明：該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)基于STFT的心音信號分析，可提高心音相關(guān)心臟疾病臨床診斷的準(zhǔn)確性；同時，由于該系統(tǒng)的參數(shù)可根據(jù)患者病情的實(shí)際情況設(shè)定，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性[16]。

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Analysis on heart sound signal by STFT method based on LabVIEW2011/

WEI Zhe, XIN Mai, WANG Ling-yan, et al// China Medical Equipment,2014,11(1):20-21.

Objective:To make easy for the operators on the work of analyzing the heart sound signals, at the same time, for the purpose to improve unskillful operators analyze ability and diagnostic efficiency, at last to get the goal of fast diagnostic.Methods:We recommend STFT theory, then analyzed algorithm to design the programs by the way of LabVIEW2011,at last we realized to change one-dimensional heart sound signals into the form of intensity maps, which owns obvious recognition feature.Results:We have successfully used programs to realize the analysis on intensity maps, and also simplified judgmental process on illness. This method improves efficiency.Conclusion:Using the method described above can achieve the goal for improving the analysis method, it may work well as we thought before.

The heart sound signals; LabVIEW2011; Short time Fourier transform

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.01.007

1672-8270(2014)01-0020-02

R197.324

A

張代遠(yuǎn).基于LabVIEW的虛擬任意信號發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展(

)，2013(16)：7.

2013-07-05

甘肅省科技支撐課題(090NKCA092)“虛擬動態(tài)心音信號檢測與分析系統(tǒng)的研究”；蘭州軍區(qū)醫(yī)學(xué)課題(CLZ11JC03)“心音信號分析與研究”

①蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院 甘肅 蘭州 730050 ④中航工業(yè)雷達(dá)與電子設(shè)備研究院 江蘇 無錫 214000

②蘭州軍區(qū)蘭州總醫(yī)院信息科 甘肅 蘭州 730050 ⑤水下信息與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710075

③解放軍第94804部隊(duì) 上海 200000

*通訊作者：jiangwei_xm@aliyun.com

韋哲,男,(1963- ),博士，高級工程師。蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院、蘭州軍區(qū)蘭州總醫(yī)院信息科主任，從事醫(yī)學(xué)信號檢測和數(shù)據(jù)分析工作。