時頻分析方法及其在醫(yī)學(xué)信號處理中的應(yīng)用

劉浩

【摘要】 在對生物醫(yī)學(xué)信號進(jìn)行分析時，傳統(tǒng)的分析方法為傅里葉譜法，不過，在利用此種方法進(jìn)行分析時，醫(yī)學(xué)信號隨時間急速變化的特性無法很好的適應(yīng)，影響了分析效果，基于此，為了更好的進(jìn)行分析，應(yīng)用了時頻分析方法，進(jìn)而有效的分析了很多的生物醫(yī)學(xué)信號。本文在介紹時頻分析方法的基礎(chǔ)上，重點分析了時頻分析方法在具體醫(yī)學(xué)信號處理中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】 時頻分析方法 醫(yī)學(xué)信號處理 應(yīng)用

前言：生物系統(tǒng)是生物醫(yī)學(xué)信號的主要來源，通過生物醫(yī)學(xué)信號，生物系統(tǒng)中生理狀態(tài)、結(jié)構(gòu)狀態(tài)的信息都可以顯現(xiàn)出來，因此，生物醫(yī)學(xué)信號具備很高的使用價值，不過，生物醫(yī)學(xué)信號使用價值的發(fā)揮程度取決于對其分析的程度，當(dāng)分析的越徹底時，使用價值越高。在對生物醫(yī)學(xué)信號進(jìn)行分析時，應(yīng)用了時頻分析方法，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)分析方法的不足，提高了分析的有效性。

一、時頻分析方法概述

1、線性時頻分析方法。線性時頻分析方法是時頻分析方法中的一種，包含短時傅里葉變換（STFT）、Gabor變換（GT）、小波變換（WT）等。在短時傅里葉變換與Gabor變換中，二者分別具備各自的定義公式，通過對二者的公式對比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)短時傅里葉變換采用Gaussian窗時，就是Gabor變換。無論是這兩種變換形式中的哪種，在對信號進(jìn)行分析時，均是通過單一的窗函數(shù)來實現(xiàn)。對于小波變換，所具備的時頻局域化特征更加的明顯，在利用小波變換進(jìn)行分析時，與信號的本質(zhì)特征基本上一致，因此，小波變換的應(yīng)用前景更加的廣闊。

2、時頻分布。在時頻分布的思想中，以時頻平面為基礎(chǔ)，通過二維分布函數(shù)的找尋，將時頻平面中每個點的能量密度準(zhǔn)確的反映出來，而且，對于一些基本性質(zhì)，函數(shù)都能同時的滿足。實際上，此二維分布函數(shù)是存在的，WVD就是其中典型的一種，具備非常好的數(shù)學(xué)性質(zhì)。

二、視頻分析方法在醫(yī)學(xué)信號處理中的應(yīng)用

1、在心電圖（ECG）分析中的應(yīng)用。對于心肌狀況的診斷，需要借助ECG來實現(xiàn)，此種診斷方法不具備創(chuàng)傷性。在ECG中，包含一系列連續(xù)的PQRST波，所表示的含義是在不同的心動周期中，心肌所具備的不同狀態(tài)。ECG信號的非平穩(wěn)行為比較多，傳統(tǒng)的信號分析方法無法進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，因此，為了提升分析的準(zhǔn)確性，應(yīng)用了時頻分析方法。當(dāng)左、右兩個心房出現(xiàn)激動的情況時，整個過程由P波來表示，在對P波進(jìn)行檢測時，困難比較大，不過在應(yīng)用了時頻分析方法之后，難度大大的降低。近年來，在對ECG信號進(jìn)行分析時，心室晚電位越來越受到人們的關(guān)注，通過對心室晚電位的分析，能夠準(zhǔn)確的預(yù)告心律失常，因此，其臨床價值非常大，由于心室晚電位的信號非常微弱，導(dǎo)致檢測的難度比較大，不過，應(yīng)用了WT方法之后，就可以較好的檢測出來。2、在心音（PCGs）信號處理中的應(yīng)用。通過對胸部表面的測量，就可以獲知心音信息。當(dāng)心動周期處于正常狀態(tài)下時，心音包含兩部分，分別為第一心音（S1）和第二心音（S2），當(dāng)主動脈瓣膜閉合時，產(chǎn)生S1，當(dāng)肺動脈瓣膜閉合時，產(chǎn)生S2。在PCGs信號中，包含的成份是比較多的，在早期的信號分析中，采用了聲譜圖法、譜圖方法等，但是分析效果都存在一定的缺陷，不過，在應(yīng)用了時頻分析之后，分析效果顯著的提升。在具體的PCGs信號分析試驗中，試驗者分別采用了WT和STFT方法來進(jìn)行分析，由分析結(jié)果可知，WT所具備的分辨率更高，更加適合心音信號處理。3、在腦電圖（EEG）分析中的應(yīng)用。EEG包含三種類型，一種是非瞬態(tài)自發(fā)性EEG，一種是瞬態(tài)自發(fā)性EEG，還有一種是誘發(fā)性EEG。在對第一種信號進(jìn)行分析時，傳統(tǒng)的FT和線性模型法是比較適用的，不過，對于后兩種方法是不適用的，對此，專家和學(xué)者展開了深入的研究。在EEG信號中，包含EP信號，EP信號的隱藏性極強(qiáng)，因此，在對其進(jìn)行檢測和分析時，難度非常大，在利用傳統(tǒng)的同步平均法進(jìn)行分析時，需要進(jìn)行相應(yīng)的假設(shè)，然而在進(jìn)一步的驗證中，發(fā)現(xiàn)假設(shè)成立的理由并不充分。因此，利用時頻分析方法進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，此種方法是具備較高的適用性，可以進(jìn)行進(jìn)一步的研究。4、在胃電圖（EGG）分析中的應(yīng)用。慢波和尖峰波共同組成了胃的肌電活動，通過EGG信號的分析，可以更好的掌握胃電活動的規(guī)律。與ECG、EEG的信噪相比，EGG的信噪比較少，主要有呼吸聲、運動聲、其他肌電活動聲，因此，直接解釋的方法并不適用。在對EGG進(jìn)行分析時，時頻分析是一項非常重要工作，通過時頻分析方法可以有效的對其信號進(jìn)行分析。

結(jié)論：現(xiàn)如今，時頻分析方法已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)信號分析中應(yīng)用的非常廣泛，除了心電圖信號、心音信號、腦電圖信號以及胃電圖信號之外，還在肌電圖信號、心率變異信號、呼吸聲等多個方面的醫(yī)學(xué)信號處理中有所應(yīng)用。通過時頻分析方法的應(yīng)用，提升了醫(yī)學(xué)信號處理的效果，進(jìn)而有效的增強(qiáng)了生物醫(yī)學(xué)信號的臨床價值，便于醫(yī)生更好的根據(jù)醫(yī)學(xué)信號分析出病人的情況。在未來的生物醫(yī)學(xué)信號處理中，時頻分析方法將會有更加深入的應(yīng)用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]葉繼倫，鄭崇勛，郭聳峰等.一種改進(jìn)的時頻分布算法及其在醫(yī)學(xué)信號處理中的應(yīng)用[J].重慶醫(yī)科大學(xué)學(xué)報，2013，12（03）：230-233.

[2]侯樹杰.時頻分析方法對比及S變換在地震數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].油氣地質(zhì)與采收率，2011，11（03）：44-46.

[3]許麗群，馬馳，王睿杰.時頻分析在語音信號處理中的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011，45（21）：5043-5046.