LabVIEW平台上的心音分析虚拟仪器设计
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文中介绍了一 种基于 LabV IEW 开发 平台 的虚拟 心音分析仪器。该仪器借助 PC 机 丰富的资源 和 Lab VEIW 的灵活性, 实现了对心音的采集和 时域、频域分 析, 并采用分段平均 的方法 计算出 心跳频 率和 心音间
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计算机技术与发展
第 20 卷
隔, 突破了传统心脏听诊仅凭经验听的局限, 提高了心 跳听诊的科学性和准确性。
Heart Sound Analysis Virtual Instrument Based on LabVIEW Platform
ZHANG Hui xiang, CH ENG Xie feng
( Department of Electronic Science and Engineer ing , N anjing U niversity of Posts and T elecommunicat ions, Nanjing 210003, China)
择小波对心音去噪。
这里采取的小波去噪是在小波分解基础上的阈值
降噪方法。已知时间信号 f ( t ) , 称
! WT ( a, b) =
1 a
f ( t)
R
(
ta
b) dt
( 1)
为 f ( t ) 的连续 小波变换, 其中 1 a
(
t
a
b ) 为 小波基
函 数, 是由同一母函数 ( t ) 经伸缩和平移后得到的一
自己的需要在前面板上选择小波类型、小波阶数、小波
分解层数( 最多 5 层) 和每层置零百分比。考虑到有不
了解小 波 去噪 原 理 的 用 户, 给 每一 参 数 设 定 了 默认 值[ 9] , 默认小波为 db 小波, 阶数为 6, 分解层 数为 5, 经
理论和实验证明, 这样的设置能达到不错的去噪效果。
1 仪器结构和实现
该仪器主要分为三个模块: 心音采集模块, 小波去 噪模块和心音分析模块。心音分析模块又包括时域分 析和频域分析。时域分析给出了心跳频率和第一心音 与第二心音之间的间隔, 频 域分析 主要 是心音 信号的 FFT 频谱分析。整个虚拟仪器的前面板如图 1 所示。 1. 1 心音采集模块
P( i ) = ss( i) 2 i = 0, 1, 2, #
(பைடு நூலகம்3)
按照( 3) 式计算出能量 P( i )。P( i ) 仍然是一个波
组函数序列。定义离散小波函数为:
! WT ( m , n ) = 2- m/ 2 f ( t ) ( 2- mt - n ) d t ( 2)
经 离散小波变换之后, 信号 f ( t) 被分解为低频成 分和一 系列高频成 分 w j, k 。有效 信号多分布 在低频部 分, 噪声则多分布在高频部分, 同时信号的系数要大于
摘 要: 介绍了一种心音分析虚拟仪器的设计方案, 为开发出适合个人在 PC 机上使用的心音分析仪器打下平台。该仪器
以 LabVIEW 为开发平台, 硬件以压控心音传感器和计算机自带声卡为基础, 软件包含了心音采集、小波去噪、时域分析和
频域分析等多个模块。为计算心跳频率和第一心音与第二心音之间的时间间隔, 采用了提取心音包络、归一化和分段平
通常提取到的心 音信 号含有 一些 杂音, 因 此有必 要对其进行去噪。由 于心 音信号 集中 在低频 部分, 噪 声分布在高频部分, 因此, 可以用一个低通滤波器进行
滤波。但是它不能将有信号的高频部分和噪声引起的
高频干扰加以有效的区分。而小波去噪则可以将信号
和噪 声 有 效 区 分, 同 时 保 留 信 号 的 尖 峰 和 突 变 成
Abstract: Int roduce a kind of heart sound analysis virt ual inst rument based on t he platf orm of LabV IEW. H ardware consists of volt agecont rolled sensor and th e comput er sound card. T he soft ware int egrat es t hree modules: heart sound collection, denoise by w avelet , analy sis in t ime and frequen cy domains. By ext ract ing t he envelope of t he heart sound f irst and t hen cut it int o pieces to improve fault t olerance and accuracy, it also calculat es t he heart - beat frequency and th e average int erval of S1 and S2, w hich are quite important for t he hear ausculate. A t last , some pract ical examples are given to demonst rate t he val idit y and the ef fect iveness of t his inst rument . Due to t he visi bility, audibilit y, st ability and multi- analysis, this instrument can be used as an assistant implement at ion f or heart auscultate. Key words:h eart sound; LabV IE W; w avelet denoise; FFT spect rum ; heart beat frequency; heart sound int erval
1. 3. 2 心跳频率和心音间隔分析模块
心跳频率和第一心音与第二心音之间的间隔是医
生诊断的重要依 据。为得 出这些 参数, 需要首 先得到 心音的包络[ 11, 12] , 因为单从采集 到的波动信 号上是不 容易确定 心音 尖 峰出 现 的时 刻 的 ( 如 图 2 ( 1 ) 所 示 ) 。
为此, 取消噪之后的心音信号 ss 为
分[ 5, 6] 。另外, LabVIEW 提供的 M at lab 脚本节 点可以
实现在 LabVIEW 中添加 M atlab 脚本, 而 M at lab 中提
供的 w rcoef 函 数可 以在 不 知道 对特 定心 音 信号 该取
什么阈值去噪的情况下用百分比来确定小波分解中每
层取零的数据个数, 具有一定的通用性。所以, 这里选
第 20 卷 第 11 期 2010 年 11 月
计算机技术与发展
CO M PU TER TECHN OLO GY AN D DEV ELO PM ENT
V ol. 20 N o. 11 Nov. 2010
LabVIEW 平台上的心音分析虚拟仪器设计
张会香, 成谢锋
( 南京邮电大学 电子科学与工程学院, 江苏 南京 210003)
收稿日期: 2010- 03- 14; 修回日期: 2010- 06- 28 基金项目: 山东 省自然 基金 项目( y2006G 03, y2007G 14, 2007Jy17) ; 南京邮电大学基金项目( N Y 207139) 作者简介: 张会香( 1986- ) , 女, 河南焦作人, 硕士研究生, 研究方向 为智能信息系统与应 用; 成谢 锋, 教授, 硕士 生导师, 从事智 能信息 处理、智能仪器方面的研究工作。
1. 3 心音分析模块
1. 3. 1 心音 FFT 频谱分析
心音 FFT 频谱可以把信号转化到频 域观察, 从频 谱图上观察心 跳是否 异常[ 10] 。心音 FFT 频谱 分析前
面板和分析结果如图 1( c) 上方 所示。为方 便比较, 可
分别点击 去噪前 FFT 频谱 和 去噪 后 FFT 频谱 进 行观察。
采集模 块硬 件 设备 以 微音 传 感元 件 HKY - 06B ( 带有 HK Y06B- PC 适 配 器 ) 连 接 PC 机 声 卡 组 成。 HKY- 06B 是一种由新型高分子聚合材料制成的微音 传感元件, 适合于 各类心 音采 集。由于 本仪器 是运行 在 PC 机上的分析仪器, 而 PC 机声卡本 身就是一个优 秀的数据采集系统, 目前普 通声卡 的最 高采样 频率是 44. 1kHz, 有的达 到 48kHz, 足以 满足 采样 定律 的要求 ( 心音信号的频率在 0~ 200Hz 之间) 。
窄, 其准确 性和 精确 性 也难 以保 障, 也 不 易被 新 手掌 握[ 2] 。
L abV IEW 是近年来非常流行的图形 化编程工具。 它所使用的 G 语言使得用户 可以使 用图形模 块编写 出功能强大的程序, 最终的 应用界 面类似 于实 际使用 的仪器界面。 LabVIEW 同 时还 提供丰 富的 语言 接口 和软件接口, 方便在其内部调用其它语言如 C、C+ + 、 M at lab 的代 码和 使用 其 它软 件的 功能。 可以 说 Lab V IEW 完成了 PC 机资源的完美整合, 用它开发的虚拟 仪器创造了逼近现 实世界 的虚拟 环境, 是 计算 机技术 与仪器 技术 完 美 结 合 的 产物, 代 表 了 仪 器 发 展的 方 向[ 3, 4] 。
均相结合的方法, 提高了系统的容差能力和计算精度。该仪器实现了传统的心脏听诊从单一的 听 转变为可视、可听和
多角度分析, 可作为临床心脏诊断的辅助仪器。
关键词: 心音; LabVIEW; 小波去噪; FFT 频谱; 心跳频率; 心音间隔
中图分类号: T P311
文献标识码: A
文章编号: 1673- 629X( 2010) 11- 0217- 04
0引言
心音含有关于心 脏各 个部分 的重 要病理 信息, 心 脏听诊是医学诊断中的重要手段。正常的心音包含第 一心音( S 1) 、第二心音( S2) 、第三心音( S3) 和第四心音 ( S4) 四个成分, 第一心音的 频率成分主 要集中 在 50150Hz 范围内, 而第二心音 的频率成 分主 要集中 在 50 - 200Hz 范围内。其中 S1、S2 是可以听 闻的部分, S 3、 S4 强度很弱, 几乎不可听闻[ 1] 。传统 的心脏 听诊方法 是用听诊器听取病人的心 音, 医生 靠经 验判断 病人心 跳是否正 常, 其 分 析方 法极 其有 限, 分析 范围 非 常狭
基于不 同 的 分 析 要 求 和 PC 声 卡 配 置, 用 L ab V IEW 的声音函数 设计 的心音 采集模 块( 前面 板如图 1( a) 所示) 设置了 心音格式参数设置 区域, 用户可以 在这里设置采集 频率、通 道数 和每采 样比 特数。用户 把带有 M IC 接口的压控传感器一端连 接电脑, 另一端 放在被采集者心脏附近, 设置参数, 点击 心音采集 按 钮开始采集。采 集到 的心 音以. wav 文件 格式 保存在 默认目录上, 供重新播放和后面分析使用。 1. 2 小波去噪模块
w thcoef 函数去噪, 可 以设置 一个 百分 比, 把 高频 系数
中系数较小的那一部分系数设为 0, 然后再重构, 达到
图 1 心音分析仪器前面板
第 11 期
张会香等: L abVI EW 平台上的心音分析虚拟仪器设计
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消噪的目的。小波去噪效果如图 2( 2) 所示。
小波去噪 前面 板如 图 1( b ) 所 示。用户 可以 根据
噪声的系数, 于是可以 找到一 个合适的 数 作 为阈值 对高频部分进行去噪[ 7, 8] 。当 w j, k 小于该阈值时, 认为 这时的 wj , k 主要 是由噪 声引起的, 并置 为零; 当 wj , k 大于域值时, 认为 这时 的 wj , k 主 要由 信号 引起 的, 则 把这部分的 wj , k 直接保 留下来( 硬阈值方 法) 或者按 某一定量向零收缩 ( 软阈值 方法) , 然后由 新的 小波系 数重构得到去噪后的信号。本系统采用 M atlab 提供的
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计算机技术与发展
第 20 卷
隔, 突破了传统心脏听诊仅凭经验听的局限, 提高了心 跳听诊的科学性和准确性。
Heart Sound Analysis Virtual Instrument Based on LabVIEW Platform
ZHANG Hui xiang, CH ENG Xie feng
( Department of Electronic Science and Engineer ing , N anjing U niversity of Posts and T elecommunicat ions, Nanjing 210003, China)
择小波对心音去噪。
这里采取的小波去噪是在小波分解基础上的阈值
降噪方法。已知时间信号 f ( t ) , 称
! WT ( a, b) =
1 a
f ( t)
R
(
ta
b) dt
( 1)
为 f ( t ) 的连续 小波变换, 其中 1 a
(
t
a
b ) 为 小波基
函 数, 是由同一母函数 ( t ) 经伸缩和平移后得到的一
自己的需要在前面板上选择小波类型、小波阶数、小波
分解层数( 最多 5 层) 和每层置零百分比。考虑到有不
了解小 波 去噪 原 理 的 用 户, 给 每一 参 数 设 定 了 默认 值[ 9] , 默认小波为 db 小波, 阶数为 6, 分解层 数为 5, 经
理论和实验证明, 这样的设置能达到不错的去噪效果。
1 仪器结构和实现
该仪器主要分为三个模块: 心音采集模块, 小波去 噪模块和心音分析模块。心音分析模块又包括时域分 析和频域分析。时域分析给出了心跳频率和第一心音 与第二心音之间的间隔, 频 域分析 主要 是心音 信号的 FFT 频谱分析。整个虚拟仪器的前面板如图 1 所示。 1. 1 心音采集模块
P( i ) = ss( i) 2 i = 0, 1, 2, #
(பைடு நூலகம்3)
按照( 3) 式计算出能量 P( i )。P( i ) 仍然是一个波
组函数序列。定义离散小波函数为:
! WT ( m , n ) = 2- m/ 2 f ( t ) ( 2- mt - n ) d t ( 2)
经 离散小波变换之后, 信号 f ( t) 被分解为低频成 分和一 系列高频成 分 w j, k 。有效 信号多分布 在低频部 分, 噪声则多分布在高频部分, 同时信号的系数要大于
摘 要: 介绍了一种心音分析虚拟仪器的设计方案, 为开发出适合个人在 PC 机上使用的心音分析仪器打下平台。该仪器
以 LabVIEW 为开发平台, 硬件以压控心音传感器和计算机自带声卡为基础, 软件包含了心音采集、小波去噪、时域分析和
频域分析等多个模块。为计算心跳频率和第一心音与第二心音之间的时间间隔, 采用了提取心音包络、归一化和分段平
通常提取到的心 音信 号含有 一些 杂音, 因 此有必 要对其进行去噪。由 于心 音信号 集中 在低频 部分, 噪 声分布在高频部分, 因此, 可以用一个低通滤波器进行
滤波。但是它不能将有信号的高频部分和噪声引起的
高频干扰加以有效的区分。而小波去噪则可以将信号
和噪 声 有 效 区 分, 同 时 保 留 信 号 的 尖 峰 和 突 变 成
Abstract: Int roduce a kind of heart sound analysis virt ual inst rument based on t he platf orm of LabV IEW. H ardware consists of volt agecont rolled sensor and th e comput er sound card. T he soft ware int egrat es t hree modules: heart sound collection, denoise by w avelet , analy sis in t ime and frequen cy domains. By ext ract ing t he envelope of t he heart sound f irst and t hen cut it int o pieces to improve fault t olerance and accuracy, it also calculat es t he heart - beat frequency and th e average int erval of S1 and S2, w hich are quite important for t he hear ausculate. A t last , some pract ical examples are given to demonst rate t he val idit y and the ef fect iveness of t his inst rument . Due to t he visi bility, audibilit y, st ability and multi- analysis, this instrument can be used as an assistant implement at ion f or heart auscultate. Key words:h eart sound; LabV IE W; w avelet denoise; FFT spect rum ; heart beat frequency; heart sound int erval
1. 3. 2 心跳频率和心音间隔分析模块
心跳频率和第一心音与第二心音之间的间隔是医
生诊断的重要依 据。为得 出这些 参数, 需要首 先得到 心音的包络[ 11, 12] , 因为单从采集 到的波动信 号上是不 容易确定 心音 尖 峰出 现 的时 刻 的 ( 如 图 2 ( 1 ) 所 示 ) 。
为此, 取消噪之后的心音信号 ss 为
分[ 5, 6] 。另外, LabVIEW 提供的 M at lab 脚本节 点可以
实现在 LabVIEW 中添加 M atlab 脚本, 而 M at lab 中提
供的 w rcoef 函 数可 以在 不 知道 对特 定心 音 信号 该取
什么阈值去噪的情况下用百分比来确定小波分解中每
层取零的数据个数, 具有一定的通用性。所以, 这里选
第 20 卷 第 11 期 2010 年 11 月
计算机技术与发展
CO M PU TER TECHN OLO GY AN D DEV ELO PM ENT
V ol. 20 N o. 11 Nov. 2010
LabVIEW 平台上的心音分析虚拟仪器设计
张会香, 成谢锋
( 南京邮电大学 电子科学与工程学院, 江苏 南京 210003)
收稿日期: 2010- 03- 14; 修回日期: 2010- 06- 28 基金项目: 山东 省自然 基金 项目( y2006G 03, y2007G 14, 2007Jy17) ; 南京邮电大学基金项目( N Y 207139) 作者简介: 张会香( 1986- ) , 女, 河南焦作人, 硕士研究生, 研究方向 为智能信息系统与应 用; 成谢 锋, 教授, 硕士 生导师, 从事智 能信息 处理、智能仪器方面的研究工作。
1. 3 心音分析模块
1. 3. 1 心音 FFT 频谱分析
心音 FFT 频谱可以把信号转化到频 域观察, 从频 谱图上观察心 跳是否 异常[ 10] 。心音 FFT 频谱 分析前
面板和分析结果如图 1( c) 上方 所示。为方 便比较, 可
分别点击 去噪前 FFT 频谱 和 去噪 后 FFT 频谱 进 行观察。
采集模 块硬 件 设备 以 微音 传 感元 件 HKY - 06B ( 带有 HK Y06B- PC 适 配 器 ) 连 接 PC 机 声 卡 组 成。 HKY- 06B 是一种由新型高分子聚合材料制成的微音 传感元件, 适合于 各类心 音采 集。由于 本仪器 是运行 在 PC 机上的分析仪器, 而 PC 机声卡本 身就是一个优 秀的数据采集系统, 目前普 通声卡 的最 高采样 频率是 44. 1kHz, 有的达 到 48kHz, 足以 满足 采样 定律 的要求 ( 心音信号的频率在 0~ 200Hz 之间) 。
窄, 其准确 性和 精确 性 也难 以保 障, 也 不 易被 新 手掌 握[ 2] 。
L abV IEW 是近年来非常流行的图形 化编程工具。 它所使用的 G 语言使得用户 可以使 用图形模 块编写 出功能强大的程序, 最终的 应用界 面类似 于实 际使用 的仪器界面。 LabVIEW 同 时还 提供丰 富的 语言 接口 和软件接口, 方便在其内部调用其它语言如 C、C+ + 、 M at lab 的代 码和 使用 其 它软 件的 功能。 可以 说 Lab V IEW 完成了 PC 机资源的完美整合, 用它开发的虚拟 仪器创造了逼近现 实世界 的虚拟 环境, 是 计算 机技术 与仪器 技术 完 美 结 合 的 产物, 代 表 了 仪 器 发 展的 方 向[ 3, 4] 。
均相结合的方法, 提高了系统的容差能力和计算精度。该仪器实现了传统的心脏听诊从单一的 听 转变为可视、可听和
多角度分析, 可作为临床心脏诊断的辅助仪器。
关键词: 心音; LabVIEW; 小波去噪; FFT 频谱; 心跳频率; 心音间隔
中图分类号: T P311
文献标识码: A
文章编号: 1673- 629X( 2010) 11- 0217- 04
0引言
心音含有关于心 脏各 个部分 的重 要病理 信息, 心 脏听诊是医学诊断中的重要手段。正常的心音包含第 一心音( S 1) 、第二心音( S2) 、第三心音( S3) 和第四心音 ( S4) 四个成分, 第一心音的 频率成分主 要集中 在 50150Hz 范围内, 而第二心音 的频率成 分主 要集中 在 50 - 200Hz 范围内。其中 S1、S2 是可以听 闻的部分, S 3、 S4 强度很弱, 几乎不可听闻[ 1] 。传统 的心脏 听诊方法 是用听诊器听取病人的心 音, 医生 靠经 验判断 病人心 跳是否正 常, 其 分 析方 法极 其有 限, 分析 范围 非 常狭
基于不 同 的 分 析 要 求 和 PC 声 卡 配 置, 用 L ab V IEW 的声音函数 设计 的心音 采集模 块( 前面 板如图 1( a) 所示) 设置了 心音格式参数设置 区域, 用户可以 在这里设置采集 频率、通 道数 和每采 样比 特数。用户 把带有 M IC 接口的压控传感器一端连 接电脑, 另一端 放在被采集者心脏附近, 设置参数, 点击 心音采集 按 钮开始采集。采 集到 的心 音以. wav 文件 格式 保存在 默认目录上, 供重新播放和后面分析使用。 1. 2 小波去噪模块
w thcoef 函数去噪, 可 以设置 一个 百分 比, 把 高频 系数
中系数较小的那一部分系数设为 0, 然后再重构, 达到
图 1 心音分析仪器前面板
第 11 期
张会香等: L abVI EW 平台上的心音分析虚拟仪器设计
∀ 219 ∀
消噪的目的。小波去噪效果如图 2( 2) 所示。
小波去噪 前面 板如 图 1( b ) 所 示。用户 可以 根据
噪声的系数, 于是可以 找到一 个合适的 数 作 为阈值 对高频部分进行去噪[ 7, 8] 。当 w j, k 小于该阈值时, 认为 这时的 wj , k 主要 是由噪 声引起的, 并置 为零; 当 wj , k 大于域值时, 认为 这时 的 wj , k 主 要由 信号 引起 的, 则 把这部分的 wj , k 直接保 留下来( 硬阈值方 法) 或者按 某一定量向零收缩 ( 软阈值 方法) , 然后由 新的 小波系 数重构得到去噪后的信号。本系统采用 M atlab 提供的