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摘 要
心血管疾病是严重威胁人类健康 的疾病之一一直以来医师和技术工程人员一直追求
提高心血管疾病的早期诊断能力和确诊率而心音信号分析在医学上是非常有用。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 。它是评价心脏功能
状态的一种基本方法包含着心脏各个部分本身及相互之间作用的生理和病理信息。
心音信号的研究一直是 引人注 目的课题 。在心音分析方法上 从 以前模拟心音 图上进行
的时域分析 、频域分析 、功率谱发展 为时频分析 。心音时频分析较为典型的方法是短时傅立
叶变换、 自回归模型、小波变换 。而本文采用 了小波变换 并结合双谱分析方法对心音信号
分析 。
近年来 学者们相继发展 了许多适合于非平稳信号的处理方法但是效果都不理想。基
于此 年 由美国宇航局 等人首次提 出 一 变换 的方法这
是一种新的分析非线性非平稳数据的方法。其关键是经验模式分解 利用经验模式分
解 任何复杂的数据都可以被分解为确定的并且通常少量个数的内在模式函数 巧。
由于分解是基于信号时域局部特征的因此它特别适合用来分析非线性非平稳过程。内在模
式函数适于进行 变换将变换后的信号与双谱分析结合便得到 一 双谱
分析。该方法 己用于地球物理学、振动工程 、生物医学等领域的研究并取得 了较好的结果
具有理论研究价值和广 阔的应用前景。
双谱 是分析和处理非线性系统 、非高斯过程 、非最小相位 系统 的有力工具 在雷达 、声
纳 、地球物理、生物医学 图像重构 机械故障诊断谐波恢复阵列处理等多个领域 中获
得 了成功的应用 。然而 双谱存在不足 如对非高斯类噪声无 能为力 。另外 双谱分析是定
义在信 号是平稳随机性的假 设基础上 而实际获得 的信 号大量 是时变信号 因而 双谱分析
的应用受到很大限制本文在传统双谱分析基础上 对双谱分析方法进行 了拓展 发展并完
善 了这一理论并应用到医学信号分析中主要研究 内容如下
首先探究了常规非平稳信号处理的几种方法、高阶谱分析在信号处理中的发展现状以
及心音信号的国内外研究现状 并研究了心音信号的发展前景。
俘 介绍 了传统双谱的定义 、性质 、算法和物理意义 并深入分析 了双谱分析存在 的缺陷
指 出本论文进行分析 出发点及其进 一步研究的必要性 。
针对传统双谱分析方法从理论上仅能抑制高斯噪声 但对非高斯噪声是无能为力的不
足本文将小波变换和双谱分析结合提出了一种基于小波变换域双谱分析方法并应用到
心音信号分析中。对正常和异常心音信号分析实验结果表 明小波变换域双谱优 于传统双
谱 特别是在非高斯噪声情况下。
供 小波变换域双谱分析方法中小波阐值法消噪阐值的选择没有统一的标准一般凭个人
主观意志或相关经验来选择基于此本文提出了基于 变换域双谱分析方法通
过经验模式 分解把信号分解为一系列 内组模式 函数 玲 对所有 进行
变换将变换后的信号进行双谱分析。实验结果表明此方法对高斯噪声的干
扰有很好的抑制。
关键词 心音信号高阶统计量双谱小波变换 一 变换
目 录
摘 要 ……
……
第 章 绪论 ……
本课题研究的背景和意义 ……
常规的非平稳信号处理方法 ……
短时傅立叶变换谱 ……
小波分析 ……
卜 分布 ……
进化谱 ……
经验正交 函数展开 ……
高阶谱分析在国内外研究的现状 ……
高阶谱分析在信号处理中的发展 ……
心音信号国内外研究概述 ……
心音信号研究的发展前景 ……
本文的主要 内容 ········································……
本文的关键技术及创新点 ……
本文的关键技术 ……
本文的创新点 ……
第 章 双谱分析方法及其不足 ············……
双谱分析方法 ……
双谱 的定义 ……
双谱 的性质 ……
双谱 的估计算法 ……
双谱估计 的物理意义 ……
双谱 分析 的优势及不足 ……
本章小结 ……
第 章 小波变换域双谱分析方法及其应用 ……
小波分析理论 …… ……
小波变换 ……
多分辨率分解 ·······························……
小波包分析 ……
小波变换域双谱分析方法及应用 ……
概述 ……
心音信号的小波变换域双谱分析方法 …… ……
实验结果分析 ·················……
第 章 一 双谱分析方法及其应用 ……
一 变换方法的基本理论 ……
概述 ……
瞬时频率 …… ……
内在模式函数 ··················……
变换的时频谱与边 际谱 ……
一 变换域双谱分析 ……
实验结果分析 ·····················……
第 章 总结与展望 ·····································……
本文总结 ……
工作展望 …… ……
参考文献 ……
致 谢 ……
攻读硕士学位期间科研成果 ·……
第 章 绪论
第 章 绪论
本课题研究的背景和意义
双谱是分析和处理非线性系统、非高斯过程 、非最小相位系统的有力工具
在雷达、声纳 、地理物理、生物医学图像重构机械故障诊断谐波恢复阵
列处理等多个领域中获得 了成功的应用 。如姬红兵等人利用复信 号双谱估计技术
分析 了常规相参雷达实测飞机 目标回波信号利用双谱分布区域信号较好地反映
了 目标的部分散射调制特性 ‘【 胡友峰利用 了水声信号中的二阶和三阶统计信息
能适应复杂水声环境变化的要求改善和提高了水声信号的检测性能 李大卫等
人凭借高阶 累计量对噪声 的不敏感性 提 出了基于双谱和三谱混合 的子波恢复方
法 对野外采集的地震资料进行处理后 提高了分辨率 乐建威等人把脑 电双谱
指数用于麻醉深度检测的技术方法 对发展医学临床期望的麻醉 闭环控制监护仪
器有重要意义 ’ 蒋宏通过高阶谱重构图像的幅值和相位信息 最后还原到空间域
得到去噪后的图像优于中值滤波法和高阶累计量方法 李萌提 出了基于时频和
双谱分析的滚动轴承诊断方法利用特征谱可 以有效地识别滚动轴承不同的故障
特征 李玲利用一个循环统计量得到对应非零均值乘性噪声的谐波频率再求出
与谐波对应 的乘性噪声均值 去均值后用二阶或三阶循环统计量来恢复谐波提
出了谐波分量个数的估计方法门 吕泽均研究了在阵列信号处理中使用累计量的问
题以及在相干多径环境中基于累计量的盲 自适应波束形成技术 。
然而 双谱分析方法存在明显的不足 如双谱分析仅能抑制 高斯噪声而对
非高斯类噪声却无能为力 另外 双谱分析是定义在信号是平稳随机性的假设基
础上 而实际 中我们所获得的信号大量是时变信 号如统计特 性 随时间作周期
变化 的循环平稳信号和机器的急加速 、急减速 时的变频振动信号 其均是属于非
平稳信号 用双谱去分析它们显得无能为力 。因而 双谱分析 的应用受到很大限
制 本文在传统双谱分析基础上 对双谱分析进行 了延拓 提 出了 一
变换 的双谱分析方法和基于小波变换域双谱分析方法 用来分析 医学信 号中广泛
存在 的高斯 噪声和非 高斯噪声 发展并完善 了这一理论 有重要 的学术和现 实意
义 。
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