《電子技術(shù)應(yīng)用》
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單心動(dòng)周期分割及MFCC特征提取系統(tǒng)
2020年電子技術(shù)應(yīng)用第12期
李昊宇，張榮芬，劉宇紅
貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)550025
摘要： 目前，在基于醫(yī)療大數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)的心音識(shí)別系統(tǒng)研究中，對(duì)于單心動(dòng)周期的提取大多依賴(lài)人工截取或基于同步心電信號(hào)進(jìn)行分割，大大降低了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)用性和易用性。針對(duì)以上問(wèn)題提出了一種基于低頻提取的單心動(dòng)周期分割及MFCC(Mel Frequency Cepstral Coefficients)特征提取的嵌入式硬件系統(tǒng)，能夠更高效地實(shí)現(xiàn)單心動(dòng)周期分割并計(jì)算其MFCC特征參數(shù)，綜合分割準(zhǔn)確率達(dá)98.3%，解決了單心音周期分割中對(duì)心音信號(hào)純凈度要求較高和沒(méi)有成熟系統(tǒng)的問(wèn)題，并且降低了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成本，具有較好的實(shí)用性和潛在的應(yīng)用前景。
中圖分類(lèi)號(hào)： TP368
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200587
中文引用格式： 李昊宇，張榮芬，劉宇紅. 單心動(dòng)周期分割及MFCC特征提取系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2020，46(12)：121-128，133.
英文引用格式： Li Haoyu，Zhang Rongfen，Liu Yuhong. Single heart period segmentation and MFCC feature extraction system[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(12)：121-128，133.
Single heart period segmentation and MFCC feature extraction system
Li Haoyu，Zhang Rongfen，Liu Yuhong
College of Big Data and Information Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China
Abstract： At present, in the research of heart sound recognition system based on medical big data and machine learning, the extraction of single cardiac cycle mostly relies on manual interception or segmentation based on synchronous ECG signals, which greatly reduces the practicability and ease of use of the whole system. In view of this, a hardware system with the function of single-cardiac periodic segmentation based on low-frequency extraction and MFCC(Mel Frequency Cepstral Coefficients) feature extraction is proposed, which realizes the single-cardiac periodic segmentation of heart sound and gives MFCC features more efficiently, and comprehensive segmentation accuracy reaches 98.3%, solves the problem of high purity of heart sound signal and no mature system in the segmentation of single heart sound cycle, meanwhile reduces the data storage cost，increases the system practicability and has potential application prospect.
Key words : cardiac cycle；low frequency extraction；MFCC feature extraction；embedded systems

0 引言

    心血管疾病包括動(dòng)脈粥樣硬化、高血壓、高血脂等多種疾病?！吨袊?guó)心血管病報(bào)告2017》概要[1]中指出中國(guó)心血管疾病患病率持續(xù)上升，直到2015年心血管疾病死亡率仍高居中國(guó)城鄉(xiāng)居民主要疾病死亡率首位，且發(fā)病人群低齡化嚴(yán)重。心血管疾病的潛伏期長(zhǎng)，發(fā)病突然，在預(yù)防的同時(shí)，盡早確診是降低心血管疾病威脅的重要一步。目前多依賴(lài)于心電圖、血常規(guī)、CT成像等傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)手段進(jìn)行心血管疾病篩查，需要醫(yī)生具有較高醫(yī)術(shù)，且主觀性強(qiáng)。因此，利用現(xiàn)代化數(shù)字手段對(duì)心血管疾病進(jìn)行分析，輔助醫(yī)生確診疾病具有重要意義。大數(shù)據(jù)技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展使得利用數(shù)字方法處理、識(shí)別人體生理信號(hào)，從而輔助傳統(tǒng)醫(yī)療方式對(duì)病人的心血管疾病做出診斷成為可能[1-3]。近幾年，大量心音身份識(shí)別，異常心音識(shí)別研究結(jié)果皆表明使用心音進(jìn)行識(shí)別是可行的，這些研究多采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方式對(duì)心音進(jìn)行分類(lèi)，取得了較好的效果。成謝鋒團(tuán)隊(duì)[4-6]做了大量相關(guān)工作，給出了心音識(shí)別的可行性與未來(lái)工作方向的討論，同時(shí)也進(jìn)行了異常心音識(shí)別等研究，提出了一種心音小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[7]，針對(duì)早搏心音具有較好的識(shí)別效果。

    由于心音信號(hào)具有單周期平穩(wěn)性[8]，在對(duì)心音進(jìn)行特征提取時(shí)需先提取其單心動(dòng)周期，但目前的心音識(shí)別研究中多采用同步ECG(Electro Cardio Gram)進(jìn)行輔助分割[9]或人工分割，這種分割方式在需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練時(shí)實(shí)用性較低，且無(wú)法構(gòu)成完整系統(tǒng)。目前已有的心音分割算法[10-11]，前者采用形態(tài)學(xué)濾波與峰間距計(jì)算進(jìn)行周期心動(dòng)分割，規(guī)避了包絡(luò)提取時(shí)包絡(luò)毛刺的干擾，后者采用自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行周期估計(jì)，均具有較高分割準(zhǔn)確度，但對(duì)心音質(zhì)量要求較高，魯棒性差，且未能給出成熟系統(tǒng)。此外，在心音識(shí)別時(shí)，應(yīng)用MFCC(Mel Frequency Cepstral Coefficients)特征參數(shù)進(jìn)行識(shí)別優(yōu)勢(shì)明顯。MFCC通過(guò)將音頻從標(biāo)準(zhǔn)頻率域映射至MEL標(biāo)度頻率域，使其更符合人耳聽(tīng)覺(jué)特性[12-13]，能夠更好地表征發(fā)聲器官的頻率響應(yīng)特性。在深度學(xué)習(xí)的心音識(shí)別中也能較好反映心音產(chǎn)生模型的頻響特性，提高識(shí)別精確度。例如，Chairisni Lubis[14]與Tien-En Chen[15]在各自的心音識(shí)別系統(tǒng)中均采用MFCC作為特征參數(shù)，識(shí)別準(zhǔn)確度較高，魯棒性強(qiáng)。可見(jiàn)，在研究高效的心音心動(dòng)周期分割方法的同時(shí)給出MFCC特征參數(shù)，是進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能心音識(shí)別系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本文針對(duì)目前使用機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行心音識(shí)別的研究中存在的心動(dòng)周期分割以及MFCC特征提取問(wèn)題，提出了一種基于低頻提取的單心動(dòng)周期自動(dòng)分割及MFCC特征提取系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠直接采集心音信號(hào)，提取心音信號(hào)中的單心動(dòng)周期并計(jì)算其MFCC特征參數(shù)，為后續(xù)的機(jī)器學(xué)習(xí)提供大量原始數(shù)據(jù)，對(duì)心音識(shí)別系統(tǒng)從理論研究向?qū)嶋H應(yīng)用過(guò)渡有積極意義。




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作者信息：

李昊宇，張榮芬，劉宇紅

(貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)550025)

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