心音信号的去噪

心音信号去噪方法比较研究

2016 年 01 月 06 日

摘要 (1)

关键词 (1)

第一章绪论 (2)

1.1研究背景 (2)

1.1.1心音信号基础知识 (2)

1.1.1.1心音的形成机制 (2)

1.2心音信号的特性 (3)

1.2.1心音的时域特性 (3)

1.2.2心音的频率特性 (3)

第二章去噪方法分析 (4)

2.1 巴特沃斯滤波器 (4)

2.2 切比雪夫低通滤波器 (5)

2.3 小波变换 (6)

第三章心音信号的获取及预处理 (12)

3.1 心音信号的采集 (13)

3.2 心音信号的预处理 (14)

第四章心音信号去噪的实验过程 (14)

4.1 常规方法 (14)

4.2 小波去噪 (17)

第五章滤波方法比较 (21)

第六章实验总结 (21)

参考文献 (22)

附录 (24)

摘要

心音是最重要的信号之一。然而，许多外界因素会影响心音信号的采集。心音是弱电气信号以至很弱的外部噪声就能导致信号中的病理和生理信息的错误判断，从而导致疾病的错诊。因此对心音信号去噪的研究非常重要。

本文研究并比较了几种基于matlab的心音去噪的方法。首先我们采用经典的butterworth低通滤波器和切比雪夫低通滤波器对心音信号进行去噪，结果表明这两种滤波器对高频噪声的消除效果明显，但不能滤除低频噪声。其次，我们采用了小波变换对含噪心音信号进行处理。一种方法中丢弃分解信号的高频部分和

部分细节，将分解后的信号近似和第四层细节相加作为样本信号的代替。这种方法简单且能有效的消除高频噪声，但由于丢失了部分细节，易使信号失真。然后，我们采用haar小波阈值法对信号去噪，取得的较好的去噪效果，但高频噪声残留较多。最后，我们db6小波进行去噪，得到了很好的信号波形，而且高频噪声残留较少。通过实验，我们得出结论，无论哪种去噪方式都有其自身的局限性，单独的使用一种去噪方法很难将噪声完全滤除。应该采用综合滤波方法，结合各个方法的优势联合滤波。首先使用巴特沃斯低通滤波器或切比雪夫滤波器低通滤波器滤除高频噪声，再用db小波阈值或haar小波阈值法去噪法进行去噪。这样既能完全滤除高频噪声，又能较好的抑制低频噪声，使滤波效果达到最优化。

关键词：心音、去噪、巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、小波分解与重构、d b6小波、haar小波

第一章绪论

1.1研究背景

心音信号是用于检测心脏性能，获取胜利和病理信息的重要信号之一。然而，在心音信号的采集过程中不可避免的会受到周围噪声的影响，比如电磁干扰，工频噪声，由本身的呼吸、肺音产生的电干扰等。因此，我们采集到的式混合信号。有时噪声信号会严重干扰有效信号，造成有效信号的丢失，这对于提取相应的病理信息是极为不利的。为了减少有用信息丢失，去噪是采集信号中的至关重要的过程。心音信号去噪旨在消除干扰信号保留有效信号。

随着研究的深入，如今科学上对心音信号的去噪方法多种多样，大大提高了去噪能力，能够相当接近的还原心音信号。但哪一种方法去噪效果最好，哪几种方法组合起来效果最佳，在科学上尚无定论。本文旨在通过比较几种常用的心音去噪方法，探讨哪些方法适用于心音信号的去噪那些方法的组合能达到最优的去燥效果。

1.1.1心音信号基础知识

1.1.1.1心音形成的生理机制

心脏的瓣膜和大血管在血流冲击下形成的振动，以及心脏内血流的加速与涡流对心脏瓣膜、心房、室壁作用产生的振动,再加上心肌在周期性的心电活动作用下其刚性的迅速增加和减小形成的振动，经过心胸传导系统到达体表形成了体表心音。用传感器把心音转换成的电信号，叫做心音信号，心音信号的波形图，叫做心音图。

心脏的一次收缩和舒张，称为一个心动周期。心音发生在心动周期的某些特定时期，其音调和持续时间也有一定的规律。正常心脏有四个心音：即第一、第二、第三和第四心音，通常称为S1、S2、S3、S4。多数情况下只能听到第一心音和第二心音，在某些健康儿童和青年人中也可听到第三心音，四十岁以上的健康人也可能出现第四心音。

第一心音(S1)发生在心室收缩期，这时心室开始收缩，心室内压迅速升高。当心室内压超过心房内压时，血液有从心室流向心房的倾向，正好推动房室瓣(二尖瓣、三尖瓣)关闭。此后随着心室肌的强烈收缩导致心室内压急剧升高，并超过主动脉内血压，动脉瓣打开，心室将血液射入主动脉。从房室瓣关闭开始到动脉瓣开启稍后的一段时间，在房室瓣突然关闭引起的振动，心室射血引起的大血管扩张而发生的涡流引起的低频振动，心肌收缩房室瓣关闭、大血管扩张产生的振动的共同作用形成了第一心音,即S1。

在心室收缩末期,心室内的血液大部分己射入动脉血管,心室内压开始下降。当心室内压低于主动脉和肺动脉内的压力时，主动脉和肺动脉内的血液突然减速，

动脉瓣关闭，心室进入舒张期。随着心室肌的舒张，心室内压以极大的速度下降低于心房内压，房室瓣打开。血液顺着房一室内压梯度方向进入了心室，称为快速充盈状态。从动脉瓣关闭到房室瓣开启这一段时间，由动脉瓣关闭引起的振动，形成了第二心音，即S2。

心室收缩时,房室瓣纤维环移向心尖。而在心室快速充盈期间，心室长度明显延长，心基底线突然上升，和心尖距离增大，但房室瓣和腱索不能跟着延长，于是腱索和乳头振动,形成第三心音，即S3。

当心房收缩时，血液冲入心室，在房室瓣下面形成涡流，将瓣膜上推。由于心房收缩也增加了心室容量，引起腱索和乳头张紧，将房室瓣拉向或维持在与涡流作用相反的方向，于是腱索和乳头振动产生了第四心音，即S4。

1.2、心音信号的特性

1.2.1、心音的时域特性

第一心音的特点为音响低钝，相当于心电图上QRS波开始后0.02~0.04秒, 持续时间长,占0.08~0.135秒左右。

第二心音的特点为音调较高而清脆，相当于心电图上T波末部，持续时间较短，约为第一心音的一半(0.07~0.08秒)。

第一心音与第二心音之间距为心脏的收缩期，第二心音与下一心动周期的第一心音之间距为舒张期。

第三心音相当于心电图上T波以后距S2为0.12~0.20秒，占时约为0.05秒，频率、振幅低。

第四心音相当于心电图P波后0.18~0.14秒,振幅低。

图2.1 正常心音信号

为定量地分析心音和方便叙述,定义以下几个心音信号时域属性。S1时限:指第一心音的持续时问;S2时限:指第二心音的持续时间；S1S2间期：指当前心动周期中第一心音到第二心音之间的时间间隔;S2S1间期：指当前心动周期的第二心音到下一周期的第一心音之间的时间间隔；心音间隙期：指心音成份(S1与S2或S2与S1)之间的部分。

在心音分析中,S1S2间期和S2S1间期对S1、S2的定位是非常重要的,而S1时限和S2时限对确定心音的类型同样是非常重要的。随年龄的不同，心音的时限与间期有所不同，一般来说，S1时限在70~150ms之间，S2时限60~120ms之间。心脏的收缩和舒张是由窦房结产生兴奋传向心肌细胞而控制的。对于一般人来讲, 正常情况下心脏的收缩期短于舒张期,在心音图上表现为S1S2间期小于