艾煒華 湯建明 巫昌霖 肖森源 黃 彬 曾慶寧

（桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的掘起，我們的生活方式同時(shí)也發(fā)生了翻天覆地的變化。首先是生活水平不斷的攀升，導(dǎo)致人們高脂高糖的飲食惡習(xí)；其次生活節(jié)奏的加快，生活壓力的增大等等增加了人們的緊張感和疲勞感，從而導(dǎo)致心血管疾病的發(fā)病率和死亡率呈上升趨勢(shì)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年死于心臟病或心血管疾病的人數(shù)占總死亡人數(shù)中24.7%，且該數(shù)字仍在逐年增長。心音信號(hào)是某些心臟疾病的直觀反映，對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行分析研究可以幫助人們及時(shí)的發(fā)現(xiàn)心血管疾病。傳統(tǒng)的獲取心音信息是通過心臟聽診來完成的，心臟聽診是無創(chuàng)檢測(cè)的非常重要的一種方法，是心電圖無法取代的。但是心臟聽診主要由經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生完成，診斷的過程中難免會(huì)有醫(yī)生的主觀判斷，當(dāng)然醫(yī)生的聽力更加限制了醫(yī)生的判斷，所以僅僅以聽覺判斷心臟是否病變使得心音信號(hào)不能被充分利用。為了能有效的利用心音信號(hào)，本文從數(shù)字信號(hào)的角度深刻剖析了心音信號(hào)，從理論到實(shí)際對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行了一系列的研究，并且開發(fā)完成了一套心音信號(hào)采集及自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以完成心音信號(hào)的采集、波形顯示、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)診斷等功能，具體做的工作和研究內(nèi)容如下。

1 心音信號(hào)采集系統(tǒng)

1.1 心音信號(hào)

心音是一種非平穩(wěn)的時(shí)變生物醫(yī)學(xué)信號(hào)，它受我們?nèi)梭w的內(nèi)部器官以及外界的影響非常的明顯。心音信號(hào)是一種特別微弱的信號(hào)，它的幅值只有幾毫伏甚至更低，正常心臟在舒縮活動(dòng)中產(chǎn)生的心音頻率為1～800Hz。如圖1 所示：從S1 開始到S2 開始這段時(shí)間是心縮期，持續(xù)時(shí)間較短；從S2 開始到下次S1 開始這段時(shí)間是心舒期，持續(xù)時(shí)間較長。

圖1

我們要對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行分析研究，首先就是需要采集心音信號(hào)，最有效的就是利用生物醫(yī)學(xué)傳感器對(duì)微弱的心音信號(hào)進(jìn)行采集。由于信號(hào)的微弱性，為了便于后期的處理我們需要對(duì)采集到的信號(hào)要進(jìn)行放大、去噪等一系列的處理。

1.2 采集系統(tǒng)

心音信號(hào)采集系統(tǒng)主要由心音采集電路、USB 通信模塊以及上位機(jī)顯示界面等構(gòu)成。主要包括采集電路的設(shè)計(jì)，A/D 轉(zhuǎn)換，USB 通信和上位機(jī)軟件的編寫。首先將自制的心音傳感器按照心臟聽診的要求放在合適的位置，然后對(duì)采集到的微弱心音信號(hào)進(jìn)行前級(jí)放大，濾波處理，中間級(jí)的放大，并且利用耳機(jī)輸出(便于進(jìn)行聽診處理)，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行后級(jí)放大，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)控制USB 將信號(hào)上傳到PC 機(jī)，PC 機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)實(shí)時(shí)顯示以及保存得到的數(shù)據(jù)，完成信號(hào)的采集。

圖2 心音采集系統(tǒng)總體框圖

2 心音算法

使用了基于HHT 和PPA 的心音分段算法研究；首先利用希爾伯特-黃變換(HHT)進(jìn)行心音包絡(luò)的提取，HHT 方法是美籍華裔NordenE.Huang 教授在1998 提出的，這是一種全新的信號(hào)處理方法，對(duì)非線性信號(hào)尤其有效。EMD 方法和對(duì)應(yīng)的希爾伯特譜稱為Hilbert-Huang 變換，與傳統(tǒng)的信號(hào)、數(shù)據(jù)處理方法相比，HHT 具有如下特點(diǎn)：

1）HHT 能分析非線性非平穩(wěn)信號(hào)；

2）HHT 具有完全自適應(yīng)性；

3）HHT 適合突變信號(hào)；

4）HHT 的瞬時(shí)頻率是采用求導(dǎo)得到的；

HHT 方法分為兩部執(zhí)行：第一，用EMD 方法把信號(hào)分解成一些本征模態(tài)函數(shù)(IMF)，第二，對(duì)IMF 分量進(jìn)行希爾伯特變換，得出Hilbert 譜[i]。

然后利用中值濾波對(duì)包絡(luò)進(jìn)行平滑處理，最后通過峰逐層算法(PPA)來消除多余的低幅度峰值。峰逐層算法是為了去除不需要的峰，保留需要的峰。算法的主要步驟如下：

（1）初始化：針對(duì)輸入信號(hào)x 選擇合適的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)a 和判決閾值θ，峰的分解層數(shù)L=0，循環(huán)條件STC=1；

（2）記輸入信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差為△；

（3）返回處理后的信號(hào)[ii]：

算法流程圖如圖3 所示：

圖3 PPA 算法流程圖

心音信號(hào)極易受周圍環(huán)境的影響，在采集的過程中引入噪聲是無可避免的。盡管本文設(shè)計(jì)了硬件濾波電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，但是這并不能達(dá)到我們想要的效果，這對(duì)后期的信號(hào)處理具有很大的影響。為此本文在后期處理前首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理即去噪處理，然后對(duì)去噪后的信號(hào)進(jìn)行心音分段處理。心音分段是心音分析的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，有效的提取出心音信號(hào)的S1 和S2，根據(jù)S1、S2 的持續(xù)時(shí)間，間隔時(shí)間等時(shí)域特征對(duì)心音進(jìn)行分析，可以判斷心臟是否病變。本文研究了一些常用的心音分段方法，使用了一種基于HHT 和PPA 的心音分段算法，包括首先利用希爾伯特-黃變換(HHT)進(jìn)行心音包絡(luò)的提取，然后利用中值濾波對(duì)包絡(luò)進(jìn)行平滑處理，最后通過峰逐層算法(PPA)來消除多余的低幅度峰值。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)證明本文使用的方法可以有效的提取心音信號(hào)的S1，S2，為后期的識(shí)別研究奠定了良好的基礎(chǔ)。

本文利用小波變換實(shí)現(xiàn)心音信號(hào)的降噪處理：利用經(jīng)典的MALLAT快速算法對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行分解重構(gòu)，然后選擇合適的軟閾值函數(shù)得到去噪后的心音信號(hào)。其次使用了NASE 心音分段方法，并且使用了基于HHT 和PPA 的心音分段算法研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文提出的分段方法更能有效準(zhǔn)確的對(duì)原始心音進(jìn)行分段處理得到S1、S2；并且可以計(jì)算出S1，S2 的持續(xù)時(shí)間以及S1，S2 的間隔時(shí)間。為此我們可以判斷心律不齊，為以后心音自動(dòng)識(shí)別的研究奠定基礎(chǔ)，并且本算法不需要額外信號(hào)作參考，簡單快速。

3 心音信號(hào)的識(shí)別與分類

心音信號(hào)的識(shí)別與分類，是根據(jù)心音采集硬件系統(tǒng)采集到的不同人的心音信號(hào)進(jìn)行分析和處理，找到不同心音信號(hào)與心臟疾病之間本質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系，以實(shí)現(xiàn)心音信號(hào)的分類。由于心音信號(hào)對(duì)心血管疾病的診斷具有直觀的反映，加之心音信號(hào)的復(fù)雜性使之在心音的分類中存在許多的困難，所以這么多年來心音信號(hào)的識(shí)別分類依舊是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

使用了一種新的心音分類方法，利用支持向量機(jī)(SVM)對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行識(shí)別分類。圖3 所示為在二維空間中不能夠進(jìn)行線性劃分，通過一個(gè)變換映射到三維空間中，從而可以實(shí)現(xiàn)線性劃分。假設(shè)有二維空間樣本點(diǎn)(x1，x2)經(jīng)過映射φ 得到三維空間的點(diǎn)雖然在二維空間中這兩類樣本點(diǎn)線性不可分，但是三維空間中存在一個(gè)平面可以把原來線性不可分的點(diǎn)進(jìn)行線性劃分。

圖3 升維實(shí)現(xiàn)線性可分

表4 HMM 與SVM 的分類結(jié)果比較

4 軟件部分

最后設(shè)計(jì)了一套基于Java 和Matlab 的GUI。該軟件可以完成心音信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、分段處理、識(shí)別分類等功能?？梢詫?duì)心音實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的采集并且觀察采集到的信號(hào)，將采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，繼而進(jìn)行自動(dòng)診斷，實(shí)驗(yàn)表明診斷結(jié)果真實(shí)可靠，為早日應(yīng)用于臨床診斷奠定了雄厚的基礎(chǔ)。

［1］黃誠惕.希爾伯特-黃變換及其應(yīng)用研究[D].西南交通大學(xué)，2006.

［2］L.J.Hadjileontiadis，I.T.Rekanos.Detection of explosive lung and bowel sounds by means of fractal dimension[J].IEEE Signal Process Letters，2003，10(10)：311-314.