老年人第三第四心音信号小波变换时频分析研究
作者：朱兴雷 刘毅 邵庆余 李桥 张玉华 孟延 赵玲 李新 周红军
单位：朱兴雷(山东省立医院心内科)；刘毅 邵庆余 李桥 张玉华 孟延 赵玲 李新 周红军(山东医科大学生物医学工程研究室 济南 250012)
关键词：心音；小波变换；时频分析
北京生物医学工程000108 摘 要 用小波变换时频分析的方法对老年人的第三第四心音进行了分析研究，在心前区采集心音数据，为对心音定位，同步采集了一导心电信号。本研究对30例正常老年人(年龄在50～69岁)和40例冠心病老年人(年龄在53～85岁)的第三第四心音数据进行了统计分析，发现正常老年人S3的频谱主峰频率与冠心病老年人S3的频谱主峰频率有明显的差异。由于S3和S4的幅度和频率都很低，用听诊方法常被漏掉。本研究为心脏疾病的诊断提供了新的途径。
A Wavelet Transform Time-Frequency Analysis of the
, 百拇医药
Third and Fourth Heart Sound of Old People
Liu Yi
(Dept. of Biomedical Engineering, Shandong Medical University,250012)
Shao Qingyu
(Dept. of Biomedical Engineering, Shandong Medical University,250012)
Li Qiao
(Dept. of Biomedical Engineering, Shandong Medical University,250012)
, 百拇医药
Zhu Xinglei
(Dept. of Biomedical Engineering, Shandong Medical University,250012)
Zhang Yuhua
(Dept. of Biomedical Engineering, Shandong Medical University,250012)
Meng Yan
(Dept. of Biomedical Engineering, Shandong Medical University,250012)
Zhao Ling
(Dept. of Biomedical Engineering, Shandong Medical University,250012)
, http://www.100md.com
Li Xin
(Dept. of Biomedical Engineering, Shandong Medical University,250012)
Zhou Hongjun
(Dept. of Biomedical Engineering, Shandong Medical University,250012)
Abstract
The wavelet transform time-frequency analysis method was used to detected the S3 and S4. The heart sounds data was sampled at the precardium, and Lead I of the ECG was recorded simultaneously to label the heart sounds. The sampling rate was 1000Hz. Statistics of the third and fourth heart sounds data of 30 normal old subjects (age from 50～69) and 40 old subjects with coronary heart diseases(age from 53～85) were analysed. Significantly difference was found between the main peak's frequencies of S3 of normal old subjects and those of old subjects with coronary heart diseases. Since amplitudes frequencies of S3 and S4 are quite low, so they are often missed when diagnosing. The results showed it is a new way to diagnose cardiovascular diseases.
, http://www.100md.com
Key words:Heart sound; Wavelet transform; Time frequency analysis
心音信号是非平稳的随机性很强的信号，是由心肌、血液、瓣膜和大血管的机械振动所产生的[1]，心血管病变常首先引起心音成分的改变，因此心音分析在临床诊断中具有重要的意义。近年来国内外许多学者都采用了不同方法对心音信号进行了分析研究，对第三第四心音也有研究。Panju[2]等研究表明心肌梗塞病患者出现明显的S3，Longhini[3]等研究表明随着年龄的增加，S3会逐渐消失。对于第四心音，Ishikawa[4]等认为S4对心肌梗塞病患者的预后有积极的意义，McGuire[5]等认为对于一个正常人来说都会产生S4，只是由于幅度及频率太低，用一般听诊方法听不到；阮虹[6]等研究表明冠心病患者S4的发生率比正常人明显增高。
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本文用小波变换技术，对老年人的第三第四心音信号作了分析研究，并有新的发现。
1 研究对象与系统设计
1.1 研究对象
测试对象共有30位正常老年人(男12人，女18人，年龄在50～69岁之间)和40位冠心病老年人(男18人，女22人，年龄在53～85岁之间)。受试者取平卧位，在平静的状态下对每一研究对象分别在心尖区、心前区、心底区和升主动脉区四个部位采集心音信号，并循环采集一导心电信号来定位心音。心音的采样频率均为1000Hz，采样时间为10s。
1.2 系统设计
1.2.1 硬件系统 采用自行研制的放大器与计算机等硬件配置成数据采集、分析处理系统，进行实验，系统框图如图1所示。
, 百拇医药
图1 数据采集分析处理系统框图
1.2.2 小波变换与软件设计
(1)本研究采用高斯函数一阶导数小波的变换，其数学表达式如下：
(1)
表1 小波变换对心音信号的滤波带宽和中心频率 尺度因子j
低端-3db频率
Hz
高端-3db频率
Hz
中心频率f
Hz
, 百拇医药
1
38.84
132.06
80.86
2
18.54
66.31
40.61
3
7.28
34.18
19.85
4
, http://www.100md.com
2.87
17.80
9.95
5
2.03
8.38
5.83
式中j为尺度因子，τ为位移因子，(1)式称为离散二进小波变换。
当j取不同值时，(1)式小波变换对心音信号的滤波带宽和中心频率是不同的，见表1。
(2)系统软件设计流程图
根据表1带宽数据及S3、S4的低频特性，取j=3对心音数据进行小波变换，然后采用AR模型进行S3、S4的谱分析，分别提取其主峰频率参数值。程序流程图如图2所示：
, 百拇医药
开始选择数据文件对心电信号进行QRS波形检测读取两R峰间的心音数据，平均值处理对心音进行j=3的小波变换对S3、S4进行自动定位求功率谱及参数显示功率谱曲线及参数值显示心音及心电波形图
图2 小波分析程序流程图(3)心音的定位
通过心电QRS波形检测方法，检出心电信号的QRS波群，以R峰来定位S1、S2、S3和S4。心音各个成分在一个心动周期中的位置及截取长度的示意图3所示。
图3 心音各成分位置及截取长度示意图
表2 实验结果 组别
病例人数
, 百拇医药
第三心音频谱
主峰频率(Hz)
第四心音频谱
主峰频率(Hz)
正常老年人
30
12.587±3.817
16.950±8.772
冠心病老年人
40
15.678±6.952
16.440±10.183
, 百拇医药
t检验结果
p=0.0164
p=0.8267
2 实验结果
本实验全部选择了在心尖区采集的心音数据，取j=3进行小波变换后再应用AR模型方法进行谱估计，选取谱主峰频率值进行分析。应用SAS软件工具，首先按性别分别对正常、冠心病组进行t检验，结果是P=0.6284(对S3)和P=0.0652(对S4)，均大于P=0.05，男女性别之间无明显差异，因而将30例正常老年人和40例冠心病老年人的数据分别合并成一组，再作t检验，其结果如表2所示。
3 讨 论
正常老年人组与冠心病老年人组S3数据的t检验结果P<0.05，说明正常老年人与冠心病老年人的第三心音频谱主峰频率存在着明显的差异。冠心病老年人S3的频谱主峰频率明显高于正常老年人S3的频谱主峰频率。由于S3主要是由心室快速充盈时心房血液急速流入心室，心室的肌纤维伸展使房室瓣及腱索突然紧张以及心室壁的振动所引起，在冠心病患者可能由于其心室壁的顺应性较差，比正常人僵硬故可引起S3的频率上移。
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正常老年人组与冠心病老年人组S4数据的t检验结果P>0.05，表明正常老年人与冠心病老年人的S4频谱主峰频率基本一致，没有明显的差异。
关于S3和S4的检出率存在多种报道[7]。可能是由于分析方法及测量仪器的性能不同而引起的。S3和S4的频率大部分是低频(2～50Hz)成分，而一般方法可能由于灵敏度较低，频响不够低，而使相当多的S3和S4被漏掉了，直接影响了检出率。本研究用的小波分析方法(其频带见表1)可检出所有老年人的S3和S4信息，这与聂冠群[8]等的研究结果相吻合。
总之，小波分析方法在低频信号的处理中有着明显的优势，本研究结果表明S3的检测分析有重要的临床诊断意义。
基金项目：山东省科委基金资助项目(951156202)。
作者简介：刘毅(1964—)，女，硕士，山东医科大学生物医学工程系讲师。
, http://www.100md.com
4 参考文献
[1] 徐成斌.心音图学.科学出版社.1982，112-114
[2] Panju AA, et al. Is this patient having a myocardial infarction? JAMA. 1998,280(14):1256
[3] Longhini C, et al. The mechanism of the physiologic disappearance of the third heart sound with aging. Jpn Heart J, 1996,37(2):215
[4] Ishikawa M, et al. Prognostic significance of a clearly audible fourth heart sound detected a month after an acute myocardial infarction. Am J Cardial, 1997,80(5):619
, http://www.100md.com
[5] McGuire AM, et al. Relationship of the fourth heart sound to atrial systoilie transmitral flow deceleration. Am J Physiol, 1997,272(3 Pt 2):H1527
[6] 阮虹.第四心音对冠心病的诊断价值.心电学杂志，1990，(2)：741
[7] 陈兆銮，等.正常人与心脏病患者的第四心音.中华心血管杂志，1981，9(3)：188
[8] 聂冠群，等.正常心音的频谱分析.中华心血管杂志，1984，12(1)：65
(1999-04-19收稿，1999-05-27修回), http://www.100md.com
单位：朱兴雷(山东省立医院心内科)；刘毅 邵庆余 李桥 张玉华 孟延 赵玲 李新 周红军(山东医科大学生物医学工程研究室 济南 250012)
关键词：心音；小波变换；时频分析
北京生物医学工程000108 摘 要 用小波变换时频分析的方法对老年人的第三第四心音进行了分析研究，在心前区采集心音数据，为对心音定位，同步采集了一导心电信号。本研究对30例正常老年人(年龄在50～69岁)和40例冠心病老年人(年龄在53～85岁)的第三第四心音数据进行了统计分析，发现正常老年人S3的频谱主峰频率与冠心病老年人S3的频谱主峰频率有明显的差异。由于S3和S4的幅度和频率都很低，用听诊方法常被漏掉。本研究为心脏疾病的诊断提供了新的途径。
A Wavelet Transform Time-Frequency Analysis of the
, 百拇医药
Third and Fourth Heart Sound of Old People
Liu Yi
(Dept. of Biomedical Engineering, Shandong Medical University,250012)
Shao Qingyu
(Dept. of Biomedical Engineering, Shandong Medical University,250012)
Li Qiao
(Dept. of Biomedical Engineering, Shandong Medical University,250012)
, 百拇医药
Zhu Xinglei
(Dept. of Biomedical Engineering, Shandong Medical University,250012)
Zhang Yuhua
(Dept. of Biomedical Engineering, Shandong Medical University,250012)
Meng Yan
(Dept. of Biomedical Engineering, Shandong Medical University,250012)
Zhao Ling
(Dept. of Biomedical Engineering, Shandong Medical University,250012)
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Li Xin
(Dept. of Biomedical Engineering, Shandong Medical University,250012)
Zhou Hongjun
(Dept. of Biomedical Engineering, Shandong Medical University,250012)
Abstract
The wavelet transform time-frequency analysis method was used to detected the S3 and S4. The heart sounds data was sampled at the precardium, and Lead I of the ECG was recorded simultaneously to label the heart sounds. The sampling rate was 1000Hz. Statistics of the third and fourth heart sounds data of 30 normal old subjects (age from 50～69) and 40 old subjects with coronary heart diseases(age from 53～85) were analysed. Significantly difference was found between the main peak's frequencies of S3 of normal old subjects and those of old subjects with coronary heart diseases. Since amplitudes frequencies of S3 and S4 are quite low, so they are often missed when diagnosing. The results showed it is a new way to diagnose cardiovascular diseases.
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Key words:Heart sound; Wavelet transform; Time frequency analysis
心音信号是非平稳的随机性很强的信号，是由心肌、血液、瓣膜和大血管的机械振动所产生的[1]，心血管病变常首先引起心音成分的改变，因此心音分析在临床诊断中具有重要的意义。近年来国内外许多学者都采用了不同方法对心音信号进行了分析研究，对第三第四心音也有研究。Panju[2]等研究表明心肌梗塞病患者出现明显的S3，Longhini[3]等研究表明随着年龄的增加，S3会逐渐消失。对于第四心音，Ishikawa[4]等认为S4对心肌梗塞病患者的预后有积极的意义，McGuire[5]等认为对于一个正常人来说都会产生S4，只是由于幅度及频率太低，用一般听诊方法听不到；阮虹[6]等研究表明冠心病患者S4的发生率比正常人明显增高。
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本文用小波变换技术，对老年人的第三第四心音信号作了分析研究，并有新的发现。
1 研究对象与系统设计
1.1 研究对象
测试对象共有30位正常老年人(男12人，女18人，年龄在50～69岁之间)和40位冠心病老年人(男18人，女22人，年龄在53～85岁之间)。受试者取平卧位，在平静的状态下对每一研究对象分别在心尖区、心前区、心底区和升主动脉区四个部位采集心音信号，并循环采集一导心电信号来定位心音。心音的采样频率均为1000Hz，采样时间为10s。
1.2 系统设计
1.2.1 硬件系统 采用自行研制的放大器与计算机等硬件配置成数据采集、分析处理系统，进行实验，系统框图如图1所示。
, 百拇医药
图1 数据采集分析处理系统框图
1.2.2 小波变换与软件设计
(1)本研究采用高斯函数一阶导数小波的变换，其数学表达式如下：
(1)表1 小波变换对心音信号的滤波带宽和中心频率 尺度因子j
低端-3db频率
Hz
高端-3db频率
Hz
中心频率f
Hz
, 百拇医药
1
38.84
132.06
80.86
2
18.54
66.31
40.61
3
7.28
34.18
19.85
4
, http://www.100md.com
2.87
17.80
9.95
5
2.03
8.38
5.83
式中j为尺度因子，τ为位移因子，(1)式称为离散二进小波变换。
当j取不同值时，(1)式小波变换对心音信号的滤波带宽和中心频率是不同的，见表1。
(2)系统软件设计流程图
根据表1带宽数据及S3、S4的低频特性，取j=3对心音数据进行小波变换，然后采用AR模型进行S3、S4的谱分析，分别提取其主峰频率参数值。程序流程图如图2所示：
, 百拇医药
开始选择数据文件对心电信号进行QRS波形检测读取两R峰间的心音数据，平均值处理对心音进行j=3的小波变换对S3、S4进行自动定位求功率谱及参数显示功率谱曲线及参数值显示心音及心电波形图
图2 小波分析程序流程图(3)心音的定位
通过心电QRS波形检测方法，检出心电信号的QRS波群，以R峰来定位S1、S2、S3和S4。心音各个成分在一个心动周期中的位置及截取长度的示意图3所示。
图3 心音各成分位置及截取长度示意图
表2 实验结果 组别
病例人数
, 百拇医药
第三心音频谱
主峰频率(Hz)
第四心音频谱
主峰频率(Hz)
正常老年人
30
12.587±3.817
16.950±8.772
冠心病老年人
40
15.678±6.952
16.440±10.183
, 百拇医药
t检验结果
p=0.0164
p=0.8267
2 实验结果
本实验全部选择了在心尖区采集的心音数据，取j=3进行小波变换后再应用AR模型方法进行谱估计，选取谱主峰频率值进行分析。应用SAS软件工具，首先按性别分别对正常、冠心病组进行t检验，结果是P=0.6284(对S3)和P=0.0652(对S4)，均大于P=0.05，男女性别之间无明显差异，因而将30例正常老年人和40例冠心病老年人的数据分别合并成一组，再作t检验，其结果如表2所示。
3 讨 论
正常老年人组与冠心病老年人组S3数据的t检验结果P<0.05，说明正常老年人与冠心病老年人的第三心音频谱主峰频率存在着明显的差异。冠心病老年人S3的频谱主峰频率明显高于正常老年人S3的频谱主峰频率。由于S3主要是由心室快速充盈时心房血液急速流入心室，心室的肌纤维伸展使房室瓣及腱索突然紧张以及心室壁的振动所引起，在冠心病患者可能由于其心室壁的顺应性较差，比正常人僵硬故可引起S3的频率上移。
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正常老年人组与冠心病老年人组S4数据的t检验结果P>0.05，表明正常老年人与冠心病老年人的S4频谱主峰频率基本一致，没有明显的差异。
关于S3和S4的检出率存在多种报道[7]。可能是由于分析方法及测量仪器的性能不同而引起的。S3和S4的频率大部分是低频(2～50Hz)成分，而一般方法可能由于灵敏度较低，频响不够低，而使相当多的S3和S4被漏掉了，直接影响了检出率。本研究用的小波分析方法(其频带见表1)可检出所有老年人的S3和S4信息，这与聂冠群[8]等的研究结果相吻合。
总之，小波分析方法在低频信号的处理中有着明显的优势，本研究结果表明S3的检测分析有重要的临床诊断意义。
基金项目：山东省科委基金资助项目(951156202)。
作者简介：刘毅(1964—)，女，硕士，山东医科大学生物医学工程系讲师。
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4 参考文献
[1] 徐成斌.心音图学.科学出版社.1982，112-114
[2] Panju AA, et al. Is this patient having a myocardial infarction? JAMA. 1998,280(14):1256
[3] Longhini C, et al. The mechanism of the physiologic disappearance of the third heart sound with aging. Jpn Heart J, 1996,37(2):215
[4] Ishikawa M, et al. Prognostic significance of a clearly audible fourth heart sound detected a month after an acute myocardial infarction. Am J Cardial, 1997,80(5):619
, http://www.100md.com
[5] McGuire AM, et al. Relationship of the fourth heart sound to atrial systoilie transmitral flow deceleration. Am J Physiol, 1997,272(3 Pt 2):H1527
[6] 阮虹.第四心音对冠心病的诊断价值.心电学杂志，1990，(2)：741
[7] 陈兆銮，等.正常人与心脏病患者的第四心音.中华心血管杂志，1981，9(3)：188
[8] 聂冠群，等.正常心音的频谱分析.中华心血管杂志，1984，12(1)：65
(1999-04-19收稿，1999-05-27修回), http://www.100md.com