基于LabVIEW2011的心音信號STFT分析*

韋 哲 辛 邁 汪凌艷 趙 鈺

基于LabVIEW2011的心音信號STFT分析*

韋 哲①② 辛 邁①③* 汪凌艷④ 趙 鈺⑤

目的：為了便于對心音信號進行分析，提高操作經驗不足人員的分析能力和病情診斷效率，實現對于病癥的快速鑒別。方法：引入短時傅里葉變換(STFT)理論進行算法分析研究，利用LabVIEW2011進行編程設計，實現將一維的心音信號圖形轉化為有較強識別特征的強度圖譜形式。結果：成功利用所設計的程序實現對心音信號基于STFT的圖譜分析，簡化了對于病情判別過程，提高了工作效率。結論：采用心音信號的STFT分析方法能夠實現對于心音信號分析的優化，可以起到預想的作用。

心音信號；LabVIEW2011；短時傅里葉變換

[First-author’s address]Lanzhou General Hospital, Lanzhou Military Area Command, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China.

短時傅里葉變換(short time Fourier transform，STFT)是當前在信號處理和分析領域中被廣泛應用的一類技術[1]。在圖像處理、油氣勘探、地質學分析和聲信號處理等方面的應用優勢尤為突出，受到相關學者的重視[2-5]。給定一個時間寬度很短的窗函數γ(t)，令窗函數γ(t)在t軸上滑動，則信號x(t)的STFT表達為(公式1)：

STFT是信號x(t)在“分析時間t”附近的“局部頻譜”。公式1顯示，STFTx(t，f)既是時間的函數，也是頻率的函數，因此要根據所分析的信號特點來決定相關性能的取舍[6]。

實踐表明，STFT是一種最為直觀和簡單的時頻表示，能夠克服傳統傅里葉變換不能反映信號時頻局域性的缺陷[7]。該方法的應用關鍵在于根據信號特征選取窗函數，本研究選取以Hanning窗(又稱升余弦窗)為例進行分析[8]。

1 基于STFT的心音信號分析系統的構建

1.1 整體設計構成

通過心音信號采集傳感器采入心音信號；由于在前期分析設計階段進行較多的準備工作，使得最終設備的整體采集穩定性好，噪聲雜波對于整體影響微小[9-10]。為了保險起見，可根據具體情況選擇濾波方法(見“基于LabVIEW2011對心音信號時變濾波的實現”，“基于LabVIEW2011對心音信號連續小波變換濾波的實現”，“基于LabVIEW2011對心音信號離散小波變換濾波的實現”)；濾波處理之后將信號進行STFT分析，系統設計流程如圖1所示。

圖1 系統工作流程圖

采集傳感器使用之前設計成功的基于2.4 G技術的無線傳感器，基于LabVIEW2011編程實現信號的實時采集顯示和重播復現在前期的研究中已經實現。

1.2 基于STFT分析模塊的設計

根據STFT相關理論，將所需實現的功能進行程序化設計。利用LabVIEW2011的高級工具包[11]進行編程實現，其后面板如圖2所示。

圖2 基于STFT理論所設計分析終端后面板圖

2 實驗論證

利用設備采集正常人的心音信號和心臟二尖瓣狹窄患者的心音進行分析。如圖3、圖4所示，通過將圖3和圖4對比可見，利用STFT處理后的心音譜樣圖比單純的心音信號一維圖形具有更好的辨識性，通過譜樣強度圖的形式可以將信號的特征表現得更加明顯，在心臟病癥的識別方面為廣大分析者提供了便利[12-15]。

圖3 正常心音圖形和經STFT后處理的譜樣圖

圖4 二尖瓣狹窄心音圖和經STFT處理后的譜樣圖

3 結語

本研究相關患者心音數據來源于蘭州軍區蘭州總醫院干二科。目前，已利用該系統將各類患者30余例的心音信號進行了標準化取樣、儲存及規范等工作。實際應用證明：該系統能夠實現基于STFT的心音信號分析，可提高心音相關心臟疾病臨床診斷的準確性；同時，由于該系統的參數可根據患者病情的實際情況設定，從而增強了系統的靈活性[16]。

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Analysis on heart sound signal by STFT method based on LabVIEW2011/

WEI Zhe, XIN Mai, WANG Ling-yan, et al// China Medical Equipment,2014,11(1):20-21.

Objective:To make easy for the operators on the work of analyzing the heart sound signals, at the same time, for the purpose to improve unskillful operators analyze ability and diagnostic efficiency, at last to get the goal of fast diagnostic.Methods:We recommend STFT theory, then analyzed algorithm to design the programs by the way of LabVIEW2011,at last we realized to change one-dimensional heart sound signals into the form of intensity maps, which owns obvious recognition feature.Results:We have successfully used programs to realize the analysis on intensity maps, and also simplified judgmental process on illness. This method improves efficiency.Conclusion:Using the method described above can achieve the goal for improving the analysis method, it may work well as we thought before.

The heart sound signals; LabVIEW2011; Short time Fourier transform

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.01.007

1672-8270(2014)01-0020-02

R197.324

A

張代遠.基于LabVIEW的虛擬任意信號發生器設計[J].計算機技術與發展(

)，2013(16)：7.

2013-07-05

甘肅省科技支撐課題(090NKCA092)“虛擬動態心音信號檢測與分析系統的研究”；蘭州軍區醫學課題(CLZ11JC03)“心音信號分析與研究”

①蘭州理工大學電信學院 甘肅 蘭州 730050 ④中航工業雷達與電子設備研究院 江蘇 無錫 214000

②蘭州軍區蘭州總醫院信息科 甘肅 蘭州 730050 ⑤水下信息與控制重點實驗室 陜西 西安 710075

③解放軍第94804部隊 上海 200000

*通訊作者：jiangwei_xm@aliyun.com

韋哲,男,(1963- ),博士，高級工程師。蘭州理工大學電信學院、蘭州軍區蘭州總醫院信息科主任，從事醫學信號檢測和數據分析工作。