基于心音的心臟儲(chǔ)備指標(biāo)提取算法研究.pdf

1、心臟儲(chǔ)備(Cardiac Reserve, CR)是指心臟的上調(diào)能力,是衡量心臟功能的一個(gè)很重要的方面。通過(guò)對(duì)心臟儲(chǔ)備監(jiān)測(cè)、評(píng)估和調(diào)研,可以讓醫(yī)生和病人了解疾病對(duì)心臟狀態(tài)的影響程度,可以分析各個(gè)人群之間的心臟儲(chǔ)備差異以及在應(yīng)激情況的心臟功能狀態(tài)等等。目前,心臟儲(chǔ)備檢測(cè)技術(shù)主要有超聲心動(dòng)圖檢測(cè)、心電圖檢測(cè)、心音檢測(cè)等。心音監(jiān)測(cè)相對(duì)于其它方法來(lái)說(shuō),心音在心臟變力行監(jiān)測(cè)方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。心音信號(hào)在時(shí)域和頻域上呈現(xiàn)一定的特征和規(guī)律,但由于有生

2、理、病理、外界噪聲和采集環(huán)境等因素的存在,臨床上的心音信號(hào)表現(xiàn)的極其復(fù)雜,給從心音信號(hào)中提取心臟儲(chǔ)備指標(biāo)參數(shù)帶來(lái)困難。所以深層次的對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行算法解析,實(shí)現(xiàn)智能、方便、無(wú)創(chuàng)和客觀量化的提取有效的心臟儲(chǔ)備指標(biāo)參數(shù),從而完成心臟功能的檢測(cè)與評(píng)估是非常必要且具有重要意義的。
　　本論文的重點(diǎn)是利用科學(xué)的、準(zhǔn)確的、有效的心音解析算法,提取用于檢測(cè)和評(píng)估心臟儲(chǔ)備功能的有效心音信號(hào)特征參數(shù)。這對(duì)推廣和普及心臟儲(chǔ)備無(wú)創(chuàng)檢測(cè)方法具有重要意義。為

3、了完成以上目標(biāo),本文主要從以下幾個(gè)方面展開(kāi)深入研究:
　　(1)采集心音信號(hào)
　　心音信號(hào)采集設(shè)備由聽(tīng)診器、一個(gè)16導(dǎo)心音記錄儀、放大器和一臺(tái)筆記本電腦組成,由本實(shí)驗(yàn)室和日本山口大學(xué)共同研發(fā)的。該心音采集設(shè)備能實(shí)時(shí)的采集高質(zhì)量的心音信號(hào),具有較強(qiáng)的抗干擾性能。目前本實(shí)驗(yàn)室采集到的心音數(shù)據(jù)有800余例,提供了充足的數(shù)據(jù),本論文采用這些充足的數(shù)據(jù)來(lái)完成心音算法的解析與測(cè)試。
　　(2)心音信號(hào)預(yù)處理
　　心音信號(hào)采集

4、過(guò)程中難免有外界噪聲的混入,給解析心音信號(hào)帶來(lái)很大困擾。根據(jù)噪聲的來(lái)源及其特性分為隨機(jī)噪聲、50Hz工頻噪聲和儀器本身的噪聲,本文針對(duì)不同的噪聲選用最佳的預(yù)處理方法,分別設(shè)計(jì)了高通濾波器、工頻陷波器和小波閾值降噪濾波器,依此來(lái)提高信號(hào)的信噪比。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)心音數(shù)據(jù)和臨床心音數(shù)據(jù)對(duì)心音預(yù)處理方法進(jìn)行測(cè)試,獲得了較理想的預(yù)處理效果。
　　(3)包絡(luò)提取算法研究
　　原始心音信號(hào)包含的信息量較大,不僅包含有用信息還包含多余的信息。包絡(luò)

5、提取法的目的是獲得心音信號(hào)中反應(yīng)信號(hào)基本特征的信息,合理的包絡(luò)提取法提取的心音信號(hào)往往都包含原信號(hào)的有效特征信息。本文通過(guò)分析與對(duì)比常用的包絡(luò)提取方法即希爾伯特-黃變換法(HHT)、基于單自由度模型的特征包絡(luò)提取法(CSCW)、歸一化香農(nóng)能量法和同態(tài)濾波包絡(luò)提取方法,經(jīng)過(guò)分析得到各個(gè)包絡(luò)提取算法的優(yōu)缺點(diǎn)。實(shí)際操作中,可以根據(jù)不同的心音信號(hào)來(lái)選擇不同的包絡(luò)提取算法,從而達(dá)到自適應(yīng)的效果,為心音信號(hào)的特征提取打好基礎(chǔ)。
　　(4)閾值

6、線(xiàn)選取與特征參數(shù)提取
　　心音閾值線(xiàn)是心音信號(hào)特征參數(shù)尤其是時(shí)域參數(shù)的決定因素。心音閾值線(xiàn)的選取是一個(gè)敏感的因素,它隨著個(gè)體差異或心臟病理差異等條件的不同而不同。之前的研究,都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)手工操作選擇閾值線(xiàn),以此來(lái)提取特征參數(shù)值,但這給經(jīng)驗(yàn)不足的人們帶來(lái)不便。面對(duì)比較多的心音信號(hào)特征,本論文采用模糊數(shù)學(xué)領(lǐng)域中相對(duì)成熟的技術(shù),即模糊C均值聚類(lèi)(FCM)來(lái)選取閾值線(xiàn)和提取有效的特征參數(shù),打破了固定選擇閾值線(xiàn)局面。用經(jīng)過(guò)FCM算法提取的心

7、音特征參數(shù)識(shí)別臨床正常心音和異常心音,識(shí)別率高于比通過(guò)手動(dòng)選擇閾值線(xiàn)提取心音特征參數(shù)識(shí)別的正常心音和異常心音,這也就驗(yàn)證了FCM算法打破了根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇閾值提取特征參數(shù)的局限性,使得特征提取具有自適應(yīng)性和有效性。
　　(5)心臟儲(chǔ)備參數(shù)評(píng)估
　　用MATLAB GUI設(shè)計(jì)了基于心音的心臟儲(chǔ)備評(píng)估系統(tǒng)。系統(tǒng)界面可視化,可以避開(kāi)代碼的繁瑣,簡(jiǎn)單的手動(dòng)操作可實(shí)現(xiàn)對(duì)心音信號(hào)的智能分析,從而提取用于心臟儲(chǔ)備指標(biāo)參數(shù)評(píng)估的心音特征參數(shù)。本

8、文中參與評(píng)估心臟儲(chǔ)備的主要指標(biāo)有心率(HR)、舒張期持續(xù)時(shí)間/收縮期持續(xù)時(shí)間(D/S)和第一心音幅值/第二心音幅值(S1/S2)。根據(jù)醫(yī)學(xué)公認(rèn)的三項(xiàng)指標(biāo)來(lái)確定本文提取的心臟儲(chǔ)備參數(shù)指標(biāo)范圍,得出臨床信號(hào)的心臟儲(chǔ)備能力,該評(píng)估結(jié)果和相應(yīng)的臨床心音采集者的身體素質(zhì)和心臟狀況相匹配,這就證明了本文設(shè)計(jì)到的基于心音的心臟儲(chǔ)備參數(shù)提取的算法的有效性。
　　將臨床心音數(shù)據(jù)用于測(cè)試本文所涉及的心音解析算法中的有效性實(shí)驗(yàn)中,測(cè)試結(jié)果表明了算法的有