^^^^^^^^^^ АКУСТИКА ЖИВЫХ СИСТЕМ.
БИОМЕДИЦИНСКАЯ АКУСТИКА
534.222
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА НЕЛОКАЛЬНОГО УСРЕДНЕНИЯ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ЗВУКОВ СЕРДЦА И ЗВУКОВ ДЫХАНИЯ
© 2014 г. А. Г. Рудницкий
Институт гидромеханики НАН Украины Украина, 03680 Киев, ул. Желябова 8/4 E-mail: rudnitskii@mail.ru Поступила в редакцию 12.03.2014 г.
Представлены результаты применения метода нелокального усреднения (Non-Local Means) в задаче разделения звуков дыхания и звуков сердца в сигнале, зарегистрированном на грудной клетке человека. Эффективность алгоритма проверялась как на искусственно смоделированных, так и на реальных сигналах. В качестве количественной меры эффективности NLM-фильтрации использовался угол расхождения выделенного и заданного сигналов. Показано, что для широкого диапазона отношения сигнал/шум алгоритм позволяет эффективно решать поставленную задачу — разделять звуки сердца и звуки дыхания в суммарном сигнале, зарегистрированном на грудной клетке человека.
Ключевые слова: метод нелокального усреднения, фонокардиограмма, аускультация, подавление шумов.
DOI: 10.7868/S0320791914050128
АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 60, № 6, с. 688-695
УДК
1. ВВЕДЕНИЕ
На протяжении последних двухсот лет стетоскоп является чуть ли не главным внешним атрибутом врачебной профессии. Это обусловлено высокой эффективностью и мобильностью этого врачебного инструмента, а также неинвазивным и оперативным характером проводимых с его помощью исследований, при совершенно умеренной стоимости. Однако новые достижения в области биомедицинской инженерии существенным образом изменили ситуацию. Эхокардиография и маг-ниторезонансная томография в кардиологии, флюорография, легочные пробы и рентгенограммы в пульмонологии естественным образом отодвинули искусство аускультации на второй план, превратив стетоскоп в инструмент предварительной опера-1
тивной диагностики .
Тем не менее, вопреки звучащим еще 50 лет назад утверждениям, что "стетоскоп является, в основном, лишь декоративным инструментом при торакальных исследованиях" [1], практика показывает, что стетофонендоскоп, по-видимому, просуществует еще очень долго. В значительной степени это связано с общими тенденциями доказательной медицины, когда объективизация диагностических данных при максимально низкой стоимости инструментария, минимальной
1 На одной из центральных клиник Бостона помещено изображение стетоскопа с надписью: "Это стетоскоп — инструмент, ранее применявшийся для диагностики легочных заболеваний".
инвазивности и высокой диагностической эффективности приобретает все большее значение. Разумеется, объективизации аускультативных данных можно добиться, лишь используя новейшие достижения высоких технологий, позволяющие создавать так называемые "интеллектуальные" электронные стетофонендоскопы и диагностические компьютерные комплексы.
При этом возникает ряд весьма нетривиальных, с точки зрения обработки сигналов, проблем [2]. Одной из них является проблема разделения легочных шумов и звуков сердца в суммарном сигнале, зарегистрированном на поверхности грудной клетки. В тех случаях, когда помеха имеет значительную интенсивность, ее наличие может существенно исказить результаты обработки, анализа или распознавания полезного сигнала. При этом, в зависимости от целей диагностики, полезным сигналом (шумом) при аускультации могут считаться как звуки дыхания, так и звуки сердца.
Существует несколько подходов, позволяю -щих в определенной степени справиться с этой проблемой. Во-первых, можно использовать сигналы, полученные при задержке дыхания. К сожалению, этот метод часто оказывается неприемлемым в силу того обстоятельства, что даже у здоровых людей задержка дыхания может приводить к изменению характера сердечной деятельности так, что статистические характеристики звуков сердца при этом могут существенно изменяться. Кроме того, для детей и некоторых категорий
больных этот метод зачастую оказывается попросту невозможен.
Используются также методы, при которых влияние сердечных шумов и шумов, связанных с вибрацией мышц, в частотной области ниже 70— 100 Гц подавляется путем использования полосовых фильтров, подавляющих низкочастотную часть анализируемого звукового сигнала [3]. Однако такое "лобовое" решение проблемы может приводить к существенным потерям диагностически значимой информации [4], поскольку в данном случае применяется стандартный подход к объекту, характеризующемуся весьма значительной вариабельностью, — человеческому организму в норме и патологии. Если низкочастотную часть спектра хотят сохранить, используются более изощренные методы: считывание дыхательных шумов в течение промежутка между сердечными тонами, использование многоканальных и адаптивных методов фильтрации, вейвлет-анализ [5—9]. Достоинства и недостатки перечисленных алгоритмов более подробно анализируются в работе [10].
В данной работе для решения поставленной задачи — выделения в зарегистрированном на грудной клетке сигнале двух компонент (звуков сердца и остатка — суммы дыхательных и фоновых шумов) предлагается использовать успешно зарекомендовавший себя в последнее время подход, основанный на алгоритмах нелокальной обработки — метод нелокального усреднения NLM (Non-Local Means) [11, 12].
Работа организована следующим образом. Вначале кратко описывается объект исследования — звуки, зарегистрированные на грудной клетке человека. Затем дается краткое описание метода нелокального усреднения. Далее описываются результаты применения метода к искусственным и реальным, записанным на грудной клетке человека, звуковым сигналам. В заключение обсуждаются результаты и возможности метода.
2. ОБЪЕКТ И МЕТОД
2.1. Дыхательные шумы
В настоящее время не существует единого мнения относительно природы возникновения дыхательных шумов. Однако большинство исследователей полагает, что дыхательные шумы, зарегистрированные на грудной клетке, имеют двоякую природу. Во-первых, это звук, возникший в трахее вследствие прохождения по ней турбулентного потока воздуха и трансформированный при прохождении через ткани легких и грудной клетки (именно в трахее генерируются звуки на выдохе). Вторым источником дыхательных шумов являются более мелкие воздухоносные пути, начиная от бронхов и заканчивая путями с диаметром
2—3 мм (как правило, это звуки, сгенерированные на вдохе). Звуки, возникшие в них, имеют более слабую интенсивность, однако они формируются в непосредственной близости от поверхности грудной клетки, откуда снимается звуковой сигнал [13—16]. Кроме того, даже в случае нормальных дыхательных шумов спектры вдоха и выдоха существенно отличаются друг от друга [17]. Считается, что в норме частотный диапазон дыхательных шумов охватывает область 20—1200 Гц.
Акустические особенности дыхательных шумов, естественно, связаны с характером их формирования. Ветвящаяся картина воздухоносных путей в легких формирует фрактальную структуру, когда каждое последующее ветвление в некотором смысле является копией предыдущего [18]. Звуковые волны, сгенерированные в таких путях, распространяясь сквозь фрактальную структуру, также демонстрируют фрактальные свойства [19, 20]. Поэтому можно ожидать, что учет самоподобия в таких сигналах может оказаться полезным при их анализе и обработке.
2.2. Звуки сердца
Звуки сердца делятся на тоны и шумы. При работе сердца всегда возникают I и II тоны, реже III и IV. Считается, что первый тон образуется в результате сокращения желудочков и колебания створок клапанов (во время систолы), а второй тон — в результате их расслабления (во время диастолы). При этом сердечные клапаны либо открываются, либо захлопываются, что и является источником звука. Третий и четвертый тоны связывают с колебаниями стенок желудочков в момент быстрого диастолического наполнения и колебательными движениями мышц предсердий во время их систолы соответственно. Шумы — систолический и диастолический — в основном образуются при пороках сердца [21].
Для каждой из перечисленных компонент существуют свои характерные частотные полосы (I тон - 30-120 Гц, II - 70-150 Гц, III тон - 10-70 Гц, IV - 20-70 Гц, систолические шумы - 50-600 Гц, диастолические - 120-800 Гц).
2.3. Фоновый шум
Фоновые шумы могут быть стационарными и нестационарными. Мы будем решать задачу фильтрации стационарных фоновых шумов (постоянное шипение микрофона, усилительной аппаратуры или гул электросети).
2.4. Метод нелокального усреднения
Одной из характерных особенностей многих биосигналов является их квазирегулярная морфология, повторяющаяся с небольшими вариа-
циями. К таким сигналам относятся и звуки, зарегистрированные на грудной клетке человека. Как звуки дыхания, так и звуки сердца характеризуются определенной повторяемостью, самоподобием и квазипериодическим характером. Для обработки такого рода данных в последнее время успешно себя зарекомендовали так называемые алгоритмы нелокальной обработки [11, 12].
В нелокальных методах усреднения предполагается, что для небольшой окрестности с центральным восстанавливаемым пикселем в обрабатываемом изображении найдется большое число похожих фрагментов и усреднение таких фрагментов позволит уменьшить случайный шум. При этом используются все пиксели изображения, а вес для каждой пары сравниваемых пикселей пропорционален степени схожести двух окон с этими пикселями. Другими словами, оценивается не близость значений отдельных пикселей внутри выделенного блока, как это делается при локальных методах, а подобие структуры окрестностей этих пикселей с другими участками сигнала (одномерного или многомерного). Основой поиска подобных фрагментов являются метрики (расстояния).
Пусть исходный сигнал х(?) искажен аддитивным некоррелированным с ним шумом «(?). Обрабатывается точка ^ зашумленного сигнала
у()1) = I) + пЦ I), I = 1,..., N. Вокруг этой точки описывается окрестность, центрированная на нее. Размер окрестности фиксирован для всех точек рассматриваемого сигнала. Подобие между обрабатываемой точкой ^ зашумленного сигнала и другой его точкой I оценивается с помощью евклидово-
ется из соотношения
( N
x(!t) =
X wi, j)y(t') Z w¡>j)
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.