将心音、肺音、咳嗽音转换成混合声谱和混响音乐的方法

1.本发明涉及一种振动信号转换方法，具体的说是涉及一种将心音肺音、咳嗽音所产生的振动信号转换为混合声谱图和混响音乐的方法。


背景技术：

2.咳嗽音、心音与肺音是通过传感器从人体表获取的振动信号，心肺音的听诊价值已被认可并用于多种疾病的初步筛查。因此，咳嗽音、心音与肺音的采集和分析对提高相关疾病的诊断和引导身体健康具有积极意义。目前心肺音的拾取都是通过传统的听诊器来实现的，咳嗽音则是人工来判断，心肺音、咳嗽音表达出来不好听，对于长时间处于工作状态的医生来说很容易产生疲劳感。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本发明公开了一种建立人体心肺音生理混响音乐的方法，对人体胸腔、背部表面获取的心肺音、咳嗽声信号进行交织、折叠和排列，通过一组多层次视听化处理方法，将心音、肺音、咳嗽音所产生的振动转换成混合声谱和混响音乐，形成可看可听的混合声谱和混响音乐，使之能正确描述这三种振动信号的本质特征；通过混响音乐的研究，提供另一种理解心肺音生理活动的工具，实现生理信号到混响音乐的跨领域表征新形式，同时为心肺混合芯片器官的设计奠定理论基础。
4.为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
5.本发明是一种将心音、肺音、咳嗽音转换成混合声谱和混响音乐的方法，该方法包括如下步骤：
6.步骤1：在一个带有手把的倒t型支架上，安装有心音传感器、咳嗽音传感器和肺音传感器，心音传感器对应于心脏的心尖部听诊区域，肺音传感器对应于右肺的前胸部中部区域，咳嗽音传感器对应于锁骨上窝部区域，构成一种倒t型心音、肺音、咳嗽声采集装置；倒t型心音、肺音、咳嗽声采集装置可实现同步采集人体表的咳嗽音、心音与肺音信号；利用倒t型心音、肺音、咳嗽声采集装置同步采集三路人体表的咳嗽音、心音与肺音信号。
7.步骤2：对咳嗽音、心音与肺音信号采用小波除噪方法除噪，然后对三路咳嗽音、心音与肺音信号进行基于独立成分分析(ica)的盲源分离，从混叠信号中分离出单一的咳嗽音、心音与肺音信号。
8.步骤3：计算心音、肺音、咳嗽音的频率值和组合频谱图，组合频谱图的色谱、纹理、层次结构与心音、肺音、咳嗽声的特性密切相关，通过识别组合频谱图的细节分析心音、肺音、咳嗽声的变化过程。具体为分别对心音、肺音信号、咳嗽音进行处理，一方面利用傅里叶变换(fft)计算频谱特性，提取频率值，另一方面利用离散小波变换(dwt)计算时频图，获得频谱图表征，可分析它们各自的独立特性；然后将心音、肺音信号、咳嗽音按时间节点重叠为一路混叠信号，再利用离散小波变换(dwt)计算时频图，获得它们的频谱图表征，作为组合频谱图。
9.步骤4：将心音、肺音、咳嗽音的频率值与自然音乐的音阶频率值进行识别和对比分析，然后通过智能转换，实现心音、肺音、咳嗽声的振动频率与音乐的转置创作，将时间序列映射为数字乐谱，将心肺音和咳嗽音数字乐谱输入音乐编辑软件，对该数字音乐进行分类编辑，再次创作和播放，形成基于心肺音和咳嗽音的混响音乐。
10.正常心音的基本频率通常在40～200赫兹左右，泛音可达4000赫兹，心率为60-100次/分；肺音的基本频率通常在20～100赫兹左右，正常成年人的呼吸频率为12～20次/分，与心率之比约为1：4.节律均匀而整齐。咳嗽声的基本频率通常在2000～5000赫兹左右。声强通常是咳嗽声最高，心音第二，肺音最低。
11.心肺音、咳嗽声的音乐转换算法表达式为：
[0012][0013]
表示一个周期心音信号的n个归一化的频率特征参数，表示一个心音周期段对应的肺音信号的n个归一化的频率特征参数，表示一个心音周期段对应的咳嗽音信号的n个归一化的频率特征参数。ms、m
p
、m
t
表述转换后获得的对应基础音乐集，k
ij
表示频率转换规则系数集，可根据音阶映射表训练获得。
[0014]kij
的获取方法为：首先分别对已知的心音、肺音信号、咳嗽音进行周期分段处理，利用傅里叶变换(fft)计算一个心音周期时间段的频谱特性，提取频率值，然后与音阶映射表的频率特征值进行对应分析，取其中一个频率特征参数基于分段线性转换技术和四舍五入方式转换成一个预期的音阶，可获得一个频率转换规则系数，如此反复进行，可获得一组频率转换规则系数集k
ij
。
[0015]
所述步骤4中心音、肺音、咳嗽声混响音乐的获取步骤为：
[0016]
步骤4-1：取任意长度的待分析心音、肺音、咳嗽声时间信号，并按心音周期进行标记，获得周期分段信号；
[0017]
步骤4-2：按时间顺序，利用傅里叶变换(fft)，分别对每一个周期分段信号计算频谱特性，获得这些周期分段信号的频谱特性；
[0018]
步骤4-3：基于心音、肺音、咳嗽声的音乐转换算法和周期分段信号的频谱特性，依次对每一个周期的信号进行映射转换，获得对应的基础音乐集；
[0019]
步骤4-4：利用音乐编辑软件，将基础音乐集与一种或多种可演奏的乐器相联系，并且调整基础音乐集中音乐的强度、节奏与于心音、肺音、咳嗽声的强度、节奏进行匹配，然后按照调整后的节奏依次播放，可获得一种混响音乐的表达。
[0020]
本发明的有益效果是：本发明提供一种将心音、肺音、咳嗽声所产生的振动信号转换成混合声谱和混响音乐的方法，通过一组多层次视听化处理方法，将心音、肺音、咳嗽音所产生的振动转换成混合声谱，一方面将混合声谱转换成混合频谱图，另一方面且将混合声谱的多层次振动频率的相对值与自然音乐的音阶相对应，形成人体心肺音生理混响音乐，这样可将心肺音时间序列映射为乐谱，进一步可将乐谱与一种可演奏的乐器相联系，播放出音乐，构成混响音乐，最终形成可看的混合频谱图和可听的混响音乐，反映出咳嗽音、心音与肺音的复杂的层次和交叉形态，提供另一种表征心肺音生理活动的形式。
附图说明
[0021]
图1是本发明采集装置的主视图。
[0022]
图2是本发明采集装置的俯视图。
[0023]
图3是本发明心音、肺音、咳嗽音转换成缓和声谱和混响音乐方法流程图。
[0024]
其中：1-心音传感器；2-咳嗽音传感器；3-肺音传感器；4-带有手把的倒t型支架
具体实施方式
[0025]
以下将以图式揭露本发明的实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。
[0026]
图1-2为倒t型心音、肺音、咳嗽声采集装置示意图：其中1为心音传感器；2为咳嗽音传感器，3为肺音传感器，4为带有手把的倒t型支架。
[0027]
在一个带有手把的倒t型支架4上，安装有心音传感器1、咳嗽音传感器2和肺音传感器3，心音传感器对应于心脏的心尖部听诊区域，肺音传感器对应于右肺的前胸部中部区域，咳嗽音传感器对应于锁骨上窝部区域，构成一种倒t型心音、肺音、咳嗽声采集装置；倒t型心音、肺音、咳嗽声采集装置可实现同步采集人体表的咳嗽音、心音与肺音信号。
[0028]
如图3所示，本发明是一种将心音、肺音、咳嗽音转换成混合声谱和混响音乐的方法，该方法包括如下步骤：
[0029]
步骤1：利用心倒t型心音、肺音、咳嗽音采集装置同步采集多路人体表的咳嗽音、心音与肺音信号；
[0030]
步骤2：对步骤1中获得的咳嗽音、心音与肺音信号进行预处理。预处理包括对咳嗽音、心音与肺音信号采用小波除噪方法对信号除噪，然后对三路咳嗽音、心音与肺音信号进行基于独立成分分析(ica)的盲源分离，从混叠信号中分离出单一的咳嗽音、心音与肺音信号。然后求心音信号的幅值包络，对幅值包络求自相关，可获得心动周期，并根据心动周期对咳嗽音、心音与肺音信号进行对应分段。
[0031]
步骤3：计算心音、肺音、咳嗽音的频率值和组合频谱图，组合频谱图的色谱、纹理、层次结构与心音、肺音、咳嗽声的特性密切相关，通过识别组合频谱图的细节分析心音、肺音、咳嗽声的变化过程。
[0032]
首先，分别对心音、肺音信号、咳嗽音进行处理，一方面利用傅里叶变换(fft)计算频谱特性，提取频率值，另一方面利用离散小波变换(dwt)计算时频图，获得频谱图表征，可分析它们各自的独立特性；然后将心音、肺音信号、咳嗽音按时间节点重叠为一路混叠信号，再利用离散小波变换(dwt)计算时频图，获得它们的频谱图表征，作为组合频谱图。
[0033]
步骤4：将心音、肺音、咳嗽音的频率值与自然音乐的音阶频率值进行识别和对比分析，然后通过智能转换，实现心音、肺音、咳嗽声的振动频率与音乐的转置创作，将时间序列映射为数字乐谱，将心肺音和咳嗽音数字乐谱输入音乐编辑软件，对该数字音乐进行分类编辑，再次创作和播放，形成基于心肺音和咳嗽音的混响音乐。
[0034]
具体步骤如下：
[0035]
因为，正常心音的基本频率通常在40～200赫兹左右，泛音可达4000赫兹，心率为60-100次/分；肺音的基本频率通常在20～100赫兹左右，正常成年人的呼吸频率为12～20
次/分，与心率之比约为1∶4.节律均匀而整齐。咳嗽声的基本频率通常在2000～5000赫兹左右。声强通常是咳嗽声最高，心音第二，肺音最低。
[0036]
而音乐中的音阶与频率存在如下关系：
[0037]
音阶与频率对应关系表(部分)
[0038]
音阶1(低音)2(低音)3(低音)4(低音)5(低音)6(低音)7(低音)频率(赫兹)262294330349392440494音阶1234567频率赫兹)520585650693780867975音阶1(高音)2(高音)3(高音)4(高音)5(高音)6(高音)7(高音)频率(赫兹)1046117513181397156817601976
[0039]
正常心音的基本频率通常在40～200赫兹左右，泛音可达4000赫兹，心率为60-100次/分；肺音的基本频率通常在20～100赫兹左右，正常成年人的呼吸频率为12～20次/分，与心率之比约为1∶4.节律均匀而整齐。咳嗽声的基本频率通常在2000～5000赫兹左右。声强通常是咳嗽声最高，心音第二，肺音最低。
[0040]
心肺音、咳嗽声的音乐转换算法表达式为：
[0041][0042]
表示一个周期心音信号的n个归一化的频率特征参数，表示一个心音周期段对应的肺音信号的n个归一化的频率特征参数，表示一个心音周期段对应的咳嗽音信号的n个归一化的频率特征参数。ms、m
p
、m
t
表述转换后获得的对应基础音乐集，k
ij
表示频率转换规则系数集，可根据音阶映射表训练获得。
[0043]kij
的获取方法为：首先分别对已知的心音、肺音信号、咳嗽音进行周期分段处理，利用傅里叶变换(fft)计算一个心音周期时间段的频谱特性，提取频率值，然后与音阶映射表的频率特征值进行对应分析，取其中一个频率特征参数基于分段线性转换技术和四舍五入方式转换成一个预期的音阶，可获得一个频率转换规则系数，如此反复进行，可获得一组频率转换规则系数集k
ij
。
[0044]
根据一个已知心音信号的频谱特性，可设定一种心音信号预期的音阶映射音阶如下：
[0045]
一种心音信号预期的音阶映射表(部分)
[0046][0047]
那么，根据心肺音、咳嗽声的音乐转换算法表达式可得心音信号的k
1j
：k
11
＝6.55；k
12
＝6.39；k
13
＝6.34；.....
[0048]
取一个待分析的周期心音信号，利用离散小波变换(dwt)计算它的时频图，然后按时间顺序，当t1时刻对应的心音频率为41赫兹，根据一种心音信号预期的音阶映射表，四舍
五入，对应为按照心肺音、咳嗽声的音乐转换算法，赫兹，再根据音乐中的音阶与频率映射表，四舍五入，转换为1(低音)；当t2时刻对应的心音频率为50赫兹，根据一种心音信号预期的音阶映射表，四舍五入，对应为按照心肺音、咳嗽声的音乐转换算法，赫兹，再根据音乐中的音阶与频率映射表，四舍五入，转换为3(低音)；
……
。照此编程计算，可获得任意一段心音信号的时频图表征和对应的音乐表征；这种音乐表征称为心音基础音乐。
[0049]
同理，当给出一种肺音信号预期的音阶映射表和一种咳嗽声预期的音阶映射表后，照此办理，可获得肺音信号和咳嗽声的时频图表征和对应的音乐表征。即肺音基础音乐和咳嗽声基础音乐。
[0050]
最后，为了使音乐表征的结果更好听，可以利用音乐编辑软件，可将心音、肺音和咳嗽声基础音乐组成的基础音乐集与一种或多种可演奏的乐器相联系，并且调整基础音乐集中音乐的强度、节奏与于心肺音、咳嗽声的强度、节奏进行匹配，然后按照调整后的节奏依次播放，可获得更好听的一种混响音乐的表达。比如可用心音的周期性作为混响音乐的节奏，心肺音振动频率、幅值的改变对应引起混响音乐的音高、音色、音量及和旋的改变，而咳嗽声可与打击乐器相对应，咳嗽声的变化影响打击乐器的节奏、旋律与合声的效果。
[0051]
通过本发明的转换方法，将心音、肺音、咳嗽音转换为另一种输出方式，听起来更加悦耳，减少医生的疲劳感。
[0052]
以上所述仅为本发明的实施方式而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理的内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。