基于重复性特征的心音信号压缩算法
【专利摘要】一种基于重复性特征的心音信号压缩算法，利用心音的高度重复性特征，去除心音信号的冗余，实现心音信号的压缩存储。本发明将心音分解成若干时频分量，鉴于心音是重复产生的，那么心音的各时频分量也存在着重复性。将非重复的心音时频分量的参数归纳成一个字典。对于待压缩的心音信号，只需从字典中找出最匹配的参数组重构时频分量，并记录参数组的字典索引和时频分量的发生时刻。这样，幅度较大的信号被保留下来，剩下的信号称为残余信号。对残余信号，进一步利用矢量量化技术压缩。本发明能以任意预先指定的失真度进行压缩，并获得较高的压缩比。
【专利说明】基于重复性特征的心音信号压缩算法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于重复性特征的心音信号压缩算法。基于心音的重复性特征， 利用参数字典和矢量量化技术对心音信号进行压缩。利用心音重复性特征减少存储量，对 残余信号采用矢量量化，可预先指定失真程度，实现心音信号的压缩存储。
【背景技术】
[0002] 在长期监测心音时，有必要对心音信号进行压缩，以降低存储量。心音是一种机械 振动信号。理论上，任何一种一维信号的压缩算法均适用于心音信号压缩。但是，心音具有 临床的诊断价值，要求恢复信号的失真度小。因此，只有针对心音独有的特性，才能开发出 失真度小、压缩比高的压缩算法。当前的心音压缩算法，一般以变换域编码为主，尚未充分 利用心音的特殊性质，在失真度和压缩比之间未达到更好的平衡。本发明充分利用了心音 的重复性特征，结合矢量量化技术，显著地降低了心音信号的存储量。本发明能够以指定的 失真度进行压缩，可根据需要选择恰当的失真度，从而实现压缩性能的最佳平衡。
【发明内容】
[0003] 心音信号是需要长时间采集的生物医学信号，相关的压缩存储算法需要较高的压 缩比，并且不允许有较大失真。本发明基于心音的重复性特征，利用参数字典和矢量量化对 心音信号进行压缩，能够在失真度较低的情况下达到较高的压缩比，使心音信号的长时间 采集记录不再占用大量的存储空间。
[0004] 一种基于重复性特征的心音信号压缩算法，步骤如下：
[0005] 1)构造心音信号的参数字典，用于存放心音中非重复的分量。从待压缩的目标心 音信号中分割一部分用于构造字典。鉴于心音有高度重复性，构造字典没有必要用到全部 信号，可减少计算量。
[0006] 将分割出的心音信号表达成K个时频分量和残余信号r(t)之和，表达方式如下
【权利要求】
1. 一种基于重复性特征的心音信号压缩算法，其特征在于，步骤如下： 1) 构造心音信号的参数字典，用于存放心音信号中非重复的分量；从待压缩的目标心 音信号中分割一部分用于构造字典； 将分割出的心音信号表达成K个时频分量和残余信号r(t)之和，表达方式如下：
其中％是第i个分量的幅度，ti是相对于心音分割开始时刻的时间延迟，〇i是第i个 分量的时间支撑区间，A是第i个分量的频率，0i是第i个分量的相位；K值使残余信号 r(t)满足如下表达式
将上述每个时频分量中的a、|3、f和〇四参数组成一个向量，即形成K个向量；通过 聚类，将K个向量划分成M个聚类，以聚类中心代表该类，形成M个不重复的相应向量；M个 不重复的向量即为字典，向量在字典中的位置序号称为索引； 2) 压缩步骤1 :通过字典压缩时频分量；根据待压缩的目标心音信号，从字典中找出最 匹配的参数向量，用当前信号减去参数向量重构的时频分量，记录该向量的发生时刻和字 典中的索引；重复上述步骤，直到残余信号的能量小于门限P时为止；门限P由心音-杂音 能量比R确定；心音能量集中在20-200HZ范围内，杂音的能量范围在200-600HZ范围内；R 定义为
3) 压缩步骤2 :通过矢量量化技术压缩残余信号；首先将残余信号中的一部分划分出 来，用于矢量量化的码书及相关参数的训练；需要训练的内容包括矢量维数k、码书大小N 和码书本身；训练完成后，对待压缩的残余信号依据参数进行矢量量化，获得码书索引并存 储下来； 残余信号的矢量量化压缩受维数k和码书大小N的影响，其规律性如下所示：随着k的 增大，失真度增大，压缩比增大；随着N的增大，失真度减小，压缩比减小；获得最适合的k 和N参数的搜索算法的步骤为：（1)预设最大的失真度；（2)任意一组k、N进行码书训练并 矢量量化，获得实际的失真度与压缩比；(3)若实际的失真度大于预设的失真度，则按照失 真度更小的方向选择下一组k、N; (4)若实际的失真度小于预设的失真度，则比较压缩比， 按照压缩比更大的方向选择下一组k、N;(5)重复（3)-⑷步骤，若在预设失真度条件下无 法获得更高的压缩比，那么此时的k、N即为最佳值； 心音信号压缩后，需要存储的信息包括时频分量的发生时间、参数向量的字典索引和 矢量量化的码书索引；心音信号的解压缩过程为根据时频分量的发生时间、参数向量的字 典索引和矢量量化的码书索引重构信号； 4)评价心音信号压缩性能的指标：压缩比CR和标准均方根误差百分比PRD;压缩比CR用来衡量信号的压缩程度，定义为 CR=b*L/C (6) 其中b是采集心音时样本的量化位数，L是待压缩信号的样本数；C是心音信号压缩后 的码长；C是Ci、Ct、Cq的总和；Ci是余量信号矢量量化后码书索引的码长，Ct是时频分量 发生时刻的码长，Cq是时频分量索引的码长； PRD用来衡量信号的失真度，定义为
其中x(i)是待压缩信号，1是均值，y(i)是恢复信号；CR和PRD是评价心音信号压 缩效果的指标，也是搜索算法中确定参数的约束条件。
【文档编号】H03M7/30GK104506198SQ201410842744
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月30日 优先权日:2014年12月30日
【发明者】唐洪, 孙建 申请人:大连理工大学