基于Labview2014的心音信號(hào)瞬時(shí)頻率分析

韋博軒，彭松蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，四川 成都 610031

基于Labview2014的心音信號(hào)瞬時(shí)頻率分析

韋博軒，彭松
蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，四川 成都 610031

0 前言

近年來(lái)，隨著物質(zhì)生活的極大豐富，冠心病的發(fā)病率及死亡率呈逐年遞增趨勢(shì)，嚴(yán)重威脅著人類健康。心臟病的診斷與治療已成為世界醫(yī)學(xué)界研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，尤其是心音相關(guān)的心臟疾病。利用現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)對(duì)心音進(jìn)行分析研究，是診斷心音相關(guān)心臟疾病的重要手段。心音具有隨機(jī)性、噪音大、信號(hào)微弱等特性，僅依靠醫(yī)務(wù)人員采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行主觀判斷與分析不是非?？煽?，因此利用信號(hào)處理技術(shù)對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行分析研究，得出心音信號(hào)的時(shí)頻特征對(duì)于醫(yī)生診斷心音相關(guān)心臟疾病具有十分重要的臨床意義[1-2]。

信號(hào)處理技術(shù)中最為常見(jiàn)的是傅立葉變換，然而因?yàn)樾呐K活動(dòng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，所以傳統(tǒng)的傅立葉變換無(wú)法清晰準(zhǔn)確地表現(xiàn)出一個(gè)頻率分量的變化趨勢(shì)及其具體的變化時(shí)間，不具有瞬時(shí)有效性。相比之下，瞬時(shí)頻率 （Instantaneous Frequency，IF）分析法能夠準(zhǔn)確表現(xiàn)出非平穩(wěn)信號(hào)的特征[3-5]。本研究基于Labview2014開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)瞬時(shí)頻率方法對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行分析，得出心音頻率成分隨時(shí)間變化的過(guò)程，為醫(yī)生對(duì)心音相關(guān)心臟疾病的診斷提供了一種客觀、有效的分析方法。

1 瞬時(shí)頻率的定義

以解析信號(hào)法定義瞬時(shí)頻率，直觀上，瞬時(shí)頻率表現(xiàn)為相位的微分，是描述頻率隨時(shí)間變化的一個(gè)重要物理量，在分析非平穩(wěn)信號(hào)方面具有獨(dú)特的的優(yōu)勢(shì)以及瞬時(shí)有效性[6-8]。

求解一個(gè)信號(hào)x(t)的瞬時(shí)頻率，首先需要給定一個(gè)窗函數(shù)，并假定其在一段時(shí)間間隔內(nèi)是平穩(wěn)的，對(duì)x(t)加窗函數(shù)后進(jìn)行傅立葉變換，可得其頻譜，如下式所示：

由經(jīng)傅立葉變換之后的頻譜，即可得到信號(hào)的瞬時(shí)頻率，如下式所示:

2 心音信號(hào)的瞬時(shí)頻率分析

2.1 Labview2014開(kāi)發(fā)平臺(tái)

該軟件是一種圖形化的編程語(yǔ)言，它結(jié)合了簡(jiǎn)單易用的圖形式開(kāi)發(fā)環(huán)境與強(qiáng)大的G編程語(yǔ)言，提供了一個(gè)非常直觀的編程環(huán)境[9]。Labview2014為目前最新版本，其在原有基礎(chǔ)上增加了更多的vi腳本以及服務(wù)器對(duì)象，讓用戶可以隨時(shí)隨地地快速采集、分析和可視化訪問(wèn)所有數(shù)據(jù)，并利用數(shù)據(jù)對(duì)象快速做出決策，是目前虛擬儀器研發(fā)的主流開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其高級(jí)信號(hào)處理工具包集成了時(shí)頻分析、小波分析以及時(shí)間序列分析等現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)，含有大量的實(shí)例及vi子程序，為本研究提供了重要的實(shí)驗(yàn)支持[10]。

2.2 心音瞬時(shí)頻率分析的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)瞬時(shí)頻率相關(guān)理論，利用Labview2014的高級(jí)信號(hào)處理軟件，應(yīng)用vi編程及調(diào)整相關(guān)參數(shù)，將預(yù)期實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)進(jìn)行程序化設(shè)計(jì)。工作流程圖，見(jiàn)圖1。

圖1 心音瞬時(shí)頻率分析工作流程圖

工作流程如下：首先將原始心音信號(hào)進(jìn)行短時(shí)傅立葉變換（STFT變換）得到心音能量頻譜，然后再進(jìn)行瞬時(shí)頻率變換（MIF變換）最終得到心音的瞬時(shí)頻率曲線。心音程序框圖（即后面板圖），見(jiàn)圖2。

圖2 心音瞬時(shí)頻率分析程序后面板圖

2.3 實(shí)驗(yàn)及分析

本研究采用的正常心音信號(hào)由自主研發(fā)的心音采集系統(tǒng)采集所得，采樣頻率為2000 Hz；病變患者心音數(shù)據(jù)來(lái)自Department of Medicine of University of Washington 數(shù)據(jù)庫(kù)，采樣頻率為5000 Hz。

圖3所示的是18歲健康男性的心音，圖4所示的是二尖瓣狹窄患者的心音。對(duì)二者進(jìn)行能量圖譜以及瞬時(shí)頻率分析后可以發(fā)現(xiàn)：正常與異常心音的能量圖譜與瞬時(shí)頻率曲線有明顯差異，利用瞬時(shí)頻率分析法處理后的心音能夠更加準(zhǔn)確地識(shí)別出心音頻率成分隨時(shí)間變化的過(guò)程，可以將信號(hào)的頻率特征表現(xiàn)地更加明顯，進(jìn)而可以在心音相關(guān)心臟疾病的識(shí)別診斷方面為臨床醫(yī)生提供一種更加客觀、準(zhǔn)確的手段[11-12]。

圖3 正常心音能量圖譜以及瞬時(shí)頻率分析結(jié)果

圖4 二尖瓣狹窄心音能量圖譜以及瞬時(shí)頻率分析結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

本研究基于Labview2014平臺(tái)，通過(guò)瞬時(shí)頻率分析構(gòu)建了心音信號(hào)分析方法，對(duì)正常以及病變患者的心音加以分析，得出了心音信號(hào)的能量圖譜以及瞬時(shí)頻率曲線。目前，已對(duì)多例正常或異常心音進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠客觀有效地描繪出心音信號(hào)瞬時(shí)頻率的變化趨勢(shì)，可為臨床醫(yī)生診療心音相關(guān)心臟疾病提供參考依據(jù)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

利用信號(hào)處理技術(shù)對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行分析研究是目前醫(yī)學(xué)信號(hào)處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)，除了時(shí)頻分析之外，有關(guān)時(shí)間序列分析、小波分析和其他非線性分析方法在該領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著研究的深入，低成本、無(wú)損傷的心音相關(guān)心臟疾病的診斷手段將會(huì)得到極大的改善，對(duì)醫(yī)學(xué)科學(xué)的發(fā)展具有重要的意義[13-15]。

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Analysis of the Instantaneous Frequency of Heart Sound Signals Based on Labview2014

WEI Bo-xuan, PENG Song
School of Information and Electrical Engineering, Lanzhou University of Technology, Chengdu Sichuan 610031, China

目的 利用信號(hào)處理手段對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行分析，為醫(yī)生診斷心音相關(guān)心臟疾病提供客觀依據(jù)。方法 基于Labview2014開(kāi)發(fā)平臺(tái)對(duì)心音進(jìn)行瞬時(shí)頻率分析，給出其能量圖譜以及瞬時(shí)頻率曲線。結(jié)果 正常與異常心音的瞬時(shí)頻率曲線及功率譜有明顯差異。結(jié)論 經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法能夠準(zhǔn)確描述正常與異常心音的頻率差異，使醫(yī)生能夠便捷、高效地診斷心音相關(guān)心臟疾病。

Labview2014；心音信號(hào)；瞬時(shí)頻率；能量圖譜

Objective To analyze the heart sound signals through signal processing methodology so as to provide objective foundations for physicians to diagnose the heart-sound-related heart diseases. Methods Based on Labview2014, the instantaneous frequency of heart sound was analyzed to obtain the frequency spectrum and the curve of instantaneous frequency. Results The differences between normal and abnormal heart sound was significant in the aspects of the frequency spectrum and the curve of instantaneous frequency. Conclusion This methodology had proven its accuracy in the verification test in revealing differences between normal and abnormal heart sound, which contributed to convenient and efficient diagnosis of heart-soundrelated heart diseases for physicians.

Labview2014; heart sound signals; instantaneous frequency; energy spectrum

R310

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.04.007

1674-1633(2015)04-0025-03

2015-03-05

甘肅省科技廳支撐課題（090NKCA092）；蘭州軍區(qū)醫(yī)學(xué)課題（CLZ11JC03）。

作者郵箱：459899929@qq．com