第十三章 聲音信號(hào)處理.ppt

1、第十三章 聲音信號(hào)處理,生物體也是一個(gè)發(fā)音系統(tǒng)，如呼吸運(yùn)動(dòng)發(fā)出的呼吸音、心臟運(yùn)動(dòng)發(fā)出的心音等。這些聲音都是肌體相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)部分的狀態(tài)的反映，攜帶了相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)部分的生理和病理狀態(tài)的信息。聲音信號(hào)處理的目的就是在于提取能區(qū)分相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)部分的生理、病理特征的信息。 第一節(jié) 心音信號(hào)處理 正常人體的心音信號(hào)包括第一心音和第二心音，第一心音來(lái)自二尖瓣和三尖瓣的開(kāi)放和關(guān)閉，第二心音來(lái)自主動(dòng)脈瓣和肺動(dòng)脈瓣的開(kāi)放和關(guān)閉。一些心臟疾病如瓣膜和心肌的疾病會(huì)使正常的心音信號(hào)發(fā)生一定的變化，原因主要有兩類，一類是由瓣膜(包括二尖瓣、三尖瓣、主動(dòng)脈瓣和肺動(dòng)脈瓣)疾病所引起的，包括第一心音、第二心音的分裂和心臟雜音；另一類

2、則是由心房或心室的心肌疾病產(chǎn)生的不正常血流所引起的。通過(guò)分析心音信號(hào)，就可以在一定程度上診斷瓣膜或心肌的疾病。,一、心音信號(hào)采集,計(jì)算機(jī)化心音信號(hào)采集系統(tǒng)，主要包括：換能器、信號(hào)放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)軟硬件等。 1. 心音時(shí)域波形,圖13-1 正常心音圖 圖13-2 房室隔缺損病人心音圖,二、心音信號(hào)處理方法,心音的處理方法包括時(shí)域的參數(shù)計(jì)算和波形分析。經(jīng)典譜分析方法和現(xiàn)代譜分析方法或稱參數(shù)模型法在心音信號(hào)的分析中曾起著十分重要的作用，譜特征在表征心臟疾病及狀態(tài)方面也有一定效果。周期圖法和具有最大熵的零極點(diǎn)模型法提供了譜峰的最穩(wěn)定估計(jì)，估計(jì)譜分布的最穩(wěn)定方法為周期圖法和外推至零的零極點(diǎn)模型

3、法。,信號(hào)的時(shí)頻分析方法分為線性和非線性兩大類。線性時(shí)頻分析主要有短時(shí)傅里葉變換、小波變換和獨(dú)立成份分析等幾種形式。非線性時(shí)頻分析主要指二次型時(shí)頻分布。二次型時(shí)頻分布表示“信號(hào)在時(shí)間-頻率平面上的能量分布，也就是信號(hào)在某時(shí)刻的功率譜”。常用的有Wigner分布，Choe-Williams分布，Cone核分布等。,(1) 短時(shí)傅里葉變換(STFT),短時(shí)傅里葉變換是在信號(hào)短時(shí)平穩(wěn)假設(shè)的基礎(chǔ)上對(duì)信號(hào)分段進(jìn)行傅里葉變換的，分析窗的類型和長(zhǎng)度對(duì)結(jié)果的影響很關(guān)鍵。圖13-3是采用Gauss窗的短時(shí)傅里葉變換對(duì)正常第二心音的變換結(jié)果，可以看出心音的特征在時(shí)間-頻率二維平面上的變化情況。 圖13-3 第二心

4、音的功率譜,(2)小波分析,小波分析具有更好的時(shí)頻特性，被譽(yù)為數(shù)學(xué)的顯微鏡，因此也被應(yīng)用到心音的分析中。,圖13-4 第二心音分裂的時(shí)域波形和小波變換譜,第二節(jié)、肺音和呼吸音信號(hào)處理,肺聽(tīng)診也一直是呼吸系統(tǒng)疾病診斷和療效觀察的基本方法。肺音信號(hào)是肺內(nèi)氣管產(chǎn)生的振動(dòng)傳導(dǎo)到胸壁的聲學(xué)信號(hào)，這些信號(hào)所含頻率成份以及信號(hào)特征與呼吸系統(tǒng)病理、生理學(xué)相關(guān)性的研究一直受到國(guó)際肺音學(xué)界的廣泛重視。 一、肺音分類及發(fā)生機(jī)制,(1)正常肺音的發(fā)生機(jī)理,Forgacs的渦流理論認(rèn)為肺泡呼吸音的音源是較大支氣管內(nèi)的渦流。 (2) 連續(xù)性肺音的發(fā)生機(jī)理 氣道壁顫振理論。這個(gè)理論表明：當(dāng)氣道內(nèi)氣流速度大于或等于某一速度(

5、這一速度稱為氣道壁顫振的臨界速度)時(shí)，氣道不穩(wěn)定，即氣道壁振動(dòng)，而其振動(dòng)頻率與氣道壁的聲學(xué)特性及氣流參數(shù)有關(guān)。 (3)間斷性音的發(fā)生機(jī)理 Forgacs提出氣道壓差學(xué)說(shuō)，即病變已呈閉合的氣道，在吸氣時(shí)引起突然開(kāi)放和閉合，使產(chǎn)生的壓差突然消除和再生成，便產(chǎn)生間斷性音。,二、肺音的臨床及生理學(xué)意義,在正常通氣時(shí)，通氣流量和肺容積等對(duì)肺音的產(chǎn)生都有很大的影響，故可以利用監(jiān)測(cè)肺音特征量的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)通氣狀態(tài)的無(wú)人監(jiān)測(cè)，尤其對(duì)重癥病人的監(jiān)測(cè)，具有特殊意義。 捻發(fā)音通常僅在肺部的某一局部(病灶處)出現(xiàn)，有人初步研究過(guò)這種音在胸壁表面的分布。 水泡音的產(chǎn)生與氣道分泌物有關(guān)，在較大的粗氣道內(nèi)產(chǎn)生的，它不僅在吸

6、氣相可聽(tīng)到，也可在呼氣時(shí)聽(tīng)到，易受咳嗽影響。,三、肺音信號(hào)分析方法,時(shí)域分析（波形分析）,圖13-6 哮喘肺音圖,肺音的時(shí)域圖如圖13-6所示。時(shí)域分析一般計(jì)算各特征波形的峰值、波形的持續(xù)時(shí)間等。,2.傅立葉頻域分析,圖13-7 功率譜,一般將肺音進(jìn)行傅立葉變換后計(jì)算其功率譜，如圖13-7所示，用以研究譜分布與特征與肺部疾病的關(guān)系。,3. 動(dòng)態(tài)譜,動(dòng)態(tài)譜也稱為時(shí)變譜，采用功率譜隨時(shí)間變化而形成的一系列三維曲線圖。時(shí)變譜可同時(shí)顯示呼吸音相對(duì)強(qiáng)度與頻率成份隨時(shí)間變化的過(guò)程，比一般的FFT功率譜顯示出更多的信息，更容易顯示出肺音的時(shí)變特性。如從時(shí)變譜中可得到能量隨呼吸過(guò)程的變化情況，由此可區(qū)別出呼吸

7、相。又比如從時(shí)變譜中可以得到一些頻域分析參數(shù)(如譜峰頻率、帶寬等)隨呼吸過(guò)程的變化情況，從中了解共振峰的遷移，又如從時(shí)變譜中可以得到一些肺音時(shí)域信息，如呼吸音的持續(xù)時(shí)間，可估計(jì)出每一次喘嗚的發(fā)作時(shí)間?？傊?，這是一種時(shí)間、頻域、幅值域的三維顯示圖，蘊(yùn)含著肺音的各種信息。,時(shí)變譜分析與其它呼吸醫(yī)學(xué)參數(shù)(如氣流參數(shù)、氣道壓力等)相結(jié)合將更加有助于揭示出肺音中的大量有用信息，有助于肺音發(fā)生與傳播機(jī)理的進(jìn)一步研究，這是一種十分有效的研究方法，有利于研究肺音特征與呼吸疾病之間的相關(guān)性，為肺音臨床廣泛應(yīng)用提供可靠的生理學(xué)、病理學(xué)依據(jù)。 臨床上常見(jiàn)的異常連續(xù)性肺音哮嗚音，多見(jiàn)于阻塞性氣道疾病，其線性時(shí)變譜如圖13-8所示。哮嗚音功率譜繪成線狀譜，由基頻與諧頻組成，而其基頻隨時(shí)間變化，其相對(duì)振幅也隨時(shí)間變化。,圖13-8 動(dòng)態(tài)譜,第三節(jié) 關(guān)節(jié)音信號(hào)處理,關(guān)節(jié)音攜帶有關(guān)節(jié)的生理、病理信息。臨床上研究最多的就是頜關(guān)節(jié)音，TMJ音圖的物理特性顯示出了在診斷和治療中的意義。 一、關(guān)節(jié)音信號(hào)獲取 關(guān)節(jié)音信號(hào)由聲-電換能器拾取，模擬信號(hào)放大器，再經(jīng)AD轉(zhuǎn)換輸入通用計(jì)算機(jī)處理。為避免干擾，檢測(cè)可在金屬屏蔽室內(nèi)進(jìn)行。 一般包含幾種常用的處理方法，時(shí)域分析，信號(hào)頻域分析，以及關(guān)節(jié)音信號(hào)分