基于心音信號(hào)遙測(cè)的心肌變力性與變時(shí)性的研究.pdf

1、心音是人體最重要的生理信號(hào)之一，心音聽診的歷史已有180多年。但是由于缺乏能夠客觀量化的指標(biāo)，使得心音信號(hào)檢測(cè)在診斷和評(píng)估心功能方面仍然只是一種輔助手段。國(guó)際上關(guān)于心音與心肌收縮能力關(guān)系的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)以及有創(chuàng)和無(wú)創(chuàng)臨床對(duì)照研究表明，第一心音的幅值是心肌收縮能力的標(biāo)準(zhǔn)量度，這提示了可以利用心音信號(hào)來(lái)研究心肌的變力性；而心音信號(hào)與心電信號(hào)之間存在嚴(yán)格同步關(guān)系的生理機(jī)制又提示可以利用心音信號(hào)來(lái)研究心肌的變時(shí)性。本論文以心音信號(hào)作為研究對(duì)象，開發(fā)了

2、便攜式心音信號(hào)遙測(cè)系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)分別研究了受試者在完成規(guī)定負(fù)荷的心音圖運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)后以及在靜息狀態(tài)下5分鐘內(nèi)的心肌變力性與變時(shí)性，以便為運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域更為全面、客觀地診斷和評(píng)估心功能提供可以量化的指標(biāo)，從而進(jìn)一步拓展心音信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用范圍以及應(yīng)用價(jià)值。本論文主要包括以下有特色的研究工作和結(jié)論： (1)為了適應(yīng)在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地、醫(yī)院病房等移動(dòng)場(chǎng)所通過測(cè)試心音信號(hào)來(lái)研究心肌變力性與變時(shí)性的需求，研制了便攜式心音信號(hào)遙測(cè)系統(tǒng)。

3、該系統(tǒng)由遙測(cè)發(fā)射機(jī)、遙測(cè)接收機(jī)、筆記本計(jì)算機(jī)等三部分組成，工作在433MHz免申請(qǐng)的開放頻段，能同時(shí)測(cè)試10名受試者的心音信號(hào)；遙測(cè)發(fā)射機(jī)由受試者隨身攜帶，每次發(fā)射一個(gè)心動(dòng)周期的心音信號(hào)，并以心電信號(hào)的R波同步脈沖作為數(shù)據(jù)包的幀頭標(biāo)記，這樣作為系統(tǒng)主機(jī)的筆記本計(jì)算機(jī)只需采用簡(jiǎn)單算法就能快速而準(zhǔn)確地從接收到的遙測(cè)心音信號(hào)中提取研究心肌變力性和變時(shí)性所需的心力數(shù)據(jù)和心率數(shù)據(jù)，而無(wú)需遙測(cè)心電信號(hào)；遙測(cè)接收機(jī)通過專用的USB接口轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)了

4、與筆記本計(jì)算機(jī)的USB口之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)又無(wú)需額外的工作電源。性能測(cè)試表明，該便攜式心音信號(hào)遙測(cè)系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，并己被應(yīng)用到在移動(dòng)場(chǎng)地開展心肌變力性與變時(shí)性的研究中。(2)設(shè)計(jì)了一個(gè)由一維形態(tài)濾波器和基于Stein似然無(wú)偏估計(jì)的小波濾波器構(gòu)建的組合式數(shù)字濾波器，來(lái)分別濾除小幅度的射頻干擾脈沖和遙測(cè)系統(tǒng)的隨機(jī)噪聲以及心雜音。測(cè)試結(jié)果表明，該組合式數(shù)字濾波器能顯著濾除遙測(cè)心音信號(hào)中的主要噪聲，同時(shí)又能保證心音信號(hào)的主要成分基本不

5、受損失。(3)設(shè)計(jì)了基于心電信號(hào)R波輔助定位的心音信號(hào)特征提取算法和基于包絡(luò)提取與識(shí)別的獨(dú)立心音信號(hào)的特征提取算法。對(duì)于用R波定位的心音信號(hào)特征提取算法而言，提出了能夠比經(jīng)典的心電信號(hào)定位法更為快速、準(zhǔn)確地識(shí)別和確定S1和S2幅值的算法；對(duì)于獨(dú)立心音信號(hào)的特征提取算法而言，利用心音信號(hào)與語(yǔ)音信號(hào)在產(chǎn)生機(jī)制和形態(tài)上的相似性，借鑒了語(yǔ)音信號(hào)研究領(lǐng)域在音節(jié)分割與識(shí)別上比較成熟的算法，提出了基于規(guī)格化平均Shannon能量算法提取的能量包絡(luò)來(lái)識(shí)

6、別和確定心音信號(hào)特征參數(shù)的算法，并獲得了較高的識(shí)別率。 (4)利用自行開發(fā)的便攜式心音信號(hào)遙測(cè)系統(tǒng)，采集了50名體育系學(xué)生和30名普通系學(xué)生在完成了規(guī)定負(fù)荷的心音圖運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)后5分鐘內(nèi)的心力恢復(fù)趨勢(shì)和心率恢復(fù)趨勢(shì)。通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行三次樣條插值、均勻重采樣、小波濾波、差分運(yùn)算等處理后提取了能夠反映大負(fù)荷運(yùn)動(dòng)后心肌變力性與變時(shí)性動(dòng)態(tài)特性的特征指數(shù)。測(cè)試結(jié)果表明，一方面體育系學(xué)生高水平的心臟功能不僅體現(xiàn)在具有更大的心力儲(chǔ)備上(p＜0.00

7、1)，而且還體現(xiàn)在具有更快的心力恢復(fù)速度上(p＜0.001)，而另一方面其心率儲(chǔ)備與普通系學(xué)生并無(wú)顯著差異，這與大負(fù)荷運(yùn)動(dòng)下心臟儲(chǔ)備的生理機(jī)制是基本吻合的。測(cè)試結(jié)果也說明了基于心音信號(hào)遙測(cè)的心音圖運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)與其它常用的運(yùn)動(dòng)心功能測(cè)試方法相比，具有簡(jiǎn)單、無(wú)創(chuàng)、快捷、能夠提供可以客觀量化的心力指標(biāo)和心率指標(biāo)的優(yōu)勢(shì)，適用于在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?qū)π墓δ苓M(jìn)行日常測(cè)試和評(píng)估。 (5)根據(jù)心肌收縮能力與心率等心血管生理參數(shù)都受到自主神經(jīng)系

8、統(tǒng)調(diào)控的生理機(jī)制，開展了心力變異性的研究工作。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外在心力變異性研究方面缺乏統(tǒng)一的分析方法和評(píng)估指標(biāo)的現(xiàn)狀，提出以心率變異性的研究方法作為參照，從20名健康大學(xué)生的心音信號(hào)中提取了5分鐘的心率變異性信號(hào)和心力變異性信號(hào)，來(lái)同時(shí)開展靜息狀態(tài)下心肌變時(shí)性與變力性的靜態(tài)特性研究。從時(shí)域分析和基于Marple算法的AR模型功率密度譜估計(jì)的結(jié)果看，心力變異性在形態(tài)上與心率變異性有著較大的相似性和較為一致的變化規(guī)律。因此可以得出初步結(jié)論，靜