时频分析方法及其在医学信号处理中的应用

刘浩

【摘要】 在对生物医学信号进行分析时，传统的分析方法为傅里叶谱法，不过，在利用此种方法进行分析时，医学信号随时间急速变化的特性无法很好的适应，影响了分析效果，基于此，为了更好的进行分析，应用了时频分析方法，进而有效的分析了很多的生物医学信号。本文在介绍时频分析方法的基础上，重点分析了时频分析方法在具体医学信号处理中的应用。

【关键词】 时频分析方法 医学信号处理 应用

前言：生物系统是生物医学信号的主要来源，通过生物医学信号，生物系统中生理状态、结构状态的信息都可以显现出来，因此，生物医学信号具备很高的使用价值，不过，生物医学信号使用价值的发挥程度取决于对其分析的程度，当分析的越彻底时，使用价值越高。在对生物医学信号进行分析时，应用了时频分析方法，弥补了传统分析方法的不足，提高了分析的有效性。

一、时频分析方法概述

1、线性时频分析方法。线性时频分析方法是时频分析方法中的一种，包含短时傅里叶变换（STFT）、Gabor变换（GT）、小波变换（WT）等。在短时傅里叶变换与Gabor变换中，二者分别具备各自的定义公式，通过对二者的公式对比可以发现，当短时傅里叶变换采用Gaussian窗时，就是Gabor变换。无论是这两种变换形式中的哪种，在对信号进行分析时，均是通过单一的窗函数来实现。对于小波变换，所具备的时频局域化特征更加的明显，在利用小波变换进行分析时，与信号的本质特征基本上一致，因此，小波变换的应用前景更加的广阔。

2、时频分布。在时频分布的思想中，以时频平面为基础，通过二维分布函数的找寻，将时频平面中每个点的能量密度准确的反映出来，而且，对于一些基本性质，函数都能同时的满足。实际上，此二维分布函数是存在的，WVD就是其中典型的一种，具备非常好的数学性质。

二、视频分析方法在医学信号处理中的应用

1、在心电图（ECG）分析中的应用。对于心肌状况的诊断，需要借助ECG来实现，此种诊断方法不具备创伤性。在ECG中，包含一系列连续的PQRST波，所表示的含义是在不同的心动周期中，心肌所具备的不同状态。ECG信号的非平稳行为比较多，传统的信号分析方法无法进行准确的分析，因此，为了提升分析的准确性，应用了时频分析方法。当左、右两个心房出现激动的情况时，整个过程由P波来表示，在对P波进行检测时，困难比较大，不过在应用了时频分析方法之后，难度大大的降低。近年来，在对ECG信号进行分析时，心室晚电位越来越受到人们的关注，通过对心室晚电位的分析，能够准确的预告心律失常，因此，其临床价值非常大，由于心室晚电位的信号非常微弱，导致检测的难度比较大，不过，应用了WT方法之后，就可以较好的检测出来。2、在心音（PCGs）信号处理中的应用。通过对胸部表面的测量，就可以获知心音信息。当心动周期处于正常状态下时，心音包含两部分，分别为第一心音（S1）和第二心音（S2），当主动脉瓣膜闭合时，产生S1，当肺动脉瓣膜闭合时，产生S2。在PCGs信号中，包含的成份是比较多的，在早期的信号分析中，采用了声谱图法、谱图方法等，但是分析效果都存在一定的缺陷，不过，在应用了时频分析之后，分析效果显著的提升。在具体的PCGs信号分析试验中，试验者分别采用了WT和STFT方法来进行分析，由分析结果可知，WT所具备的分辨率更高，更加适合心音信号处理。3、在脑电图（EEG）分析中的应用。EEG包含三种类型，一种是非瞬态自发性EEG，一种是瞬态自发性EEG，还有一种是诱发性EEG。在对第一种信号进行分析时，传统的FT和线性模型法是比较适用的，不过，对于后两种方法是不适用的，对此，专家和学者展开了深入的研究。在EEG信号中，包含EP信号，EP信号的隐藏性极强，因此，在对其进行检测和分析时，难度非常大，在利用传统的同步平均法进行分析时，需要进行相应的假设，然而在进一步的验证中，发现假设成立的理由并不充分。因此，利用时频分析方法进行了研究，研究发现，此种方法是具备较高的适用性，可以进行进一步的研究。4、在胃电图（EGG）分析中的应用。慢波和尖峰波共同组成了胃的肌电活动，通过EGG信号的分析，可以更好的掌握胃电活动的规律。与ECG、EEG的信噪相比，EGG的信噪比较少，主要有呼吸声、运动声、其他肌电活动声，因此，直接解释的方法并不适用。在对EGG进行分析时，时频分析是一项非常重要工作，通过时频分析方法可以有效的对其信号进行分析。

结论：现如今，时频分析方法已经在生物医学信号分析中应用的非常广泛，除了心电图信号、心音信号、脑电图信号以及胃电图信号之外，还在肌电图信号、心率变异信号、呼吸声等多个方面的医学信号处理中有所应用。通过时频分析方法的应用，提升了医学信号处理的效果，进而有效的增强了生物医学信号的临床价值，便于医生更好的根据医学信号分析出病人的情况。在未来的生物医学信号处理中，时频分析方法将会有更加深入的应用。

参 考 文 献

[1]叶继伦，郑崇勋，郭耸峰等.一种改进的时频分布算法及其在医学信号处理中的应用[J].重庆医科大学学报，2013，12（03）：230-233.

[2]侯树杰.时频分析方法对比及S变换在地震数据处理中的应用[J].油气地质与采收率，2011，11（03）：44-46.

[3]许丽群，马驰，王睿杰.时频分析在语音信号处理中的应用[J].科学技术与工程，2011，45（21）：5043-5046.