本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)測(cè)量和信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于lempel-ziv復(fù)雜度的異常心音識(shí)別方法。

背景技術(shù)：

內(nèi)科醫(yī)生通?？筛鶕?jù)患者心音診斷心臟疾病。隨著移動(dòng)醫(yī)療健康監(jiān)視設(shè)備的不斷發(fā)展，可開發(fā)智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)異常心音的自動(dòng)識(shí)別，實(shí)現(xiàn)疑似異常心音初篩查，以緩解日益緊張的醫(yī)療資源。另外，僅憑主觀感受不容易察覺心臟早期病變，若移動(dòng)醫(yī)療健康監(jiān)視設(shè)備能識(shí)別出疑似異常心音并報(bào)警，則有助于疾病的早期診斷和治療。

識(shí)別異常心音的常見方法有利用異常心音與正常心音的相關(guān)性差異、頻率分布差異等，這些方法計(jì)算量較大，算法相對(duì)復(fù)雜，難以滿足移動(dòng)醫(yī)療健康監(jiān)視設(shè)備高速運(yùn)算的要求。

因此，為了能夠迅速判斷用戶的心音是否正常，需要一種簡(jiǎn)便的識(shí)別異常心音的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明提供一種基于lempel-ziv復(fù)雜度的異常心音識(shí)別方法，通過分析和處理采集到的心音信號(hào)，引入分時(shí)間段計(jì)算lempel-ziv復(fù)雜度(后文簡(jiǎn)稱lz復(fù)雜度)來改進(jìn)傳統(tǒng)方法，以識(shí)別異常心音。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種基于lempel-ziv復(fù)雜度的異常心音識(shí)別方法，包括如下步驟：

1)隨機(jī)獲取某一心音信號(hào)x(k)，并對(duì)其進(jìn)行分幀，計(jì)算各幀的絕對(duì)值均值e(m)；

2)對(duì)絕對(duì)值均值e(m)進(jìn)行低通濾波處理，得到各幀的包絡(luò)值en(m)；

3)對(duì)步驟1)的心音信號(hào)x(k)所包含的完整心跳周期，分為第一心音s1、心音間期s1s2和第二心音s2三個(gè)階段，并確定其第一心音s1的起點(diǎn)和第二心音s2的終點(diǎn)，且將第一心音s1、心音間期s1s2以及第二心音s2分別記為xs1、xs1s2以及xs2；獲取xs1、xs1s2以及xs2對(duì)應(yīng)包絡(luò)值en(m)的包絡(luò)段，分別表示為ens1(m)、ens1s2(m)和ens2(m)；

4)在一個(gè)正常心音的完整心跳周期內(nèi)，分為第一心音s1、心音間期s1s2和第二心音s2三個(gè)階段，分別計(jì)算各階段包絡(luò)值的lz復(fù)雜度，且重復(fù)計(jì)算多組，求出均值，記為向量

5)根據(jù)步驟4)正常心音中各階段包絡(luò)值的lz復(fù)雜度向量[ys1normal,ys1s2normal,ys2normal]與向量的距離lnormal，確定合適的閾值c；

6)計(jì)算步驟4)中包絡(luò)段ens1(m)、ens1s2(m)和ens2(m)的lz復(fù)雜度，記為向量[ys1,ys1s2,ys2]；

7)計(jì)算步驟6)的lz復(fù)雜度向量[ys1,ys1s2,ys2]與正常心音均值向量的距離l；

8)對(duì)閾值c和距離l進(jìn)行大小判斷，若l＞c，就認(rèn)為測(cè)試對(duì)象心音出現(xiàn)異常；否則為正常。

進(jìn)一步地，所述步驟1)的心音信號(hào)x(k)，其長(zhǎng)度為ld點(diǎn)、采樣頻率為fs，k∈{1,2,...,ld}；其中l(wèi)d是正整數(shù)，且ld/fs不小于1s，以保證獲取的心音信號(hào)x(k)至少有一個(gè)完整的心跳周期。

進(jìn)一步地，所述步驟1)的進(jìn)行分幀，在對(duì)心音信號(hào)x(k)進(jìn)行分幀后，每一幀的幀長(zhǎng)為lf、幀移為lm、幀數(shù)m＝[(ld-lf)/lm]+1；其中，[*]表示對(duì)*作四舍五入的取整運(yùn)算。

進(jìn)一步地，所述步驟1)中對(duì)計(jì)算各幀的絕對(duì)值均值e(m)，第m幀的絕對(duì)值均值e(m)計(jì)算方式為：

其中，m∈{1,2,...,m}。

進(jìn)一步地，所述步驟2)對(duì)絕對(duì)值均值e(m)進(jìn)行低通濾波處理，低通濾波處理使用的濾波器為數(shù)字濾波器，其脈沖傳遞函數(shù)為：

其中，數(shù)字濾波器用于濾去e(m)中高頻段部分，其截止頻率為80～100hz，階數(shù)選擇4到6階；所述脈沖傳遞函數(shù)的參數(shù)a0～am和b1～bm，決定于心音信號(hào)x(k)的采樣頻率fs和所述截止頻率，并采用巴特沃斯低通濾波器設(shè)計(jì)算法來確定。

進(jìn)一步地，所述步驟3)，在心音信號(hào)x(k)的完整心跳周期內(nèi)，首先檢測(cè)第一心音s1的起點(diǎn)，然后根據(jù)第一心音s1、第二心音s2以及第一心音和第二心音間期s1s2的持續(xù)時(shí)間，來定位第一心音s1的終點(diǎn)和第二心音s2的起點(diǎn)；最后定位第二心音s2的終點(diǎn)；定位第一心音s1的起點(diǎn)和第二心音s2的終點(diǎn)的依據(jù)是，s1和s2片段分幀計(jì)算得到各幀的絕對(duì)值均值e(m)，要比無心音片段分幀計(jì)算得到的絕對(duì)值均值e(m)高得多，而跟據(jù)這一特點(diǎn)確定心音完整周期中s1和s2的分布區(qū)間。

進(jìn)一步地，所述步驟4)中計(jì)算各階段包絡(luò)值的lz復(fù)雜度，其分成兩部分計(jì)算：對(duì)各階段包絡(luò)值信號(hào)進(jìn)行二值化得到和求二值化結(jié)果的lz復(fù)雜度，其中，二值化公式為：

進(jìn)一步地，所述步驟5)中計(jì)算距離lnormal，其具體公式為：

據(jù)距離lnormal范圍確定閾值c，其公式為：

其中，是距離lnormal的均值，δnormal是距離lnormal的標(biāo)準(zhǔn)差，cn為閾值參數(shù)。

進(jìn)一步地，所述步驟6)計(jì)算包絡(luò)段ens1(m)、ens1s2(m)和ens2(m)的lz復(fù)雜度，其分成兩部分計(jì)算：對(duì)各包絡(luò)段信號(hào)進(jìn)行二值化得到和求二值化結(jié)果的lz復(fù)雜度，其中，二值化公式為：

進(jìn)一步地，所述步驟7)中計(jì)算距離l，其公式為：

采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明至少具有如下有益效果：

1、本發(fā)明針對(duì)心音信號(hào)，通過分三個(gè)階段計(jì)算片段lz復(fù)雜度，并用這三個(gè)lz復(fù)雜度判斷心音異常與否，其中只利用心音信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)判斷，特別適用于家庭電子聽診輔助診療系統(tǒng)中異常心音的識(shí)別；

2、本發(fā)明的計(jì)算方法代碼簡(jiǎn)單且計(jì)算量小，對(duì)設(shè)備的計(jì)算能力要求低，在穿戴式設(shè)備中也可以實(shí)現(xiàn)，且識(shí)別速度較快。

附圖說明

圖1為一種基于lempel-ziv復(fù)雜度的異常心音識(shí)別方法的步驟流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中獲取的一段心音信號(hào)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中獲取的一段心音信號(hào)分幀計(jì)算絕對(duì)值均值e(m)的示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中對(duì)絕對(duì)值均值e(m)做濾波得到各幀包絡(luò)en(m)的示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中對(duì)心音信號(hào)s1、s2起止點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果示意圖。

具體實(shí)施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互結(jié)合，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本申請(qǐng)作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

實(shí)施例

本實(shí)施例提供了一種基于lempel-ziv復(fù)雜度的異常心音識(shí)別方法，流程如圖1所示，包括以下步驟：

第一步、利用錄音設(shè)備獲取心音信號(hào)j∈{1,2,...,ns}，其中ns為正整數(shù)；

由于心音信號(hào)的有效頻段為1～1200hz。且由于本發(fā)明對(duì)心音的保真度要求不高，因此可選擇采樣頻率為fs＝8.012khz。為了檢測(cè)心音是否異常，需要選取至少一個(gè)完整心跳周期的心音信號(hào)。以減小計(jì)算量為目的，按心率75次每分鐘計(jì)算，取心音信號(hào)長(zhǎng)度為0.8～1秒；若采樣頻率為fs＝8.012khz，并采集1秒的心音信號(hào)，則取得心音信號(hào)x(k)，k∈{1,2,...,ld}，其中l(wèi)d＝8012，所獲得的心音信號(hào)如圖2所示。

第二步、對(duì)第一步所得心音信號(hào)x(k)進(jìn)行分幀，所分幀的幀長(zhǎng)為lf，一幀后移lm點(diǎn)得到新幀，由此獲得的幀的總數(shù)為m＝[(ld-lf)lm]+1，其中，[*]表示對(duì)*作四舍五入的取整運(yùn)算；

第三步、分別計(jì)算第二步所得幀的絕對(duì)值均值e(m)，第m幀的絕對(duì)值均值為：

其中，m∈{1,2,...,m}。

計(jì)算結(jié)果如圖3所示。然后對(duì)各幀絕對(duì)值均值e(m)做低通濾波處理得到包絡(luò)en(m)。值得說明的是，濾波器參數(shù)并不唯一，只要可以實(shí)現(xiàn)低通濾波功能即可，濾波器的截止頻率選擇范圍在80～100hz，對(duì)應(yīng)脈沖傳遞函數(shù)階數(shù)一般選擇4到6階。本發(fā)明選擇某一組參數(shù)，并推導(dǎo)出計(jì)算包絡(luò)en(m)的差分方程為：

第m幀包絡(luò)的包絡(luò)值為：

其中，m∈{1,2,...,m}。

選擇這組參數(shù)的原因是可以用移位計(jì)算替代乘除計(jì)算，極大地減小計(jì)算量。計(jì)算en(m)的結(jié)果如圖4所示；

第四步、對(duì)第一步所得心音信號(hào)x(k)所包含的完整心跳周期確定s1和s2的起止點(diǎn)。首先定位s1的起點(diǎn)，然后根據(jù)s1和s1s2間期持續(xù)時(shí)間來定位s1的終點(diǎn)和s2的起點(diǎn)，最后定位s2的終點(diǎn)，并將三個(gè)階段的心音信號(hào)段分別記為xs1、xs1s2和xs2。定位s1起點(diǎn)和s2終點(diǎn)的依據(jù)是，s1和s2片段按一定幀長(zhǎng)進(jìn)行分幀計(jì)算得到的各幀絕對(duì)值均值e(m)比無心音片段分幀計(jì)算的各幀絕對(duì)值均值e(m)高，借此在心音完整周期定位出s1和s2的時(shí)間區(qū)間。檢測(cè)s1和s2起止點(diǎn)結(jié)果如圖5所示。s1、s1s2間期和s2心音對(duì)應(yīng)的包絡(luò)段為ens1(m)、ens1s2(m)和ens2(m)；

第五步、對(duì)一個(gè)完整心跳周期的正常心音，分第一心音s1、s1s2心音間期s1s2和第二心音s2三個(gè)階段，分別計(jì)算各階段包絡(luò)值的lz復(fù)雜度(即lempel-ziv復(fù)雜度，下述同理)。計(jì)算lz復(fù)雜度分成兩個(gè)部分，信號(hào)二值化和計(jì)算二值化結(jié)果的lz復(fù)雜度。對(duì)所述三個(gè)階段包絡(luò)值信號(hào)，均分別按下述方式做二值化：

然后計(jì)算二值化后結(jié)果的lz復(fù)雜度，如此重復(fù)計(jì)算多組，求出其均值，記為向量

第六步，結(jié)合第五步計(jì)算得到的向量以及計(jì)算得到的正常心音分階段心音包絡(luò)的lz復(fù)雜度向量，記為[ys1normal,ys1s2normal,ys2normal]，計(jì)算它們各自的距離lnormal，其公式為：

根據(jù)正常心音的lnormal范圍來確定閾值c，表達(dá)式為：

其中，是多組正常心音的向量[ys1normal,ys1s2normal,ys2normal]與向量的距離lnormal的均值，δnormal是向量[ys1normal,ys1s2normal,ys2normal]與向量的距離lnormal的標(biāo)準(zhǔn)差，cn為閾值參數(shù)，取值范圍為cn∈[1.1,3]。

第七步，計(jì)算第四步分階段所得的包絡(luò)段ens1(m)、ens1s2(m)和ens2(m)的lz復(fù)雜度，記為[ys1,ys1s2,ys2]。計(jì)算lz復(fù)雜度分成兩個(gè)部分，信號(hào)二值化和計(jì)算二值化結(jié)果的lz復(fù)雜度。對(duì)ens1(m)、ens1s2(m)和ens2(m)均分別按下述方式做二值化：

然后計(jì)算二值化后結(jié)果的lz復(fù)雜度。

第八步、計(jì)算第七步所得的向量[ys1,ys1s2,ys2]與正常心音均值向量的距離l，其公式為：

第九步、若l＞c，則認(rèn)為測(cè)試對(duì)象心音出現(xiàn)異常。

本實(shí)施例識(shí)別方法的原理是，心音是周期信號(hào)，且正常心音隨機(jī)程度較低而異常心音隨機(jī)程度增加，基于心音lempel-ziv復(fù)雜度與可以識(shí)別異常心音。

正常心音波形是由第一心音(s1)、s1s2心音間期、第二心音(s2)和s2s1心音間期構(gòu)成。第一心音發(fā)生于心臟收縮期，而第二心音發(fā)生于心臟舒張期。這兩個(gè)心音出現(xiàn)時(shí)幅值較大。大部分的心臟病變出現(xiàn)時(shí)，s1、s1s2心音間期和s2的波形與正常心音的波形相差比較大，正常心音的隨機(jī)程度較小，比較規(guī)律；異常心音通常會(huì)存在心臟雜音，s1、s1s2心音間期和s2中出現(xiàn)雜音的概率較大，其隨機(jī)程度較大。根據(jù)這一偏差，基于lempel-ziv復(fù)雜度來達(dá)到區(qū)分異常心音和正常心音的目的。lz復(fù)雜度可量化描述信號(hào)的隨機(jī)程度，正常心音s1、s1s2心音間期和s2的lz復(fù)雜度較小，而異常心音s1、s1s2心音間期和s2的lz復(fù)雜度較大；對(duì)于同一測(cè)試者，s1、s1s2心音間期和s2的lz復(fù)雜度值變化不大，通過計(jì)算包絡(luò)線濾除高頻噪聲后，s1、s1s2心音間期和s2的lz復(fù)雜度三個(gè)值所構(gòu)成的向量分布在一個(gè)以為中心，c為半徑的空間球內(nèi)，記該球?yàn)閘(ys1,ys1s2,ys2)。異常心音s1、s1s2心音間期和s2的lz復(fù)雜度向量落于球l(ys1,ys1s2,ys2)之外，可以通過判斷心音s1、s1s2心音間期和s2的lz復(fù)雜度向量[ys1,ys1s2,ys2]與球中心的距離是否大于c來判斷其是否異常心音。

由于要計(jì)算心音s1、s1s2心音間期和s2的lz復(fù)雜度，所以要定位s1和s2的起止點(diǎn)。確定s1、s1s2心音間期和s2心音起止點(diǎn)的根據(jù)是s1、s2心音持續(xù)時(shí)間以及其分幀計(jì)算的絕對(duì)值均值e(m)較高。心音整周期出現(xiàn)時(shí)，s1和s2段幅值較大，分幀計(jì)算的絕對(duì)值均值e(m)較大。選取一個(gè)門閥值定位s1的起點(diǎn)。s1持續(xù)的時(shí)間是70～150ms，因此在s1起點(diǎn)后60～120ms定位s1終點(diǎn)。s2持續(xù)的時(shí)間是60～120ms，此外s2的分幀計(jì)算的絕對(duì)值均值e(m)較大，據(jù)此定位s2起止點(diǎn)。

本發(fā)明的區(qū)分方法對(duì)異常心音的區(qū)分度較高，利用了正常心音和異常心音在波形上的區(qū)別，并以lz復(fù)雜度來表示這方面的區(qū)別。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解的是，在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種等效的變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同范圍限定。