手机智能心音看诊器中心音图的表示方法

摘要

用于手机智能心音看诊器的心音图表示方法，先利用压电震动心声传感器测取心音信号，经前置电压放大器放大滤波后，再由手机USB接口的麦克风输入端把该信号传输给手机，由手机内的录音功能将心音信号存储下来，然后在手机的显示屏上显示出一个周期的心音信号所构成的周期-功率-频率图。利用改进的极坐标方法画一个周期心音信号的540Hz频率坐标，然后求一个周期心音的功率谱特性，对其能量进行归一化处理，再进行指数压缩，最后在这个改进的极坐标图上面一个周期心音信号的功率-频率变化规律，并用箭头表示峰值点，可得到一种新的周期-功率-频率心音图，它形象的表述心音信号在一个周期内的功率与频率变化规律，能有效揭示心音信号的内在个体生理特征。

说明书

技术领域

本发明提出了一种附加在手机上的用于对人体心音信号进行可视描述的心音图表示方法。

背景技术

心音检测和分析是了解心脏和血管状态的一种重要且经济的手段，因为心声信号是伴随生命始终的一种生理信号。从1843年，George P.Cammann发明了双耳(双声道)听诊器(binaural stethoscope)，到上个世纪60年代哈佛大学医学院的Dr.Littmann设计的、具备两用胸件(钟型和膜型)的轻便听诊器，传统的听诊器已有100多年的历史，对病人疾病的诊断有很高的实用价值。而当今先进的电子听诊器，能把声音放大18倍，可以连接PC进行软件分析。例如最著名的3M公司的Littmann听诊器，较为知名的品牌还有WelchAll-yn、Sprague-Rappaport、Thinklabs、ADC、DRG、日本的铃谦等。心音具有心电不可取代的临床价值，通过研究心声信号的变化可以研究人体本身的变化，并为临床诊断服务。

目前，电子听诊器检测心音的普遍方法是用心音传感器拾取信号，并经过电路放大处理，最后在液晶显示器显示出波形。例如用电磁转换方式的心音传感器，将胸壁的振动在空气室中产生的音压转换成电信号，然后利用电压或电荷放大、A/D转换、单片机信号处理后，将波形信号传输给显示器显示体内震动波形。当然心音波形资料也可存入单独的磁盘，以及通过计算机声卡传人计算机，或存储或由因特网传送到其它计算机。

这类方法，相对而言需要的器件多，成本高，使用不太方便，不利于随时随地检测使用，目前仍少有实用意义上的心音信号分析诊断方面的电子医疗普及产品。随着人们生活水平的提高以及平均寿命的延长，心血管疾病的发病率亦呈上升趋势。多数患者平时对自己的心脏健康状况一无所知，更无从预防与治疗，及至出现严重症状时才到医院急诊。许多心血管疾病发作时，典型的病理心电信号转瞬即逝，待就诊时较难捕捉到典型病理心电图，这在一定程度上给诊疗带来了困难。所以，在相当普及的手机平台上开发一种用于对人体心音信号进行可视看诊的装置，并且根据手机的硬件特性给出一种对人体心音信号进行可视描述的心音图表示方法是很有意义的。目前手机已经从单一的通话工具发展到到多媒体信息库。但作为医学自我保健工具还是没有产品的，所以手机智能心音看诊器的发明，对开拓手机的新功能、推动开发新一代智能手机都具有积极的现实意义。

发明内容

技术问题：本发明基于电子技术和听诊器的相关技术，提出了一种附加在手机上的用于对人体心音信号进行可视看诊的心音图表示方法。由于手机是人们习惯随身携带的通讯器材，利用手机作为平台开发的智能心音看诊器，一方面可以随时随地的对用户自己的心脏进行看诊；另一方面，还可以记录个人化的生理信息，把有问题的波形存储下来，形成动态的、可交流的电子病历。手机的功能是受到硬件的限制，如何实现对人体心音信号进行简单而又有效的可视描述？因此需要对这个问题进行研究，从而拓宽了手机的应用范围。

技术方案：一种用于手机智能心音看诊器的心音图表示方法，其心音信号是通过下面的方法获取的：先利用压电震动心声传感器测取心音信号，经前置电压放大器放大滤波后，再由手机USB接口的麦克风输入端把该信号传输给手机，由手机内的录音功能将心音信号存储下来，然后在手机的显示屏上显示出一个周期的心音信号所构成的周期-功率-频率图。

由于心音是一种周期性机械振动，是心肌与心脏瓣膜以及大血管壁特性的一种反映，有自己的产生机理，相应就应该有自己的划分标准和特定的表现形式。心音的生理特征比心律更重要，因此我们需要进行独特的时、频域分析。利用改进的极坐标方法画一个周期心音信号的频率坐标，然后将心音信号用对数处理后画在上面，并用箭头表示，可得到一种新的周期-功率-频率心音图，这种新的周期-功率-频率心音图，形象的表述心音信号在一个周期内的功率与频率变化规律，以揭示心音信号的内在个体生理特征。具体方法是：

1)对于一个周期的单路心音信号s(n)(n＝1、2、3…N)，N为其长度，利用傅里叶变换求s(n)的功率谱特性，即然后对其能量进行归一化处理，再进行指数压缩，因而有：

$P\left(n\right)=e^{\frac{\left|W\left(n\right)\right|}{{\left|\right|\left|W\left(n\right)\right|\left|\right|}_{\infty }}}$

F(n)＝2πn/Nf_h   n＝0，…，N  (1)

其中f_h是心音信号的上限频率，虽然心音频谱主要集中在0-200Hz，但完整表示要求更多的信息，所以取f_h≥540Hz；

2)将常规的360°极坐标均分成540份，每一份代表1Hz，每间隔45°进行一个标记，同心圆的最大幅值仍然限制为1，可获得一个改进的极坐标图；

3)在这个改进的极坐标图上画一个周期心音信号的功率-频率变化规律，令：

x＝Pcos(F)

y＝Psin(F)

将x，y画在这个改进的极坐标图上，并用箭头表示峰值点，可获得一个周期-功率-频率心音图。如附图1、附图2所示。

附图1中的a、b、c波形图及e中对应的黄、绿、红颜色线段是同个人在不同时间、不同环境、不同设备提取的心音取一个周期的T-P-F特性描述，附图1中的d波形图及e中对应的蓝色线段是另一个人心音取一个周期的T-P-F特性描述。

从附图1中可见，(1)周期-功率-频率(T-P-F)图反应了一个周期的心音信号的功率与频率的关系，周而复始在同一个圆上描述其变化过程，直观形象的比较，很清楚的呈现了其变化过程中的细节差异，有效地实现了对心音信号的周期性描述，有利用对心音信号的特征描述。(2)分析心音信号的功率谱时，即对信号进行归一化处理，又将其进行指数处理，其目的是放大趋近于零的细节，把最大值压缩在1以内。(3)心音信号是一种非线性时变信号，即同一个人在不同时间段的心音信号是有差别的，虽然这种差别是很微弱，但不同人之间的心音信号差别是比较明显的，心音周期-功率-频率图能有效的反应出这一点。(4)只取一个周期的心音信号进行分析，能有效减少计算量，提高在手机上的图像显示速度和效率。

有益效果：心音听诊是心脏病无创性检测的重要方法，具有心电图、超声心电图不可取代的优势，利用手机智能心音看诊器的周期-功率-频率图，使用者可以随时随地的对自己的心脏进行监测，直观形象的呈现了心音变化过程中的细节差异，有效地实现了对心音信号的周期性描述，有利用对心音信号的特征提取。同时可以记录个人化的心脏生理信息，把有问题的波形存储下来，提供日后分析比对，形成动态的、可转发的电子病历。特别是在广泛使用的手机平台上开发这种保健检测装置，具有更加突出的优点，能开拓手机的新功能、推动开发新一代智能手机的发展。

附图说明

图1为本发明的多个心音信号的周期-功率-频率图；

图2为本发明的单个心音信号的周期-功率-频率图。

具体实施方式

本发明的手机智能心音看诊器的心音信号是通过下面的方法获取的：先利用压电震动心声传感器测取心音信号，经前置电压放大器放大滤波后，再由手机USB接口的麦克风输入端把该信号传输给手机，由手机内的录音功能将心音信号存储下来，然后在手机的显示屏上显示出一个周期的心音信号所构成的周期-功率-频率图。

由于心音是一种周期性机械振动，心音的生理特征比心律更重要，因此我们需要进行独特的时、频域分析。利用改进的极坐标方法画一个周期心音信号的频率坐标，然后将心音信号用对数处理后画在上面，并用箭头表示，可得到一种新的周期-功率-频率心音图。这种新的周期-功率-频率心音图，形象的表述心音信号在一个周期内的功率与频率变化规律，以揭示心音信号的内在个体生理特征。

对于单路心音信号s(t)(t＝1，…，n)，可利用傅里叶变换求其功率谱特性，因而有：

$P\left(n\right)=e^{\frac{\left|W\left(n\right)\right|}{{\left|\right|\left|W\left(n\right)\right|\left|\right|}_{\infty }}}$

F(n)＝2πn/Nf_h n＝0，…，N                     (1)

其中f_h是心音信号的上限频率。虽然心音频谱集中在10-200Hz，但完全描述要求更多的信息，所以通常取f_h≥540Hz。令：

x＝Pcos(F)

y＝Psin(F)                                    (2)

在0～2π范围内，以f_h/2π为Hz/度，用改进的极坐标方法画一个周期的频率坐标，然后将x，y画在上面，并用箭头表示，可得附图1所示的周期-功率-频率心音图。

附图1中的a、b、c波形图及e中对应的黄、绿、红颜色线段是同一个男人在不同时间、不同环境、不同设备提取的心音信号取一个周期的周期-功率-频率心音特性的描述，d波形图及e中对应的蓝色线段是另一个男人心音信号取一个周期的周期-功率-频率心音特性的描述。

一个使用matlab编程实现的“周期-功率-频率心音图”程序为：

y＝s(t)；％输入一个周期的心音信号

Y＝fft(y，58)；％傅里叶功率分析

Y(1)＝[]；

n＝length(Y)；

power0＝abs(Y(1:n/2)).^2/n^2；％功率

freq＝1080*(1:n/2)./n；％\fs{频率}

power＝power0/norm(power0)；％能量归一化

am0＝power；

N＝length(am0)；

nn＝540；

figure

t＝0:20:2*pi；

 polarcxf(t，sin(t)，’-w’)；％画改进的圆坐标

for i＝1:N

hold on；

Rx(i)＝exp(am0(i))*0.4；％指数处理

R＝Rx(i)；

if R＞0.005

a(i+1)＝(freq(i)*2*pi)/nn；％角度[0，2*pi]

x(i)＝R*cos(a(i+1))；

y(i)＝R*sin(a(i+1))；

yy＝0；

xx＝0；

k＝floor(am0(i)+1.8)；％取整数

for j＝1:10*k

plot(xx，yy，’B-’)；％---

yy＝(y(i)/(10*k))+yy；

xx＝(x(i)/(10*k))+xx；

hold on；

end    

ho]d on；

compass(x(i)，y(i))；

else

    R＝am0(i)；

end

end

title(’归一化功率/w’)；

xlabel(’频率/(0-540Hz)’)；ylabel(’时间/一个周期T’)；

axis equal

所得到的单个心音信号的“周期-功率-频率心音图”如附图2所示。