基于LabVIEW的心音信号分析系统设计
基于LabVIEW的心电信号检测与分析系统
医疗卫生装备·２００７年第２８卷第８期ＣｈｉｎｅｓｅＭｅｄｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＪｏｕｒｎａｌ·２００７Ｖｏｌ．２８Ｎｏ．８图１心电放大器电路原理图基于ＬａｂＶＩＥＷ的心电信号检测与分析系统杨宏丽张庆平（深圳职业技术学院电子工程系广东省深圳市５１８０５５）摘要介绍了一种基于虚拟仪器ＬａｂＶＩＥＷ的心电信号检测处理系统，阐明了虚拟仪器的基本概念、心电信号的放大隔离等电路、ＤＡＱ数据卡的硬件配置以及数据处理的软件设计。
系统可实现心电生理信号实时采集显示、心电信号ＨＲＶ分析等功能。
关键词心电信号；虚拟仪器；ＬａｂＶＩＥＷ；放大器；数据采集ＥＣＧｓｉｇｎａｌｄｅｔｅｃｔｉｎｇａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＬａｂＶＩＥＷＹＡＮＧＨｏｎｇ－ｌｉ，ＺＨＡＧＮＱｉｎｇ－ｐｉｎｇ（ＳｈｅｎｚｈｅｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＣｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ５１８０５５，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＡｓｙｓｔｅｍｏｆｄｅｔｅｃｔｉｏｎｆｏｒＥＣＧｓｉｇｎａｌｂａｓｅｄｏｎｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｎｄＬａｂＶＩＥＷｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎｏｆｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ＥＣＧａｍｐｌｉｆｉｅｒｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ（ＤＡＱ）ａｎｄｔｈｅｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅａｒｅｅｘｐｏｕｎｄｅｄ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｒｅａｌ－ｔｉｍｅｄｉｓｐｌａｙｉｎｇｔｈｅＥＣＧ，ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄＨｅａｒｔＲａｔｅＶａｒｉａｂｉｌｉｔｙ（ＨＲＶ）ａｎａｌｙｓｉｓ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＥＣＧ；ｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；ＬａｂＶＩＥＷ；ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ１引言虚拟仪器技术是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。
基于LabVIEW的心音和脉搏信号融合采集系统的设计
本设计在可拆卸的原型面包板上搭建电路，使用
收稿日期：2018-07-29 稿件编号：201807162
NI ELVIE Oscillscope 的 CH0 和 CH1 两个通道，分别接
作者简介：陈培敏（1992—），男，江西上饶人，硕士。研究方向：信号处理。
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《电子设计工程》2019 年第 9 期
号储存在文件夹中。
关键词：LabVIEW；融合采集；传感器；NI ELVIS
中图分类号：TN91019）09-0165-04
Design of heart sound and pulse signal fusion acquisition system based on LabVIEW
根据联合国老龄化社会标准，我国从 2000 年开 降趋势，实践证明开展心血管病预防是可以有效的
始 就 已 经 进 入 了 老 龄 化 社 会 ，据 统 计 ，从 2005 年 开 降低心血管病的发病和死亡[2]，因此，本文设计出一
始我国 60 岁以上的老年人口已达到 1.45 亿，占总人 套 基 于 LabVIEW 的 同 步 采 集 心 音 和 脉 搏 系 统 用 于
入 心 音 、脉 搏 传 感 器 ，实 现 心 音 和 脉 搏 信 号 的 采 集 。 通过 USB 接连 PC，实现心音和脉搏信号的传输。
图 1 NI ELVIS 实验平台上搭建的实物电路
1.2 心音采集模块 通 常 有 效 的 人 体 心 音 信 号 的 频 率 范 围 为 20~
180 Hz[4]，由 于 心 音 信 号 比 较 微 弱 ，以 及 周 围 环 境 的 干扰，常常会对采集产生很大的干扰，直接用麦克风 采集心音效果不是很好，为了较好的隔离干扰信号， 增 强 心 音 采 集 的 强 度 ，特 别 在 电 容 式 驻 极 体 麦 克 风 前 段 加 入 一 个 医 用 听 诊 器 合 金 听 头 ，该 合 金 听 头 带 有膜片，心音产生后也可以引起膜片振动，可以有效 放大心音信号，并且采用合金材料，可以有效隔离外 部杂音。所设计的心音采集模块如图 2 所示。
课题三基于LABVIEW的心电信号分析系统设计与仿真报告
课题一心电信号分析系统的设计一、本课题的目的本设计课题主要研究数字心电信号的初步分析方法及滤波器的应用。
通过完成本课题的设计，拟主要达到以下几个目的：（1）了解基于LabVIEW的虚拟仪器的特点和使用方法，熟悉采用LabVIEW进行仿真的方法。
（2）了解人体心电信号的时域特征和频谱特征。
（3）进一步了解数字信号的分析方法；（4）通过应用具体的滤波器进一步加深对滤波器的理解。
（5）通过本课题的设计，培养学生运用所学知识分析和解决实际问题的能力。
二、课题任务利用labVIEW设计一个基于虚拟仪器的简单的心电信号分析系统。
对输入的原始心电信号，进行一定的数字信号处理，进行频谱分析。
根据具体设计要求完成系统的程序编写、调试及功能测试。
（1）对原始数字心电信号进行读取，由数字信号数据绘制出其时域波形。
（2）对数字信号数据做一次线性插值，使其成为均匀数字信号，以便后面的信号分析。
（3）根据心电信号的频域特征（自己查阅相关资料），设计相应的低通和带通滤波器。
（4）编程绘制实现信号处理前后的频谱，做频谱分析，得出相关结论。
（5）对系统进行综合测试，整理数据，撰写设计报告。
三、主要设备和软件（1）PC机一台。
（2）LabVIEW软件一套，要求最低版本8.20。
四、设计内容、步骤和要求必做部分：1. 利用labVIEW读取MIT-BIH数据库提供的数字心电信号，并还原实际波形美国麻省理工学院提供的MIT-BIH数据库是一个权威性的国际心电图检测标准库，近年来应用广泛，为我国的医学工程界所重视。
MIT-BIH数据库共有48个病例，每个病例数据长30min，总计约有116000多个心拍，包含有正常心拍和各种异常心拍，内容丰富完整。
为了读取简单方便，采用其txt格式的数据文件作为我们的原心电信号数据。
利用labVIEW提供的文件I/O函数，读取txt数据文件中的信号，并且还原实际波形。
2.对原始心电信号做线性插值处理由于原始心电信号数据不是通过等间隔采样得到的，也就是说原始的心电数据并不是均匀的，而用Matlab 中提供的数字滤波器处理数据时，要求数据是等间隔的。
LabVIEW在心音信号研究中的应用
LabVIEW在心音信号研究中的应用马中武【期刊名称】《广东科技》【年(卷),期】2013(000)018【摘要】心音信号是人体重要的生理信号之一，它可以直接反应人体的生理病理信息。
在本文中利用LabVIEW对心音信号进行采集、去噪，并利用功率谱估计对心音信号进行分析处理，可以明显的区分出正常与异常的心音信号，为正确诊断心血管疾病提供一定的帮助。
%Heart sound signal is one of the most important human physiological signal,it can be the direct reaction of physiological and patho-logical information of the human body.In this paper,using LabVIEW is collected,the heart sounds signal denoising,and using the power spec-tral estimation of heart sound signal analysis and processing,can be a clear distinction between normal and abnormal heart sound signal,pro-vides certain help for the correct diagnosis of cardiovascular diseases.【总页数】2页(P174-174,178)【作者】马中武【作者单位】河西学院物理与机电工程学院，甘肃张掖 734000【正文语种】中文【相关文献】1.ICA在心音信号预处理中的应用研究 [J], 赵治栋;潘敏;李光;陈裕泉2.三种时频表示方法在心音信号分析中的研究应用 [J], 吴延军;徐泾平bVIEW和NI OPC在C#程序控制PLC中的应用研究 [J], 樊明亮; 陈传好; 唐民军; 马芳bVIEW在通信原理课程教学中的应用研究 [J], 刘丹;杨达国bVIEW软件在电液比例阀测试系统中的应用研究 [J], 彭婧;孙希科;李胜利;李若冰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于LabVIEW的心音多功能分析仪
Ｖ０ ｜ ２ Ｎｏ ４ Ｉ３ ． Ａｕ ｇ． ２ ２ ０１
基 于 Ｌ ｂ Ｉ Ｗ 的 心 音 多 功 能 分 析 仪 ａＶＥ
陶冶薇 张会 香 成谢锋 ， ，
／１南京 邮电大学 理学院 ， ． 江苏 南京 ２０ ４工程学院， 江苏 南京 ２０４ ］ １０６
的 心 音 信 号 并播 放 。 关键 词 ： 音分析仪 ； 线心音采集装置 ； 心 无 心音 信 号 发 生 器 ； 时频 域 分析 ；ａ Ｖ Ｅ Ｌｂ ＩＷ 中 图分 类 号 ：Ｐ ９ ．７ Ｔ ３ １７ 文 献标 识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：６ ３５ ３ （ ０ ２ ０ －０ ７０ １７ －４ ９ ２ １ ）４０ ７ －６
Ｃ ｌ ｇ ｆ ｃ ｎ ｅ Ｎ ｎｉｇ Ｕ ｉ ｒｉ ｆ ｏｔ ａ ｄ Ｔ ｌ ｏ ｕ ｉａ ｏ ｓ Ｎ ｍｉｇ２ ０ ４ Ｃ ｉａ ｏ ｅｅ ｏ ｉ ｃ ， ａ ｊ ｎｖ ｓ ｙｏ ｓ ｎ ｅｅ ｍｍ ｎｃ ｔ ｎ ， ａ ｎ １ ０ ６， ｈ ｎ ｌ Ｓｅ ｎ ｅ ｔ Ｐ ｓ ｃ ｉ
ｓｓｓ ｂ ｙ ｔｍ ， ｑ ｅ ｃ ｏ ｉ ｎ ｌ ｓｓｓ ｂ ｙ ｔ ｍ ｎ ｅ ｒ ｏ ｎ ｅ ｅ ａｉｎ ｓ ｂ ｙ ｔ ｍ． ｅ ｉ ｓｒ ｍｅ ｔ ｉ ｕ ｓ ｓｅ ￣ｅ ｕ ｎ ｙ ｄ ｍａ ｎ ａ ａｙ ｉ ｕ ｓ ｓｅ ａ ｄ ｈ ａ ｓ ｕ ｄ ｇ ｎ ｒ ｔｏ ｕ ｓ ｓｅ Ｔｈ ｎ ｔ ｔ ｕ ｎ ｉ ｅ ｅｏ ｅ ｎ ＰＣ． ｔｕ ｅ ｏ ｍａ ｅ ｗｉｅｅ ｓ ｈ ａ ｔｓ ｕ ｄｓ ｃ ｌ ｃｉ ｇ ｄ ｖｃ ｎ ｅ ｒ ｏ ｎ ｓ ｓｇ ａ ｓ ｄ ｖ ｌ ｐ ｄ ｉ Ｉ ｓ ｓ ａ ｈ ｍｅ ｄ ｒｌ ｓ ｅ ｒ ｏ ｎ ｏ ｌ ｔ ｅ ｉｅ ａ ｄ ｈ ａ ｓ ｕ ｄ ｉ ｎ ｌ ｅ ｎ ｔ ｃ ｌｅ ｔｎ ｕ ｓ ｓｅ ｔ ｅ ｅ ｒ ｏ ｄ ｓｇ ｌｓ，ｈ ｎ ｕ ｅ ｖ ｌｔｄ － ｏｓｎ ｕ ｓ ｓｅ ｔ ｅ ｖ ａ ｋ ｏｌｃ ｉ ｇ ｓ ｂ ｙ ｔｍ ｏ ｇ ｔｈ ａ ｓ ｕｎ ｉｎａ ｔ ｅ ｓ ｓｗａ ｅｅ ｅ ｎ ｉｉ ｇ ｓ ｂ ｙ ｔ ｍ ｏ ｒ ｍｏ ｅ ｂ ｃ — ｔ
基于LabVIEW的音频信号分析仪设计
基于LabVIEW 的音频信号分析仪设计马骁，张广中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州（221008）E-mail ：max05283091@摘要：本文基于“硬件的软件化”思想，在对信号分析、虚拟仪器技术和声卡的实用性进行理论分析的基础上，利用虚拟仪器专用语言LabVIEW 开发环境，设计了基于虚拟仪器技术的语音信号分析仪。
用普通的计算机声卡代替商用数据采集卡，利用声卡的DSP 技术和LabVIEW 的多线程技术实现音频信号的数据采集，开发基于PC 机声卡的虚拟音频信号分析仪。
该系统实现了数据采集，信号分析（时域分析和频域分析）等多种功能。
其中时域分析包括实时显示波形，测量信号电压、频率、周期等参数；频域分析包括幅值谱、相位谱、功率谱和FFT 变换等。
这类系统性价比高、通用性强、扩展性好、界面简单，在工程测量与实验室应用中具有广阔的前景。
关键词：声卡;LabVIEW;数据采集;信号分析中图分类号：TP3911.引言音频信号分析仪的发展是随着一般信号分析仪器的发展而不断改进的。
信号分析设备发展至今已经历了三个阶段，50年代发展的是以波的干涉、谐振和滤波原理制成的模拟式分析仪，它们功能少，分析速度慢，目前已经很少用了。
但是这类仪器分析时能量集中，分析精度高，其分析方法有特色。
因此，许多数字化仪器保留了模拟式分析仪的部分功能。
60年代，随着计算机技术的发展，信号处理由模拟式向数字式转化，发展的是以FFT 计算原理制成的数字式信号分析仪。
这类仪器功能多，分析速度快，是使用中的主流，第二代仪器的缺点是功能恒定，不能满足用户的特殊要求，同时分析功能无法更新换代。
近年来虚拟仪器的出现，为以通用计算机为主体的智能信号分析仪的产生和发展奠定了基础。
智能仪器分析功能由软件设定，可以不断的升级换代，用户也能自行修改，同时还能与人工智能技术和数据库技术等计算机技术相结合，使用起来十分方便[1]。
2.系统介绍2.1虚拟仪器概述虚拟仪器以PC 机为仪器统一的硬件平台，将测试仪器的功能和形象逼真的仪器面板控件均形成相应的软件并以文件形式存放于机内的软件库中，同时在计算机的总线槽内插入对应的、可实现数据交换的模块化硬件接口卡，若使库内仪器测试功能、仪器控件的软件和由中国科技论文在线接口卡输入至机内的数据，在计算机系统管理器的统一指挥和协调下运行，便构成了一类全新概念的仪器——虚拟仪器。
基于LabVIEW的心电信号采集系统的设计
・基础研究・基于LabVIEW的心电信号采集系统的设计于 杰,李川勇,贾林壮摘 要:目的 设计一套基于LabVIEW的心电信号采集系统。
方法 在插入式信号采集板DAQ的硬件支持下,利用LabVIEW编程软件,设计了一套双通道心电信号采集系统,本系统用传统的心电图机采集心电信号,经过调解后,输入计算机采集并显示,同时,为了能够对心电信号作进一步的研究,利用小波变换对心电信号进行了处理。
结果 成功采集到心电信号,并计算了心率的大小。
关键词:LabVIEW;心电信号;采集系统中图分类号:R540.41;TP311.52 文献标识码:A文章编号:1009-7090(2001)03-0131-0003The Design of ECG Aquiring System on LabVIEW Y U Jie,LI Chuan-y ong,J I A Ling-zhuang Department o f Bio2 physics,Nankai Univer sityAbstract:Objective T o design the ECG acquiring system on LabVIEW.Methods With a DAQ board,we design an ECG acquisi2tion system based on LabVIEW.The electrocardiographic signal is conditioned by a traditional ECG machine and acquired by a DAQboard on a com puter.A wavelet trans formation was used to process the acquired signal.R esults The ECG signals were acquired success fully and the heartbeat rate was calculated.K ey w ords:LabVIEW;ECG;collecting system1 前言生物电是生命的特征,心电是生物电的一种。
基于LabVIEW的心音信号检测系统设计
基于LabVIEW的心音信号检测系统设计心音信号是人体最重要的生理信号之一，含有关于心脏各个部分如心房、心室、大血管、心血管及各个瓣膜功能状态的大量病理信息，是心脏及大血管机械运动状况的反映，具有非线性、非平稳的特点[1-2]。
心音来自于人体内部，不容易被复制或模仿，同时还具有独特性，个体的不同，心音信号的表现形式也不相同。
对其进行检测分析，可以达到对身份进行识别和验证的目的[3]。
此外，通过听取心音，也可以获得用以判断心脏疾病的相关信息[4]。
本文设计、实现一套心音信号采集与分析系统，并研究利用心音进行被测试者的身份识别。
因为传统的密码、口令等验证方法存在容易被忘记或破解的缺陷，而利用人体生物特征进行身份识别具有独特的优势，如指纹、虹膜、手形和面部特征等识别技术已经较为成熟，相关产品已经进入市场。
但是利用人体生理信号，如心音、脉搏等，进行身份识别的研究才刚刚兴起，有着很大的研究价值和发展空间。
随着计算机技术的迅速发展，基于单片机、DSP 等核心控制器采集心音信号，利用PC 机进行定量分析，已成为心音检测系统的研究趋势[5-6]。
因此，本系统利用STC12C5A 单片机采集HKY-06B 型PVDF 薄膜式心音传感器输出的心音信号，并通过RS232 总线发送到上位机，实现了检测终端与上位机之间的数据通信，同时在上位机采用虚拟仪器软件LabVIEW 设计开发了一套集数据管理、采集和分析于一体的虚拟心音检测系统。
1 系统设计系统的硬件结构框图如图1 所示，包括以下几个部分：(1)心音传感器模块。
能将心脏搏动信号转化为低阻抗音频信号;(2)信号预处理模块。
负责对微弱的心音信号进行前置放大、低通滤波、高通滤波和功率放大;(3)单片机模块。
负责将预处理后的心音信号进行A/D 采样以及通过键盘执行数据存储、液晶显示。
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基于LabVIEW的心音信号分析系统设计班级学号：0708112 27学生姓名：沈鑫学院：生命科学技术学院摘要:研究了基于LabVIEW开发平台的心音信号分析系统。
该系统首先使用HKY06A型心音传感器采集和记录心音信号,然后计算归一化平均香农能(NASE)来提取心音信号的时域特征和利用短时傅立叶变换(STFT),Wigner-Ville分布(WVD)与小波变换(WT)三种时频分析方法来提取心音信号的时频特征。
这些特征为心血管疾病的诊断提供了一些重要信息, 帮助初学医师更准确可靠的诊断。
通过对44 例心音信号进行测试, 证明该系统在各种心血管疾病的诊断中相当有效和稳健。
关键词:音信号、LabVIEW、归一化平均香农能、短时傅立叶变换、Wigner-Ville 分布、小波变换。
Abstract: A system of heart sound analysis based on platform of LabVIEWis designed. The heart sounds arc first acquired and recorded using FIKY06A-type heart sound sensor in this system. Then, the signals time-domain features are extracted by calculating the normalized average Shannon energy, and time-frequency features are extracted separately utilizing three kinds of time-frequency analysis method-STFT, WVD and WT. These features can provide some important information for diagnosis of cardiovascular diseases and assist general physicians to come up with more accurate and reliable diagnosis at early stages. Tested with 44 cases of heart sounds, the system have been proved to be quite efficient and robust while diagnosing of a variety of cardiovascular diseases.Key words：heart sounds、LabVIEW normalized average Shannon energy、short-time Fourier transform 、Wigner-Ville distribution、wavelet transform.1 引言心脏的听诊是心脏病诊断以及治疗中不可缺少的一部分, 而且对于初学者或经验不多的人来说, 也是较难掌握的一种技术。
目前我国医院部门对心脏疾病的诊断和疗效的评价很大程度上仍依赖于听诊器, 听诊噪声干扰比较严重, 对过于微弱或过于复杂的声音响应不佳, 它一般只被用于初步的、粗略的诊断, 仅凭自己的感觉和经验来判断是远远不够的, 即使是很有经验的医生, 也受主观因素的影响, 可能会发生误诊。
心音是在体表获取声频范围内源于心脏的一种机械性振动。
有规律的、时限较短的振动为心音；较长的、不规律的振动为杂音。
心音能够反映心脏活动及血液流动的状况, 它含有关于心脏各个部分如心房、心室、大血管、心血管及各个瓣膜功能状态的大量病理信息, 是临床评估心脏功能状态的最基本参数, 是心脏及大血管机械运动的反映。
心音图具有心脏听诊所没有的特点, 从而心音图检查提高了心音和心脏杂音的识别能力, 丰富了听诊, 对心血管疾病的诊断、鉴别、治疗、功能研究、机理探讨、血液动力学改变等多方面提供了相当有价值的资料。
心音图的时频分布展示了其在某一特定时间的谱成分, 它通常被看作信号能量在时域和频域中的分布, 如短时傅立叶变换(STFT)、Wigner-Ville 分布(WVD)和小波变换(WT) 。
本文研究了心音信号的时域特征和时频特征,并在LabVIEW 环境下开发出一种心音信号分析系统。
该系统能对心音信号进行采集和分析其时域特征与时频特征, 给临床诊断提供重要的信息。
2 心音信号采集心音是心脏跳动过程中对胸壁的冲击振动, 如何有效的获取这些振动信号, 尽可能的降低运动伪迹的干扰是信号提取技术的关键。
合肥华科电子技术研究所研制的HKY06型心音传感器采用新型高分子聚合材料微音传感元件采集心脏搏动和其他体表搏动信号,在经过高度集成化信号处理电路。
输出低阻抗功率信号, 可直接驱动耳机, 也可以连接计算机进行录音, 并以.mp3或.wav 格式存储。
通过录音软件可以记录心音信号并且看到心音图谱, 进行图谱分析。
可用于临床听诊、心音分析、心音图谱分析等领域。
HKY06A 型心音传感器技术参数如下:电源5V/DC ；输出功率最大值1W ；功耗小于30mA ； 频率响应10Hz —600Hz ； 灵敏度大于4mV/Pa 。
心音信号采集的原理图如图 1所示, 主要由心音传感器、声卡模块、微计算机系统等组成。
在Windows XP 操作系统环境下采用HKY06A 型心音传感器通过微计算机的声卡直接在LabVIEW 8.6开发平台上进行心音信号采集和分析。
3 心音信号分析系统软件开发心音信号分析系统是在LabVIEW图形化编程语言环境下开发设计的。
主要包括两个部分:心音数据的获取和分析。
其主界面及程序流程图如图2和图 3所示 。
读取信号模块有两种选择, 一种是直接读取已存储的心音信号文件；另一种是使用心音传感器,通过声卡实时采集心音信号。
将读取的心音信号截取一段长度进行预处理。
预处理模块是对心音传感器采集到的信号进行消噪。
由于各种干扰的存在,图 1心音信号采集原理图图 2心音信号分析系统主界面图 3心音信号分析系统的程序流程图实际采集到的心音信号质量比较差, 不能对其进行正常的分析处理。
这些干扰主要包括50Hz 工频干扰、呼吸音干扰以及白噪声干扰等。
因此, 在信号进行分析之前进行预处理是必要的。
预处理经过简单的滤波和小波硬阈消噪两部分。
消噪效果如图 4所示, 由图 4可知小波消噪可以很好的消除噪声对心音信号分析的影响。
4 心音信号分析方法心音信号分析方法有时域分析法、频域分析法、时频分析法等。
下面我们只介绍时域分析法和时频分析法。
4.1心音信号时域分析心音信号的时域包括心音分段技术、时域能量、包络法和平均功率法、信号包络分布技术等分析方法。
在这主要通过时域能量包络方法来提取心音的一些特征, 如心率、第一心音(S1)位置、第二心音(S2) 位置、收缩期时间、舒张期时间等。
通过计算舒张期和收缩期的时限比值(D/S)可进一步评估舒张期心脏自身供血时间是否充足。
计算心音信号的归一化平均香农能(NASE)的步骤为:首先, 把数据分段处理, 每20ms 的采样数据为一段,每隔10ms 取新的一段, 对每一段数据计算其能量为:(1)式中x norm 为信号幅度归一化后的数据；N 为20ms 内的采样数, 对于采样频率为8000Hz 的信号,则N=160。
其次, 整个心音信号归一化平均香农能为:(2)以分段作为时间变量, 则Es 得到Es(n)序列,M(Es(n))是Es(n)的平均值,S(Es(n))是Es(n)的标准差。
由于心脏杂音的频率与S1、S2的频率不同即收缩期、舒张期杂音的频率是120—600Hz,S1、S2 的频率在50—100Hz 。
因此在计算归一化平均香农能以前, 先对信号进行频率为120Hz 的10阶Butterworth 低通滤波, 提取S1 、S2信号。
图 5中的心音是图 4正常心音小波消噪后结果图 5心音信号时域分析一段主动脉瓣关闭不全信号, 经过低通滤波后杂音被滤除, 剩下的为S1、S2信号。
通过计算S1、S2的归一化平均香农能, 得到心率为60次/分, 收缩期时间为0.346秒,舒张期时间为0.662秒以及S1、S2 的位置。
4.2 心音信号时频分析4.2.1 短时傅立叶变换(STFT)众所周知, 傅立叶变换可以得到信号能量在频域上的分布；但是, 它是一个整体的变换, 即对信号的表征要么完全在时域, 要么完全在频域, 不能告诉我们其中某个频率分量出现在什么时候以及它的变换情况如何, 应此, 对于心音这样的时变信号, 需要采用短时傅立叶变换(STFT)进行时频分析。
STFT定义为:(3)对比短时傅立叶变换和傅立叶变换的定义可知,为了把傅立叶变换的结果与实践变量联系起来, 一个简单而直观的办法是对信号f(t)进行加窗处理。
式中ψ(τ)为时间中心和频带中心均为零的分析窗。
信号f(t)与短时窗信号ψ(t-τ)相乘, 可以有效的抑制分析时刻t=τ的领域外的信号, 所以STFT是信号f(t)在时刻τ的领域内的局部频谱,f(t)的频谱特性则可看作是所有局部频谱的加权形式。
4.2.2 Wigner-Ville分布(WVD)从本质上说, 短时傅立叶变换是线性时频表示,它不能描述信号的瞬时功率谱密度。
此时, 二次型时频表示就是一种更加直观和合理的信号表示方法, 也称为时频分布, 其中Wigner-Ville分布就是常用的一种时频分布。
它是时频分析领域最基本、最重要的方法,是一种意义更广泛的时频能量分布,在一定程度上解决了短时傅立叶变换存在的问题。
信号s(t)的Wigner-Ville分布定义为:(4)式中,z(t)为s(t)的解析信号。
Wigner-Ville分布是一种涉及相关函数的分布,虽然它具有好的时频聚集性, 但是对于多分量信号,由卷积定理可知, 它会出现交叉项, 产生“虚假信号”,这是其在应用中存在的主要缺陷。
交叉项是二次型时频分布的固有结果, 它来自于多分量信号中不同信号分量之间的交叉作用。
时频分布的交叉项一般是比较严重的, 交叉项通常是振荡的, 而且幅度可以达到主项的两倍, 造成信号的时频特征模糊不清。
事实上,交叉项与时频分布的有限支撑特性密切相关, 应此交叉项的抑制主要通过核函数的设计来实现。
我们在式(4)中加入一个窗函数h(τ)得到Wigner-Ville布(PWVD),其公式为：(5)窗函数h(τ)的加入能够有效的抑制交叉项的出现, 同时也导致频率在时间轴上平滑, 降低了时频分辨率。
图 6是正常心音的WVD和PWVD 时频图。