心音信号包络提取和识别方法的比较分析研究

１ 常用 心 音 包 络提 取 方 法 的 分 析和 比 较
用 于信号包 络 提 取 的方 法 很 多 ， 而包 络 提 取方 法的选取直接关 系到信号识别方法的复杂程度和识 别效果。经典的方法是采用希尔伯特（ ｉ ｅ ） Ｈｌ ｒ 变换 ｂｔ
收稿 日期 ：ｏ０一 ４ ９ ２ １ ｏ —２
程 ， 高识 别 效率 。在 分析 比较 几 种 常 用 的心 音 包络 提 取 算 法 的基 础上 ， 用基 于短 时 提 应
平 均能量 的方 法提取 心音信 号 包络 ， 获得 了比较好 的效 果 。
关键 词 ：心音 ； 包络提 取 ； 自动识 别
中图分类Ａ
第１ Ｏ卷 第 ２期
２１ ０ ０年 ６月
兰州石化 职业技 术学院学报
Ｊ ｕｎ ｌｏ ａ ｚ ｏ ｅｒｃ ｅ ｃ ｌ ｇ ｆＴ ｃ ｎ ｌｇ ｏ ｒａ ｆＬ ｎｈ ｕＰ ｔ ｈ ｍｉａ Ｃｏｌ ｅｏ ｅ ｈ ｏｏｙ ｏ ｌ ｅ
Ｖ １１ ｏ ２ ｏ． Ｏ Ｎ ．
Ｊ ｎ ，２ ０ ａ ． ０１
作者简介 ： 吴玉春 （９ ３ ， ， １ｓ 一） 男 河北衡水人 ， ， 助讲 顼士 ．
进行提取， 后来人们采 用复解析小波变换（ ｏ ｐ ｘ Ｃｍ ｌ ｅ Ａ ａｙｃＷａｅ ｔ ｒｎｆｒ 、 ｎｌｉ ｖｌ ａｓ ｍ） 数学 形 态 学 方 法 、 均 ｔ ｅＴ ｏ 平 香依 能量方法等较新颖 的方法来提取信号包络 ， 现 根据心音信号进一步分析和处理 的需要 ， 将各种方 法 分别进 行讨论 。 １ １ 基 于希尔伯 特 一黄变换 的 包络提 取方 法 ． １９ ９８年美国科学家 Ｎ ｒｅ． ． ｕｎ 等人提出 ｏ ｎ Ｅ Ｈ ａｇ ｄ 了一种主要用于分析非平稳信号的新信号分析方法 希尔伯特 一黄变换 （ ｉ ｅ —Ｈ ａｇｔ ｎ ｏ ， Ｈｌ ｒ ｂ ｔ ｕｎ ａｓ ｒ ｒ ｆ ｍ ＨＨ 】 Ｔ） ，其主要创 新是 本征模 函数 （ｎｒ ｓ ｏｅ Ｉｔｎｉ ｍ ｄ ｉ ｃ ｆ ｃｏ ， Ｍ ）概念的提出和经验模态分解 （ ｍ ｉ ｕ ｔｎ Ｉ Ｆ ｎｉ Ｅ ｐ－ ｒ ｉ ｌ ｄ ｎｔｎ ＭＤ） 法 的 引入 ：通 过 Ｅ ｃ ｅｆ ｃｏ ，Ｅ ａ ｍｏ ｕ ｉ 方 ＭＤ， 将信号分解成 Ｉ Ｆ 一般为有 限数 目） Ｍ （ 的和， 对每 Ｉ Ｆ分别进行 Ｈｌ ｒ 变换谱分析就可 以获得有意 Ｍ ｉｅ ｂｔ 义的瞬时频率 ， 从而给出非平稳信号中频率随时间 变化 的精确表达． 而希尔伯特变换可 以把一个实信 号表 示成 其频谱 仅在 正 频 域有 值 的 复信 号 （ 析信 解 号 ） 对 研 究 实 信 号 的 瞬 时 包 络 有 重 要 意 义 Ｊ ， 。 Ｈ Ｔ的关键问题是通过信号极值点拟合信号的包 Ｈ 络线 。 实验表明， 这种方法对于提取窄带载波信号 的 包络是十分有效的， 但对于宽带时变信号， 比如心音 信号 （ 特别是异常心音信号 ） 的包络提取存在一些 固有 的缺 陷 ， 这些 缺陷 主要表 现在 以下 几个方 面 ： １ 具有零频成分 ， ） 这对于压缩编码是不利的； ２ 存在所有高频成分 ， ） 故而得到的包络信号 中 包含许多高频成分 ， 抗干扰能力较弱； ３ 细节包 络 和主要 成 分 包络 同时 被 提取 出来 ， ）
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兰 州 石 化 职 业 技 术 学 院 学 报
不具 备 自适 应分 析能力 。 １２ 基 于数学 形态学 的包络提取 方法 ． 数学 形态 学 通 常用 在 二维 图形 的处理 中 ， 近 但 年来 ， 国内外许多学者将其应用于一维信号 的处理 中， 数学形态学可以实现信号的边缘提取， 保留原信 号的一些必要 的形状特征 ， 可用于心音信号 的包络 提取 。数学形 态 学 的 主要 内容是 设计 一 整 套 变换 、 概念 和算法 ， 于 描 述 图像 的基 本特 征 。这 些数 学 用 工具不 同于 常用 的频 域 或 空域 方 法 ， 而是 建 立在 积 分几何 以及 随机集 论 的基础 之上的 。数学形 态学 的 基本运算有 四个 ： 膨胀 （ 或称扩张 ） 腐蚀 （ 、 或称侵 蚀）开启和闭合 。基 于这些基本运算可 以组合 出 、 不 同的数学形 态学 方法 。 形 态学心音 信号 包络 提取算 法 如下 ： １信号滤波和全波整流 ） ２ 包 络提取 ） ３ 消 除噪声 包络 ） 采用数学形态学提取信号包络的方法， 其优点 是运算简单 ， 鲁棒性好。但包络信号 中局部极大值 较多， 信号波动较大 ， 使后续识别难度相对增高。 １３ 基于相 移小 波的包 络提取 方法 ． 小 波变换具 有 良好 的时频局 部化杼 ｌ 多分 辨 生和 率分析的特性。因而在将小波变换应用于信号的包 络提取过 程 中取 得 了 良好 的效果 。所用 的小波基 函 数主要是 已调 Ｍ ｒ ｔ 波 （ ｏｅ小 ｌ 高斯小波 的余弦复 调 制） 。Ｍｏｌ 波是 由法 国地 球 物 理学 家 ＪＭｏｌ 在 ｒｔ ｅ ． ｒｔ ｅ 分析地震信号时提出来的 ， 它是高斯 函数 的余 弦 复调制 。 与 Ｈｌ ｒ变换提取的信号包络相比， ｉｅ ｂｔ 已调高斯 小波变换除具有对信号实现正交 ， 提取出信号的包 络 的功能外 ， 具 有带 通 滤 波 的功 能 。选 取 适 当 的 还 尺度， 就可 以改 变滤波器 的中心频率 和带宽 ， 滤波 使 器 的频 带覆 盖信 号 中感 兴 趣 的频 带 ， 可提 取 出较 即 理想 的包络 ， 出有用 信息 。实验表 明 ， 度的取值 突 尺 越大 ， 包络线 越光 滑 ， 种方法灵 活性 比较强 。 这 １４ 基于规 则 平均 Ｓ ａｎ ｎ能量 的包络提 取方 法 ． ｈｎ ｏ 用 能量 法 对 信号 提 取包 络 的过 程 当中 ， 于 由 对原始信号进行平方 （ 即取能量值 ） 运算 而增大 了 高强度信号何地强度信号的对 比， 将会使低强度信 号被掩 埋 ；ｈｎｏ Ｓ ａｎｎ熵强 调 低强 度 信号 的影 响 ， 会 这 使所获 得 的包 络 由于包 含太多 的噪声而 不易进行 识 别 ； ａｎｎ能量变换突出中等强度的信号， Ｓ ｎｏ ｈ 降低 了 低强度信号和高强度信号的影响 ， 但对低强度信号 削弱的更多 ， 这有利于较早的发现低强度信号 ； 对信 号进行绝对值变换即按其基线取绝对值。 相 对于 Ｈｌｅｔ ｉ ｒ 变换提 取的心 音包 络 ， 用规 则 ｂ 利 平均 Ｓａｎｎ能量变换提取的心音信号包络更加光 ｈｎｏ 滑Ｌ。但 由于采用了在 ００ ｓ ９ 】 ．２ 的时间间隔内计算信
国家标准 学科分 类代 码 ：１．０ ３０６ ５ ０４ １． １
心音是包含有重要信息 的医学信号 之一 ， 对心 音信号进行分析是基于心力 一 心音关系的心脏储备 无创 监测 系 统 … 的关 键 环 节 。虽 然 心 电 分 析 是 心 脏变时性和变传导性 的最佳监测方法 ， 但不能用来 检测心脏的变力性 。第一心音的幅值是心肌收缩能 力 的标 准量 度 ， 因此 可 以用 心 音 图来 对 心 肌 收缩 能 力进行评估 ３。如果心 脏器 官某一部 位发生 病 ． Ｊ 变 ， 在心音 相应 组成成 分上 会有所 反映 ， 则 如冠状 动 脉狭 窄会在 心音 的舒 张期 产 生杂音 。在对 心音信 号 做进 一步分 析处 理之前 ， 对心 音进行 分段是 必需 的 。 由于心 音包 络 比原 始心音 可 以更好 的反映心 音 的特征 ， 在对心音信号进行进一步 的分析和 自动识 别之前 ， 首先对其进行包络提取是 目前 比较通用且 很有效的方法 ， 采用合理 的包络提取方法得到的信 号包络 一般都 包含 有 原 信号 的有 效 时域 信 息 ， 于 对 心音信号 ， 采用包络信号进行心音各个成分的识别 ， 进而提 取有用 的生理 参 数 ， 但不 会 影 响检 测 精 确 不 度， 而且会较少工作量和计算量 ， 简化识别流程， 提 高识别 效率 。
文 章 编 号 ：６ １ ４ ６ （０ ０ ０ ｏ ２ ｏ １７ — ０ ７ ２ １ ） ２一 ｏ ９一 ３
心音信号包络提取和识别方法的比较分析研 究
吴 玉 春
（ 西安航 空技术高等专科学校 ， 陕西 西安 ７ ０７ ） １０７
摘 要： 对心音信号进行进一步的 自 动识 别和分析之前 ， 首先对其进行 包络提取是 目前 比较 常用且很 有效 的信号 处理方 法 ， 用合 理 的 包络 提 取 方法得 到 的信 号 包络 一般 都 包 采 含有原信号的有效时域信息。对 于心音信号 ， 用包络信号进行 心音各个成分的识别， 采 进而提取有用的生理参数 ， 不但 不会影响检测精确度， 而且会减 少计 算量， 简化识别 流