基于心音信號遙測的心肌變力性與變時性的研究.pdf

1、心音是人體最重要的生理信號之一，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，使得心音信號檢測在診斷和評估心功能方面仍然只是一種輔助手段。國際上關(guān)于心音與心肌收縮能力關(guān)系的動物實驗以及有創(chuàng)和無創(chuàng)臨床對照研究表明，第一心音的幅值是心肌收縮能力的標準量度，這提示了可以利用心音信號來研究心肌的變力性；而心音信號與心電信號之間存在嚴格同步關(guān)系的生理機制又提示可以利用心音信號來研究心肌的變時性。本論文以心音信號作為研究對象，開發(fā)了

2、便攜式心音信號遙測系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)分別研究了受試者在完成規(guī)定負荷的心音圖運動試驗后以及在靜息狀態(tài)下5分鐘內(nèi)的心肌變力性與變時性，以便為運動醫(yī)學、臨床醫(yī)學等領(lǐng)域更為全面、客觀地診斷和評估心功能提供可以量化的指標，從而進一步拓展心音信號檢測技術(shù)的應(yīng)用范圍以及應(yīng)用價值。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)在運動場地、醫(yī)院病房等移動場所通過測試心音信號來研究心肌變力性與變時性的需求，研制了便攜式心音信號遙測系統(tǒng)。

3、該系統(tǒng)由遙測發(fā)射機、遙測接收機、筆記本計算機等三部分組成，工作在433MHz免申請的開放頻段，能同時測試10名受試者的心音信號；遙測發(fā)射機由受試者隨身攜帶，每次發(fā)射一個心動周期的心音信號，并以心電信號的R波同步脈沖作為數(shù)據(jù)包的幀頭標記，這樣作為系統(tǒng)主機的筆記本計算機只需采用簡單算法就能快速而準確地從接收到的遙測心音信號中提取研究心肌變力性和變時性所需的心力數(shù)據(jù)和心率數(shù)據(jù)，而無需遙測心電信號；遙測接收機通過專用的USB接口轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)了

4、與筆記本計算機的USB口之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，同時又無需額外的工作電源。性能測試表明，該便攜式心音信號遙測系統(tǒng)達到了設(shè)計要求，并己被應(yīng)用到在移動場地開展心肌變力性與變時性的研究中。(2)設(shè)計了一個由一維形態(tài)濾波器和基于Stein似然無偏估計的小波濾波器構(gòu)建的組合式數(shù)字濾波器，來分別濾除小幅度的射頻干擾脈沖和遙測系統(tǒng)的隨機噪聲以及心雜音。測試結(jié)果表明，該組合式數(shù)字濾波器能顯著濾除遙測心音信號中的主要噪聲，同時又能保證心音信號的主要成分基本不

5、受損失。(3)設(shè)計了基于心電信號R波輔助定位的心音信號特征提取算法和基于包絡(luò)提取與識別的獨立心音信號的特征提取算法。對于用R波定位的心音信號特征提取算法而言，提出了能夠比經(jīng)典的心電信號定位法更為快速、準確地識別和確定S1和S2幅值的算法；對于獨立心音信號的特征提取算法而言，利用心音信號與語音信號在產(chǎn)生機制和形態(tài)上的相似性，借鑒了語音信號研究領(lǐng)域在音節(jié)分割與識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)來識

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

7、1)，而且還體現(xiàn)在具有更快的心力恢復速度上(p＜0.001)，而另一方面其心率儲備與普通系學生并無顯著差異，這與大負荷運動下心臟儲備的生理機制是基本吻合的。測試結(jié)果也說明了基于心音信號遙測的心音圖運動試驗與其它常用的運動心功能測試方法相比，具有簡單、無創(chuàng)、快捷、能夠提供可以客觀量化的心力指標和心率指標的優(yōu)勢，適用于在運動醫(yī)學、臨床醫(yī)學等領(lǐng)域?qū)π墓δ苓M行日常測試和評估。 (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)控的生理機制，開展了心力變異性的研究工作。針對目前國內(nèi)外在心力變異性研究方面缺乏統(tǒng)一的分析方法和評估指標的現(xiàn)狀，提出以心率變異性的研究方法作為參照，從20名健康大學生的心音信號中提取了5分鐘的心率變異性信號和心力變異性信號，來同時開展靜息狀態(tài)下心肌變時性與變力性的靜態(tài)特性研究。從時域分析和基于Marple算法的AR模型功率密度譜估計的結(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