基于心电信号的滤除心音提取肺音的方法、系统及设备

1.本发明涉及生理音处理技术领域，具体地，涉及一种基于心电信号的滤除心音提取肺音的方法、系统及设备。


背景技术：

2.呼吸系统疾病是现代社会危害人民健康的常见疾病之一。做好呼吸系统疾病的防治、护理和康复对提高呼吸系统疾病患者的生活质量非常重要。肺音是呼吸系统健康监护的重要指标，能够反映肺部组织、气管及胸壁等传播媒介的声学特性，从而反应其肺部组织的生理及病理信息。目前主要通过对肺音的听诊来获得肺音信号。
3.肺音信号及心音信号是微弱的生理信号，在听诊器采集肺音信号时，放置于胸腔表面的听诊器采集到的肺音信号往往与心音信号混合在一起。心音所带来的干扰加大了医务人员的听诊难度，心音信号的干扰给肺音信号分析带来了严峻的挑战，由此，为了更好地进行肺音信号分析，需要对采集到的混合心肺音信号进行心肺音分离，滤除心音，提取肺音。
4.心肺音在时域和频域中一定程度的叠加使得混合心肺音信号的心音滤除成为一个具有挑战的任务。目前的滤除心音的方法主要基于盲源分离，此类方法在分离过程中容易受到奇异点的影响，没有利用心音信号的时序结构，心音滤除的效果不稳定，不利于实际应用。因此，如何有效利用心音信号的时序结构进行有效的心音滤除提取肺音是拟解决的关键问题。
5.目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。


技术实现要素：

6.本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种基于心电信号的滤除心音提取肺音的方法、系统及设备。
7.根据本发明的一个方面，提供了一种基于心电信号的滤除心音提取肺音的方法，包括：
8.同时获取混合心肺音信号和心电信号；
9.对获取的所述混合心肺音信号中的噪声干扰信号进行消除；
10.基于获取的所述心电信号，对所述心电信号中的心音进行定位，标记出心音区域；
11.根据所述心音区域，对消除了噪声干扰后的所述混合心肺音信号进行心音滤除，提取纯净的肺音信号。
12.可选地，所述同时获取混合心肺音信号和心电信号，包括：
13.同时获取混合心肺音原始信号和心电原始信号；
14.将获取的所述混合心肺音原始信号和所述心电原始信号依次经过信号放大以及模数转换处理后，得到相应的混合心肺音信号和心电信号。
15.可选地，所述对获取的所述混合心肺音信号中的噪声干扰信号进行消除，包括：
16.采用维纳滤波的方法，对所述混合心肺音信号中的噪声干扰信号进行消除。
17.可选地，所述噪声干扰信号包括：电噪声和环境噪声。
18.可选地，所述基于获取的所述心电信号，对所述心电信号中的心音进行定位，标记出心音区域，包括：
19.对获取的所述心电信号进行信号分段；
20.计算所述心电信号中每段数据的香农熵，并将计算得到的所述香农熵与预设阈值进行比较，当所述香农熵大于所述预设阈值时，定位出心音成分；
21.根据定位出的所述心音成分，将所述心音成分所对应的数据段标记为心音区域。
22.可选地，所述对获取的所述心电信号进行信号分段，包括：
23.信号分段时保证每段信号长度保持一致。
24.可选地，所述计算所述心电信号中每段数据的香农熵的方法，包括：
25.首先，计算出每段信号x的概率密度函数p(x)为：
[0026][0027]
其中，m为心电信号的信号长度，{x1,x2,...,xm}为心电信号，k为高斯核函数，h为高斯核带宽；
[0028]
然后，通过概率密度函数p(x)计算香农熵h(p)为：
[0029][0030]
可选地，所述根据所述心音区域，对消除了噪声干扰后的所述混合心肺音信号进行心音滤除，提取纯净的肺音信号，包括：
[0031]
根据所述心音区域，对所述混合心肺音信号进行分段，判断每段心肺音信号是否为心音区域；
[0032]
对所述心肺音信号的心音区域进行心音滤除，并将得到的信号与其他无心音区域的心肺音信号进行整合，得到纯净的肺音信号。
[0033]
可选地，所述根据所述心音区域，对所述混合心肺音信号进行分段，判断每段心肺音信号是否为心音区域，包括：
[0034]
将所述心音区域的心音时序信息同步到所述混合心肺音信号；
[0035]
对所述混合心肺音信号按照所述心音区域进行分段，并判断每段心肺音信号是否为心音区域。
[0036]
根据本发明的另一个方面，提供了一种基于心电信号的滤除心音提取肺音的系统，包括：
[0037]
声音信号获取模块，该模块用于同时获取混合心肺音信号和心电信号；
[0038]
噪声干扰消除模块，该模块用于对获取的所述混合心肺音信号中的噪声干扰信号进行消除；
[0039]
心音区域分割模块，该模块基于获取的所述心电信号，对所述心电信号中的心音进行定位，标记出心音区域；
[0040]
肺音信号提取模块，该模块根据所述心音区域，对消除了噪声干扰后的所述混合
心肺音信号进行心音滤除，提取纯净的肺音信号。
[0041]
根据本发明的第三个方面，提供了一种提取肺音设备，包括用户终端；其中：
[0042]
所述用户终端包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时可用于执行上述任一项所述的方法，或，运行上述的系统。
[0043]
可选地，该设备还包括声音收集设备，所述声音收集设备用于收集混合心肺音信号和心电信号。
[0044]
可选地，所述声音收集设备，包括：麦克风和传感器；其中，所述麦克风用于收集所述混合心肺音信号，所述传感器用于收集所述心电信号。
[0045]
由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下至少一项的有益效果：
[0046]
本发明提供的基于心电信号的滤除心音提取肺音的方法、系统及设备，能够有效利用心电信号中存在的心音信号的时序信息，定向地对混合心肺音信号进行心音滤除，获得纯净的肺音信号，提高了心音滤除效果的稳定性和可靠性，具有更好的实际应用效果。
附图说明
[0047]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0048]
图1为本发明一实施例中基于心电信号的滤除心音提取肺音的方法的工作流程图；
[0049]
图2为本发明一优选实施例中获取混合心肺音信号和心电信号的工作示意图；
[0050]
图3为本发明一优选实施例中对电信号中的心音进行定位的工作示意图；
[0051]
图4为本发明一优选实施例中对混合心肺音信号进行心音滤除的工作示意图；
[0052]
图5为本发明一实施例中基于心电信号的滤除心音提取肺音的系统的系统结构框图。
具体实施方式
[0053]
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
[0054]
图1为本发明一实施例提供的基于心电信号的滤除心音提取肺音的方法的工作流程图。
[0055]
如图1所示，该实施例提供的基于心电信号的滤除心音提取肺音的方法，可以包括如下步骤：
[0056]
s100，同时获取混合心肺音信号和心电信号；
[0057]
s200，对获取的混合心肺音信号中的噪声干扰信号进行消除；
[0058]
s300，基于获取的心电信号，对心电信号中的心音进行定位，标记出心音区域；
[0059]
s400，根据心音区域，对消除了噪声干扰后的混合心肺音信号进行心音滤除，提取
纯净的肺音信号。
[0060]
在s100的一优选实施例中，如图2所示，同时获取混合心肺音信号和心电信号，可以包括如下步骤：
[0061]
s101，同时获取混合心肺音原始信号和心电原始信号；
[0062]
s102，将获取的混合心肺音原始信号和心电原始信号依次经过信号放大以及模数转换处理后，得到相应的混合心肺音信号和心电信号。
[0063]
在s200的一优选实施例中，对获取的混合心肺音信号中的噪声干扰信号进行消除，可以包括如下步骤：
[0064]
采用维纳滤波的方法，对混合心肺音信号中的噪声干扰信号进行消除。
[0065]
在一具体应用实例中，噪声干扰信号包括：电噪声和环境噪声。
[0066]
在s300的一优选实施例中，如图3所示，基于获取的心电信号，对心电信号中的心音进行定位，标记出心音区域，可以包括如下步骤：
[0067]
s301，对获取的心电信号进行信号分段；
[0068]
s302，计算心电信号中每段数据的香农熵，并将计算得到的香农熵与预设阈值进行比较，当香农熵大于预设阈值时，定位出心音成分；
[0069]
s303，根据定位出的心音成分，将心音成分所对应的数据段标记为心音区域。
[0070]
在s301的一优选实施例中，进一步地，对获取的所述心电信号进行信号分段的依据(或原则)为：
[0071]
信号分段时保证每段数据(信号)长度保持一致。进一步地，可以采用同一信号长度的窗口函数进行信号分段。
[0072]
在s302的一优选实施例中，进一步地，计算心电信号中每段数据的香农熵的方法为：
[0073]
首先计算出每段数据(信号)x的概率密度函数p(x)：
[0074][0075]
其中，m为心电信号的信号长度，{x1,x2,...,xm}为心电信号，k为高斯核函数，h为高斯核带宽；
[0076]
然后通过概率密度函数p(x)计算香农熵h(p)：
[0077][0078]
在s400的一优选实施例中，如图4所示，根据心音区域，对消除了噪声干扰后的混合心肺音信号进行心音滤除，提取纯净的肺音信号，可以包括如下步骤：
[0079]
s401，根据心音区域(该心音区域为基于心电信号定位得到的心音区域)，对混合心肺音信号进行分段，判断每段心肺音信号是否为心音区域；
[0080]
s402，对心肺音信号的心音区域进行心音滤除，并将得到的信号与其他无心音区域的心肺音信号进行整合，得到纯净的肺音信号。
[0081]
在s401的一优选实施例中，进一步地，根据心音区域，对混合心肺音信号进行分段，判断每段信号是否为心音区域，可以包括如下步骤：
[0082]
s4011，将心音区域的心音时序信息同步到混合心肺音信号；
[0083]
s4012，根据心音区域对混合心肺音信号进行分段，并判断每段心肺音信号是否为心音区域。
[0084]
本发明上述实施例提供的基于心电信号的滤除心音提取肺音的方法，有效利用了心电信号中存在的心音信号的时序信息，有效解决现有技术心音滤除的效果不稳定的问题。
[0085]
本发明上述实施例提供的基于心电信号的滤除心音提取肺音的方法，主要包括如下几个步骤：
[0086]
s1，信号获取。同时获取混合心肺音信号以及心电信号。其中，同时获取心肺音原始信号以及心电原始信号，然后经过信号放大、时分复用、模数转换处理，获得所需的混合心肺音信号以及心电信号。
[0087]
s2，信号预处理。对混合心肺音信号中的一般噪声干扰进行消除。其中，主要采用了维纳滤波的方法，针对混合心肺音信号和心电信号中存在的一般噪声干扰进行滤除。
[0088]
在该步骤中，一般噪声干扰，如电噪声，环境噪声等。此类噪声干扰严重影响后续信号分析的准确性，因此该步骤通过预处理进行降噪，进而消除此类噪声干扰，保障后续信号处理的准确性。
[0089]
s3，心音定位。基于心电信号进行心音定位并分割(标记)出心音区域。其中，该步骤采用了香农熵的对心电信号进行定位，首先对心电信号进行信号分段，然后计算心电信号中每段数据的香农熵，并与预设阈值进行比较来定位出心音成分，最终分割出心音区域。
[0090]
s4，心音滤除。对混合心肺音信号进行心音滤除，提取纯净的肺音信号。其中，根据s3中基于心电信号定位分割出来的心音区域，先对混合心肺音信号进行分段，判断每段信号是否为心音区域，将心电信号的心音时序信息同步到混合心肺音信号中，可保证混合心肺音信号的其他区域无心音成分；然后对需要对定位出来的心音区域进行心音滤除，最终进行信号整合得到纯净的肺音信。
[0091]
图5为本发明一实施例提供的基于心电信号的滤除心音提取肺音的系统的系统结构框图。
[0092]
如图5所示，该实施例提供的基于心电信号的滤除心音提取肺音的系统，可以包括如下模块：
[0093]
声音信号获取模块，该模块用于同时获取混合心肺音信号和心电信号；
[0094]
噪声干扰消除模块，该模块用于对获取的混合心肺音信号中的噪声干扰信号进行消除；
[0095]
心音区域分割模块，该模块基于获取的心电信号，对心电信号中的心音进行定位，标记出心音区域；
[0096]
肺音信号提取模块，该模块根据心音区域，对消除了噪声干扰后的混合心肺音信号进行心音滤除，提取纯净的肺音信号。
[0097]
需要说明的是，本发明提供的方法中的步骤，可以利用系统中对应的模块等予以实现，本领域技术人员可以参照方法的技术方案实现系统的组成，即，方法中的实施例可理解为构建系统的优选例，在此不予赘述。
[0098]
本发明一实施例还提供了一种提取肺音设备，包括用户终端；其中：
[0099]
用户终端包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程
序，处理器执行程序时可用于执行本发明上述实施例中任一项的方法，或，运行本发明上述实施例中任一项的系统。
[0100]
可选地，存储器，用于存储程序；存储器，可以包括易失性存储器(英文：volatile memory)，例如随机存取存储器(英文：random-access memory，缩写：ram)，如静态随机存取存储器(英文：static random-access memory，缩写：sram)，双倍数据率同步动态随机存取存储器(英文：double data rate synchronous dynamic random access memory，缩写：ddr sdram)等；存储器也可以包括非易失性存储器(英文：non-volatile memory)，例如快闪存储器(英文：flash memory)。存储器用于存储计算机程序(如实现上述方法的应用程序、功能模块等)、计算机指令等，上述的计算机程序、计算机指令等可以分区存储在一个或多个存储器中。并且上述的计算机程序、计算机指令、数据等可以被处理器调用。
[0101]
上述的计算机程序、计算机指令等可以分区存储在一个或多个存储器中。并且上述的计算机程序、计算机指令、数据等可以被处理器调用。
[0102]
处理器，用于执行存储器存储的计算机程序，以实现上述实施例涉及的方法中的各个步骤。具体可以参见前面方法实施例中的相关描述。
[0103]
处理器和存储器可以是独立结构，也可以是集成在一起的集成结构。当处理器和存储器是独立结构时，存储器、处理器可以通过总线耦合连接。
[0104]
在一优选实施例中，该设备还包括声音收集设备，声音收集设备用于收集混合心肺音信号和心电信号。
[0105]
在一具体应用实例中，声音收集设备，包括：麦克风和传感器；其中，麦克风用于收集混合心肺音信号，传感器用于收集心电信号。
[0106]
本发明上述实施例提供的基于心电信号的滤除心音提取肺音的方法、系统及设备，针对现有技术中存在的心音滤除的效果不稳定的问题，利用心电信号中的心音信号的时序结构，进行定向的心音滤除，能够提取到更为纯净的肺音信号，获得更好的心音滤除效果，为后续的肺音分析提供良好的声音基础。
[0107]
本发明上述实施例中未尽事宜均为本领域公知技术。
[0108]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。