基于小波的心音信号分析及其特征提取

电
脑
与
信
息
一
技
术
２ １ 年 ２月 ０１
信 号处 理技 术 的发展 ，大 大地 提高 了对 心音 的传统 分
阶分解 的细 节信号 ｄ ：５ Ｈ 一 ２ ｚ ｌ５ １ ｚ １０ Ｈ １
析能力。心音信号的分析与研究主要在对 ｓ 和 ｓ 的 ｌ ２
生 理 病 理 研 究 、 心 音 微 弱 成 份 （３和 ｓ） 对 ｓ ４ 的分 析 研 究 、对人 工心 脏瓣 膜 的无 创伤 检测 和心 脏杂 音 的频 率 变化 规律 分析 等几 个方 面Ｂ１ －。 Ｓ 国外 不少 研究 人员 都尝试 用不 同的方法 来分 析心 音信 号 。Ｄｅｂｒ等用短 时傅 里 叶变 换分 析心音 信号 ， ｊｂａｉ
（ｃｏ ｌ ｆ ｎｏｍａｏ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｗ ｕ ａ ｉｅｓｙｏ ｃｎ ｌｇ ， ｕ ａ ３０ ３ Ｃｈｎ） Ｓ ｈ ｏ ｏ ｆｒ ｔ ｎＥ ｇ ｅ ｎ ， ｈｎＵｎｖｒｔ ｆ ｈ ｏｏ ｙ Ｗ ｈｎ４ ０６ ， ｉａ Ｉ ｉ ｎ ｉ ｉ Ｔｅ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｈｕ ｎ ｈ ａｔ ｓ ｕ ｄ ｓ ｎ ｌ ｉ ｏ ｅ ｆ ｔ ｅ ｍｏ ｔ ｉ ｏ ｔ ｎ ｈ ｓ ｌ ｇｃ ｉ ａ ，ｗｈ ｃ ｏ ｔｉ ｓ ｔ ｅ ｕ ｎ ｈ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ ： ｍａ ｅ ｒ ｏ ｎ ｉ ａ ｓ ｎ ｏ ｈ ｇ ｓ ｍｐ ｒ ｔ ｐ ｙ ｉ ｏ ｉａ ｓ ａ ｏ ｌ ｇ ｌ ｎ ｓ ｉ ｈ ｃ ｎａｎ ｈ ｈ ｍａ ｅ ｒ
２ 小 波 分 析 及 其 仿 真 实 验
２１ 小 波分析 原理 ．
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根据小波多分辨率原理 ，可以把空间做逐级二分
解 ， 生 一组 逐 级包 含 的子 空 间 Ｖ＝ ｊ① Ｗｉ， ∈Ｚ。 产 ｊＶ＋ １ ，ｊ Ｉ
基 于 小 波 的 心 音 信 号 分 析 及 其 特 征 提 取
张 家亮 ， 江 洪 ， 大 顺 ， 阙 胡 盼
（ 武汉理工大学信 息工程 学院， 武汉 ４ ０ ６ ） ３ ０ ３
摘
要 ： 音信 号是 人 体 最 重要 的 生理 信 号之 一 ， 包含 了人 体 心脏 和 血 管 中丰 富的 原 始信 息。心脏 杂音 和 心 音 改 变 的 出 心 它
种 正常 心音信 号和 四种异 常心 音信 号小 波 分析
分 别如 图 １ 所 示 。 ～５ 主要 分析讨 论心 音信 号 的小波 ５阶分 解 与重构 图 ，并进 行判 别 和 区分 ，其 中 ｄ ，２ １ｄ ， ｄ ，４ ｄ ３ｄ ，５分别是 一到 五 阶分解 的细 节信 号 ，５是 五 阶 ａ 分 解 的逼近信 号 。
析 和仿真 实验结果表 明该方法能够有 效地 区分正、 异常心音 ， 有助于心脏等疾病的辅助诊断。
关键词 ： 心音信 号； 特征提取 ； 时频分析 ； 小波 ； 功率谱 ； 香农能量
中 图分 类号 ：． ０ ＋ ； Ｎ １． ８ ４ ． ４Ｔ ９ １ ５ ． ４ ７ 文献 标 识 码 ： Ａ
ａ ｄｂｏ ｄ ｖｓ ｌ ｉ ｔｅｗｅ ｔ ｆｏ ｇｎ ｎｏｍａｏ ． ｈ ｂ ｏｍ ｌ ｕｔａｏ ｏ ｅｍｕｍｕ ｎ ｏ ｎ ｎ ｔｅ ｎ ｌｏ ｅ ｅ ｎ ｈ ａｈ ｏ ｆ Ｍ ｉｆｒ ｔ ｎ Ｔ ｅａｎ ｒ ａ ｆ ｃ ｔ ｍ ｆｔ ｒ ｒａｄ ｓｕ ｄ ｉ ｏ ｅ ｈ ｓｓ ｌ ｉ ｉ ｉ ｌ ｕｉ ｈ ｓ
需要心脏听诊来明确其意义【 。传统的心脏听诊对过 于微弱或复杂的声音响应不佳 ，且容易受主观因素的 影 响和 噪声 的干扰 ， 能会 发生 误诊 】 因此 ， 强 心 可 。 加 音信 号分 析 及分类 方 法 的研 究具 有 十分重 要 的意义 。 本文从现代信号处理的角度 出发 ，将小波的分解与重 构、 功率谱估计和归一化香农能量等分析方法相结合 ， 对心音信号 的特征进行提取并对 比， 而有效地区分 从 各 种 心音信 号 。
ｗｉｈ ｅ ｔ ｅ ｏｍ ａｎ，￣ ｌｅ — ｅ ｕｅ ｃ ｎｄ ｐｏｗｅ ｐｅ ｔｕ ｃ ｒｃｅｉｔ ｓ ｔ ｔ ｉ ｄ ｈ ｍ ｉ ＇ —ｆ ｑ ｎ ｙ ａ ｌ ｒ ｒ ｓ ｃｒ ｍ ｈａａ ｔ ｒｓ ｃ ． ｉ Ｔｈｅ ｒ ｔｃ ｎ ｙ ｉ ｎｄ ｘｐ ｒｍ ｅ ａ ｅ ｕｔ ｈｏ ｏ ｅ ａ ａ ａ ｓｓ ｉ ｌ ｌ ａ ｅ ｅ ｉ ｎｔｌｒ ｓ ｌ ｓ ｗ ｓ ｔ ａ ｈ ｅ ｈ ｓ ｃ ｎ ｆｅ ｔ ｌ ｓｉｇｕｓ ｈ ｓｔｖ ｎｄ ａ ｈ ｔｔ ｅ ｍ ｔ ｏｄ ａ ｅ ｃ ｖｅ ｄ ｔｎ ｉｈ ｔ ｅ ｐｏ ｉ ｅ ａ ｂｎｏ ｍ ａ ａｔ ｓ ｎｄ ，ｗｈ ｃ ａ ｌ ａｔ ｄｓ ａｅ ｉａ ｎｏ ｉ． ｉ ｉ ｉ ｒ ｌ ｈｅ ｒ ｏｕ ｓ ｉ ｈ Ｃ ｎ ｈｅｐ ｈｅ ｒ ｉｅ ｓ ｄ ｇ ｓｓ
研究 的重 点 。
１ 心音信号及 其分析方法概述
心音信号是人体最重要的生理信号之一 ，它是心
收 稿 日期 ：０ ０ １ － ５ ２ １— １ ０
上世纪 ９ 年代以来 ， Ｏ 由于计算机技术和现代数字
项 目基金 ： 武汉理工大学 自主创新研究基金（ ：９ ９ ８ ６６ ）湖北省 高等学校省级教学研究项 目（ ：０７ ０ ９ 编号 ０ ０ ０ ０ ４ ０； 编号 ２０ ０ ８） 作者 简介 ： 张家亮（９７ ）男 ， １８一 ， 本科 ； 洪（９１ ）男 ， 士研究 生， 江 １８一 ， 硕 研究方 向为信 号与信息处理 ； 阙大顺 （９３ ）男 ， １６一 ， 教授 ， 博士 ， 研究方 向为信号 与信 息处理 。
ｔａ ｔｏ ｌ ｆｅ ｕｅ ｙ ｏｍ ａｎ ａ ｌｙｉ ｈａ ｎｏｔ ｅ ｔ ｒ ｓ ａｃ ｎｅ ｄ ，Ｔｈｅ ｒｄｉ ｎａ ｉ ｑ ｎｃ ｄ ｉ ｎａ ｓ ｓ ｓ ｍ ｔ ｈｅ ｅ ｅ ｒ ｈ ｅｓ ｐａ ｒ ｆ ｃ ｓ ｎ ｔ ｈ ａｔ ｏｕｎ ｓｇｎ ａ ｌ ｉ ｐｅ ｏ ｕ ｏ ｈｅ ｅ ｒ ｓ ｄ ｉ ａ ｎａｙｓ ｌ ｓ
别采用 ｓ，２ ｓ １ｓ ，３和 ｓ 表示 ， 在多 数情 况 下 只能 听 ４来 而
到 ｓ 和ｓ ，３和 ｓ ｌ ２ｓ ４几乎 听 不到 【 ｌ 生在 心室 收 缩 ｌ 】 发 。ｓ
（ Ｃ 、 管超 声 心动 图（ Ｅ 及 心导 管检 查相 比 ， Ｅ Ｇ）食 Ｔ Ｅ） 心 脏 听诊 既价廉 又便 捷 ，且 非常 昂贵 的检 查结 果往 往 还
二 阶分解 的细 节信号 ｄ ：７ Ｈ ～ ５ Ｈ ２２ ５ ｚ５ １ ｚ 三阶分 解 的细节信 号 ｄ ：３Ｈ ～７ Ｈ ３ １７ ｚ２５ ｚ
四阶分 解 的细节信 号 ｄ ：８ ｚ １７ ｚ ４６ Ｈ ～ ３ Ｈ
五 阶分 解 的细节信 号 ｄ ：４ ｚ６ Ｈ ５３ Ｈ ～８ ｚ
五 阶分 解 的逼近信 号 ａ ：— ４ ５ ０ ３ Ｈｚ 心音信 号 ＝ ｌ ｄ ＋ ３ ｄ ＋ ５ ａ ｄ ＋ ２ ｄ ＋ ４ ｄ ＋５ ２２ 仿真 实验及 分析 ．
随着现代社会物质生活水平的改善 ，心血管疾病 在 我 国呈 上 升趋 势 。心脏 听诊 是评 价心 血管 系统 最基
本 、最有 效 的技术 之 一 【 ｌ Ｊ 其它 诊断 方法 如心 电图 。与
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。 正常 的心音 包括 第一 、 、 、 二 三 四心 音 四个 成 分 ， 分
ｅ ｒ ｅ ｃ ｆｔ ｅ ｅ ｒ ｅｔ ｆａｕ ｅ ｎ ｈ ａ ｉ ａｅ ｄ ａ ｎ ｓ ．Ｔｈ ｅ ｍ ｏ ｎ ｉ ａ ｓ ａ ｔｐ ｃ ｏ —ｓ ｔ ｎ ｒ ｉ ａ，Ｓ ｈ ｍｅ ｇ ｎ ｅ ｏ ａ ｌ ｓ ｅ ｔ ｒｓ ｉ ｅ ｒ ｄｓ ｓ ｉ ｏ ｉ ｈ ｉ ｔ ｅ ｇ ｓ ｅ ｈ ａ ｓｕ ｄ ｓ ｎ ｇ ｌｉ ｙ ｉａ ｎ ｎ ｔｉ ａｙ ｓ ｌ ａｏ ｎ ｇ ｌ Ｏｔｅ
一
ＢＥ — ｓ 等用时频分析的方法分析心音信号 ， ．Ｌ Ａ ｉ ｒ 发现不 同的心脏疾病在心音中体现为不同时刻出现的不 同频 率 的心 脏杂 音 。 要实 现心音 对心 脏疾病 的辅 助诊断 ， 就要分 析 心音 的时频 分布 。 国内对 心音 的分析仍 处 于 初级阶段 ，并逐渐成为信号分析与处理领域的研究热 点。 本文以一种正常心音信号和四种异常心音信号为
现 ， 往是 心脏 病 的 最 早 特征 。 由 于心 音信 号 是 一 种 典 型的 非 平稳 信 号 ， 以 传 统 的频 域 分 析 已 经不 能 满 足 研 究的 需要 。 往 所
文章将 时域、 时频和功率谱 能量等特性分析相结合 ， 研究心音信号的分析方法 ， 提取各种特征 以 区分不 同的心音 。理论 分
ｍｅ ｈ ｄ ｎ ｘ ｒ ｃ ａｉ ｕ ｅ ｔ ｒ ｓｔ ｉ ｎ ｕ ｓ ｈ ｉｅ ｅ ｔｈ ａ ｏ ｎ ｓ ｆ ｍ ｈ ｈ ｅ ｉ ｅ ｅ ｔ ｐ ｒｐ ｃ ｖ ｏ ｉ ｉ ｇ ｔ ｏ ｓ ａ ｄ ｅ ｔａ ｔ ｖ ｒ ｓ ｆａ ｅ ｏ ｄｓ ｇ ｉ ｔ ｅ ｄ ｆ ｒ ｎ ｅ ｒ ｓ ｕ ｄ ｒ ｏ ｕ ｉ ｔ ｈ ｔ ｏ ｔ ｅ ｔ ｒ ｅ ｄｆ ｒ ｎ ｅｓ ｅ ｔ ｅ ｃ ｍｂ ｎｎ ｉ
初期 ， 是由二尖瓣和三尖瓣关闭产生的， 是心室收缩期 开始 的标 志 。ｓ ２发生 在 心室 舒 张期 ， 由主 动 脉 瓣 和 是 肺 动脉瓣 的关 闭产 生 ， 是心 室舒 张期 开始 的标 志 。 一旦 心 脏功 能 出现异 常 ，心音 中将 包 含 ｓ １和 ｓ ２以外 的杂
音 ， 这些 杂 音 的频 率 成 分 、 度 、 而 强 出现 的时 间 等都 是
Ｋｅ ｒ ｓ ｈ ａｔｓｕ ｄ ｓ ａ ｙｗｏ ｄ ： ｅ ｒ ｏ ｎ ｉ ｌ ｎ ｇ ；￣ａ ｒ ｘｒｃｉｎ ｕ ｔ ｅｅ ｔａｔ ；ＴＦ ａ ａ ｓ ； ａ ｅｅ ｏ ｒｓ ｅｔｕ ｏ ｎ ｙｉ Ｗ ｖ ｌｔ ｐ ｗｅ ｐ ｃｒｍ；Ｓ ａ ｎ ｎ ｅ ｅｇ ｌ ｓ ｈｎ ｏ ｎ ｒｙ
第 １ ９卷 第 １期
２ ０１１年 ２ 月
电
脑 与
信
息
技
术
Ｖｏ ． ９ Ｎｏ １ １ ． １
Ｆｅ ２０１１ ｂ．
Ｃｏ ｕ ｅ ａ ｄ ｎ ｏｍ ａｉｎ ｅ ｈ ｏｏ ｍｐ ｔｒ ｎ Ｉ ｆｒ ｔ Ｔ ｃ ｎ ｌ￣ ｏ
文 章 编 号 ：０ ５ １ ２ （０ ） 一０ ７ ０ １０ — ２ ８ ２ １ 叭 ０ １— ４ １
Ｈｅ ｔＳｏ ｎｄ Ｓ ｇ ｌ ａｒ ｕ ｉ ｎａ Ａｎａ ｙ ｉ ｎｄ Ｆｅ ｔ ｒ ｔ ａ ｔｏ ｓ ｄ ｏ ａ ｅ ｅ ｌ ｓｓａ ａ ｕ ｅ Ｅｘ ｒ ｃ ｉ ｎ Ｂａ ｅ ｎ Ｗ ｖ ｌｔ
Ｚ ＮＧＪ — ａ ｇＪＡ ＨＡ ａ ｈ ｎ ，Ｉ ＮＧ Ｈｏ ｇ ＱＵＥＤａ ｓｕ ， ｉ ｎ， —ｈ ｎ ＨＵ ａ Ｐｎ
图１ 正常心音信号主要分布在 ｄ ，５和 ａ ４ｄ ５这三 只包含第 一心 音和 第二 心音 ， 而高 频段 的心 例， 研究心音信号的分析方法 ， 并提取各种特征 以区分 个 低频 段 ， 不同的心音 ， 将为心音信号可视化电子测试综合系统 外音 和杂音 的 幅值 非 常小 。 的研 究奠 定基 础 。