Программные средства обработки сигналов аускультации сердца и легких

Аускультация
Аускультация (лат. auscultatio — «выслушивание») — физический метод медицинской диагностики, заключающийся в выслушивании звуков, образующихся в процессе функционирования внутренних органов.
Аускультация дает возможность на основе выслушивания характерных звуков судить о деятельности ряда органов. И патологических изменения в них. С помощью аускультации оценивают дыхательные шумы и изменения в деятельности сердца.
Аускультация имеет дело с очень слабыми звуками нашего тела., которые мало или совсем не распространяются в воздухе. Поэтому нужно установить непрерывное сообщение через твердое тело, между ухом и звучащим телом.
Для этого на сегодняшний день и существуют стетоскопы и фонендоскопы.

Используемые методы и законы, способ реализации
В данной дипломной работе, будут использованы методы сжатия динамического диапазона, законы компандирования, методы частотного разделения сигналов, а также БИХ-фильтры, в частности фильтр Баттерворта.
Реализация технического задания будет проводиться в программной среде Matlab. Были написаны программы сжатия данных, фильтрации сигнала, сжатия динамического диапазона сигналов аускультации, и программа для построения графиков.

БИХ-фильтры
Наряду с фильтрами с конечной импульсной характеристикой КИХ-фильтрами в цифровой обработке сигналов широко применяются системы с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ-фильтры). Как правило БИХ-фильтры реализуются по структурной схеме. Характерной чертой этой схемы является то, что очередной отсчет выходной последовательности yi определяется не только отсчетами входной последовательности xi, но и предшествующими отсчетами выходной последовательности yi-1, …, yi-m.

Фильтры Баттерворта
Фильтры Баттерворта нижних частот характерны тем, что имеют максимально гладкую АЧХ. Аналитическое выражение АЧХ фильтра имеет вид
где ωс - частота среза фильтра; n - порядок фильтра.

Компрессия звука
Использование компрессии позволяет передавать сигналы с большим динамическим диапазоном через среду с меньшим динамическим диапазоном. Компрессия уменьшает шум и другие нежелательные эффект на приемник. На этом рисунке изображена звуковая волна до и после сжатого с нелинейной компрессией.
Компрессия используется в цифровых системах для сжатия перед преобразованием аналогового в цифровой сигнал и обратного декодирования сигнала после цифро-аналогового преобразования. Что является аналогом использования нелинейного ЦАП. Так же используется в цифровых файловых форматах для улучшения соотношения сигнал/шум при низком битрейте. Например, линейно кодированний 16-битный PCM может быть отконвертирован в 8-битный WAV или au-формат без изменения соотношения сигнал/шум.

Компрессия звука
А-закон
А-закон - алгоритм стиснення з втратою інформації, застосовується для стиснення звукових даних.
У системах цифрової телефонії з сигнал PCM і системах цифрового зв'язку використовується А-закон. На практиці для мовних сигналів вибирається значення А = 87.6. При цьому виграш від компадування становить 24.1дБ .:
Мю-закон
Мю-закон(Μ-закон) в телекомунікаціях - алгоритм аналогового стиснення, який використовується в системах цифрового зв'язку Північної Америки і Японії для модифікації динамічного діапазону аналогового мовного сигналу до оцифровки. Він подібний до алгоритму A-закону, використовуваному в Європі.
Для сигналу x μ-закон записується таким чином:
де μ = 255 (8 біт) в стандартах Північної Америки і Японії.

Графики компрессии

Исходный сигнал аускультации

АЧХ фильтров для различных режимов

Графики отфильтрованного сигнала различных режимов

Спектрограммы сигнала аускультации

Выводы
В наше время аускультация является очень не стабильным методом диагностики. Слишком много внешних факторов влияют на эту процедуру. Квалификация врача, звукоизоляция помещения, внешние шумы.
Манипуляция проведенная с сигналами аускультации в первую очередь направлена на помощь в диагностике заболеваний сердца и легких.