摘要:文章研制了一种基于虚拟仪器的心音电子分析仪,用以对心脏疾病进行临床辅助诊断,该仪器具有以下功能:实现心音、心电同步采集,并显示出心音图(PCG)和心电图(ECG);心音图的回放和声音的播放;管理病人信息和心音数据文件,能存储、查询、分析先前客观记录的历史心音图;实现重危病人的实时监护及用于学校作临床教学等功能。
1 引言
心音是在体表获取声频范围内源于心脏的一种机械性振动。有规律的、时限较短的振动为心音;较长的、不规律的振动为杂音。心音能够反映心脏活动及血液流动的状况,它含有关于心脏各个部分如心房、心室、大血管、心血管及各个瓣膜功能状态的大量病理信息,是临床评估心脏功能状态的最基本参数,是心脏及大血管机械运动状况的反映。当心血管疾病尚未发展到足以产生临床及病理改变(如ECG变化)以前,心音中出现的杂音和畸变就是重要的诊断信息。心音图具有心脏听诊所没有的特点,从而心音图检查提高了心音和心脏杂音的识别能力,丰富了听诊,对心血管疾病的诊断、鉴别、治疗、功能研究、机理探讨、血液动力学改变等多方面提供了相当有价值的资料。
2 心音信号的采集
用LabVIEW编写的“心音采集. vi”首先进行初始化,包括创建临时存储心音、心电数据的文件,设置控件、显示件的初始状态,选择使用的端口号和听诊区域,端口号可以在设备管理器中查询。传统的听诊部位有5个,二瓣尖区、肺动脉瓣区、主动脉瓣区、第二主动脉瓣区、三尖瓣区,由于瓣膜位置和音响传导的影响,不限于这5个部位,一般最好选择听诊最响的部位。当用户按下前面板开始采集开关时,后面板程序通过属性节点对串口进行设置,并发送开始采集的命令,检测通讯是否正确,通讯正确则读取数据包,然后进行心音、心电数据分离,把波形同步显示在前面板上,并同步播放心音,播放心音不需要按任何按钮,心音波形显示在前面板的同时就开始播放。这样便于使用者通过耳机听音来辨别听诊器放的位置是否合适,及时调整。若用户在前面板按下结束采集按钮,发送停止命令,关闭USB,并询问用户是否保存本次采集结果,若保存则输入病例相关信息,将临时文件中数据另存为正式文件;不保存则删除临时文件,最后关闭程序,退出采集界面,如图1所示。
3 心音信号的小波消噪处理
心音信号是一种极其微弱的信号,通常将传感器置于受检者的胸部来采集。在采集过程中,受检者的呼吸或者人体的移动,会造成传感器与人体表面之间的摩擦,这种摩擦所产生的声音在心音图上会产生一个幅度相当大的干扰信号。为了准确对心音信号进行分析,必须对心音信号进行预处理以消去这些干扰。
本文采用二进制小波变换达到消除噪声的目的。利用该方法对心音信号进行消噪处理主要分为3个步骤: (1)心音信号的小波分解。选择1个小波函数并确定小波分解的尺度N,然后对信号进行N尺度的小波分解; (2)小波分解高频系数的阈值量化。对第1到第N每一尺度的高频系数,选择一个合适的阈值进行阈值量化处理。(3)信号的小波重构。根据小波分解的第N尺度的低频系数和经过量化处理后的第1层到第N层的高频系数,进行心音信号的小波重构。3个步骤中最关键的是如何选取阈值和进行阈值的量化,它们直接关系到信号消噪的质量。本文采用的硬阈值消噪方法:用x表示某一尺度的小波分解系数,λ∈[0,∞)表示设定的阈值,δλ表示经过消噪后的小波分解系数,则硬阈值选择的规则是
选择硬阈值的算法如下:对心音信号数组取绝对值后算其均方差xth,阈值λ=a·xth,其中阈值系数a定为可设置。图2为利用驻极体传声器采集到的一例正常人的心音图,从图可见,在未去噪前(图2(a)),第一心音和第二心音之间噪声干扰比较严重,经小波去噪后(a=2),噪声基本滤除(见图b),图3为利用本课题中自己研制的纯电容传感器采集到的一例心音图,由图可见,虽然采集到的原始心音受系统环境噪声的影响不大,但通过小波去噪后,仍然能把一些与心音不相干的系统环境噪声滤除掉。由这两图可知小波去噪在抑制系统环境噪声的同时,仍然能较好地保留原始心音和心杂音。
4 心音数据分析模块
由于心杂音出现在不同的心动周期代表着不同的临床意义,因此以临床应用为目的,需要从时域、频域和能量几个方面反映心音及心杂音的特征,为反映心音在时域上的特征,对完整的心音数据源求归一化平均香农能量。
首先,把数据分段处理,每20ms的采样数据为一段,每隔10ms取新的一段,对每一个数据分段,定义其能量为
式中xnorm是采样值与所分析频段中采样信号的最大绝对值之比;N为20ms内的采样数,因采样频率为8000Hz,则N=160。那么,整个心音信号的归一化平均香农能量为:
以分段作为时间变量,则由Es得到Es(t)序列,M (Es(t))是Es(t)的平均值,S(Es(t))是Es(t)的标准差。
图4是正常人心音的归一化平均香农能量谱图。在归一化平均能量分布图上首先能识别出第1心音(S1)和第2心音(S2),其次可以求得心动周期、S1的时限S1t、S1的强度I1、S2的时限S2t、S2的强度I2等参数。这些参数在分析心功能状态和诊断一些心脏瓣膜疾病有着非常重要的作用。
5 结束语
利用LabVIEW作为心音分析软件的开发平台具有以下特点:1)波形显示速度快,能够同时实时显示心音图和心电图,并对心音进行定位; 2)可实行波形显示和声音同步播放,通过视觉和听觉来判断心脏功能的好坏;3)波形可通过手动的方法实现任意数值的放大和缩小,利于一定范围内波形的分析; 4)能对任意频段范围内的心音进行信号分解、数字滤波、短时傅立叶变换、Welch功率谱估计及归一化平均香农能量分析。由于心音信号对心血管疾病诊断的重要作用以及分类中存在着许多困难,本系统虽然尚未在医院临床部门得到广泛的推广,但作为医生听诊的一种无创辅助手段,随着电子科学技术和数字信号处理技术的发展,相信该分析仪的应用能极大地为医生对心功能状态分析及心脏疾病的诊断提供准确的方法和有力的依据,从而为心电图有利于心脏疾病临床诊断奠定坚实的基础。
参考文献:
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作者简介:朱启琨(1983—),男,硕士研究生,主要从事过程状态检测及诊断技术的研究与教学工作。
