基于LabVIEW的先天性心臟病心音分析：技術融合與臨床應用一、引言1.1研究背景隨著生活水平的提高和人口老齡化的加劇，心血管疾病的發(fā)病率呈上升趨勢，已成為嚴重威脅人類健康的疾病之一。先天性心臟?。–ongenitalHeartDiseases，CHD）作為一種常見的心血管疾病，嚴重危害著青少年的身心健康。據(jù)統(tǒng)計，我國先天性心臟病發(fā)病率較高，每年的新生兒中，約有14萬以上患先天性心臟病。先天性心臟病是由于胎兒時期心臟及大血管發(fā)育異常所致的一組疾病，主要表現(xiàn)為心室間隔缺損、動脈導管未閉、肺動脈瓣狹窄等。這些心臟結構和功能的異常會導致機體組織器官供血障礙，造成組織缺氧，影響患兒生長發(fā)育；還可造成肺部血流增加，容易反復發(fā)生肺部感染；血流動力學異常會加重心臟的負擔，發(fā)生心力衰竭，誘發(fā)惡性心律失常甚至猝死；心臟結構異常造成的血液湍流可造成局部心內(nèi)膜結構受損，容易滋生細菌，發(fā)生感染性心內(nèi)膜炎。此外，先心病除了會造成以上身體方面的損害外，還可給患兒造成心理上的傷害，影響患兒的身心健康，嚴重的可造成人格缺陷。在先天性心臟病的診斷中，心音分析是一種重要的輔助診斷手段。心音是心臟房室瓣活動、心肌收縮、血液撞擊心室壁和大動脈壁等引起的振動所產(chǎn)生的一種復合音，它包含了大量有關心血管狀況的生理病理信息，具有心電不可替代的診斷信息，尤其是對先天性心臟病的初診具有極高的診斷價值。正常的心音包含第1心音（S1）、第2心音（S2）、第3心音（S3）和第4心音（S4）4個成份，其中S1、S2是可聽聞的部分，S3、S4強度很弱，幾乎不可聽聞。一旦心臟功能出現(xiàn)異常，心音中將包含除S1、S2之外的其他外加音或雜音，由于不同的心臟疾病引發(fā)的外加音或雜音的頻率成份、強度、出現(xiàn)的時間等特征都不盡相同，因此通過分析心音信號的這些特征，可以獲取心臟的生理病理信息，為先天性心臟病的診斷提供依據(jù)。然而，傳統(tǒng)的心音分析方法主要依賴醫(yī)生的主觀聽診，這種方法受人耳聽力和主觀經(jīng)驗與判斷能力的影響較大，有很大局限性。隨著計算機技術、數(shù)字技術和信號處理技術的發(fā)展，多種不同的分析方法被用于分析心音信號，取得了一定成效。但由于心音信號是一種時變的、非平穩(wěn)的、由多種成份組成的復雜信號，如何開發(fā)出一種快速有效、準確率高、運算簡單、適用于實時分析場合的方法成為當前研究的重點和難點。LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是美國NI公司推出的一種基于G語言的圖形化編程語言，具有可讀性強、易于學習、支持多種硬件設備、能夠快速開發(fā)專業(yè)應用等特點。利用LabVIEW可以搭建虛擬儀器平臺，實現(xiàn)對心音信號的采集、處理、分析和顯示等功能。將LabVIEW應用于先天性心臟病心音分析，具有重要的現(xiàn)實意義和應用前景。它可以開發(fā)出一套完整、可靠的心音分析系統(tǒng)，幫助醫(yī)生快速、準確地對患者的病情進行診斷和監(jiān)測，從而提高早期診斷率和治療效果；還可以為其他心血管病診斷、科研等領域提供一種分析工具和方法，推動心血管疾病診斷技術的發(fā)展。1.2目的與意義本研究旨在利用LabVIEW強大的功能和優(yōu)勢，開發(fā)一種高效、準確的先天性心臟病心音分析方法及系統(tǒng)。通過對心音信號進行數(shù)字化采集、處理和分析，提取出能夠反映先天性心臟病特征的參數(shù)和指標，從而為臨床醫(yī)生提供客觀、可靠的診斷依據(jù)，輔助其更準確地判斷病情，提高先天性心臟病的診斷效率和準確性。先天性心臟病嚴重危害患者身心健康，早期準確診斷至關重要。傳統(tǒng)心音分析方法依賴醫(yī)生主觀聽診，存在局限性。而基于LabVIEW的分析系統(tǒng)可實現(xiàn)心音信號自動采集、處理與分析，減少人為因素干擾，提高診斷準確性和效率，有助于醫(yī)生及時制定治療方案，改善患者預后。同時，該研究成果還能為心血管疾病的研究提供新的技術手段和方法，推動相關領域的發(fā)展，具有重要的理論意義和實際應用價值。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著計算機技術和信號處理技術的不斷發(fā)展，利用LabVIEW進行心音分析的研究在國內(nèi)外逐漸受到關注。在國外，虛擬儀器技術起步較早，發(fā)展較為成熟。美國作為虛擬儀器的誕生地，也是全球最大的虛擬儀器制造國，擁有眾多如HP、Tektronix、NI等知名生產(chǎn)廠家。早在1986年，美國國家儀器公司就推出了圖形化的虛擬儀器編程環(huán)境LabVIEW，標志著虛擬儀器設計軟件平臺基本成型。此后，虛擬儀器產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，功能也日益強大，在心音分析領域也得到了廣泛應用。相關研究人員利用LabVIEW強大的功能，結合先進的信號處理算法，對心音信號進行深入分析，提取出各種特征參數(shù)，用于心臟疾病的診斷和監(jiān)測。部分研究還將虛擬儀器集成到PDA中推廣使用，使心音分析更加便捷、高效，具有更高的實際應用價值。國內(nèi)對LabVIEW的引進和應用雖然相對較晚，但發(fā)展迅速。自20世紀90年代中期以來，中國國防科技大學、清華大學、中科泛華測控技術有限公司等許多院校和高科技公司在研究和開發(fā)虛擬儀器設計平臺方面做了大量工作，取得了顯著成效。LabVIEW在科研及教育領域得到了迅速推廣，許多企業(yè)和科研單位使用它來設計產(chǎn)品的測試和測控系統(tǒng)，一些高校還開設了LabVIEW編程課程。在心音分析研究方面，國內(nèi)學者也開展了一系列研究工作，將LabVIEW與心音信號處理相結合，開發(fā)出多種心音分析系統(tǒng)和方法。通過選用高清晰度的心音傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊等裝置，實現(xiàn)了心音信號的采集和存儲；采用數(shù)字濾波器、時域分析、頻域分析等方法，對心音信號進行處理和特征提取，提取出心音周期、心音強度、心音頻譜等特征；并采用基于機器學習的分類模型，建立心臟病診斷模型，實現(xiàn)對先天性心臟病等心臟疾病的診斷和分類。盡管國內(nèi)外在基于LabVIEW的心音分析研究方面取得了一定成果，但仍存在一些不足之處。一方面，心音信號是一種時變的、非平穩(wěn)的、由多種成份組成的復雜信號，現(xiàn)有的分析方法在處理復雜心音信號時，準確率和可靠性還有待提高，尤其是對于一些罕見的先天性心臟病類型，診斷效果不夠理想。另一方面，目前的研究大多集中在實驗室環(huán)境下，實際臨床應用還存在一定差距，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、易用性和便攜性等方面還需要進一步優(yōu)化和完善。此外，不同研究中采用的心音采集設備、分析方法和診斷標準存在差異，缺乏統(tǒng)一的規(guī)范和標準，這給研究結果的比較和推廣帶來了困難。未來，基于LabVIEW的先天性心臟病心音分析研究可能會朝著以下幾個方向發(fā)展：一是不斷探索和改進信號處理算法，提高對復雜心音信號的分析能力和診斷準確率，如結合深度學習等新興技術，挖掘心音信號中更豐富的特征信息；二是加強系統(tǒng)的臨床應用研究，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、易用性和便攜性，使其能夠更好地滿足臨床實際需求；三是建立統(tǒng)一的心音采集、分析和診斷標準，促進研究成果的交流和共享，推動該領域的進一步發(fā)展。二、LabVIEW與先天性心臟病心音相關理論基礎2.1LabVIEW技術概述LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench），即實驗室虛擬儀器工程平臺，是美國國家儀器（NI）公司推出的一種基于G語言（GraphicsLanguage，圖形化編程語言）的開發(fā)環(huán)境。它與傳統(tǒng)文本編程語言截然不同，采用圖形化的編程方式，通過直觀的圖標和連線來構建程序邏輯，使得編程過程如同搭建流程圖一般形象易懂。LabVIEW具備諸多顯著特點，這使其在眾多領域脫穎而出。圖形化編程是其最為突出的特性，開發(fā)者無需撰寫大量復雜的文本代碼，只需通過拖拽和連接各種功能模塊的圖標，即可完成程序的編寫，極大地降低了編程門檻，提高了開發(fā)效率。例如，在構建一個簡單的數(shù)據(jù)采集程序時，使用傳統(tǒng)編程語言可能需要編寫幾十行甚至上百行代碼來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取、處理和顯示功能，而在LabVIEW中，只需從函數(shù)選板中選取相應的數(shù)據(jù)采集、處理和顯示圖標，并按照邏輯關系進行連接，短短幾分鐘內(nèi)就能完成相同功能的程序搭建。這種直觀的編程方式，使得非專業(yè)編程人員也能夠快速上手，進行復雜的系統(tǒng)開發(fā)。豐富的工具庫和函數(shù)資源也是LabVIEW的一大優(yōu)勢。NI公司為LabVIEW提供了涵蓋數(shù)據(jù)采集、信號處理、數(shù)據(jù)分析、儀器控制、通信等多個領域的大量函數(shù)和工具，這些資源為開發(fā)者提供了強大的支持，使其能夠快速實現(xiàn)各種復雜功能。以信號處理領域為例，LabVIEW中內(nèi)置了傅里葉變換（FFT）、小波變換、濾波等多種常用的信號處理函數(shù)，開發(fā)者無需自行編寫復雜的算法代碼，只需調(diào)用相應的函數(shù)，設置好參數(shù)，就能輕松實現(xiàn)對信號的頻譜分析、濾波去噪等操作。此外，LabVIEW還支持用戶自定義函數(shù)和子VI（VirtualInstrument，虛擬儀器），開發(fā)者可以將自己常用的功能模塊封裝成子VI，方便在不同項目中重復調(diào)用，進一步提高開發(fā)效率。在信號分析領域，LabVIEW更是展現(xiàn)出獨特的應用優(yōu)勢。它對各種信號采集設備具有良好的兼容性，能夠與各類傳感器、數(shù)據(jù)采集卡等硬件設備無縫連接，實現(xiàn)對多種類型信號的實時采集和高速傳輸。無論是常見的模擬信號、數(shù)字信號，還是較為復雜的生物電信號、振動信號等，LabVIEW都能準確地進行采集和處理。例如，在生物醫(yī)學研究中，使用LabVIEW可以方便地連接心電傳感器、腦電傳感器等設備，實時采集人體的生理電信號，并對這些信號進行實時分析和監(jiān)測。LabVIEW具備強大的信號處理能力，能夠運用各種先進的算法對采集到的信號進行時域分析、頻域分析、時頻分析等多維度處理，從而提取出信號中的關鍵特征信息。通過時域分析，可以獲取信號的幅值、周期、脈寬等基本參數(shù)；利用頻域分析，如傅里葉變換，可以將時域信號轉換為頻域信號，分析信號的頻率成分和能量分布；而時頻分析方法，如小波變換，則能在時間和頻率兩個維度上同時對信號進行分析，更有效地處理非平穩(wěn)信號。這些豐富的信號處理手段，使得LabVIEW能夠深入挖掘信號中的潛在信息，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和決策提供有力支持。LabVIEW還擁有出色的數(shù)據(jù)可視化功能，能夠?qū)⑻幚砗蟮男盘栆灾庇^的圖形、圖表等形式展示出來，便于用戶觀察和分析。它提供了多種類型的顯示控件，如波形圖、柱狀圖、餅圖、XY圖等，用戶可以根據(jù)實際需求選擇合適的顯示方式。例如，在振動信號分析中，使用波形圖可以清晰地展示振動信號的時域波形，讓用戶直觀地了解振動的幅度和頻率變化情況；而通過頻譜圖，則能直觀地呈現(xiàn)信號的頻率成分，幫助用戶快速判斷振動的主要頻率和潛在故障特征。這種直觀的數(shù)據(jù)可視化方式，大大提高了信號分析的效率和準確性，使得用戶能夠更快速、準確地從復雜的信號數(shù)據(jù)中獲取有價值的信息。LabVIEW作為一種功能強大、靈活易用的圖形化編程平臺，憑借其獨特的圖形化編程方式、豐富的工具庫和函數(shù)資源以及在信號分析領域的卓越優(yōu)勢，在科學研究、工業(yè)自動化、測試測量、生物醫(yī)學等眾多領域得到了廣泛應用，為各領域的技術創(chuàng)新和發(fā)展提供了有力的支持。2.2先天性心臟病概述先天性心臟病是胎兒時期心臟血管發(fā)育異常而導致的心血管畸形，是小兒最常見的心臟病，其發(fā)病率約為活產(chǎn)嬰兒的0.4%-1%。隨著醫(yī)療技術的不斷進步，先天性心臟病的診斷和治療水平有了顯著提高，但由于其種類繁多、病情復雜，仍然是嚴重威脅兒童健康的重大疾病之一。先天性心臟病的發(fā)病原因較為復雜，通常是遺傳因素與環(huán)境因素相互作用的結果。遺傳因素在先天性心臟病的發(fā)病中起著重要作用，約15%的先天性心臟病與染色體畸變或單基因遺傳有關。例如，21-三體綜合征（唐氏綜合征）患兒中，約50%會合并先天性心臟病，常見的有房間隔缺損、室間隔缺損和動脈導管未閉等；Turner綜合征患者則常伴有主動脈縮窄、主動脈瓣二葉畸形等先天性心臟病。環(huán)境因素也對先天性心臟病的發(fā)生有重要影響，在妊娠早期（懷孕前3個月），孕婦若受到病毒感染，如風疹病毒、流感病毒、柯薩奇病毒等，胎兒患先天性心臟病的風險會顯著增加；孕婦接觸有害物質(zhì)，如放射線、化學物質(zhì)（如苯、甲醛等），或服用某些致畸藥物（如抗癲癇藥、抗腫瘤藥等），也可能導致胎兒心臟發(fā)育異常；此外，孕婦患有代謝性疾病，如糖尿病、高鈣血癥等，以及孕期營養(yǎng)不良、酗酒、吸煙等不良生活習慣，都與先天性心臟病的發(fā)病相關。先天性心臟病的類型多樣，常見的類型包括房間隔缺損、室間隔缺損、動脈導管未閉、肺動脈瓣狹窄、法洛四聯(lián)癥等。不同類型的先天性心臟病對心臟結構和功能的影響各有特點。房間隔缺損：是指心房之間的間隔存在缺損，導致左右心房之間的血液異常分流。根據(jù)缺損的部位和大小不同，房間隔缺損可分為繼發(fā)孔型、原發(fā)孔型、靜脈竇型和冠狀靜脈竇型等，其中繼發(fā)孔型最為常見。小型房間隔缺損可能對心臟結構和功能影響較小，患者在兒童期可能無明顯癥狀；而大型房間隔缺損會使大量血液從左心房分流至右心房，導致右心房、右心室容量負荷增加，右心系統(tǒng)逐漸擴大，肺循環(huán)血流量增多，進而引發(fā)肺動脈高壓。長期的肺動脈高壓可導致右心衰竭，影響心臟的正常功能。室間隔缺損：是指心室之間的間隔存在缺損，是兒童最常見的先天性心臟病之一。室間隔缺損可單獨存在，也可與其他心臟畸形合并出現(xiàn)。根據(jù)缺損的位置，可分為膜周部、肌部和干下型等。小型室間隔缺損時，左向右分流量較小，對心臟結構和功能影響相對較小，部分患者可能在兒童期自行閉合；但中、大型室間隔缺損會導致大量左向右分流，使左心室容量負荷增加，左心室擴大，同時肺循環(huán)血流量顯著增多，肺血管阻力逐漸升高，可發(fā)展為肺動脈高壓。隨著病情進展，當肺動脈壓力超過主動脈壓力時，會出現(xiàn)右向左分流，即艾森曼格綜合征，此時心臟功能嚴重受損，預后較差。動脈導管未閉：是指胎兒時期連接主動脈和肺動脈的動脈導管在出生后未能正常閉合，導致主動脈和肺動脈之間存在異常通道。由于主動脈壓力高于肺動脈，動脈導管未閉會使主動脈血液持續(xù)分流至肺動脈，肺循環(huán)血流量增多，左心房、左心室因回心血量增加而負荷加重，導致左心系統(tǒng)擴大。長期的分流還可引起肺動脈高壓，當肺動脈壓力升高到一定程度，可出現(xiàn)右向左分流，產(chǎn)生差異性青紫，即下半身青紫，左上肢輕度青紫，而右上肢正常。肺動脈瓣狹窄：是指肺動脈瓣或其瓣下、瓣上部位出現(xiàn)狹窄，導致右心室射血受阻。根據(jù)狹窄的部位和程度，可分為肺動脈瓣狹窄、肺動脈瓣下狹窄（漏斗部狹窄）和肺動脈瓣上狹窄。輕度肺動脈瓣狹窄對心臟結構和功能影響較?。恢卸燃耙陨溪M窄時，右心室為克服阻力，心肌會代償性肥厚，以維持正常的心輸出量。隨著病情發(fā)展，右心室肥厚逐漸加重，可導致右心衰竭，同時由于肺循環(huán)血流量減少，患者會出現(xiàn)不同程度的呼吸困難、乏力等癥狀。法洛四聯(lián)癥：是一種較為復雜的先天性心臟病，由室間隔缺損、肺動脈狹窄、主動脈騎跨和右心室肥厚四種畸形組成。由于肺動脈狹窄，右心室射血阻力增大，導致右心室壓力升高，部分血液通過室間隔缺損向右分流至左心室，同時主動脈騎跨于室間隔之上，接受來自左、右心室的混合血，使得體循環(huán)動脈血氧飽和度降低，患者出現(xiàn)青紫癥狀。長期的右心室壓力增高和缺氧，會導致右心室肥厚，心臟功能逐漸受損。先天性心臟病的臨床表現(xiàn)因類型、病情嚴重程度而異。常見癥狀包括呼吸困難、乏力、心悸、發(fā)育遲緩、反復呼吸道感染等。體征方面，可出現(xiàn)心臟雜音、青紫、杵狀指（趾）等。例如，房間隔缺損患者在胸骨左緣第2-3肋間可聞及2-3級收縮期噴射性雜音，肺動脈瓣區(qū)第二心音亢進且固定分裂；室間隔缺損患者在胸骨左緣第3-4肋間可聞及3-4級粗糙的全收縮期雜音，常伴有震顫；動脈導管未閉患者在胸骨左緣第2肋間可聞及連續(xù)性機器樣雜音；肺動脈瓣狹窄患者在胸骨左緣第2肋間可聞及3-6級收縮期噴射性雜音；法洛四聯(lián)癥患者則有明顯的青紫，在胸骨左緣第2-4肋間可聞及2-4級收縮期噴射性雜音。先天性心臟病的診斷主要依靠癥狀體征、影像學檢查和實驗室檢查等。癥狀體征的觀察為初步診斷提供線索，而影像學檢查如超聲心動圖、心臟磁共振成像（MRI）、計算機斷層掃描（CT）等，可清晰顯示心臟的結構和功能，明確先天性心臟病的類型和病變程度；實驗室檢查如血常規(guī)、血氣分析等，有助于評估患者的身體狀況和缺氧程度。例如，超聲心動圖是診斷先天性心臟病的重要方法，它可以直觀地觀察心臟的結構、瓣膜活動、血流動力學變化等，對各種先天性心臟病的診斷準確率較高；心臟MRI和CT則能提供更詳細的心臟解剖結構信息，對于復雜先天性心臟病的診斷和術前評估具有重要價值。先天性心臟病嚴重危害患者的身心健康，了解其發(fā)病原因、常見類型、對心臟結構和功能的影響以及臨床表現(xiàn)和診斷方法，對于早期診斷和有效治療具有重要意義。2.3心音產(chǎn)生機制與特征心音的產(chǎn)生是一個復雜的生理過程，主要與心臟瓣膜的開閉、心肌的收縮舒張以及血流動力學的變化密切相關。在心臟的一個心動周期中，會產(chǎn)生多個心音，其中最主要的是第一心音（S1）和第二心音（S2），它們是正常心音中可被清晰聽聞的部分。第一心音（S1）標志著心室收縮的開始，其產(chǎn)生主要源于心室收縮時，二尖瓣和三尖瓣突然關閉，瓣葉迅速緊張從而引起振動。當心室開始收縮，室內(nèi)壓力急劇升高，超過心房壓力時，二尖瓣和三尖瓣被迫關閉，這種突然的關閉動作產(chǎn)生了較強的振動，構成了S1的主要成分。除此之外，左室和主動脈因血流沖擊產(chǎn)生的室壁和大血管壁的振動、半月瓣的開放、心室肌收縮以及心房收縮終末部分等因素，也參與了第一心音的形成，它們共同作用，使得第一心音的成分更加豐富。第一心音的特點是音調(diào)較低，持續(xù)時間相對較長，約為0.1秒，聲音較為響亮、沉悶，在心臟聽診時，通常在心尖部聽得最為清晰。這是因為心尖部是心臟收縮時二尖瓣和三尖瓣關閉的主要部位，此處產(chǎn)生的振動最強。第二心音（S2）標志著心室舒張的開始，主要是由于心室舒張開始時，主動脈瓣和肺動脈瓣突然關閉，引起瓣膜振動所產(chǎn)生。當心室舒張，室內(nèi)壓力下降，低于主動脈和肺動脈壓力時，主動脈瓣和肺動脈瓣關閉，這種關閉動作產(chǎn)生的振動形成了S2的主要部分。同時，血流加速和對大血管壁沖擊引起的振動、房室瓣的開放、心室肌的舒張以及乳頭肌、腱索的振動等，也對第二心音的形成有一定貢獻。第二心音的音調(diào)較高，持續(xù)時間較短，約為0.08秒，聲音相對清脆，在主動脈瓣區(qū)和肺動脈瓣區(qū)聽診最為明顯。這是因為主動脈瓣和肺動脈瓣分別位于主動脈和肺動脈的起始部位，其關閉產(chǎn)生的振動在相應聽診區(qū)最為清晰。正常心音除了S1和S2外，有時還可能聽到第三心音（S3）和第四心音（S4）。第三心音（S3）是在心室快速充盈期末，血流沖擊心室壁（包括乳頭肌和腱索）振動所致。它通常出現(xiàn)在S2之后0.12-0.18秒，音調(diào)低、強度弱，一般在兒童和青少年中較為常見，成年人中偶爾也能聽到。第四心音（S4）與心房收縮有關，是由于心房收縮，血液迅速進入心室，使心室壁、乳頭肌和腱索突然緊張振動而產(chǎn)生。正常情況下，心房收縮產(chǎn)生的低頻振動人耳聽不到，只有在某些病理情況下，如心房壓力增高、心室順應性降低時，第四心音才可能被聽到。當心臟出現(xiàn)先天性心臟病時，心音會發(fā)生明顯的變化，產(chǎn)生各種異常的心音和雜音，這些變化為先天性心臟病的診斷提供了重要線索。不同類型的先天性心臟病所導致的心音變化具有各自的特征。房間隔缺損時，由于右心室容量負荷增加，右心室射血時間延長，肺動脈瓣關閉延遲，會導致第二心音（S2）固定分裂，即S2的兩個成分（主動脈瓣關閉音A2和肺動脈瓣關閉音P2）之間的間隔不受呼吸影響，始終保持固定。同時，由于左向右分流增加，流經(jīng)肺動脈瓣的血流增多、速度加快，在胸骨左緣第2-3肋間可聞及2-3級收縮期噴射性雜音。室間隔缺損時，由于存在心室水平的左向右分流，當心室收縮時，左心室的血液快速分流至右心室，形成高速湍流，在胸骨左緣第3-4肋間可聞及3-4級粗糙的全收縮期雜音，常伴有震顫。雜音的產(chǎn)生是因為血流通過缺損處時，形成的湍流沖擊室間隔和周圍組織，產(chǎn)生強烈振動。動脈導管未閉時，由于主動脈和肺動脈之間存在異常通道，主動脈內(nèi)的血液持續(xù)分流至肺動脈，形成連續(xù)性左向右分流。在胸骨左緣第2肋間可聞及連續(xù)性機器樣雜音，這種雜音從第一心音后開始，持續(xù)整個收縮期和舒張期，其間不中斷。這是因為在整個心動周期中，主動脈壓力始終高于肺動脈，血液持續(xù)從主動脈流向肺動脈，形成的湍流產(chǎn)生了連續(xù)性的雜音。肺動脈瓣狹窄時，由于肺動脈瓣口狹窄，右心室射血受阻，血流速度加快，在胸骨左緣第2肋間可聞及3-6級收縮期噴射性雜音。雜音的強度和性質(zhì)與狹窄程度有關，狹窄越嚴重，雜音越強，且音調(diào)越高。同時，由于右心室后負荷增加，心肌代償性肥厚，可導致第二心音（S2）減弱，尤其是肺動脈瓣成分（P2）減弱更為明顯。法洛四聯(lián)癥時，由于存在肺動脈狹窄、室間隔缺損、主動脈騎跨和右心室肥厚四種畸形，心音變化較為復雜。由于肺動脈狹窄，右心室射血阻力增大，在胸骨左緣第2-4肋間可聞及2-4級收縮期噴射性雜音。同時，由于主動脈騎跨，部分血液從右心室直接進入主動脈，導致體循環(huán)動脈血氧飽和度降低，患者出現(xiàn)青紫癥狀。此外，由于右心室肥厚，心肌收縮力增強，第一心音（S1）可增強，而第二心音（S2）因肺動脈狹窄，肺動脈瓣成分（P2）減弱，主動脈瓣成分（A2）相對增強，可出現(xiàn)單一的第二心音。心音的產(chǎn)生機制與心臟的生理活動密切相關，正常心音具有特定的特征和聽診特點。先天性心臟病會導致心音發(fā)生明顯變化，不同類型的先天性心臟病引起的心音變化具有各自獨特的特征。通過對心音的仔細聽診和分析，能夠獲取有關心臟結構和功能的重要信息，為先天性心臟病的診斷和病情評估提供重要依據(jù)。三、基于LabVIEW的心音數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構建3.1硬件選型與搭建心音數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件是獲取高質(zhì)量心音信號的基礎，其選型和搭建的合理性直接影響后續(xù)的信號分析和診斷結果。本研究綜合考慮信號特性、采集精度、抗干擾能力等多方面因素，精心選擇了關鍵硬件設備，并采用合理的搭建方式，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。心音信號是一種微弱的生理信號，其頻率范圍主要集中在20Hz-600Hz，幅值通常在微伏到毫伏量級。為了準確捕捉這樣的信號，需要選擇靈敏度高、頻率響應范圍合適且抗干擾能力強的心音傳感器。經(jīng)過對市場上多種傳感器的性能對比和實際測試，本研究選用了壓電式心音傳感器。壓電式傳感器基于壓電效應工作，當受到心音振動作用時，其內(nèi)部的壓電材料會產(chǎn)生與振動壓力成正比的電荷或電壓信號。它具有靈敏度高，能對微弱的心音信號產(chǎn)生明顯響應；頻率響應范圍寬，能夠覆蓋心音信號的主要頻率范圍，準確還原心音的各種頻率成分；抗干擾能力強，不易受到外界電磁干擾的影響，可在復雜的電磁環(huán)境中穩(wěn)定工作等優(yōu)勢，非常適合用于心音信號的采集。信號調(diào)理電路的作用是對心音傳感器采集到的原始信號進行預處理，使其滿足數(shù)據(jù)采集卡的輸入要求。由于心音傳感器輸出的信號通常比較微弱，且可能夾雜著各種噪聲，因此信號調(diào)理電路主要包括放大、濾波和去噪等功能模塊。本研究采用了多級放大電路，首先使用儀表放大器對心音傳感器輸出的微弱信號進行初步放大，儀表放大器具有高輸入阻抗、低輸出阻抗和高共模抑制比的特點，能夠有效抑制共模干擾，提高信號的質(zhì)量。然后，通過運算放大器組成的放大電路進行進一步放大，將信號幅值提升到適合后續(xù)處理的范圍。在濾波方面，設計了帶通濾波器，其通帶范圍設置為20Hz-600Hz，能夠有效濾除心音信號頻帶以外的高頻噪聲和低頻干擾，如50Hz的工頻干擾等。為了進一步去除信號中的噪聲，采用了基于小波變換的去噪算法，小波變換能夠在時頻域?qū)π盘栠M行分析，有效地分離出信號中的噪聲成分，保留心音信號的特征信息。數(shù)據(jù)采集卡是將模擬信號轉換為數(shù)字信號并傳輸?shù)接嬎銠C的關鍵設備，其性能直接影響數(shù)據(jù)采集的精度和速度。在選擇數(shù)據(jù)采集卡時，考慮了采樣率、分辨率、通道數(shù)等參數(shù)。本研究選用了NI公司的USB-6211數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡具有以下優(yōu)點：采樣率高，最高可達250kS/s，能夠滿足心音信號的實時采集需求，確保采集到的信號能夠準確反映心音的變化；分辨率為16位，能夠精確地量化模擬信號，提高數(shù)據(jù)采集的精度，減少量化誤差對信號分析的影響；具有多個模擬輸入通道，可以同時采集多個心音信號，為后續(xù)的多參數(shù)分析提供數(shù)據(jù)支持。此外，USB-6211數(shù)據(jù)采集卡還具有即插即用的特點，通過USB接口與計算機連接，方便快捷，易于集成到整個采集系統(tǒng)中。計算機作為數(shù)據(jù)處理和存儲的核心設備，需要具備一定的性能配置以保證系統(tǒng)的高效運行。本研究選用了一臺配置為IntelCorei7處理器、16GB內(nèi)存、512GB固態(tài)硬盤的筆記本電腦。強大的處理器能夠快速處理采集到的大量心音數(shù)據(jù)，確保信號處理和分析算法的實時運行；足夠的內(nèi)存可以保證在數(shù)據(jù)處理過程中，系統(tǒng)能夠同時加載和處理多個數(shù)據(jù)文件，避免因內(nèi)存不足導致的系統(tǒng)卡頓；高速的固態(tài)硬盤則能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的快速存儲和讀取，提高數(shù)據(jù)處理的效率。此外，筆記本電腦具有便攜性，方便在不同的臨床環(huán)境中進行心音數(shù)據(jù)采集。在硬件搭建過程中，將心音傳感器放置在受試者胸前的心尖部或其他合適的聽診部位，使用醫(yī)用膠布或?qū)Ｓ玫膫鞲衅鞴潭ㄑb置將其固定，確保傳感器與皮膚緊密接觸，以獲取清晰的心音信號。心音傳感器的輸出端通過屏蔽電纜連接到信號調(diào)理電路，屏蔽電纜能夠有效減少外界電磁干擾對信號的影響。信號調(diào)理電路對心音信號進行放大、濾波和去噪處理后，將處理后的信號輸出到數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入通道。數(shù)據(jù)采集卡通過USB接口與計算機連接，將采集到的數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C中進行后續(xù)的處理和分析。在連接過程中，確保各個設備之間的接口連接牢固，避免出現(xiàn)接觸不良導致的數(shù)據(jù)傳輸錯誤或信號丟失。硬件系統(tǒng)的搭建完成后，還需要對其進行調(diào)試和校準。使用標準信號源產(chǎn)生已知頻率和幅值的模擬信號，輸入到硬件系統(tǒng)中，檢查系統(tǒng)的輸出是否與預期一致。通過調(diào)整信號調(diào)理電路中的放大倍數(shù)、濾波參數(shù)等，確保系統(tǒng)對不同頻率和幅值的信號都能夠準確采集和處理。同時，對數(shù)據(jù)采集卡的采樣率、分辨率等參數(shù)進行校準，保證數(shù)據(jù)采集的精度和準確性。經(jīng)過調(diào)試和校準后的硬件系統(tǒng)，能夠穩(wěn)定、可靠地采集心音信號，為后續(xù)基于LabVIEW的心音分析系統(tǒng)提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)支持。3.2LabVIEW軟件編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集硬件搭建完成后，利用LabVIEW軟件編寫程序?qū)崿F(xiàn)對心音信號的采集與存儲。在LabVIEW中，數(shù)據(jù)采集主要通過DAQmx函數(shù)來實現(xiàn)，這些函數(shù)提供了豐富的功能和靈活的配置選項，能夠滿足各種數(shù)據(jù)采集需求。程序首先需要對數(shù)據(jù)采集卡進行初始化配置，設置采樣率、采樣點數(shù)、采集通道等參數(shù)。采樣率的設置至關重要，它決定了單位時間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)樣本數(shù)量。根據(jù)心音信號的頻率特性，為了準確還原信號，避免混疊現(xiàn)象，本研究將采樣率設置為2000Hz，這一采樣率能夠充分滿足心音信號的采集要求，確保采集到的信號能夠完整地保留心音的特征信息。采樣點數(shù)則根據(jù)實際需求和計算機的存儲能力進行設置，本研究設置為每次采集1024個點，這樣既能夠獲取足夠的信號數(shù)據(jù)進行分析，又不會占用過多的計算機內(nèi)存。在采集通道方面，由于選用的數(shù)據(jù)采集卡具有多個模擬輸入通道，本研究選擇使用其中一個通道來采集心音信號，以簡化程序設計和數(shù)據(jù)處理過程。通過DAQmxCreateTask函數(shù)創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)采集任務，再使用DAQmxConfigureAnalogInput函數(shù)對采集通道進行配置，設置其為電壓輸入模式，并根據(jù)信號調(diào)理電路的輸出范圍，設置合適的輸入量程，以確保采集到的數(shù)據(jù)準確可靠。完成參數(shù)設置后，程序進入數(shù)據(jù)采集循環(huán)。在循環(huán)中，使用DAQmxRead函數(shù)從數(shù)據(jù)采集卡中讀取采集到的心音數(shù)據(jù)。DAQmxRead函數(shù)會按照設置的采樣率和采樣點數(shù)，從采集卡的指定通道中讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在一個數(shù)組中。為了確保數(shù)據(jù)的實時性和準確性，在讀取數(shù)據(jù)時，設置了合適的超時時間，以防止因數(shù)據(jù)傳輸問題導致程序卡頓或錯誤。如果在超時時間內(nèi)未能成功讀取數(shù)據(jù)，程序?qū)⑻崾惧e誤信息，并進行相應的處理。采集到的心音數(shù)據(jù)需要進行實時顯示，以便操作人員能夠直觀地觀察心音信號的波形和變化情況。在LabVIEW中，使用波形圖表（WaveformChart）控件來實現(xiàn)心音數(shù)據(jù)的實時顯示。波形圖表是一種能夠?qū)崟r更新數(shù)據(jù)的顯示控件，它可以將采集到的數(shù)據(jù)以波形的形式繪制出來，隨著新數(shù)據(jù)的不斷采集，波形會實時更新，從而直觀地展示心音信號的動態(tài)變化。將DAQmxRead函數(shù)讀取到的心音數(shù)據(jù)數(shù)組連接到波形圖表的輸入端口，即可實現(xiàn)心音信號的實時顯示。為了使顯示效果更加清晰，還可以對波形圖表進行一些設置，如設置坐標軸的范圍、刻度，添加圖例和標簽等，以便更好地展示心音信號的特征。在數(shù)據(jù)采集過程中，還需要將采集到的心音數(shù)據(jù)存儲到計算機的硬盤中，以便后續(xù)進行分析和處理。LabVIEW提供了多種文件存儲方式，本研究選擇使用二進制文件格式存儲數(shù)據(jù)，因為二進制文件格式具有存儲效率高、數(shù)據(jù)讀取速度快的優(yōu)點，能夠滿足大量心音數(shù)據(jù)的存儲和快速讀取需求。使用FileI/O函數(shù)中的WriteBinaryFile函數(shù)將采集到的心音數(shù)據(jù)寫入二進制文件中。在寫入文件時，需要指定文件的存儲路徑和文件名，并按照一定的格式將數(shù)據(jù)寫入文件。為了便于管理和識別，本研究將文件命名為以采集時間命名的文件，如“20240101_100000.bin”，其中“20240101_100000”表示采集時間為2024年1月1日10點0分0秒，這樣可以方便地根據(jù)文件名確定數(shù)據(jù)的采集時間。同時，為了確保數(shù)據(jù)的完整性和準確性，在寫入文件后，還可以對文件進行校驗，如計算文件的哈希值，以驗證文件在存儲過程中是否發(fā)生損壞或篡改。為了使程序更加靈活和易于操作，還設計了用戶界面，通過前面板上的按鈕、旋鈕等控件，用戶可以方便地控制數(shù)據(jù)采集的開始、停止、參數(shù)設置等操作。在前面板上添加一個“開始采集”按鈕，當用戶點擊該按鈕時，程序會觸發(fā)相應的事件，啟動數(shù)據(jù)采集循環(huán)，開始采集心音信號；添加一個“停止采集”按鈕，當用戶點擊該按鈕時，程序會停止數(shù)據(jù)采集循環(huán)，并進行一些清理工作，如關閉數(shù)據(jù)采集任務、釋放資源等。此外，還添加了一些旋鈕和文本框，用于設置采樣率、采樣點數(shù)等參數(shù)，用戶可以根據(jù)實際需求進行調(diào)整。通過這些用戶界面控件，用戶可以直觀地與程序進行交互，方便地進行心音數(shù)據(jù)采集操作。下面是部分關鍵代碼的實現(xiàn)：//創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集任務DAQmxCreateTask("",task);//配置模擬輸入通道，設置為電壓輸入，量程為±5VDAQmxConfigureAnalogInput(task,"Dev1/ai0","",DAQmx_Val_RSE,-5.0,5.0,DAQmx_Val_Volts,NULL);//設置采樣率為2000Hz，采樣點數(shù)為1024DAQmxTiming(task,DAQmx_Val_Rate,2000.0,DAQmx_Val_Rising,DAQmx_Val_ContSamps,1024);//啟動數(shù)據(jù)采集任務DAQmxStartTask(task);//數(shù)據(jù)采集循環(huán)while(true){//從數(shù)據(jù)采集卡讀取數(shù)據(jù)DAQmxReadAnalogF64(task,1024,10.0,DAQmx_Val_GroupByChannel,data,1024,&read,NULL);//將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到波形圖表進行顯示//假設已經(jīng)創(chuàng)建了一個名為"WaveformChart"的波形圖表控件//使用相應的函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到該控件進行顯示//例如：WaveformChart_Plot("WaveformChart",data,1024);//將采集到的數(shù)據(jù)寫入二進制文件//假設文件路徑和文件名已經(jīng)定義為filePath和fileName//使用WriteBinaryFile函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入文件//例如：WriteBinaryFile(filePath+fileName,data,1024);}//停止數(shù)據(jù)采集任務并釋放資源DAQmxStopTask(task);DAQmxClearTask(task);DAQmxCreateTask("",task);//配置模擬輸入通道，設置為電壓輸入，量程為±5VDAQmxConfigureAnalogInput(task,"Dev1/ai0","",DAQmx_Val_RSE,-5.0,5.0,DAQmx_Val_Volts,NULL);//設置采樣率為2000Hz，采樣點數(shù)為1024DAQmxTiming(task,DAQmx_Val_Rate,2000.0,DAQmx_Val_Rising,DAQmx_Val_ContSamps,1024);//啟動數(shù)據(jù)采集任務DAQmxStartTask(task);//數(shù)據(jù)采集循環(huán)while(true){//從數(shù)據(jù)采集卡讀取數(shù)據(jù)DAQmxReadAnalogF64(task,1024,10.0,DAQmx_Val_GroupByChannel,data,1024,&read,NULL);//將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到波形圖表進行顯示//假設已經(jīng)創(chuàng)建了一個名為"WaveformChart"的波形圖表控件//使用相應的函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到該控件進行顯示//例如：WaveformChart_Plot("WaveformChart",data,1024);//將采集到的數(shù)據(jù)寫入二進制文件//假設文件路徑和文件名已經(jīng)定義為filePath和fileName//使用WriteBinaryFile函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入文件//例如：WriteBinaryFile(filePath+fileName,data,1024);}//停止數(shù)據(jù)采集任務并釋放資源DAQmxStopTask(task);DAQmxClearTask(task);//配置模擬輸入通道，設置為電壓輸入，量程為±5VDAQmxConfigureAnalogInput(task,"Dev1/ai0","",DAQmx_Val_RSE,-5.0,5.0,DAQmx_Val_Volts,NULL);//設置采樣率為2000Hz，采樣點數(shù)為1024DAQmxTiming(task,DAQmx_Val_Rate,2000.0,DAQmx_Val_Rising,DAQmx_Val_ContSamps,1024);//啟動數(shù)據(jù)采集任務DAQmxStartTask(task);//數(shù)據(jù)采集循環(huán)while(true){//從數(shù)據(jù)采集卡讀取數(shù)據(jù)DAQmxReadAnalogF64(task,1024,10.0,DAQmx_Val_GroupByChannel,data,1024,&read,NULL);//將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到波形圖表進行顯示//假設已經(jīng)創(chuàng)建了一個名為"WaveformChart"的波形圖表控件//使用相應的函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到該控件進行顯示//例如：WaveformChart_Plot("WaveformChart",data,1024);//將采集到的數(shù)據(jù)寫入二進制文件//假設文件路徑和文件名已經(jīng)定義為filePath和fileName//使用WriteBinaryFile函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入文件//例如：WriteBinaryFile(filePath+fileName,data,1024);}//停止數(shù)據(jù)采集任務并釋放資源DAQmxStopTask(task);DAQmxClearTask(task);DAQmxConfigureAnalogInput(task,"Dev1/ai0","",DAQmx_Val_RSE,-5.0,5.0,DAQmx_Val_Volts,NULL);//設置采樣率為2000Hz，采樣點數(shù)為1024DAQmxTiming(task,DAQmx_Val_Rate,2000.0,DAQmx_Val_Rising,DAQmx_Val_ContSamps,1024);//啟動數(shù)據(jù)采集任務DAQmxStartTask(task);//數(shù)據(jù)采集循環(huán)while(true){//從數(shù)據(jù)采集卡讀取數(shù)據(jù)DAQmxReadAnalogF64(task,1024,10.0,DAQmx_Val_GroupByChannel,data,1024,&read,NULL);//將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到波形圖表進行顯示//假設已經(jīng)創(chuàng)建了一個名為"WaveformChart"的波形圖表控件//使用相應的函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到該控件進行顯示//例如：WaveformChart_Plot("WaveformChart",data,1024);//將采集到的數(shù)據(jù)寫入二進制文件//假設文件路徑和文件名已經(jīng)定義為filePath和fileName//使用WriteBinaryFile函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入文件//例如：WriteBinaryFile(filePath+fileName,data,1024);}//停止數(shù)據(jù)采集任務并釋放資源DAQmxStopTask(task);DAQmxClearTask(task);//設置采樣率為2000Hz，采樣點數(shù)為1024DAQmxTiming(task,DAQmx_Val_Rate,2000.0,DAQmx_Val_Rising,DAQmx_Val_ContSamps,1024);//啟動數(shù)據(jù)采集任務DAQmxStartTask(task);//數(shù)據(jù)采集循環(huán)while(true){//從數(shù)據(jù)采集卡讀取數(shù)據(jù)DAQmxReadAnalogF64(task,1024,10.0,DAQmx_Val_GroupByChannel,data,1024,&read,NULL);//將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到波形圖表進行顯示//假設已經(jīng)創(chuàng)建了一個名為"WaveformChart"的波形圖表控件//使用相應的函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到該控件進行顯示//例如：WaveformChart_Plot("WaveformChart",data,1024);//將采集到的數(shù)據(jù)寫入二進制文件//假設文件路徑和文件名已經(jīng)定義為filePath和fileName//使用WriteBinaryFile函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入文件//例如：WriteBinaryFile(filePath+fileName,data,1024);}//停止數(shù)據(jù)采集任務并釋放資源DAQmxStopTask(task);DAQmxClearTask(task);DAQmxTiming(task,DAQmx_Val_Rate,2000.0,DAQmx_Val_Rising,DAQmx_Val_ContSamps,1024);//啟動數(shù)據(jù)采集任務DAQmxStartTask(task);//數(shù)據(jù)采集循環(huán)while(true){//從數(shù)據(jù)采集卡讀取數(shù)據(jù)DAQmxReadAnalogF64(task,1024,10.0,DAQmx_Val_GroupByChannel,data,1024,&read,NULL);//將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到波形圖表進行顯示//假設已經(jīng)創(chuàng)建了一個名為"WaveformChart"的波形圖表控件//使用相應的函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到該控件進行顯示//例如：WaveformChart_Plot("WaveformChart",data,1024);//將采集到的數(shù)據(jù)寫入二進制文件//假設文件路徑和文件名已經(jīng)定義為filePath和fileName//使用WriteBinaryFile函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入文件//例如：WriteBinaryFile(filePath+fileName,data,1024);}//停止數(shù)據(jù)采集任務并釋放資源DAQmxStopTask(task);DAQmxClearTask(task);//啟動數(shù)據(jù)采集任務DAQmxStartTask(task);//數(shù)據(jù)采集循環(huán)while(true){//從數(shù)據(jù)采集卡讀取數(shù)據(jù)DAQmxReadAnalogF64(task,1024,10.0,DAQmx_Val_GroupByChannel,data,1024,&read,NULL);//將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到波形圖表進行顯示//假設已經(jīng)創(chuàng)建了一個名為"WaveformChart"的波形圖表控件//使用相應的函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到該控件進行顯示//例如：WaveformChart_Plot("WaveformChart",data,1024);//將采集到的數(shù)據(jù)寫入二進制文件//假設文件路徑和文件名已經(jīng)定義為filePath和fileName//使用WriteBinaryFile函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入文件//例如：WriteBinaryFile(filePath+fileName,data,1024);}//停止數(shù)據(jù)采集任務并釋放資源DAQmxStopTask(task);DAQmxClearTask(task);DAQmxStartTask(task);//數(shù)據(jù)采集循環(huán)while(true){//從數(shù)據(jù)采集卡讀取數(shù)據(jù)DAQmxReadAnalogF64(task,1024,10.0,DAQmx_Val_GroupByChannel,data,1024,&read,NULL);//將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到波形圖表進行顯示//假設已經(jīng)創(chuàng)建了一個名為"WaveformChart"的波形圖表控件//使用相應的函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到該控件進行顯示//例如：WaveformChart_Plot("WaveformChart",data,1024);//將采集到的數(shù)據(jù)寫入二進制文件//假設文件路徑和文件名已經(jīng)定義為filePath和fileName//使用WriteBinaryFile函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入文件//例如：WriteBinaryFile(filePath+fileName,data,1024);}//停止數(shù)據(jù)采集任務并釋放資源DAQmxStopTask(task);DAQmxClearTask(task);//數(shù)據(jù)采集循環(huán)while(true){//從數(shù)據(jù)采集卡讀取數(shù)據(jù)DAQmxReadAnalogF64(task,1024,10.0,DAQmx_Val_GroupByChannel,data,1024,&read,NULL);//將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到波形圖表進行顯示//假設已經(jīng)創(chuàng)建了一個名為"WaveformChart"的波形圖表控件//使用相應的函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到該控件進行顯示//例如：WaveformChart_Plot("WaveformChart",data,1024);//將采集到的數(shù)據(jù)寫入二進制文件//假設文件路徑和文件名已經(jīng)定義為filePath和fileName//使用WriteBinaryFile函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入文件//例如：WriteBinaryFile(filePath+fileName,data,1024);}//停止數(shù)據(jù)采集任務并釋放資源DAQmxStopTask(task);DAQmxClearTask(task);while(true){//從數(shù)據(jù)采集卡讀取數(shù)據(jù)DAQmxReadAnalogF64(task,1024,10.0,DAQmx_Val_GroupByChannel,data,1024,&read,NULL);//將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到波形圖表進行顯示//假設已經(jīng)創(chuàng)建了一個名為"WaveformChart"的波形圖表控件//使用相應的函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到該控件進行顯示//例如：WaveformChart_Plot("WaveformChart",data,1024);//將采集到的數(shù)據(jù)寫入二進制文件//假設文件路徑和文件名已經(jīng)定義為filePath和fileName//使用WriteBinaryFile函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入文件//例如：WriteBinaryFile(filePath+fileName,data,1024);}//停止數(shù)據(jù)采集任務并釋放資源DAQmxStopTask(task);DAQmxClearTask(task);//從數(shù)據(jù)采集卡讀取數(shù)據(jù)DAQmxReadAnalogF64(task,1024,10.0,DAQmx_Val_GroupByChannel,data,1024,&read,NULL);//將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到波形圖表進行顯示//假設已經(jīng)創(chuàng)建了一個名為"WaveformChart"的波形圖表控件//使用相應的函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到該控件進行顯示//例如：WaveformChart_Plot("WaveformChart",data,1024);//將采集到的數(shù)據(jù)寫入二進制文件//假設文件路徑和文件名已經(jīng)定義為filePath和fileName//使用WriteBinaryFile函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入文件//例如：WriteBinaryFile(filePath+fileName,data,1024);}//停止數(shù)據(jù)采集任務并釋放資源DAQmxStopTask(task);DAQmxClearTask(task);DAQmxReadAnalogF64(task,1024,10.0,DAQmx_Val_GroupByChannel,data,1024,&read,NULL);//將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到波形圖表進行顯示//假設已經(jīng)創(chuàng)建了一個名為"WaveformChart"的波形圖表控件//使用相應的函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到該控件進行顯示//例如：WaveformChart_Plot("WaveformChart",data,1024);//將采集到的數(shù)據(jù)寫入二進制文件//假設文件路徑和文件名已經(jīng)定義為filePath和fileName//使用WriteBinaryFile函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入文件//例如：WriteBinaryFile(filePath+fileName,data,1024);}//停止數(shù)據(jù)采集任務并釋放資源DAQmxStopTask(task);DAQmxClearTask(task);//將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到波形圖表進行顯示//假設已經(jīng)創(chuàng)建了一個名為"WaveformChart"的波形圖表控件//使用相應的函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到該控件進行顯示//例如：WaveformChart_Plot("WaveformChart",data,1024);//將采集到的數(shù)據(jù)寫入二進制文件//假設文件路徑和文件名已經(jīng)定義為filePath和fileName//使用WriteBinaryFile函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入文件//例如：WriteBinaryFile(filePath+fileName,data,1024);}//停止數(shù)據(jù)采集任務并釋放資源DAQmxStopTask(task);DAQmxClearTask(task);//假設已經(jīng)創(chuàng)建了一個名為"WaveformChart"的波形圖表控件//使用相應的函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到該控件進行顯示//例如：WaveformChart_Plot("WaveformChart",data,1024);//將采集到的數(shù)據(jù)寫入二進制文件//假設文件路徑和文件名已經(jīng)定義為filePath和fileName//使用WriteBinaryFile函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入文件//例如：WriteBinaryFile(filePath+fileName,data,1024);}//停止數(shù)據(jù)采集任務并釋放資源DAQmxStopTask(task);DAQmxClearTask(task);//使用相應的函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到該控件進行顯示//例如：WaveformChart_Plot("WaveformChart",data,1024);//將采集到的數(shù)據(jù)寫入二進制文件//假設文件路徑和文件名已經(jīng)定義為filePath和fileName//使用WriteBinaryFile函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入文件//例如：WriteBinaryFile(filePath+fileName,data,1024);}//停止數(shù)據(jù)采集任務并釋放資源DAQmxStopTask(task);DAQmxClearTask(task);//例如：WaveformChart_Plot("WaveformChart",data,1024);//將采集到的數(shù)據(jù)寫入二進制文件//假設文件路徑和文件名已經(jīng)定義為filePath和fileName//使用WriteBinaryFile函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入文件//例如：WriteBinaryFile(filePath+fileName,data,1024);}//停止數(shù)據(jù)采集任務并釋放資源DAQmxStopTask(task);DAQmxClearTask(task);//將采集到的數(shù)據(jù)寫入二進制文件//假設文件路徑和文件名已經(jīng)定義為filePath和fileName//使用WriteBinaryFile函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入文件//例如：WriteBinaryFile(filePath+fileName,data,1024);}//停止數(shù)據(jù)采集任務并釋放資源DAQmxStopTask(task);DAQmxClearTask(task);//假設文件路徑和文件名已經(jīng)定義為filePath和fileName//使用WriteBinaryFile函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入文件//例如：WriteBinaryFile(filePath+fileName,data,1024);}//停止數(shù)據(jù)采集任務并釋放資源DAQmxStopTask(task);DAQmxClearTask(task);//使用WriteBinaryFile函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入文件//例如：WriteBinaryFile(filePath+fileName,data,1024);}//停止數(shù)據(jù)采集任務并釋放資源DAQmxStopTask(task);DAQmxClearTask(task);//例如：WriteBinaryFile(filePath+fileName,data,1024);}//停止數(shù)據(jù)采集任務并釋放資源DAQmxStopTask(task);DAQmxClearTask(task);}//停止數(shù)據(jù)采集任務并釋放資源DAQmxStopTask(task);DAQmxClearTask(task);//停止數(shù)據(jù)采集任務并釋放資源DAQmxStopTask(task);DAQmxClearTask(task);DAQmxStopTask(task);DAQmxClearTask(task);DAQmxClearTask(task);上述代碼使用LabVIEW的DAQmx函數(shù)庫，實現(xiàn)了對心音信號的數(shù)據(jù)采集功能。首先創(chuàng)建了一個數(shù)據(jù)采集任務，并配置了模擬輸入通道的相關參數(shù)，包括輸入模式、量程等。然后設置了采樣率和采樣點數(shù)，并啟動了數(shù)據(jù)采集任務。在數(shù)據(jù)采集循環(huán)中，不斷從數(shù)據(jù)采集卡讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到波形圖表進行顯示，同時將數(shù)據(jù)寫入二進制文件中。最后，在程序結束時，停止數(shù)據(jù)采集任務并釋放相關資源。通過這些步驟和代碼實現(xiàn)，基于LabVIEW的心音數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠地采集心音信號，并將數(shù)據(jù)進行實時顯示和存儲，為后續(xù)的心音信號分析提供了數(shù)據(jù)基礎。3.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的校準與驗證為確保心音數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的準確性和可靠性，對其進行校準與驗證是必不可少的關鍵環(huán)節(jié)。校準能夠使系統(tǒng)測量結果與已知標準值保持一致，有效減少系統(tǒng)誤差；驗證則是通過實際測試，評估系統(tǒng)在不同條件下的性能表現(xiàn)，以驗證其是否滿足設計要求。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的校準過程中，主要針對采樣率和增益這兩個關鍵參數(shù)進行校準。采樣率校準是確保數(shù)據(jù)采集卡按照設定的采樣頻率準確采集信號，避免因采樣率偏差導致信號失真。使用高精度的信號發(fā)生器產(chǎn)生一個頻率已知的標準正弦波信號，將其作為輸入信號接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在LabVIEW程序中，設置數(shù)據(jù)采集卡的采樣率為2000Hz，采集一段時間的數(shù)據(jù)后，對采集到的數(shù)據(jù)進行分析。通過計算采集數(shù)據(jù)中正弦波的周期，并與標準正弦波的周期進行對比，從而得到采樣率的誤差。假設標準正弦波的頻率為50Hz，其周期為T_0=\frac{1}{50}=0.02s，采集到的數(shù)據(jù)中正弦波的周期通過計算得到為T_1，則采樣率誤差\delta_f計算公式為：\delta_f=\frac{|T_0-T_1|}{T_0}\times100\%。若采樣率誤差超出允許范圍，可通過調(diào)整數(shù)據(jù)采集卡的時鐘設置或相關驅(qū)動程序參數(shù)，對采樣率進行校準，使其滿足設計要求。增益校準主要是確保信號調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集卡對信號的放大倍數(shù)準確無誤，以保證采集到的信號幅值與實際輸入信號幅值相符。使用標準電壓源產(chǎn)生一系列不同幅值的標準電壓信號，如0.1V、0.5V、1.0V等，將這些信號依次輸入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。在LabVIEW程序中，讀取采集到的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)采集卡的量程和分辨率，計算出對應的電壓值。將計算得到的電壓值與標準電壓源的輸出值進行對比，得到增益誤差。設標準電壓源輸出電壓為V_{ref}，采集系統(tǒng)計算得到的電壓值為V_{meas}，則增益誤差\delta_g計算公式為：\delta_g=\frac{|V_{ref}-V_{meas}|}{V_{ref}}\times100\%。如果增益誤差較大，可通過調(diào)整信號調(diào)理電路中的放大器增益電阻或數(shù)據(jù)采集卡的增益設置，對增益進行校準，使采集系統(tǒng)的增益誤差控制在合理范圍內(nèi)。為了驗證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能，進行了多組實驗，包括重復性實驗和對比實驗。重復性實驗旨在檢驗系統(tǒng)在相同條件下多次采集數(shù)據(jù)的一致性。在同一受試者身上，保持心音傳感器的位置、采集環(huán)境等條件不變，連續(xù)多次采集心音信號，每次采集的時間長度相同。對采集到的多組心音數(shù)據(jù)進行分析，計算每組數(shù)據(jù)中第一心音（S1）和第二心音（S2）的幅值、周期等特征參數(shù)，并統(tǒng)計這些特征參數(shù)的平均值和標準差。如果標準差較小，說明系統(tǒng)的重復性較好，能夠穩(wěn)定地采集心音信號。例如，對某一受試者進行10次心音信號采集，計算得到第一心音幅值的平均值為A_{S1,avg}，標準差為\sigma_{A_{S1}}，若\sigma_{A_{S1}}相對于A_{S1,avg}較小，如\frac{\sigma_{A_{S1}}}{A_{S1,avg}}\times100\%\lt5\%，則表明系統(tǒng)在采集第一心音幅值時具有較好的重復性。對比實驗則是將本研究構建的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與市場上成熟的商用聽診設備進行對比，以驗證系統(tǒng)的準確性。選擇若干名先天性心臟病患者和健康志愿者作為實驗對象，分別使用本系統(tǒng)和商用聽診設備同時采集他們的心音信號。將采集到的兩組心音數(shù)據(jù)交由專業(yè)醫(yī)生進行聽診分析，并根據(jù)聽診結果判斷受試者是否患有先天性心臟病以及心臟病的類型。統(tǒng)計兩種設備診斷結果的一致性。若本系統(tǒng)與商用聽診設備的診斷結果一致性較高，如診斷一致率達到85%以上，則說明本系統(tǒng)采集的心音信號能夠準確反映心臟的生理病理狀態(tài)，具有較高的準確性。同時，還可以對兩種設備采集到的心音信號進行進一步的信號處理和分析，對比它們提取到的特征參數(shù)，如頻譜特征、時頻特征等，從更深入的層面驗證本系統(tǒng)的性能。例如，通過對兩組心音信號進行傅里葉變換，得到它們的頻譜圖，對比頻譜圖中主要頻率成分的分布和幅值，若兩者具有較高的相似度，則進一步證明本系統(tǒng)采集的心音信號質(zhì)量可靠，能夠為后續(xù)的分析和診斷提供有效的數(shù)據(jù)支持。通過對采樣率和增益等關鍵參數(shù)的校準，以及重復性實驗和對比實驗的驗證，本研究構建的基于LabVIEW的心音數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在準確性和可靠性方面得到了有效保障，能夠滿足先天性心臟病心音分析的實際需求。校準與驗證過程中得到的數(shù)據(jù)和結果，也為系統(tǒng)的進一步優(yōu)化和完善提供了重要依據(jù)。四、基于LabVIEW的心音信號處理與特征提取4.1數(shù)字濾波去噪在對心音信號進行分析之前，有效的去噪處理是確保后續(xù)分析準確性的關鍵。心音信號在采集過程中極易受到多種噪聲的干擾，這些噪聲會嚴重影響心音信號的質(zhì)量，掩蓋其真實的生理特征，從而給診斷帶來困難。心音信號中的噪聲來源廣泛，類型復雜。其中，工頻干擾是最為常見的噪聲之一，它主要源于電力系統(tǒng)的50Hz交流電，通過電磁耦合的方式混入心音信號中。由于電力系統(tǒng)在日常生活中無處不在，工頻干擾幾乎無法完全避免。人體自身的生理活動也會產(chǎn)生噪聲，如肌電干擾，它是由人體肌肉活動產(chǎn)生的電信號，頻率范圍較寬，一般在幾Hz到幾百Hz之間。當受試者在采集心音信號時進行肢體運動或肌肉緊張收縮，肌電干擾就會顯著增強，對心音信號造成嚴重干擾。呼吸干擾也是人體生理活動產(chǎn)生的噪聲之一，它是由于呼吸過程中胸腔的運動和氣體流動引起的，頻率通常在0.15Hz-0.5Hz之間。呼吸干擾會使心音信號的基線發(fā)生波動，影響對心音信號的準確分析。環(huán)境噪聲也是不可忽視的噪聲來源，如采集環(huán)境中的電磁輻射、機械振動等。電子設備的電磁輻射會產(chǎn)生高頻噪聲，這些噪聲可能會通過心音傳感器或信號傳輸線路進入心音信號中；而周圍機械設備的振動則可能會引起心音傳感器的微小振動，從而產(chǎn)生噪聲干擾。此外，信號采集設備自身也可能引入噪聲，如電子元件的熱噪聲、量化噪聲等。熱噪聲是由于電子元件內(nèi)部的電子熱運動產(chǎn)生的，它是一種隨機噪聲，會在一定程度上影響信號的信噪比；量化噪聲則是在模擬信號轉換為數(shù)字信號過程中，由于量化誤差產(chǎn)生的噪聲，它與數(shù)據(jù)采集卡的分辨率有關，分辨率越低，量化噪聲越大。為了有效去除這些噪聲，需要選用合適的數(shù)字濾波器。在眾多數(shù)字濾波器中，巴特沃斯濾波器因其獨特的特性而被廣泛應用于心音信號去噪。巴特沃斯濾波器具有通帶內(nèi)平坦、阻帶內(nèi)衰減迅速的特點，能夠在有效去除噪聲的同時，最大程度地保留心音信號的原有特征。其幅頻響應特性可以通過濾波器的階數(shù)來調(diào)節(jié)，階數(shù)越高，通帶和阻帶之間的過渡就越快，對噪聲的抑制能力也就越強。在LabVIEW中，利用“FilterDesign”工具包可以方便地設計巴特沃斯濾波器。首先，根據(jù)心音信號的頻率范圍以及噪聲的頻率特性，確定濾波器的類型（低通、高通、帶通或帶阻）、截止頻率等參數(shù)。由于心音信號的主要頻率范圍在20Hz-600Hz之間，而工頻干擾為50Hz，肌電干擾主要集中在幾Hz到幾百Hz，呼吸干擾在0.15Hz-0.5Hz。因此，對于工頻干擾，可以設計一個50Hz的帶阻巴特沃斯濾波器，其阻帶范圍設置為49Hz-51Hz，通帶范圍設置為0Hz-48Hz和52Hz-∞，這樣可以有效地抑制50Hz的工頻干擾，同時保留心音信號的主要頻率成分。對于肌電干擾和呼吸干擾，可以設計一個帶通巴特沃斯濾波器，其通帶范圍設置為20Hz-600Hz，阻帶范圍設置為0Hz-18Hz和620Hz-∞，從而去除肌電干擾和呼吸干擾等低頻和高頻噪聲。確定好參數(shù)后，使用“FilterDesign”工具包中的“DesignButterworthFilter”函數(shù)，按照設定的參數(shù)生成濾波器系數(shù)。這些系數(shù)將用于后續(xù)的心音信號濾波處理。在實際濾波過程中，使用“Filter”函數(shù)，將采集到的心音信號作為輸入，同時輸入生成的濾波器系數(shù)，即可對心音信號進行濾波去噪處理。經(jīng)過濾波后的信號，噪聲得到了顯著抑制，心音信號的特征更加清晰，為后續(xù)的特征提取和分析奠定了良好的基礎。下面是使用LabVIEW實現(xiàn)巴特沃斯濾波器設計和心音信號濾波的部分代碼示例：//設計50Hz帶阻巴特沃斯濾波器FilterOrder=4;//濾波器階數(shù)LowCutoffFrequency=49;//阻帶下限頻率HighCutoffFrequency=51;//阻帶上限頻率FilterType="Band-Stop";//濾波器類型為帶阻DesignButterworthFilter(FilterOrder,LowCutoffFrequency,HighCutoffFrequency,FilterType,FilterCoefficients);//設計帶通巴特沃斯濾波器LowCutoffFrequency_Bandpass=20;//帶通濾波器通帶下限頻率HighCutoffFrequency_Bandpass=600;//帶通濾波器通帶上限頻率FilterType_Bandpass="Band-Pass";//濾波器類型為帶通DesignButterworthFilter(FilterOrder,LowCutoffFrequency_Bandpass,HighCutoffFrequency_Bandpass,FilterType_Bandpass,FilterCoefficie