LabVIEW平臺(tái)上的心音分析虛擬儀器設(shè)計(jì)

1、收稿日期:2010-03-14;修回日期:2010-06-28基金項(xiàng)目:山東省自然基金項(xiàng)目(y2006G03,y2007G14,2007Jy17;南京郵電大學(xué)基金項(xiàng)目(NY207139作者簡(jiǎn)介:張會(huì)香(1986-,女,河南焦作人,碩士研究生,研究方向?yàn)橹悄苄畔⑾到y(tǒng)與應(yīng)用;成謝鋒,教授,碩士生導(dǎo)師,從事智能信息處理、智能儀器方面的研究工作。LabVIEW 平臺(tái)上的心音分析虛擬儀器設(shè)計(jì)張會(huì)香,成謝鋒(南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京210003摘 要:介紹了一種心音分析虛擬儀器的設(shè)計(jì)方案,為開發(fā)出適合個(gè)人在PC 機(jī)上使用的心音分析儀器打下平臺(tái)。該儀器以LabVIEW 為開發(fā)平臺(tái),硬件以壓控

2、心音傳感器和計(jì)算機(jī)自帶聲卡為基礎(chǔ),軟件包含了心音采集、小波去噪、時(shí)域分析和頻域分析等多個(gè)模塊。為計(jì)算心跳頻率和第一心音與第二心音之間的時(shí)間間隔,采用了提取心音包絡(luò)、歸一化和分段平均相結(jié)合的方法,提高了系統(tǒng)的容差能力和計(jì)算精度。該儀器實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的心臟聽診從單一的 聽 轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?、可聽和多角度分?可作為臨床心臟診斷的輔助儀器。關(guān)鍵詞:心音;LabVIEW;小波去噪;FFT 頻譜;心跳頻率;心音間隔中圖分類號(hào):T P311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1673-629X(201011-0217-04Heart S ound Analysis Virtual Instrument Based on L

3、abVIEW PlatformZHANG Hui xiang,CH ENG Xie feng(Department of Electronic Science and Engineer ing ,N anjing U niversity of Postsand T elecommunicat ions,Nanjing 210003,ChinaAbstract:Introduce a kind of heart s ound analysis virtual instrument based on the platform of LabVIEW.H ardware consists of vol

4、tage-controlled sensor and th e computer sound card.T he software integrates three modules:heart sound collection,denoise by w avelet,analy sis in time and frequen cy domai ns.By extracting the envel ope of the heart sound first and then cut it i nto pieces to improve fault tolerance and accuracy,i

5、t also calculates the heart-beat frequency and th e average i nterval of S1and S2,w hich are quite important for the hear auscul ate.At last,some practical examples are given to demonstrate the vali dity and the effectiveness of this i nstrument.Due to the visi bility,audibility,stability and multi-

6、analysis,this instrument can be used as an assistant implementation for heart auscultate.Key words:h eart sound;LabVIE W;w avelet denoise;FFT spectrum ;heart beat frequency;heart s ound interval0 引 言心音含有關(guān)于心臟各個(gè)部分的重要病理信息,心臟聽診是醫(yī)學(xué)診斷中的重要手段。正常的心音包含第一心音(S1、第二心音(S2、第三心音(S3和第四心音(S4四個(gè)成分,第一心音的頻率成分主要集中在50-150Hz

7、 范圍內(nèi),而第二心音的頻率成分主要集中在50-200Hz 范圍內(nèi)。其中S1、S2是可以聽聞的部分,S3、S4強(qiáng)度很弱,幾乎不可聽聞1。傳統(tǒng)的心臟聽診方法是用聽診器聽取病人的心音,醫(yī)生靠經(jīng)驗(yàn)判斷病人心跳是否正常,其分析方法極其有限,分析范圍非常狹窄,其準(zhǔn)確性和精確性也難以保障,也不易被新手掌握2。L abV IEW 是近年來非常流行的圖形化編程工具。它所使用的 G 語言使得用戶可以使用圖形模塊編寫出功能強(qiáng)大的程序,最終的應(yīng)用界面類似于實(shí)際使用的儀器界面。LabVIEW 同時(shí)還提供豐富的語言接口和軟件接口,方便在其內(nèi)部調(diào)用其它語言如C 、C+、M at lab 的代碼和使用其它軟件的功能?？梢哉fL

8、ab V IEW 完成了PC 機(jī)資源的完美整合,用它開發(fā)的虛擬儀器創(chuàng)造了逼近現(xiàn)實(shí)世界的虛擬環(huán)境,是計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)完美結(jié)合的產(chǎn)物,代表了儀器發(fā)展的方向3,4。文中介紹了一種基于LabV IEW 開發(fā)平臺(tái)的虛擬心音分析儀器。該儀器借助PC 機(jī)豐富的資源和Lab VEIW 的靈活性,實(shí)現(xiàn)了對(duì)心音的采集和時(shí)域、頻域分析,并采用分段平均的方法計(jì)算出心跳頻率和心音間第20卷 第11期2010年11月 計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展COM PU TER TECHNOLOGY AND DEVELOPM ENTV ol.20 N o.11Nov. 2010隔,突破了傳統(tǒng)心臟聽診僅憑經(jīng)驗(yàn)聽的局限,提高了心跳聽診的科學(xué)性和

9、準(zhǔn)確性。1 儀器結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)該儀器主要分為三個(gè)模塊:心音采集模塊,小波去噪模塊和心音分析模塊。心音分析模塊又包括時(shí)域分析和頻域分析。時(shí)域分析給出了心跳頻率和第一心音與第二心音之間的間隔,頻域分析主要是心音信號(hào)的FFT 頻譜分析。整個(gè)虛擬儀器的前面板如圖1所示。1.1 心音采集模塊采集模塊硬件設(shè)備以微音傳感元件HKY -06B (帶有HK Y06B-PC 適配器連接PC 機(jī)聲卡組成。HKY-06B 是一種由新型高分子聚合材料制成的微音傳感元件,適合于各類心音采集。由于本儀器是運(yùn)行在PC 機(jī)上的分析儀器,而PC 機(jī)聲卡本身就是一個(gè)優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),目前普通聲卡的最高采樣頻率是44.1kHz,有的達(dá)

10、到48kHz,足以滿足采樣定律的要求(心音信號(hào)的頻率在0200Hz 之間。基于不同的分析要求和PC 聲卡配置,用L ab V IEW 的聲音函數(shù)設(shè)計(jì)的心音采集模塊(前面板如圖1(a所示設(shè)置了 心音格式參數(shù)設(shè)置 區(qū)域,用戶可以在這里設(shè)置采集頻率、通道數(shù)和每采樣比特?cái)?shù)。用戶把帶有M IC 接口的壓控傳感器一端連接電腦,另一端放在被采集者心臟附近,設(shè)置參數(shù),點(diǎn)擊 心音采集 按鈕開始采集。采集到的心音以.wav 文件格式保存在默認(rèn)目錄上,供重新播放和后面分析使用。1.2 小波去噪模塊通常提取到的心音信號(hào)含有一些雜音,因此有必要對(duì)其進(jìn)行去噪。由于心音信號(hào)集中在低頻部分,噪聲分布在高頻部分,因此,可以用一

11、個(gè)低通濾波器進(jìn)行濾波。但是它不能將有信號(hào)的高頻部分和噪聲引起的高頻干擾加以有效的區(qū)分。而小波去噪則可以將信號(hào)和噪聲有效區(qū)分,同時(shí)保留信號(hào)的尖峰和突變成分5,6。另外,LabVIEW 提供的M at lab 腳本節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)在LabVIEW 中添加M atlab 腳本,而M at lab 中提供的w rcoef 函數(shù)可以在不知道對(duì)特定心音信號(hào)該取什么閾值去噪的情況下用百分比來確定小波分解中每層取零的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù),具有一定的通用性。所以,這里選擇小波對(duì)心音去噪。這里采取的小波去噪是在小波分解基礎(chǔ)上的閾值降噪方法。已知時(shí)間信號(hào)f (t ,稱WT (a,b=1a!Rf (t (t -bad t (1為f

12、(t 的連續(xù)小波變換,其中1a(t -b a 為小波基函數(shù),是由同一母函數(shù) (t 經(jīng)伸縮和平移后得到的一組函數(shù)序列。定義離散小波函數(shù)為:WT (m ,n=2-m/2!f (t (2-m t -nd t(2經(jīng)離散小波變換之后,信號(hào)f (t被分解為低頻成分和一系列高頻成分w j,k 。有效信號(hào)多分布在低頻部分,噪聲則多分布在高頻部分,同時(shí)信號(hào)的系數(shù)要大于噪聲的系數(shù),于是可以找到一個(gè)合適的數(shù) 作為閾值對(duì)高頻部分進(jìn)行去噪7,8。當(dāng)w j,k 小于該閾值時(shí),認(rèn)為這時(shí)的w j ,k 主要是由噪聲引起的,并置為零;當(dāng)w j ,k 大于域值時(shí),認(rèn)為這時(shí)的w j ,k 主要由信號(hào)引起的,則把這部分的w j ,k

13、 直接保留下來(硬閾值方法或者按某一定量向零收縮(軟閾值方法,然后由新的小波系數(shù)重構(gòu)得到去噪后的信號(hào)。本系統(tǒng)采用M atlab 提供的w thcoef 函數(shù)去噪,可以設(shè)置一個(gè)百分比,把高頻系數(shù) 中系數(shù)較小的那一部分系數(shù)設(shè)為0,然后再重構(gòu),達(dá)到圖1 心音分析儀器前面板218 計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展 第20卷消噪的目的。小波去噪效果如圖2(2所示。小波去噪前面板如圖1(b所示。用戶可以根據(jù)自己的需要在前面板上選擇小波類型、小波階數(shù)、小波分解層數(shù)(最多5層和每層置零百分比?？紤]到有不了解小波去噪原理的用戶,給每一參數(shù)設(shè)定了默認(rèn)值9,默認(rèn)小波為db 小波,階數(shù)為6,分解層數(shù)為5,經(jīng)理論和實(shí)驗(yàn)證明,這樣的設(shè)置

14、能達(dá)到不錯(cuò)的去噪效果。1.3 心音分析模塊1.3.1 心音FFT 頻譜分析心音FFT 頻譜可以把信號(hào)轉(zhuǎn)化到頻域觀察,從頻譜圖上觀察心跳是否異常10。心音FFT 頻譜分析前面板和分析結(jié)果如圖1(c上方所示。為方便比較,可分別點(diǎn)擊 去噪前FFT 頻譜 和 去噪后FFT 頻譜 進(jìn)行觀察。1.3.2 心跳頻率和心音間隔分析模塊心跳頻率和第一心音與第二心音之間的間隔是醫(yī)生診斷的重要依據(jù)。為得出這些參數(shù),需要首先得到心音的包絡(luò)11,12,因?yàn)閱螐牟杉降牟▌?dòng)信號(hào)上是不容易確定心音尖峰出現(xiàn)的時(shí)刻的(如圖2(1所示。為此,取消噪之后的心音信號(hào)ss 為P(i =ss(i2i =0,1,2,#(3按照(3式計(jì)算出

15、能量P(i 。P(i 仍然是一個(gè)波動(dòng)曲線(如圖2(3所示。給P(i 加窗并使窗沿x 軸移動(dòng),取窗長范圍內(nèi)的P(i 局部最大值組成P 2(j 。P 2(j 的數(shù)據(jù)數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于P (i,為得到完整的包絡(luò),采用三次樣條插值法對(duì)P 2(j 進(jìn)行插值,這樣就得到了心音的包絡(luò),如圖2(4 所示。圖2 獲取心音包絡(luò)從圖2(4可以看出,這樣得出的包絡(luò)極為不光滑,心音尖峰分裂的地方也非常容易誤判為不是一個(gè)心音,所以需要進(jìn)一步優(yōu)化波形。設(shè)包絡(luò)為a(i (i =0,1,2,#,n,如果選擇包絡(luò)數(shù)據(jù)的平均值meanp =1n +1ni=0a(i 作為閾值,按照a (i =1 a(i >meanp0 a(i !m

16、eanp(4逐點(diǎn)比較a(i 與meanp 的大小,則得到的歸一化包絡(luò)a (i 非常不準(zhǔn)確(如圖2(5所示,一個(gè)心音可能由不止一個(gè)脈沖代表。為提高判決準(zhǔn)確度,給a(i 加矩形窗W (n:W (n=1 -50!n <500 其它(5得到aa(i,k=a(iW (n -k (i =0,1,2,#,k =50,51,52#(6取Suma (k=k+49i=k-50aa(i ,k(7并修正閾值為:t hresh =meanp 0.8(8按照a (j =1 Suma (k100thresh0 Suma (k<100threshj =k -50(9a (j 。每個(gè)脈沖代表第一心音或者第二心音,如

17、圖2(6所示?？梢?經(jīng)過優(yōu)化后的歸一化包絡(luò)比直接比較取得的包絡(luò)更能準(zhǔn)確地反應(yīng)出心音的分段。由于采樣的問題,第一脈沖和最后一個(gè)脈沖可能不夠完整,影響計(jì)算。所以在計(jì)算心率之前需要先去掉第一個(gè)脈沖和最后一個(gè)脈沖。取 a (j 的每一個(gè)脈沖中間對(duì)應(yīng)的索引值(橫坐標(biāo)采樣點(diǎn)數(shù)組成TT (i =i =0,1,2#,則T T (3-TT (1是一個(gè)心音周期,從而可以按照下式取心音周期的平均得到心跳周期:T =1f s nni=1T T (2i +1-T T (2i -1(10其中f s 是采樣頻率,心跳頻率為f =60/T (次/分。為得出第一心音與第二心音的間隔,取TT (i 的第二個(gè)值和第一個(gè)值的差,如果

18、大于一定值判斷為一個(gè)心跳的第二心音與下一個(gè)心跳的第一心音的間隔,舍棄第一個(gè)值;否則,按照#t =1f s NNi=2nT T (i -T T (i -1 n =1,2,3#(11219第11期 張會(huì)香等:L abVI EW 平臺(tái)上的心音分析虛擬儀器設(shè)計(jì)計(jì)算便可得到第一心音與第二心音的間隔。用戶前面板如圖1(c下方所示,點(diǎn)擊前面板上的 分析 按鈕,便可顯示出心跳頻率和心音間隔。用上面的方法計(jì)算出一次心音采樣信號(hào)的心跳頻率為68次/分,第一心音與第二心音的間隔是0.29016秒。經(jīng)試驗(yàn)40多個(gè)人的心音采樣,與實(shí)際計(jì)數(shù)比較,證明該方法是行之有效并符合實(shí)際的。而且所有數(shù)據(jù)不超過三秒就可以計(jì)算出來,計(jì)算

19、速度還是令人滿意的。2 結(jié)束語該心音分析虛擬儀器綜合利用了PC 機(jī)豐富的資源,突破了傳統(tǒng)心臟聽診的局限,不僅 可聽 ,而且 可視 ,不僅提供心音采集,而且提供心音分析,不僅分析頻域,還分析時(shí)域,為心臟聽診提供了新的方法和途徑,并為心音的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)多次實(shí)際使用驗(yàn)證,該儀器達(dá)到了可信賴的精確度和準(zhǔn)確度,具有很強(qiáng)的實(shí)用性。下一步要做的就是豐富該儀器的內(nèi)容,進(jìn)一步提高它的精確度,同時(shí)設(shè)法把它和傳統(tǒng)的聽診器結(jié)合起來,開發(fā)出可推廣的產(chǎn)品。參考文獻(xiàn):1 吳延軍,徐涇平,趙 艷.心音的產(chǎn)生與傳導(dǎo)機(jī)制J.生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,1996,13(3:280-288.2 陳 劍,郭興明,肖守中.心音信號(hào)識(shí)

20、別的意義及其方法的研究J.國外醫(yī)學(xué)(生物醫(yī)學(xué)工程分冊(cè),2004(2:151-156.3 朱啟琨,李 雯.基于虛擬儀器的心音分析系統(tǒng)研制J.儀表技術(shù),2008(12:82-86.4 T opal T ,Polat H.G ler I.Software Development for theAnalysis of Heartbeat Sounds with LabV IEW in Diagnosis of Cardiovascular Di seaseJ.Springer Sci ence &Business M e dia,2008,32:409-421.5 成謝鋒,陶冶薇,張少白,等.

21、獨(dú)立子波函數(shù)和小波分析在單路含噪信號(hào)中的應(yīng)用研究:模型與關(guān)鍵技術(shù)J.電子學(xué)報(bào),2009(7:1522-1528.6 張 建,沈民奮,宋 驥.三種時(shí)頻分析方法在心音信號(hào)分析中的應(yīng)用J.汕頭大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版,2003(2:111-115.7 單正婭,蘇衛(wèi)峰,韓東起.基于小波分析的心音診斷方法研究J.科技創(chuàng)報(bào),2007,35:21-22.8 Debbal S M ,Ber eksi-Reguig F.Analysis of the second heartsound using continuous wavelet transformJ.Journal of Med ical Engineeri

22、ng &Technology,2004,28:151-156.9 劉江紅,李小堅(jiān).LabVIEW 中屬性節(jié)點(diǎn)的研究J.科學(xué)技術(shù)與工程,2007,7(5:919-922.10胡玉良,王海濱,陳 健,等.心音在時(shí)頻兩域中解析方法的研究J.西華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版,2009,28(5:5-8.11朱冰蓮,呂 佶.時(shí)頻表達(dá)在心音研究中的應(yīng)用J.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版,2006,29(5:116-119.12Bulgrin J R,Rubal B J,Thompson C R,et al.Compari son ofshort-time Fourier,Wavelet and time domain analyses of in tercardiac sounds J.Biomedical Sciences Instrumentation,2003,29:465-472.(上接第216頁參考文獻(xiàn):1 倪 棟,段 進(jìn).ANSYS10.0基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解M.北京:中國水利水電出版社,2004:3- 4.2 李奉香.用ANSYS 軟件進(jìn)行熱應(yīng)力分析J.造船技術(shù),2005(3:44-46.3 談卓君,左正興,張儒華.發(fā)動(dòng)機(jī)連桿有限元分析進(jìn)展J.中國機(jī)械工程,2004,15(4:365-369.4 白敏麗,丁鐵新,呂繼組.活塞組%氣缸套耦合熱模擬J.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),1995