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心率变异的复杂度分析作者徐征杰指导老师阮炯摘要心率变异分析已成为心血管疾病的一种重要的研究方法本研究课题的重点就是引进HRV的非线性指标复杂度采用神经网络分析法和线性划分分析法对54例健康者及26例心血管疾病患者的心率变异数据进行分析为HRV的临床应用提供分析技术和实用指标关键词心率变异性 复杂度Abstract:The analysis of Heart Rate Variability (HRV) has become an important research method for cardiovascular diseases. The main contents in our research program is introducing a nonlinear index Complexity. We analyzed HRV data in people with the healthy (n=54) and cardiovascular disease patients (n=26) by using neural network method and linear analysis method. Based on our research, we provide technology and index which can be applied in the clinical research of cardiovascular diseases.Key Words:Heart Rate Variability, Complexity1引言统计资料表明心血管疾病已是世界上第一位的致死原因因此世界上许多科学家致力于研究心血管疾病的预测诊断和防治临床上医生通过视诊触诊叩诊听诊和心电图的检测来诊断心血管疾病1957年美国理学博士Norman J Holter 首先提倡在心血管疾病的研究和诊断中使用动态心电图1961年动态心电图正式应用于临床因此记录动态心电图的系统又称为Holter系统动态心电图有效地弥补了常规心电图仅能记录短时静态的信息不足它能方便地一次记录24小时的心电图所以又称为长程心电图动态心电图可获得受检者在日常活动和生活起居状况下心电活动的信息特别是受检者感到不适时的心电活动的信息动态心电图从20世纪70年代开始广泛应用于临床诊断目前已经成为心脏病诊断中不可缺少的重要手段之一心率变异是目前心电图分析的一个热点心率变异是指连续心跳间期的微小变化人们通过动态心电图记录的信息得到24小时内病人心跳间期随着时间的变化情况近十几年来的大量研究已充分肯定了自主神经活动与心血管疾病死亡率特别是猝死率之间的关系同时公认心率变异是判断自主神经活动最好的定量指标所以一些人通过研究心率变异来进行心源性猝死和心肌梗塞的预测工作由于如果能较准确地预测心源性猝死和心肌梗塞将很好地起到降低心血管疾病死亡率的作用所以这项工作吸引了许多人的目光心率变异传统的研究方法有时域和频域两种方法时域分析方法可分为统计学方法和几何学方法其中统计学方法使用的是统计学中最基本的几个指标如标准差等几何学方法主要是计算HRV三角形指数HRV Triangular index[2]HRV差分指数[3]等指标频域分析方法主要是功率谱分析法通过快速傅立叶变换得出HRV功率谱图,主要对高频和低频两种成分进行测量分析并计算以上两种方法都是把对心率的调控系统看成是一个线性系统来进行分析的属于线性分析方法然而近几年的一系列的研究结果表明多种生理因素导致的心率总变化是非线性的变化不是单个因素作用的简单叠加有许多非线性的机制都蕴涵于其中所以仅仅运用线性分析方法有其局限性于是人们开始运用基于非线性动力学的分析方法来研究心率变异通常的分析方法是通过找出R波波峰计算R-R间期生成一个时间序列计算这个时间序列的各种非线性指标来研究心率变异并得出一些结论在现实世界中对于一件事物的复杂程度大多数情况下人们都能较好地做出判断但是如何定义一件事物的复杂程度却十分困难Kolmogorov 在1965年提出了序列复杂度的概念Kolmogorov 认为一个序列的复杂度是产生这个序列最少所需的计算机程序的比特数 A.Lempel 和J.Ziv[1]在1976年发表的论文中提出了生成复杂度的算法此后由于各种需要人们又提出了不少不同的复杂度的定义和算法试图通过复杂度来描述和刻画一个时间序列或其他的东西的复杂程度复杂度是一个很重要的非线性指标本文也试图通过复杂度的计算来研究心率变异本文分成以下几部分在第二部分中我们介绍了A. Lempel 和J.Ziv 在1976年提出的生成复杂度的定义以及在此定义下复杂度的一些性质并以流程图的方式直观地给出了生成复杂度的算法在第三部分中介绍了我们使用的来自武汉同济医院的样本的特点在第四部分中介绍了生成时间序列和对时间序列进行复杂度分析的方法和结果在第五部分中介绍了我们研究中要讨论的一些问题和得到的一些结论2复杂度的定义和算法首先简单地介绍A. Lempel 和J.Ziv 在1976年提出的有限序列复杂度的定义 定义代表由字母表A 生成的有限长度序列全体组成的集合*A L(S)表示序列S 的长度*A S ∈})(|{*n S L A S A n =∈= 0≥n 记Λ=0A Λ表示空序列*A S ∈若L(S)=n S 可以表示为n s s s S L 21=以S(i,j)表示序列S 的从第i 个开始第j 个结束的子列当 j i ≤ji i s s s j L 1)+=i S ,(当i j >Λ=),(j i S串联和产生一个新序列mA Q ∈nA R ∈nm n m Ar r r q q q QR S +∈==L L 2121此时)m ,1(S Q =)n m +=,1(m S +R Q 称之为S 的前缀S 称为Q 的外延当序列的长度不是十分明确时通过操作可以很方便地标记S 的前缀π))(,1(i s L S S i −=πLL ,1,0=i S S =0π))((S L i S ≥Λ=i π把S 的所有子列所组成的集合记为V ),(j i S )(s 则有V *)(As ⊂例如}0010,010,01,00,1,0,{)0010(Λ=V ,001,10由以上定义可知有V )()s V ⊂(s π序列S 的外延R=SQ 如果满足Q )(πR V ∈则我们称这个S 的外延R 是S 的一个复制记为R S →如果πR S →记为RS ⇒例如0100100100→010001⇒考察序列的生成的过程序列S可以唯一地分解为),1(),1(),1(12110m m h h S h h S h h S S +++=−L 00=h 满足和),1(),1(1+⇒i i h S h S),1(),1(1+→iihShS)1,2,1(−=mi L我们定义m是序列S 的生成复杂度记为C)(S我们可以得到以下结论定理))(log1()(nnSCnαε−<)(log))((loglog12nnnααααε+=A=α根据这个结论我们可以对复杂度进行归一化接下来我们将介绍序列S 的复杂度的算法根据复杂度的定义可以知道只要把S 分解成),1(),1(),1(12110mmhhShhShhSS+++=−L满足和),1(),1(1+⇒iihShS),1(1+→ihS)1,2,1(−=mi L),1(ihS计算m的值就行了除最后一段外每段的长度就等于满足如下条件的S的子列中长度的最大值iihh−+1S′S′的起始位置小于h i并′与的S的子列完全相同且S一个起始位置等于i h这样我们只要确定每个ih并记下ih 的个数就可以了令nSL=)(我们将用右图来具体地说明序列的复杂度的算法S3样本我们将对于来自武汉同济医院的80个研究对象的24小时心电信号进行分析通过对这80个研究对象进行一系列的检查证实其中的26例是心血管疾病患者其余5例为健康人4我们将利用这些数据和已知的一些结果来分析心血管疾病患者和健康人的心电的复杂度的差异4研究方法和结果4 1 时间序列的生成息转换成计算机能保存的把Holter系统记录的信心电数据通过这些数据求出心跳间期的长度心跳间期的长度应该为P-P 间期即心电图中相邻的P波出现的间隔时间由于波难于检测P所以以R-R 间期即心电图中相邻的R波出现的间隔时间作为心跳间期的长度为了计算R-R 间期需要利用计算机识别出R 波的波峰位置由于R 波的特点是振幅很大所以采用的方法是在个心电数据相差最大的点一段较短时间内的心电数据中找出相邻两在这点近找局部极大电的R-R 间期构成一个时间序列附点这点就是R 波的波峰然后计算出心4 2 计算R-R 间期构成的时间序列的复杂度计算R-R 间期构成的时间序列的复杂度分以下几步 对时间序列进行粗粒化我们分别计算每个小时数据生成的时间序列的复杂度由于样本数据的不完整我们取20个小时的数据进行计算 对计算得到的复杂度进行归一化接下来我们将对一些步骤做些说明粗粒化在对生物医学信号进行复杂度分析时粗粒化可以简化计算而且在很多场合下依然能给出正确的结论所以我们也将在计算复杂度之前对时间序列作粗粒化粗粒化通常做法是先对这个时间序列求均值然后把大于等于平均值的项记为1小于平均值的项记为0如此得到了一个01序列利用前面提到的复杂度的定义与算法计算此序列的复杂度作为心电的复杂度我们称这样的粗粒化方法为0-1粗粒化归一化由于每个人的平均心率是不同的所以一定时间中的心跳次数也不同那么计算R-R 间期得到的时间序列的长度也不同所以为了研究的方便我们将对复杂度作归一化具体的方法是利用我们在介绍复杂度的定义时提到的理论把得到的复杂度除以nn log 其中n 是时间序列的长度43 R-R 间期构成的时间序列的复杂度分析我们分别计算每个小时数据生成的时间序列复杂度之后每个研究对象就对应了20个数据我们试图通过这些数据来对研究对象分类有病和没病然后对照已知的结果分析这些结果是否可以在一定程度上反映研究对象的情况431 显著差异我们首先应该考虑心血管疾病患者数据的复杂度和健康人数据的复杂度是否有显著差异方法如下假设心血管疾病患者数据的复杂度为mm x x x x ,,,,121−L 健康人数据的复杂度为n n y y y y ,,,,121−L 如果心血管疾病患者数据的复杂度和健康人数据的复杂度没有显著差异那么nm n m mn ns ms yx t nm +−++−=)2(2221服从自由度为的t-分布2−+n m 其中∑==m i ix m x 11∑==ni iy n y 11∑=−=mi i mx x m s1221)(1∑=−ni i y y 1)(=nn s2221反之如果有显著差异那么nm n m mn ns ms yx t nm +−++−=)2(2221不服从自由度为的t-分布2−+n m 以下是对各时段数据以及20小时平均值计算t 值的结果时间段 9:00-10:00 10:00-11:00 11:00-12:00 12:00-13:00 13:00-14:0014:00-15:0015:00-16:00 t 值 2.226369 1.802731 1.270601 0.139393 1.0542841.3486281.754888 时间段 16:00-17:00 17:00-18:00 18:00-19:00 19:00-20:00 20:00-21:00 21:00-22:0022:00-23:00 t值 1.4678081.692751 1.951782.846252 2.327284 1.4993971.515596时间段 23:00-0:00 0:00-1:00 1:00-2:00 2:00-3:00 3:00-4:00 4:00-5:00 20小时平均 t值 1.6206652.316932 2.227962 1.380534 2.850188 1.1006362.193882通过查t-分布表可以知道心血管疾病患者数据的复杂度和健康人数据的复杂度是有显著差异的这也是我们之后工作的基础43 2 神经网络原理和分析方法接着通过神经网络的方法来对病人进行分类首先简单介绍一下我们使用的神经网络方法我们使用的是具有一个隐层的BP 网络如图BP 网络最下层称为输入层中间一层称为处理层或称隐层最上一层称为输出层同层的神经元彼此不相连接输入与输出单元之间也没有直接连接输入层的节点为),2,1(mjxj L=隐层的节点为),2,1(niyi L=输出层的节点为),2,1(ktO t L=各层之间的关系如下imjjijixwdθ−=∑=1),2,1(ni L=)(iidfy=),2,1(ni L=1θ′−′=∑=niititywe1),2,1(kt L=)(ttefO=),2,1(kt L=2其中为传递函数,fxexf−+=11)(,和分别是连接输入层和隐层以及隐层和输出层的网络权值ijwtiw′iθ和是阈值tθ′这个神经网络可以通过已知输入输出结果的教师进行学习学习后得到的权值和值阈使得输入通过公式12的计算得到的输出和实际输出能够相符合但实际上这种情况是不太可能的只能希望实际输出与计算得到的输出的误差最小具体方法如下),,,,,,(121kmttxxx LL iiiii si L,2,1=iiimxxx,,,21Liiktt,,1L为实际的结果ikii OOO,,,21L为以作为输入计算imii xxx,,,21L得到的输出∑∑==−=siklilt11[(21ilOE总]2)最小设有s个教师为其中为输入我们的目标是使得总误差在这里由于我们可以把阈值写入到权值中所以我们将略去对阈值的考虑以下相关处也作同样的处理则 ∑∑∑∑∑∑======′−=−=s i k l mj j tj n t lti l s i k l i l i l x w f w f t O t E 11211112总)))](([(21)][(21我们可以看到由于教师的输入输出是已知的所以总E 可以看作是的函数lttj w w ′,),(总lt tj w w E′为了说明方便我们用表示所有的权组成的向量w 则记为)E ,(总lttj w w ′)(总wE 对每个变量或而言tj w ltw′这是一个连续可微非线性函数为求出其极小点与极小值我们使用的是用最速下降法这是一种迭代算法这种算法的想法是从一个任取的初始点开始0w 计算该点的负梯度方向)(0总w E ∇−这是函数在该点下降最快的方向只要)0w ∇(总E −就可沿该方向移动一小段距离达到一新的点≠0)(0总01w E w w ∇−=η即tjtj w E w ∂∂−=∆总η∆表示差分′∂∂−=′ljlj w E w 总η∆ =∆总E ≈−)()(0总1总w E w E 0)()(0总0总≤∇⋅∇−T w E w E ηη为一个参数只要η足够小定能保证)()(0总1总w E w E <不断重复这个过程定能达到它的一个局部极小点对于隐单元到输出单元的权lt w ′最速下降法给出的每步修正量是it i l s i i l i l lt lt y e f O t w E w )()(1总′−=′∂∂−=′∆∑=ηη = ∑=si i t i l y 1δη3'为导数f )))((1)(())(('i l i l i l i l i l i l i l i l O T e f e f O T e f −−=−=δ))(1(i l i l i l i l O T O O −−=对输入单元到隐单元的权tjw tj tj w E w ∂∂−=∆总η=∑=∂∂∂∂−si tj i t itw y y E 1总.η = i j i t lti l s i kl i l i l x d f w e f O t)(')(')(11′−∑∑==η==∑ (4) i jitltsi kl ilx d f w )('11′∑∑==δi j si i t x =1φ其中i t i t lt kl i l i ti tlt kl i litltkl i li ty y w d f d f w d f w )1())(1)(()('111−′=−′=′=∑∑∑===δδδφ神经网络的学习机制是按照神经元间激发与抑制行为的相关关系使元与元之间的作用强度不断调整学习样本中任何一个样品含有的信息最终将包含在网络的每个权之中可以认为学习结果是神经网络记住了每一已知样本的类别这里我们把每个研究对象的情况作为神经网络的样本每个研究对象每个小时的复杂度(共20个小时)作为输入研究对象的实际情况作为输出健康人的输出为0患有心血管疾病的人的输出为1这样我们使用的BP 网络的输入层有20个单元而输出层有1个单元隐层单元个数适当选取在已知结果的80个研究对象的数据中取若干个研究对象的数据把这些样本作为教师对神经网络进行训练然后把80个研究对象每个小时的复杂度作为输入计算输出的结果如果大于0.5则认为此人为患有心血管疾病的人否则认为此人为健康人通过如此的方法来判断研究对象的情况433 神经网络的分析方法的结果用神经网络的方法随机地取出60个研究对象的数据作为教师进行学习然后预测80个研究对象的情况对照实际的情况正确率达到82.3%434 特征小时在显著差异的计算结果中我们可以看到健康人数据的复杂度和心血管疾病患者数据的复杂度有显著差异正是基于这个结果我们才能通过计算结果对研究对象分类然后对照已知结果来分析这样的方法是否可以较好地体现健康人和心血管疾病患者差异但有一点我们可以发现并非每个小时数据的复杂度都有显著差异其中的一些有显著差异我们考虑是否可以仅仅通过考察差异较大的几个小时称为特征小时数据的复杂度来做同样的工作并能得到较好的结果这样我们可以考虑在实际应用中只采集这几个小时的数据来对病人的病情给出诊断意见我们这里取19:00-20:00和3:00-4:00两个时间段同样使用神经网络的分析方法进行分析随机地取出60个研究对象的数据作为教师进行学习然后预测80个研究对象的情况对照实际的情况正确率达到73.7%我们可以知道这种想法是可行的特征小时具有代表性可以较好地表征整体数据所体现的特点 43 5 数据数值上的特点观察了80个样本每个小时的情况我们可以从中得到这样一个直观的印象正常人数据的复杂程度比心血管疾病患者数据的复杂程度大为了说明这一点我们给出了下表从中可以看到每个小时健康人复杂度的均值都比心血管疾病患者复杂度的均值大我们可以认为健康人复杂度比心血管疾病患者复杂度大左图中+代表健康人的数据O 代表心血管疾病患者的数据43 6 线性划分的方法分析由上面的结果我们认为复杂度的大小可以在一定程度上反应研究对象的情况所以我们试图利用这种想法来对研究对象分类取出一部分研究对象的数据进行线性划分方法如下找出一个分界线认为数据的复杂度大于分界线的是健康人数据的复杂度小于分界线的是心血管疾病患者使得通过这种方法判断这部分研究对象的情况所得结果和实际情况符合率达到最大然后以此分界线预测未知数据我们把这种方法称为线性划分由于这种方法可以给出健康人和心血管疾病患者的复杂度数值上的范围使得在实际应用中能方便医生给出诊断意见由于特征小时具有代表性可以较好地表征整体数据所体现的特点我们把前面提到的几个特征小时数据的复杂度做平均作为研究对象数据的复杂度用这种方法分类的正确率达到71.6%5讨论和结论51讨论问题一为什么我们计算每个小时数据生成的时间序列的复杂度而不是24小时心电数据生成的时间序列的复杂度我们得到的数据是研究对象一天的心电数据同一个人的心率变化情况在不同时刻的差异很大而这种差异在不同病人的数据中的体现也不同如果我们直接对这个由24小时心电数据生成的时间序列计算它的生成复杂度将无法把这种差异体现出来具体地说可能出现如下情况两个不同研究对象的心电数据在不同时段有较大差异但由于计算24小时长程复杂度使得我们得到的结论是这两个研究对象的复杂度极其相近为了证实这一点我们计算80个研究对象的24小时长程复杂度并对其做归一化结果正如我们预料的利用如此计算所得的复杂度无法较好地把心血管疾病患者和健康人区分开为了说明这一点我们用右图来说明其中处在横坐标为0的一列圆代表健康人的数据经过复杂度分析得到的结果处在横坐标为1的一列圆代表心血管疾病患者的数据经过复杂度分析得到的结果因此我们考虑把这个由24小时数据生成的时间序列分成若干个子列分别计算其复杂度从中可以体现出研究对象心率变化情况在不同时刻的差异接下来的问题是每个子列的长度取多长由于考虑到子列的长度取得太长同样存在无法体现出研究对象心率变化情况在不同时刻差异的问题而子列的长度取得太短无法很好地体现序列的复杂程度综合以上的考虑我们决定取考察子列的长度为一小时分别计算其复杂度并作分析问题二0-1粗粒化是否合理0-1粗粒化的方法在一定程度上可以反映心电的复杂度但是在某些情况下粗粒化可能把一些复杂的序列过于简单化了考虑到过分粗粒化潜藏着根本改变原动力学特性的危险我们试图通过降低粗粒化的程度并作同样的复杂度分析来分析这样的粗粒化是否合理降低粗粒化程度的方法为首先求这个时间序列的平均值记大于等于平均值的项为s a a a ,,,21L 小于平均值的项为tb b b ,,,21L 用以下公式计算t inisbiniaxtkkskki)()(11−+−+=∑∑==,i1,2,1−=nL其中n是给定的自然数1−nx把小于的项记为01x大于等于的项记为n1−大于等于且小于的项记为ix1+ix i如此就得到了一个由0到n组成的时间序列1−利用前面提到的复杂度的定义与算法计算此序列的复杂度作为心电的复杂度当n取2时就是最初我们提到的粗粒化方法n的取值越大粗粒化的程度就越低我们对n取310203040的粗粒化方法作同样的复杂度分析来分析这样的粗粒化是否合理结果表明时间序列做0-1粗粒化的方法能较好地体现数据的特点但降低粗粒化的程度可以更好地体现数据的特点不过这种提高并不明显5 2结论通过以上的研究和讨论得到以下的结论健康人每个小时数据的复杂程度总体上来说都比心血管疾病患者数据的复杂程度大通过对24个小时数据长程数据生成的时间序列直接作复杂度分析无法较好地把心血管疾病患者和健康人区分开先对时间序列做0-1粗粒化然后再进行复杂度分析的方法能较好地体现原数据的特点取几个特征小时的数据进行复杂度分析可以较好地表征整体数据所体现的特点所以可以考虑在实际应用中只对特征小时的数据进行分析对病人的病情给出诊断意见用神经网络的分析方法分析特征小时的数据对研究对象情况进行判断的识别率为73.7% 采用线性划分和神经网络的分析方法对研究对象情况进行判断都能取得较好结果可以作为诊断病人病情的一个参考标准其中用神经网络的分析方法的识别率为82.3%其中用线性划分的分析方法的识别率为71.6%参考文献[1] Lempel A. and Ziv J.: IEEE Trans, Inf. Theory IT22, 1976, 75.[2]Malik M, Farrell T, Cripps T, et al . Heart rate variability in relation to prognosis aftermyocardial infarction –selection of optimal Processing techniques. Eur Heart J1989;10:1060-1074.[3] Bjo Kander I, Held C, Forslund L, et al . Heart rate variability in patients with stable anginapectoris. Eur Heart J.1992;13:379[4] 闻新等MATLAB 神经网络应用设计科学出版社2001。
医学信息处理中的心电信号分析技术综述心电信号是一种反映心脏电活动的生物电信号，对于医学诊断和疾病监测具有重要的意义。
在医学信息处理中，心电信号分析技术被广泛用于心脏疾病的诊断、预防和治疗。
本文将综述医学信息处理中的心电信号分析技术，包括信号预处理、特征提取和分类等方面的研究进展。
首先，信号预处理是心电信号分析的重要步骤，其目的是去除噪声和干扰，提取出心电信号的有效信息。
常见的信号预处理方法包括滤波、降噪和去基线等。
滤波可以去除高频干扰和低频漂移，常用的滤波器有低通滤波器和高通滤波器。
降噪技术可以通过小波变换、Kalman滤波等方法去除信号中的噪声，保留信号的有效成分。
去基线技术可以消除信号中的基线漂移，提取出心电信号的时间和频率特征。
接着，特征提取是心电信号分析的关键步骤，其目的是提取出心电信号中的有用信息，为后续的分类和诊断提供依据。
心电信号的主要特征包括时间域特征、频域特征和时频域特征。
时间域特征包括平均心率、R峰振幅和QRS波宽度等，反映了心脏的节律性和波形特征。
频域特征包括功率谱密度和频带能量等，可以揭示心电信号的频率分布和能量分布。
时频域特征通过小波变换等方法，可以同时分析心电信号在时间和频率上的特征。
最后，分类是心电信号分析的最终目标，通过将心电信号进行分类，可以实现心脏疾病的诊断和监测。
分类方法包括传统的监督学习方法和深度学习方法。
传统的监督学习方法主要采用特征提取和分类器构建的两步骤方法，如支持向量机、朴素贝叶斯和人工神经网络等。
深度学习方法则利用神经网络的深层结构和端到端学习的特点，直接从原始心电信号中学习特征和分类模型，如深度神经网络和卷积神经网络等。
除了上述几个方面外，心电信号分析技术在医学信息处理中还有其他一些重要的研究内容。
例如，心电信号的时空分析可以通过多通道的心电信号采集，描绘出心脏活动的空间分布和时序演化。
心电信号的模态分解可以将原始信号分解为不同的模态成分，分析心脏的多尺度动态特征。
论嘈杂环境下心音监听对于心脏病监测的可行性一、噪音环境对心脏监测的影响在医疗环境中，常常会受到各种噪音的干扰，如呼吸机的噪音、人员活动引起的杂音等。
这些噪音会干扰医护人员对患者心音的监听，降低心音监听的准确性和可靠性，使得心脏病的监测变得困难。
日常生活中的噪音也会对心脏监测造成影响。
在公共交通工具上、工厂车间内、嘈杂的商店里等环境中，人们无法轻易听到自己的心跳声或其他心音信号，这对于患有心脏病的患者来说可能导致监测上的困难。
鉴于噪音环境对心脏监测的不利影响，我们需要寻找一种能够在嘈杂环境下进行心音监听的方法，以提高心脏病监测的准确性和可靠性。
二、心音监听技术的发展与应用近年来，随着生物医学工程技术的迅猛发展，心音监听技术已经逐渐成为一种可行的心脏监测方法。
通过使用高灵敏的传感器和先进的信号处理技术，心音监听技术可以实现对心脏活动的实时监测，并且能够在噪音环境下进行有效的心音信号提取。
目前，已经有一些研究成果表明，在较为嘈杂的环境下，心音监听技术可以提供可靠的心脏监测数据。
研究人员利用各种信号处理算法，可以有效地区分心音信号与噪音，从而实现对心脏活动的准确监听。
这为在嘈杂环境下进行心脏病监测提供了可能，为临床实践提供了新的思路。
三、心音监听对心脏病监测的可行性分析基于上述技术发展和研究成果，我们可以初步评估心音监听在嘈杂环境下对于心脏病监测的可行性。
心音监听技术具备非侵入式和实时性的特点，可以为医护人员提供便利的心脏监测手段。
在嘈杂环境下，传统的心电图监测可能受到干扰，而心音监听技术能够在一定程度上避免这种干扰，提供更加可靠的监测数据。
心音监听技术的准确性和可靠性得到了初步验证，研究结果显示在嘈杂环境下，心音信号可以被有效地提取并加以分析。
这为心脏病患者提供了更加可靠的监测手段，并有望成为一种新的心脏病监测方法。
心音监听技术的应用潜力巨大。
除了在医疗环境中进行心脏监测外，心音监听技术还可以在日常生活中得到广泛应用。
心音信号的时-频分析
周静;杨永明
【期刊名称】《重庆大学学报：自然科学版》
【年(卷),期】2004(27)4
【摘要】与心脏有关的各种疾病的信息常常反映在心音中。
心音的改变和心脏杂音的出现,往往是器质性心脏病的最早体征。
心音信号是非平稳信号,为全面了解心音信号的特性,文中探讨了短时傅立叶变换和小波分析两种时频分析方法;并利用它们对正常和非正常心音信号进行了分析,通过对比分析结果,比较了各自的优劣。
【总页数】4页(P159-162)
【关键词】心音;心脏杂音;短时傅立叶变换;小波分析
【作者】周静;杨永明
【作者单位】重庆大学电气工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TB526
【相关文献】
1.基于Cohen类时频分布的心音信号分析 [J], 陈若珠;李军红;韦哲;徐越斌;郭峰;薛志强
2.基于Choi-Williams分布的心音信号时频分析 [J], 高清河;刚晶;王和禹;刘海英
3.心音信号时频分析方法研究 [J], 李战明;韩阳;韦哲
4.基于小波时频分析的心音异常信号检测 [J], 李炜;黄倩
5.三种时频分析方法在心音信号分析中的应用 [J], 张建;沈民奋;宋骥
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基于深度学习的心电信号分析技术研究近年来，随着科技的快速发展，深度学习逐渐成为热门的研究领域。
同时，心电信号作为一种非常重要的医学信号，也受到了广泛的关注。
基于深度学习的心电信号分析技术的研究，将会对心电信号的分析、诊断、预测等方面带来更加准确、高效、可靠的解决方案，具有极大的意义和价值。
一、心电信号的特点与分类心电信号是由心脏内各种活动产生的电生理信号。
不同于常见的生物信号，心电信号的频谱分布范围较窄，而且存在许多难以判定的细微波形。
因此，心电信号的诊断面临着较大的挑战。
目前，常见的心电信号分类如下：1. 室性心动过速：心脏室壁发生异常搏动或电信号，导致心脏快速跳动，即所谓的室性心动过速。
2. 房性心动过速：由房室结出现异常激动所产生的心搏速度增加的情况。
3. 心房颤动：心房收缩无力，无规律地快速颤动。
4. 心室颤动：心脏肌肉因心源性或非心源性因素导致异常高频率激动，陷入剧烈而无规律的颤动。
二、基于深度学习的心电信号分析技术随着深度学习的发展，深度学习在心电信号诊断中的应用逐渐受到研究者的重视。
基于深度学习的心电信号分析技术，能够利用多层神经网络对心电信号进行学习和分析。
现在广泛应用的有卷积神经网络（CNN）、循环神经网络（RNN）、长短时记忆网络（LSTM）等。
1. CNN卷积神经网络是一种深度学习的前馈神经网络，被广泛应用于图像识别和视频分析等领域。
进入研究领域后，CNN被认为是一种很好的处理心电信号的方法，常见的卷积层、池化层、全连接层等概念可以用于心电信号的卷积与拟合。
2. RNN循环神经网络是一种和传统的前馈神经网络不同的神经网络结构。
在其基础上，又发展出了一些扩展版本的RNN网络，如长短时记忆网络（LSTM）、门控循环单元（GRU）等。
RNN适合应用在对历史数据进行预测的领域，因此在心电信号的分类预测中具有重要的应用前景。
3. LSTM长短时记忆网络是一种特殊的RNN，相比于传统的RNN具有拓扑结构简单、记忆长时效果好等优点。
基于MATLAB的心音信号处理概要心音信号是人体心脏收缩和舒张过程中产生的声音信号。
通过对心音信号的处理和分析，可以匡助医生了解患者的心脏健康状况，诊断心脏疾病，并进行治疗和监测。
本文将介绍基于MATLAB的心音信号处理的概要，包括信号采集、预处理、特征提取和分类识别等方面。
一、信号采集心音信号的采集通常使用心电图(ECG)或者听诊器等设备。
ECG是通过电极贴在患者身上，记录心脏电活动产生的电信号。
而听诊器则是将听诊头放在患者胸部，通过麦克风采集心音信号。
在MATLAB中，可以使用相应的工具箱或者第三方设备接口进行信号采集。
二、预处理心音信号采集后，通常需要进行预处理，以去除噪声和干扰，提高信号质量。
预处理的步骤包括滤波、去噪和增益调整等。
滤波可以采用低通滤波器或者带通滤波器，去除高频噪声和低频干扰。
去噪可以使用小波去噪算法或者自适应滤波算法，去除信号中的噪声。
增益调整可以根据信号的幅度范围进行放大或者缩小，以便更好地观察和分析信号。
三、特征提取心音信号的特征提取是为了从信号中提取出实用的信息，用于后续的分类和识别。
常用的特征包括时域特征、频域特征和时频域特征等。
时域特征包括心音周期、心音强度和心音时长等。
频域特征包括心音频率和心音能量等。
时频域特征则是将时域和频域特征结合起来，如短时傅里叶变换(STFT)和小波变换等。
在MATLAB 中，可以使用相应的函数和工具箱进行特征提取。
四、分类识别特征提取后，可以使用分类算法对心音信号进行分类和识别。
常用的分类算法包括支持向量机(SVM)、人工神经网络(ANN)和决策树等。
这些算法可以根据特征向量的属性，将心音信号分为正常和异常两类，或者进一步细分为不同的心脏疾病类型。
在MATLAB中，可以使用相应的函数和工具箱进行分类和识别。
总结：基于MATLAB的心音信号处理主要包括信号采集、预处理、特征提取和分类识别等步骤。
通过对心音信号的处理和分析，可以匡助医生了解患者的心脏健康状况，诊断心脏疾病，并进行治疗和监测。
基于多模态数据的心电信号分析研究随着科技的不断进步，我们的生活变得越来越数字化和智能化。
在医疗健康领域，大量的医疗数据可以被收集、存储和分析，帮助医生更好地诊断和治疗患者。
其中，心电信号是一种非常重要的医疗数据，可以提供人体心脏的电活动信息，有助于诊断心脏疾病和预防心脏病。
心电信号是一种非常复杂的生物信号，它包含了人体心脏在一定时间内射出的所有脉冲信号的时间序列。
在进行心电信号分析时，除了使用基本的信号处理算法来处理信号的幅度、频率和相位等特征之外，还可以使用更高级的算法来分析多模态数据，以便更好地了解人体心脏的适应性和变化情况。
多模态数据是指由不同类型的传感器收集的多种信息。
在进行心电信号分析时，多模态数据可能包括血压、呼吸频率、体温和血氧等指标。
这些数据可以帮助医生更全面地评估患者的病情，并支持不同的诊断和治疗决策。
在多模态数据的心电信号研究方面，具有代表性的方法之一是通过神经网络算法来进行分析。
深度学习方法可以自动地提取心电信号中的特征，并与其他多模态数据相结合，从而更好地预测疾病的风险和识别疾病的类型。
此外，还有一些其他的方法，如独立成分分析、因子分析、小波变换等，这些方法同样可以处理多模态数据，并提供更丰富的分析和诊断信息。
在实际应用方面，多模态数据的心电信号分析发展了许多实用的工具和系统。
例如，一些健康监测设备可以收集多种生物信号数据，包括心电信号、血氧、脉搏、体温等。
这些设备可以帮助人们实时监测健康状况，及早发现健康问题并提供及时的治疗。
此外，一些研究团队已经开始将多模态数据的心电信号分析应用于心脏疾病的诊断和治疗，包括心律失常、心肌缺血、心力衰竭等。
总之，多模态数据的心电信号分析是一个日益重要的研究领域，可以提供更全面的医疗信息，帮助医生更好地诊断和治疗心脏疾病。
未来，随着大数据和人工智能技术的发展，我们可以期待更多的创新算法和工具，以不断推进心电信号分析研究的进展。
本科毕业论文题目基于MATLAB的心音信号的采集和分析专业作者姓名学号单位指导教师20 15 年 5 月教务处编原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究取得的成果。
除文中已经引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得聊城大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。
对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均在文中以明确的方式表明。
本人承担本声明的相应责任。
学位论文作者签名：日期：指导教师签名:日期：目录前言 (1)1. 概述 (2)1．1MATLAB的应用背景简介 (2)1．2心音信号的基础理论 (3)1．3MATLAB环境采集和分析心音信号的可行性 (4)2. 心音信号的采集与预处理 (6)2.1心音信号的采集 (6)2.2心音信号样本采集图 (7)2.3心音信号的预处理 (8)2.3.1 时域加窗频域滤波 (8)2.3.2小波软阈值滤波 (8)3. 心音信号的分析 (10)3.1心音信号的时域分析 (10)3.1.1希尔伯特变化提取包络 (10)3.1.2小波分析求时域分布 (11)3.2心音信号的频域分析 (12)3.2.1 频域分析 (12)3.2.2 小波分解 (12)结论 (13)参考文献 (14)附录 (16)代码1 FFT变换 (16)代码2 SFFT变换 (16)代码3小波分解及软阈值滤波 (16)致谢 (18)摘要随着现代物质生活水平的提高，心血管疾病的死亡率居于各类疾病死亡率之首，严重威胁着人们的身体健康，心音信号的采集和处理是心血管疾病无创诊断的基础和前提。
本文提出了采用基于MATLAB软件的心音信号的小波去噪的解决方法，首先对MATLAB软件的特点和心音信号的基础理论进行了简要的介绍，从理论和MATLAB仿真两方面进行了分析，然后介绍了在对心音信号进行A／D 转换之前对信号进行预处理的必要性，并提出一种基于希尔伯特变换的心音包络提取方法。
目录1 前言 (1)2 心音信号简介 (2)2.1心音形成的生理机制 (2)2.2心音的时域特性 (3)2.3心音信号的频率特性 (4)3 时频分析简介 (5)3.1随机信号的概念 (5)3.2时频分析理论 (5)3.3常见的时频分析方法 (6)3.3.1 原子分解 (6)3.3.2 能量分布 (7)3.3.3 核函数法 (7)3.3.4 其他分布 (8)4 研究心音的分析处理和识别方法综述 (11)4.1心音信号的处理方法 (11)4.2心音信号的分类识别 (13)4.3心音成分的分离及频率检测 (14)4.4心音成分提取的一些方法 (14)5 心音信号分析方案选择 (17)5.1C OHEN类时频分布的基本原理 (17)5.2信号的时频特性 (18)5.3心音信号的CWD时频分布特性 (19)5.4C HOI-W ILLIAMS特点 (23)6 提取心音信号简述 (25)7 心音信号分析所用环境 (30)8 总结与体会 (31)9 致谢辞 (32)10 参考文献 (33)附录：外文翻译 (34)1 前言随着现代社会物质生活水平的改善，心血管疾病在我国呈上升趋势。
统计资料表明，在我国因心血管疾病死亡者占总死亡人数的44%。
美国1978年报道了4000万人有不同形式的心血管疾病，死于心脏病者近 100 万人，对国民健康造成了极大的威胁。
心音信号是心脏在舒张和收缩运动中心肌、血液和瓣膜等机械振动产生的复合音切。
心音信号分析是评价心脏功能状态的一种基本方法，它含有关于心脏各个部分如心房、心室、心血管及各个瓣膜功能状态的大量的生理病理信息。
心脏检测和分析是了解心脏和血管状态的一种不可缺少的手段。
传统的心脏听诊技术是医师评估心脏存在病变及功能状态的最基本的方法之一，但是，人耳对中高频段和较大强度的心音可较好的分辨，而对那些有重要诊断意义的低频心音及强度小的心音常不能分辨，人耳听力敏感局限和听诊者的临床经验在很大程度上影响了听诊的准确度，且不能给出定量分析的结果。
心电信号处理与分类方法研究心电信号是指记录心脏电活动的信号，对于诊断和预测心脏疾病具有重要意义。
随着心电监测技术的进步，采集到的心电信号数据量庞大，如何有效地处理和分类这些数据成为了一个研究热点。
本文将探讨心电信号处理与分类方法的研究，介绍目前常用的方法并探讨其优缺点。
一、心电信号处理方法1. 滤波器法：滤波是处理心电信号的基础步骤，可以去除信号中的噪声和干扰。
常用的滤波器包括低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器。
低通滤波器可以去除高频噪声，高通滤波器可以去除低频噪声，带通滤波器可以选择特定频段的信号。
2. 特征提取法：心电信号中包含了丰富的信息，通过提取这些信息可以得到对心脏状态有意义的特征。
常用的特征包括心率、QRS波形、ST段、T波等。
特征提取方法有时域特征提取和频域特征提取两种。
时域特征提取基于信号的时间序列，包括平均值、方差、斜率等；频域特征提取通过傅里叶变换将信号转化为频域，包括功率谱密度、频带能量等。
3. 波形识别法：心电信号的波形特征在不同心脏疾病的发生中具有差异。
通过对心电信号的波形进行识别和分类，可以实现对心脏疾病的快速诊断和预测。
常用的波形识别方法有基于模板匹配、基于相关性分析、基于人工神经网络等。
这些方法都需要建立一个基准波形或模板，通过比较信号与模板的相似度来识别波形。
二、心电信号分类方法1. 传统机器学习方法：传统的机器学习方法如支持向量机（SVM）、K最近邻（KNN）、决策树等被广泛应用于心电信号分类。
这些方法主要基于特征提取，将提取到的特征作为输入，利用机器学习算法进行分类。
传统机器学习方法可以取得一定的分类效果，但对于复杂的非线性问题效果较差。
2. 深度学习方法：近年来，深度学习方法在心电信号分类中取得了巨大的成功。
深度学习模型如卷积神经网络（CNN）、递归神经网络（RNN）等具有强大的特征提取和分类能力。
这些模型可以直接从原始心电信号数据中提取特征，并将其映射到对应的类别。
