第十三章 聲音信號處理.ppt

1、第十三章 聲音信號處理,生物體也是一個發(fā)音系統(tǒng)，如呼吸運動發(fā)出的呼吸音、心臟運動發(fā)出的心音等。這些聲音都是肌體相應的運動部分的狀態(tài)的反映，攜帶了相應的運動部分的生理和病理狀態(tài)的信息。聲音信號處理的目的就是在于提取能區(qū)分相應的運動部分的生理、病理特征的信息。 第一節(jié) 心音信號處理 正常人體的心音信號包括第一心音和第二心音，第一心音來自二尖瓣和三尖瓣的開放和關閉，第二心音來自主動脈瓣和肺動脈瓣的開放和關閉。一些心臟疾病如瓣膜和心肌的疾病會使正常的心音信號發(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、主動脈瓣和肺動脈瓣)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生的不正常血流所引起的。通過分析心音信號，就可以在一定程度上診斷瓣膜或心肌的疾病。,一、心音信號采集,計算機化心音信號采集系統(tǒng)，主要包括：換能器、信號放大器、模數(shù)轉換器、計算機軟硬件等。 1. 心音時域波形,圖13-1 正常心音圖 圖13-2 房室隔缺損病人心音圖,二、心音信號處理方法,心音的處理方法包括時域的參數(shù)計算和波形分析。經典譜分析方法和現(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模型法提供了譜峰的最穩(wěn)定估計，估計譜分布的最穩(wěn)定方法為周期圖法和外推至零的零極點模型

3、法。,信號的時頻分析方法分為線性和非線性兩大類。線性時頻分析主要有短時傅里葉變換、小波變換和獨立成份分析等幾種形式。非線性時頻分析主要指二次型時頻分布。二次型時頻分布表示“信號在時間-頻率平面上的能量分布，也就是信號在某時刻的功率譜”。常用的有Wigner分布，Choe-Williams分布，Cone核分布等。,(1) 短時傅里葉變換(STFT),短時傅里葉變換是在信號短時平穩(wěn)假設的基礎上對信號分段進行傅里葉變換的，分析窗的類型和長度對結果的影響很關鍵。圖13-3是采用Gauss窗的短時傅里葉變換對正常第二心音的變換結果，可以看出心音的特征在時間-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頻特性，被譽為數(shù)學的顯微鏡，因此也被應用到心音的分析中。,圖13-4 第二心音分裂的時域波形和小波變換譜,第二節(jié)、肺音和呼吸音信號處理,肺聽診也一直是呼吸系統(tǒng)疾病診斷和療效觀察的基本方法。肺音信號是肺內氣管產生的振動傳導到胸壁的聲學信號，這些信號所含頻率成份以及信號特征與呼吸系統(tǒng)病理、生理學相關性的研究一直受到國際肺音學界的廣泛重視。 一、肺音分類及發(fā)生機制,(1)正常肺音的發(fā)生機理,Forgacs的渦流理論認為肺泡呼吸音的音源是較大支氣管內的渦流。 (2) 連續(xù)性肺音的發(fā)生機理 氣道壁顫振理論。這個理論表明：當氣道內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，氣道不穩(wěn)定，即氣道壁振動，而其振動頻率與氣道壁的聲學特性及氣流參數(shù)有關。 (3)間斷性音的發(fā)生機理 Forgacs提出氣道壓差學說，即病變已呈閉合的氣道，在吸氣時引起突然開放和閉合，使產生的壓差突然消除和再生成，便產生間斷性音。,二、肺音的臨床及生理學意義,在正常通氣時，通氣流量和肺容積等對肺音的產生都有很大的影響，故可以利用監(jiān)測肺音特征量的變化來實現(xiàn)對通氣狀態(tài)的無人監(jiān)測，尤其對重癥病人的監(jiān)測，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)，有人初步研究過這種音在胸壁表面的分布。 水泡音的產生與氣道分泌物有關，在較大的粗氣道內產生的，它不僅在吸

6、氣相可聽到，也可在呼氣時聽到，易受咳嗽影響。,三、肺音信號分析方法,時域分析（波形分析）,圖13-6 哮喘肺音圖,肺音的時域圖如圖13-6所示。時域分析一般計算各特征波形的峰值、波形的持續(xù)時間等。,2.傅立葉頻域分析,圖13-7 功率譜,一般將肺音進行傅立葉變換后計算其功率譜，如圖13-7所示，用以研究譜分布與特征與肺部疾病的關系。,3. 動態(tài)譜,動態(tài)譜也稱為時變譜，采用功率譜隨時間變化而形成的一系列三維曲線圖。時變譜可同時顯示呼吸音相對強度與頻率成份隨時間變化的過程，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變特性。如從時變譜中可得到能量隨呼吸過程的變化情況，由此可區(qū)別出呼吸

7、相。又比如從時變譜中可以得到一些頻域分析參數(shù)(如譜峰頻率、帶寬等)隨呼吸過程的變化情況，從中了解共振峰的遷移，又如從時變譜中可以得到一些肺音時域信息，如呼吸音的持續(xù)時間，可估計出每一次喘嗚的發(fā)作時間?？傊?，這是一種時間、頻域、幅值域的三維顯示圖，蘊含著肺音的各種信息。,時變譜分析與其它呼吸醫(yī)學參數(shù)(如氣流參數(shù)、氣道壓力等)相結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)生與傳播機理的進一步研究，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性，為肺音臨床廣泛應用提供可靠的生理學、病理學依據(jù)。 臨床上常見的異常連續(xù)性肺音哮嗚音，多見于阻塞性氣道疾病，其線性時變譜如圖13-8所示。哮嗚音功率譜繪成線狀譜，由基頻與諧頻組成，而其基頻隨時間變化，其相對振幅也隨時間變化。,圖13-8 動態(tài)譜,第三節(jié) 關節(jié)音信號處理,關節(jié)音攜帶有關節(jié)的生理、病理信息。臨床上研究最多的就是頜關節(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、關節(jié)音信號獲取 關節(jié)音信號由聲-電換能器拾取，模擬信號放大器，再經AD轉換輸入通用計算機處理。為避免干擾，檢測可在金屬屏蔽室內進行。 一般包含幾種常用的處理方法，時域分析，信號頻域分析，以及關節(jié)音信號分