基于LabVIEW2011的心音信号STFT分析*

韦 哲 辛 迈 汪凌艳 赵 钰

基于LabVIEW2011的心音信号STFT分析*

韦 哲①② 辛 迈①③* 汪凌艳④ 赵 钰⑤

目的：为了便于对心音信号进行分析，提高操作经验不足人员的分析能力和病情诊断效率，实现对于病症的快速鉴别。方法：引入短时傅里叶变换(STFT)理论进行算法分析研究，利用LabVIEW2011进行编程设计，实现将一维的心音信号图形转化为有较强识别特征的强度图谱形式。结果：成功利用所设计的程序实现对心音信号基于STFT的图谱分析，简化了对于病情判别过程，提高了工作效率。结论：采用心音信号的STFT分析方法能够实现对于心音信号分析的优化，可以起到预想的作用。

心音信号；LabVIEW2011；短时傅里叶变换

[First-author’s address]Lanzhou General Hospital, Lanzhou Military Area Command, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China.

短时傅里叶变换(short time Fourier transform，STFT)是当前在信号处理和分析领域中被广泛应用的一类技术[1]。在图像处理、油气勘探、地质学分析和声信号处理等方面的应用优势尤为突出，受到相关学者的重视[2-5]。给定一个时间宽度很短的窗函数γ(t)，令窗函数γ(t)在t轴上滑动，则信号x(t)的STFT表达为(公式1)：

STFT是信号x(t)在“分析时间t”附近的“局部频谱”。公式1显示，STFTx(t，f)既是时间的函数，也是频率的函数，因此要根据所分析的信号特点来决定相关性能的取舍[6]。

实践表明，STFT是一种最为直观和简单的时频表示，能够克服传统傅里叶变换不能反映信号时频局域性的缺陷[7]。该方法的应用关键在于根据信号特征选取窗函数，本研究选取以Hanning窗(又称升余弦窗)为例进行分析[8]。

1 基于STFT的心音信号分析系统的构建

1.1 整体设计构成

通过心音信号采集传感器采入心音信号；由于在前期分析设计阶段进行较多的准备工作，使得最终设备的整体采集稳定性好，噪声杂波对于整体影响微小[9-10]。为了保险起见，可根据具体情况选择滤波方法(见“基于LabVIEW2011对心音信号时变滤波的实现”，“基于LabVIEW2011对心音信号连续小波变换滤波的实现”，“基于LabVIEW2011对心音信号离散小波变换滤波的实现”)；滤波处理之后将信号进行STFT分析，系统设计流程如图1所示。

图1 系统工作流程图

采集传感器使用之前设计成功的基于2.4 G技术的无线传感器，基于LabVIEW2011编程实现信号的实时采集显示和重播复现在前期的研究中已经实现。

1.2 基于STFT分析模块的设计

根据STFT相关理论，将所需实现的功能进行程序化设计。利用LabVIEW2011的高级工具包[11]进行编程实现，其后面板如图2所示。

图2 基于STFT理论所设计分析终端后面板图

2 实验论证

利用设备采集正常人的心音信号和心脏二尖瓣狭窄患者的心音进行分析。如图3、图4所示，通过将图3和图4对比可见，利用STFT处理后的心音谱样图比单纯的心音信号一维图形具有更好的辨识性，通过谱样强度图的形式可以将信号的特征表现得更加明显，在心脏病症的识别方面为广大分析者提供了便利[12-15]。

图3 正常心音图形和经STFT后处理的谱样图

图4 二尖瓣狭窄心音图和经STFT处理后的谱样图

3 结语

本研究相关患者心音数据来源于兰州军区兰州总医院干二科。目前，已利用该系统将各类患者30余例的心音信号进行了标准化取样、储存及规范等工作。实际应用证明：该系统能够实现基于STFT的心音信号分析，可提高心音相关心脏疾病临床诊断的准确性；同时，由于该系统的参数可根据患者病情的实际情况设定，从而增强了系统的灵活性[16]。

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Analysis on heart sound signal by STFT method based on LabVIEW2011/

WEI Zhe, XIN Mai, WANG Ling-yan, et al// China Medical Equipment,2014,11(1):20-21.

Objective:To make easy for the operators on the work of analyzing the heart sound signals, at the same time, for the purpose to improve unskillful operators analyze ability and diagnostic efficiency, at last to get the goal of fast diagnostic.Methods:We recommend STFT theory, then analyzed algorithm to design the programs by the way of LabVIEW2011,at last we realized to change one-dimensional heart sound signals into the form of intensity maps, which owns obvious recognition feature.Results:We have successfully used programs to realize the analysis on intensity maps, and also simplified judgmental process on illness. This method improves efficiency.Conclusion:Using the method described above can achieve the goal for improving the analysis method, it may work well as we thought before.

The heart sound signals; LabVIEW2011; Short time Fourier transform

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.01.007

1672-8270(2014)01-0020-02

R197.324

A

张代远.基于LabVIEW的虚拟任意信号发生器设计[J].计算机技术与发展(

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2013-07-05

甘肃省科技支撑课题(090NKCA092)“虚拟动态心音信号检测与分析系统的研究”；兰州军区医学课题(CLZ11JC03)“心音信号分析与研究”

①兰州理工大学电信学院 甘肃 兰州 730050 ④中航工业雷达与电子设备研究院 江苏 无锡 214000

②兰州军区兰州总医院信息科 甘肃 兰州 730050 ⑤水下信息与控制重点实验室 陕西 西安 710075

③解放军第94804部队 上海 200000

*通讯作者：jiangwei_xm@aliyun.com

韦哲,男,(1963- ),博士，高级工程师。兰州理工大学电信学院、兰州军区兰州总医院信息科主任，从事医学信号检测和数据分析工作。