基于Labview2014的心音信號瞬時頻率分析

韋博軒，彭松蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，四川 成都 610031

基于Labview2014的心音信號瞬時頻率分析

韋博軒，彭松
蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，四川 成都 610031

0 前言

近年來，隨著物質生活的極大豐富，冠心病的發病率及死亡率呈逐年遞增趨勢，嚴重威脅著人類健康。心臟病的診斷與治療已成為世界醫學界研究的熱點問題，尤其是心音相關的心臟疾病。利用現代信號處理技術對心音進行分析研究，是診斷心音相關心臟疾病的重要手段。心音具有隨機性、噪音大、信號微弱等特性，僅依靠醫務人員采用傳統方法進行主觀判斷與分析不是非常可靠，因此利用信號處理技術對心音信號進行分析研究，得出心音信號的時頻特征對于醫生診斷心音相關心臟疾病具有十分重要的臨床意義[1-2]。

信號處理技術中最為常見的是傅立葉變換，然而因為心臟活動是一個動態過程，所以傳統的傅立葉變換無法清晰準確地表現出一個頻率分量的變化趨勢及其具體的變化時間，不具有瞬時有效性。相比之下，瞬時頻率 （Instantaneous Frequency，IF）分析法能夠準確表現出非平穩信號的特征[3-5]。本研究基于Labview2014開發平臺，通過瞬時頻率方法對心音信號進行分析，得出心音頻率成分隨時間變化的過程，為醫生對心音相關心臟疾病的診斷提供了一種客觀、有效的分析方法。

1 瞬時頻率的定義

以解析信號法定義瞬時頻率，直觀上，瞬時頻率表現為相位的微分，是描述頻率隨時間變化的一個重要物理量，在分析非平穩信號方面具有獨特的的優勢以及瞬時有效性[6-8]。

求解一個信號x(t)的瞬時頻率，首先需要給定一個窗函數，并假定其在一段時間間隔內是平穩的，對x(t)加窗函數后進行傅立葉變換，可得其頻譜，如下式所示：

由經傅立葉變換之后的頻譜，即可得到信號的瞬時頻率，如下式所示:

2 心音信號的瞬時頻率分析

2.1 Labview2014開發平臺

該軟件是一種圖形化的編程語言，它結合了簡單易用的圖形式開發環境與強大的G編程語言，提供了一個非常直觀的編程環境[9]。Labview2014為目前最新版本，其在原有基礎上增加了更多的vi腳本以及服務器對象，讓用戶可以隨時隨地地快速采集、分析和可視化訪問所有數據，并利用數據對象快速做出決策，是目前虛擬儀器研發的主流開發平臺，其高級信號處理工具包集成了時頻分析、小波分析以及時間序列分析等現代信號處理技術，含有大量的實例及vi子程序，為本研究提供了重要的實驗支持[10]。

2.2 心音瞬時頻率分析的實驗設計

根據瞬時頻率相關理論，利用Labview2014的高級信號處理軟件，應用vi編程及調整相關參數，將預期實現的目標進行程序化設計。工作流程圖，見圖1。

圖1 心音瞬時頻率分析工作流程圖

工作流程如下：首先將原始心音信號進行短時傅立葉變換（STFT變換）得到心音能量頻譜，然后再進行瞬時頻率變換（MIF變換）最終得到心音的瞬時頻率曲線。心音程序框圖（即后面板圖），見圖2。

圖2 心音瞬時頻率分析程序后面板圖

2.3 實驗及分析

本研究采用的正常心音信號由自主研發的心音采集系統采集所得，采樣頻率為2000 Hz；病變患者心音數據來自Department of Medicine of University of Washington 數據庫，采樣頻率為5000 Hz。

圖3所示的是18歲健康男性的心音，圖4所示的是二尖瓣狹窄患者的心音。對二者進行能量圖譜以及瞬時頻率分析后可以發現：正常與異常心音的能量圖譜與瞬時頻率曲線有明顯差異，利用瞬時頻率分析法處理后的心音能夠更加準確地識別出心音頻率成分隨時間變化的過程，可以將信號的頻率特征表現地更加明顯，進而可以在心音相關心臟疾病的識別診斷方面為臨床醫生提供一種更加客觀、準確的手段[11-12]。

圖3 正常心音能量圖譜以及瞬時頻率分析結果

圖4 二尖瓣狹窄心音能量圖譜以及瞬時頻率分析結果

3 結語

本研究基于Labview2014平臺，通過瞬時頻率分析構建了心音信號分析方法，對正常以及病變患者的心音加以分析，得出了心音信號的能量圖譜以及瞬時頻率曲線。目前，已對多例正常或異常心音進行分析，實驗結果表明該方法能夠客觀有效地描繪出心音信號瞬時頻率的變化趨勢，可為臨床醫生診療心音相關心臟疾病提供參考依據，具有一定的實用價值。

利用信號處理技術對心音信號進行分析研究是目前醫學信號處理領域的熱點，除了時頻分析之外，有關時間序列分析、小波分析和其他非線性分析方法在該領域也有著廣泛的應用前景。隨著研究的深入，低成本、無損傷的心音相關心臟疾病的診斷手段將會得到極大的改善，對醫學科學的發展具有重要的意義[13-15]。

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Analysis of the Instantaneous Frequency of Heart Sound Signals Based on Labview2014

WEI Bo-xuan, PENG Song
School of Information and Electrical Engineering, Lanzhou University of Technology, Chengdu Sichuan 610031, China

目的 利用信號處理手段對心音信號進行分析，為醫生診斷心音相關心臟疾病提供客觀依據。方法 基于Labview2014開發平臺對心音進行瞬時頻率分析，給出其能量圖譜以及瞬時頻率曲線。結果 正常與異常心音的瞬時頻率曲線及功率譜有明顯差異。結論 經試驗驗證，該方法能夠準確描述正常與異常心音的頻率差異，使醫生能夠便捷、高效地診斷心音相關心臟疾病。

Labview2014；心音信號；瞬時頻率；能量圖譜

Objective To analyze the heart sound signals through signal processing methodology so as to provide objective foundations for physicians to diagnose the heart-sound-related heart diseases. Methods Based on Labview2014, the instantaneous frequency of heart sound was analyzed to obtain the frequency spectrum and the curve of instantaneous frequency. Results The differences between normal and abnormal heart sound was significant in the aspects of the frequency spectrum and the curve of instantaneous frequency. Conclusion This methodology had proven its accuracy in the verification test in revealing differences between normal and abnormal heart sound, which contributed to convenient and efficient diagnosis of heart-soundrelated heart diseases for physicians.

Labview2014; heart sound signals; instantaneous frequency; energy spectrum

R310

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.04.007

1674-1633(2015)04-0025-03

2015-03-05

甘肅省科技廳支撐課題（090NKCA092）；蘭州軍區醫學課題（CLZ11JC03）。

作者郵箱：459899929@qq．com