心臟瓣膜心音信號機械振動智能分析系統(tǒng)及分析方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于FPGA的心臟瓣膜心音信號機械振動分析系統(tǒng)及分析方法，所述分析系統(tǒng)包括信號采集裝置、A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA主控制器和顯示屛，所述FPGA主控制器包括通用I/O接口、HHT分析模塊、SDRAM控制器、FLASH控制器、LED驅(qū)動電路和Avalon總線，并且本系統(tǒng)還包括GMM特征提取模塊，用于識別心臟瓣膜的故障類型和計算故障出現(xiàn)的概率，這種系統(tǒng)集成芯片體積小，重量輕，便于安裝在便攜式心音信號分析儀器上使用，并且本發(fā)明的方法便于心臟瓣膜疾病的早期無損診斷，對于臨床實踐具有較大的指導(dǎo)價值。
【專利說明】
心臟瓣膜心音信號機械振動智能分析系統(tǒng)及分析方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及醫(yī)療分析技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種心臟瓣膜心音信號機械振動智能分析系統(tǒng)及分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002]心音是由于心臟瓣膜的開關(guān)、肌腱和肌肉的舒張收縮、血流的沖擊及心血管壁振動而產(chǎn)生的一種復(fù)合音，是臨床評估心臟機械功能狀態(tài)的最基本的參數(shù)。近年來，隨著城鄉(xiāng)醫(yī)保改革的不斷深入及科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，與計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)及人工智能相結(jié)合的現(xiàn)代醫(yī)療診斷技術(shù)應(yīng)運而生，心臟聽診作為一種經(jīng)濟快捷、安全無創(chuàng)的心功能檢查方法，具有重要的研究價值。
[0003]目前瓣膜和心功能的評估主要靠超聲心動圖，但存在三個問題:1.對心臟瓣膜鈣化程度模糊;2.對機械瓣膜失功能的診斷相當(dāng)困難;3.對冠心病病人的心功能準(zhǔn)確評估困難。因此對于上述問題的解決，目前沒有良好的手段，而病人能否長期存活取決于能否早期準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)并進行治療。心音信號的機械振動變化可能會是上述問題的解決辦法。
[0004]心音信號機械振動是人體最重要的生理信號之一，心音信號的機械振動檢測是了解心臟瓣膜及心臟功能狀態(tài)的一種重要手段，具有心電監(jiān)測不可替代的臨床價值。例如:心臟瓣膜鈣化后瓣膜關(guān)閉音的主頻有向高頻方向變化的趨勢，因此，可利用瓣膜關(guān)閉音的頻譜來探測心臟瓣膜的退化程度，從而決定治療的策略等。
[0005]鑒于機械振動心音信號在心臟疾病診治中的獨特作用，如能對心臟疾病患者的心音進行系統(tǒng)收集分析，研究心臟瓣膜機械振動心音特征與瓣膜功能異常及各種并發(fā)癥、心功能之間的聯(lián)系，將對心臟瓣膜功能、心功能的準(zhǔn)確評估和并發(fā)癥的早期診斷具有重要的臨床意義，現(xiàn)有的分析儀器體積較大，成本較高，所采用的信息分析系統(tǒng)較為復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種心臟瓣膜心音信號機械振動智能分析系統(tǒng)，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的分析系統(tǒng)較為復(fù)雜的問題。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0008]基于FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)的心臟瓣膜心音信號機械振動分析系統(tǒng)，如圖1所示，所述分析系統(tǒng)包括信號采集裝置、A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA主控制器和顯示屛，所述FPGA主控制器包括通用I /0接口、HHT分析模塊、SDRAM控制器、FLASH控制器、LED驅(qū)動電路和Ava I on總線；所述信號采集裝置的輸出端連接至A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，所述A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端與FPGA主控制器的I/O接口連接，所述通用I/O接口、HHT分析模塊、SDRAM控制器、FLASH控制器的輸出端均與Avalon總線連接，所述Avalon總線通過LED驅(qū)動電路與顯示屛連接。
[0009]優(yōu)選地，所述信號采集裝置為心音傳感器或聽診器，所述心音傳感器或聽診器包括藍牙模塊A和預(yù)處理模塊，所述藍牙模塊A用于對心音信號進行無線采集，所述心音傳感器還包括除噪模塊，用于除去心胸系統(tǒng)傳播過程中產(chǎn)生的噪音。
[0010]其中，所述HHT分析模塊包括心音信號時域分析模塊、心音信號頻域分析模塊、心音信號能量分析模塊，所述心音信號時域分析模塊用于心音信號的均值、方差、均方差、最大值、最小值的分析計算;所述心音信號頻域分析模塊用于心音信號的FFT、頻譜、功率譜的分析計算，所述心音信號能量分析模塊用于對心音信號的能量域進行分析。
[0011]進一步地，所述FPGA主控制器還包括GMM特征提取模塊，用于識別心臟瓣膜的故障類型和計算故障出現(xiàn)的概率，所述GMM特征提取模塊與所述HHT分析模塊連接。
[0012]更進一步地，所述分析系統(tǒng)還包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫或智能手機，所述FPGA主控制器還包括無線模塊，所述GMM特征提取模塊還與無線模塊連接，GMM特征提取模塊提取出來的信息通過無線模塊傳輸給網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫進行保存或智能手機進行查詢。
[0013]或者，所述分析系統(tǒng)還包括外部顯示裝置;所述FPGA主控制器還包括藍牙模塊B，所述外部顯示裝置同樣具有藍牙模塊C，所述GMM特征提取模塊通過藍牙模塊B與顯示裝置的藍牙模塊C連接。
[0014]優(yōu)選地，所述FPGA主控制器還包括心音信號存儲模塊，所述心音信號存儲模塊與所述GMM特征提取模塊連接，用于將經(jīng)過GMM特征提取模塊處理的信息進行保存。
[0015]本發(fā)明還公開了一種基于FPGA的心臟瓣膜心音信號機械振動分析方法，所述分析方法利用前述的分析系統(tǒng)進行分析，具體包括如下步驟:
[0016](I)首先信號采集裝置采集心音信號的模擬信號，經(jīng)過預(yù)處理模塊處理后對心音信號進行放大后，再經(jīng)過除噪模塊除去心胸系統(tǒng)傳播過程中產(chǎn)生的噪音后，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；
[0017](2)經(jīng)過轉(zhuǎn)化的數(shù)字信號傳輸給HHT分析模塊進行處理，通過對心音信號的均值、方差、均方差、最大值、最小值，心音信號的FFT、頻譜分析、功率譜以及心音信號的量域進行計算分析，將計算結(jié)果經(jīng)過GMM特征提取模塊識別出心臟瓣膜的故障類型和計算故障出現(xiàn)的概率信息；
[0018](3)然后將GMM特征提取模塊識別出的心臟瓣膜的故障類型和計算出來的故障出現(xiàn)的概率信息通過Avalon總線連接LED驅(qū)動電路后通過顯示屛顯示。
[0019]優(yōu)選地，上述基于FPGA的心臟瓣膜心音信號機械振動分析方法中，步驟(3)的故障類型和計算故障出現(xiàn)的概率信息還可以通過藍牙模塊發(fā)送到具有藍牙模塊的外部顯示裝置進行顯示。
[0020]本發(fā)明方法具有如下優(yōu)點:
[0021]本發(fā)明所采用的分析系統(tǒng)采用FPGA板的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)集成芯片體積小，重量輕，便于安裝在便攜式心音信號分析儀器上使用;并且所采用的系統(tǒng)具有HHT分析模塊和GMM特征提取模塊，通過對心音信號的均值、方差、均方差、最大值、最小值，心音信號的FFT、頻譜、功率譜以及心音信號的量域進行計算分析，將計算結(jié)果經(jīng)過GMM特征提取模塊識別出心臟瓣膜的故障類型和計算故障出現(xiàn)的概率信息，這種方法便于心臟瓣膜疾病的早期無損診斷，對于臨床實踐具有較大的指導(dǎo)價值。
[0022]并且，本發(fā)明還增加了無線模塊和/或藍牙模塊，更加有便于診斷信息的快速傳輸和查看以及信息的保存。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明基于FPGA的心臟瓣膜心音信號機械振動分析系統(tǒng)框圖；
[0024]圖2是本發(fā)明HHT分析模塊的結(jié)構(gòu)框圖；
[0025]圖3是本發(fā)明基于FPGA的心臟瓣膜心音信號機械振動分析方法流程圖。
【具體實施方式】
[0026]下面將參照附圖更詳細地描述本發(fā)明的具體實施例。雖然附圖中顯示了本發(fā)明的具體實施例，然而應(yīng)當(dāng)理解，可以以各種形式實現(xiàn)本發(fā)明而不應(yīng)被這里闡述的實施例所限制。相反，提供這些實施例是為了能夠更透徹地理解本發(fā)明，并且能夠?qū)⒈景l(fā)明的范圍完整的傳達給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。
[0027]如在通篇說明書及權(quán)利要求當(dāng)中所提及的“包含”或“包括”為一開放式用語，故應(yīng)解釋成“包含但不限定于”。說明書后續(xù)描述為實施本發(fā)明的較佳實施方式，然所述描述乃以說明書的一般原則為目的，并非用以限定本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的保護范圍當(dāng)視所附權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。
[0028]實施例1
[0029]一種基于FPGA的心臟瓣膜心音信號機械振動分析系統(tǒng)，所述分析系統(tǒng)包括信號采集裝置、A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA主控制器和顯示屛，所述FPGA主控制器包括通用I/O接口、HHT分析模塊、SDRAM控制器、FLASH控制器、LED驅(qū)動電路和Avalon總線;所述信號采集裝置的輸出端連接至A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，所述A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端與FPGA主控制器的I/O接口連接，所述通用I /0接口、HHT分析模塊、SDRAM控制器、FLASH控制器的輸出端均與Ava I on總線連接，所述Ava I on總線通過LED驅(qū)動電路與顯示屏連接。
[0030]優(yōu)選地，所述信號采集裝置為心音傳感器或聽診器，所述心音傳感器或聽診器包括藍牙模塊A和預(yù)處理模塊，所述藍牙模塊A用于對心音信號進行無線采集，所述心音傳感器還包括除噪模塊，用于除去心胸系統(tǒng)傳播過程中產(chǎn)生的噪音。
[0031]其中，如圖2所示，所述HHT分析模塊包括心音信號時域分析模塊、心音信號頻域分析模塊、心音信號能量分析模塊，所述心音信號時域分析模塊用于心音信號的均值、方差、均方差、最大值、最小值的計算;所述心音信號頻域分析模塊用于心音信號的FFT(傅立葉變換)、頻譜、功率譜的分析和計算，所述心音信號能量分析模塊用于對心音信號的能量域進行分析。
[0032]進一步地，所述FPGA主控制器還包括GMM特征提取模塊，用于識別心臟瓣膜的故障類型和計算故障出現(xiàn)的概率，所述GMM特征提取模塊與所述HHT分析模塊連接。
[0033]更進一步地，所述分析系統(tǒng)還包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫或智能手機，所述FPGA主控制器還包括無線模塊，所述GMM特征提取模塊還與無線模塊連接，GMM特征提取模塊提取出來的信息通過無線模塊傳輸給網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫進行保存或智能手機進行查詢。
[0034]或者，所述分析系統(tǒng)還包括外部顯示裝置;所述FPGA主控制器還包括藍牙模塊B，所述外部顯示裝置同樣具有藍牙模塊C，所述GMM特征提取模塊通過藍牙模塊B與顯示裝置的藍牙模塊C連接。
[0035]優(yōu)選地，所述FPGA主控制器還包括心音信號存儲模塊，所述心音信號存儲模塊與所述GMM特征提取模塊連接，用于將經(jīng)過GMM特征提取模塊處理的信息進行保存。
[0036]實施例2
[0037]一種基于FPGA的心臟瓣膜心音信號機械振動分析方法，所述分析方法具體包括如下步驟:
[0038](I)首先信號采集裝置(心音傳感器或聽診器)采集心音信號的模擬信號，經(jīng)過預(yù)處理模塊處理后對心音信號進行放大后，再經(jīng)過除噪模塊除去心胸系統(tǒng)傳播過程中產(chǎn)生的噪音后，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；
[0039](2)經(jīng)過轉(zhuǎn)化的數(shù)字信號傳輸給HHT分析模塊進行處理，通過對心音信號的均值、方差、均方差、最大值、最小值、心音信號的FFT、頻譜、功率譜以及心音信號的量域進行計算分析，將計算結(jié)果經(jīng)過GMM特征提取模塊識別出心臟瓣膜的故障類型和計算故障出現(xiàn)的概率?目息;
[0040](3)然后將GMM特征提取模塊識別出的心臟瓣膜的故障類型和計算出來的故障出現(xiàn)的概率信息通過Avalon總線連接LED驅(qū)動電路后通過顯示屏顯示。
[0041]優(yōu)選地，上述基于FPGA的心臟瓣膜心音信號機械振動分析方法中，步驟(3)的故障類型和計算故障出現(xiàn)的概率信息還可以通過藍牙模塊發(fā)送到具有藍牙模塊的外部顯示裝置進行顯示。
[0042]雖然，上文中已經(jīng)用一般性說明及具體實施例對本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對之作一些修改或改進，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進，均屬于本發(fā)明要求保護的范圍。
【主權(quán)項】
1.基于FPGA的心臟瓣膜心音信號機械振動分析系統(tǒng)，其特征在于，所述分析系統(tǒng)包括信號采集裝置、A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA主控制器和顯示屏，所述FPGA主控制器包括通用I/O接口、HHT分析模塊、SDRAM控制器、FLASH控制器、LED驅(qū)動電路和Aval on總線;所述信號采集裝置的輸出端連接至A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，所述A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端與FPGA主控制器的I/O接口連接，所述通用I/0接口、HHT分析模塊、SDRAM控制器、FLASH控制器的輸出端均與Ava1n總線連接，所述Avalon總線通過LED驅(qū)動電路與顯示屏連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的心臟瓣膜心音信號機械振動分析系統(tǒng)，其特征在于，所述信號采集裝置為心音傳感器或聽診器，所述心音傳感器或聽診器包括藍牙模塊A和預(yù)處理模塊，所述藍牙模塊A用于對心音信號進行無線采集，所述預(yù)處理模塊用于對心音信號進行放大。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的心臟瓣膜心音信號機械振動分析系統(tǒng)，其特征在于，所述心音傳感器還包括除噪模塊，用于除去心胸系統(tǒng)傳播過程中產(chǎn)生的噪音。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的心臟瓣膜心音信號機械振動分析系統(tǒng)，其特征在于，所述HHT分析模塊包括心音信號時域分析模塊、心音信號頻域分析模塊和心音信號能量分析模塊，所述心音信號時域分析模塊用于心音信號的均值、方差、均方差、最大值、最小值的計算;所述心音信號頻域分析模塊用于心音信號的FFT、頻譜、功率譜的分析計算，所述心音信號能量分析模塊用于對心音信號的能量域進行分析。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的心臟瓣膜心音信號機械振動分析系統(tǒng)，其特征在于，所述FPGA主控制器還包括GMM特征提取模塊，用于識別心臟瓣膜的故障類型和計算故障出現(xiàn)的概率，所述GMM特征提取模塊分別與所述HHT分析模塊和連接Ava I on總線連接。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的心臟瓣膜心音信號機械振動分析系統(tǒng)，其特征在于，所述分析系統(tǒng)還包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫或智能手機，所述FPGA主控制器還包括無線模塊，所述GMM特征提取模塊還與無線模塊連接，GMM特征提取模塊提取出來的信息通過無線模塊傳輸給網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫進行保存或智能手機進行查詢。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的心臟瓣膜心音信號機械振動分析系統(tǒng)，其特征在于，所述分析系統(tǒng)還包括外部顯示裝置;所述FPGA主控制器還包括藍牙模塊B，所述外部顯示裝置同樣具有藍牙模塊C，所述GMM特征提取模塊通過藍牙模塊B與顯示裝置的藍牙模塊C連接。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的心臟瓣膜心音信號機械振動分析系統(tǒng)，其特征在于，所述FPGA主控制器還包括心音信號存儲模塊，所述心音信號存儲模塊與所述GMM特征提取模塊連接，用于將經(jīng)過GMM特征提取模塊處理的信息進行保存。9.基于FPGA的心臟瓣膜心音信號機械振動分析方法，其特征在于，所述分析方法包括如下步驟: (1)首先信號采集裝置采集心音信號的模擬信號，經(jīng)過預(yù)處理模塊處理后對心音信號進行放大后，再經(jīng)過除噪模塊除去心胸系統(tǒng)傳播過程中產(chǎn)生的噪音后，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號； (2)經(jīng)過轉(zhuǎn)化的數(shù)字信號傳輸給HHT分析模塊進行處理，通過對心音信號的均值、方差、均方差、最大值、最小值、心音信號的FFT、頻譜、功率譜以及心音信號的量域進行計算分析，將計算結(jié)果經(jīng)過GMM特征提取模塊識別出心臟瓣膜的故障類型和計算故障出現(xiàn)的概率信息; (3)然后將GMM特征提取模塊識別出的心臟瓣膜的故障類型和計算出來的故障出現(xiàn)的概率信息通過Avalon總線連接LED驅(qū)動電路后通過顯示屏顯示。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于FPGA的心臟瓣膜心音信號機械振動分析方法，其特征在于，步驟(3)中的故障類型和計算故障出現(xiàn)的概率信息還可以通過藍牙模塊發(fā)送到具有藍牙模塊的外部顯示裝置進行顯示。
【文檔編號】G06T7/00GK105943079SQ201610384043
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月1日
【發(fā)明人】劉子由, 胡碩
【申請人】劉子由