心音信号的处理与分析软件设计

生物医学工程软件技术心音信号的处理与分析软件设计

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2012年6月7日

摘要

心音是人体最重要的生理信号之一，是评估心脏功能状态的一种基本方法，蕴含着心脏各个部分本身及相互之间作用的生理和病理等重要的诊断信息。先前人们广泛采用听诊器进行心音主观的分析诊断，但存在较大的局限性和主观性。而心电图机由于其采用低频响应的热笔结构，不能完整地记录全频心音，完全没有量化分析功能，在心音的存储、处理上存在着较大的局限性，故临床应用较少。因此，开发基于虚拟仪器的心音多功能处理分析仪器是一项十分有意义的工作。

本实验旨在设计一款对已的采集心音信号进行显示，处理分析，并获取相关特征参数，对信号采集者的心音正常与否进行简单判断。首先显示原始波形找到其特征进行简单时域处理，和频域滤波，提取包络并计算相关重要心音参数并简单判断是否在正常范围内来实现对于采集到的心音信号进行分析比较。除文件的读取外整个程序设计在一个大的while循环之下，程序运行过程中可根据具体的心音情况实时修改程序中的参数，满足个体差异性。

程序运行稳定，未发生异常事件且测量的健康被试者相关参数均在正常范围附近，可以推断该软件具有较高可靠性符合设计要求。

关键词：labview, 心音，处理分析，软件，设计。

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目录

摘要 (1)

1 前言（或“绪论”） (2)

1.1 心音信号介绍 (2)

1.2国内外研究现状 (4)

2.设计任务 (6)

需求分析： (6)

3．设计内容 (8)

3.1波形显示、截取与去直流处理 (8)

3.1.1文件的读入 (9)

3.1.2波形的截取与去直流 (9)

3.2信号滤波去噪 (10)

3.3提取包络及曲线拟合、波形保存 (11)

3.31希尔伯特提取包络 (12)

3.32高斯曲线拟合 (12)

3.33外包络线保存 (13)

3.4心率及峰值等计算 (14)

3.5其他参数计算以及心音分裂的简单判断 (15)

3.5.1 S1、S2时长确定与收缩及舒张期确定 (16)

3.5.2心音分裂判断 (16)

4、程序结构分析 (17)

4.1原始波形界面 (17)

4.2截取后波形界面 (18)

5、流程图 (21)

7、调试及运行结果 (22)

8、课程体会 (26)

9 参考文献 (26)

附录：源程序 (27)

1 前言（或“绪论”）

心音是由于心脏瓣膜的开关、肌腱和肌肉的舒缩、血流的冲击及心血管壁的振动而产生的一种复合音，是人体最重要的生理信号之一，它是心脏及心血管系统机械运动状况的反映，是在心动周期中由于心肌收缩舒张、瓣膜启闭以及血流冲击心室壁和大动脉等引起的一种机械振动，也是评估心脏功能状态的一种基本方法。心音信号蕴含着心脏各个部分本身及相互之间作用的生理和病理等重要的诊断信息。

1.1 心音信号介绍

一个正常的心音信号包括四个心音，通常情况下可以听到第一心音和第二心音，所以将心音信号的一个完整的心动周期定义为：第一心音、收缩期（Systole）、第二心音和舒张期（Diastole）四个部分。如图1所示。

图1一个心动周期

如上图所示，收缩期是指从S1起点持续到S2起点的间期，舒张期是指从S2起点持续到下一个心动周期的S1起点的间期。S1S2间期指的是从S1终点持续到S2起点的间期，S2S1间期指的是从S2终点持续到下一个S1起点的间期。在一段心音信号中，收缩期和舒张期是交替出现的，这代表了心脏的周期性运动。

第一心音S1出现在心室收缩的早期，它标志着心室收缩期的开始。S1主要是由四个部分组成，其中第一部分以及第四部分为低频运动，而第二部分及第三部分为高频、

高振幅运动。经典学说认为，S1的两个高频成分是由二尖瓣(MI)关闭以及三尖瓣(T1)

关闭所产生的。在医生进行听诊的时候，往往只能听到S1的第二部分与第三部分。Sl 历时较长，一般为0.1 0s-0. 16s。

第二心音S2出现在心室收缩的末期，它标志着心室舒张期的开始。S2同样也是由四个部分组成，其中第一、三、四部分都是低频低振幅的波动，仅第二部分为高频、高振幅的波动，为S2的主要部分。经典学说认为，S2主要部分是由半月瓣关闭(即主动脉瓣成分A2与肺动脉瓣成分P2)所致。S2历时约为0.08s-0.12s。

当然，在听诊过程中有的时候也能够发现第三心音S3和第四心音S4，特别是在小孩或者老年人身上。S3出现在舒张期早期，一般为0.03s-0.08s，而S4出现在舒张期晚期，一般为0.07s-0.10s。它们都是低幅值低频率的信号，不容易听到，而且容易与其它音混淆。例如第三心音S3与开瓣音OS都是发生在舒张早期，也就是S2之后。它们之间的区别是开瓣音比S3早0.05s以上。如果单靠听诊来鉴别两者的话是非常困难的，这也进一步说明了通过计算机辅助的方式来对心音图进行分析的必要性。S3和S4的出现有时候跟疾病有所关联。病理性S3往往导致心力衰竭、心绞痛、重症贫血等。而病理性S4往往导致高血压病、心肌炎、肺动脉瓣狭窄等疾病。

收缩期可能会存在一些杂音，根据杂音类型，可以分为功能性杂音和器质性杂音。功能性杂音可以发在在没有心脏病的正常人中，而器质性杂音常常见于器质性心脏病患者。其中包括了收缩期喷射音、收缩期喀喇音、收缩期心房音等。

正常健康的心音中不存在舒张期杂音，它的出现通常说明了有器械性心脏病发生。根据舒张期杂音的发生机理，主要可以分为以下三大类:经半月瓣反流性杂音、房室瓣阻塞性杂音、经房室瓣血流增加性杂音。

异常心音通常会反映出心音波形的位置、形状、持续时间等多个方面的异常。因此，借助计算机来提取出相关的特征参数，并且能够实时反馈给医生一些有用的指标，这对于医生能够更快更准确的来检测心脏疾病有着非常重要的意义。

心音的频率反映了音调的高低，正常心脏活动所产生的振动是由心脏传导到胸壁表面，其频率范围大约为1-800Hz；但在有疾病的并且夹杂着其它杂音的心脏中，其频率可到1500Hz以上。各种心音信号的频率是有所区别的，通常情况下，杂音的频率要比正常心音频率高的多，具体如下表1中所示：