基于fcm聚类算法的呼吸音分类识别研究

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1、基于FCM聚类算法的呼吸音分类识别研究徐学良1，易鹏飞2，3，王海滨2，3，张凯2，3，秦国瑾2，3（1.二0三医院外一科，黑龙江齐齐哈尔161000；2.西华大学电气信息学院，四川成都610039；3.四川省信号与信息处理省重点实验室，四川成都610039）摘要：为了分类识别不同部位的呼吸音，提出一种基于呼吸气持续时间相对值参数，以及呼吸气间歇时间相对值参数提取的呼吸音分析方法。该方法包括呼吸音预处理、包络提取、基于FCM聚类算法的自适应阈值线的选取、特征值提取为主的4个部分。对50例3种不同呼吸音进行分类实验，分类准确率为94%，

2、从而验证了该方法的有效性。在此基础上，对该方法在同一种呼吸音病理和健康研究方面做出了展望。.jyqkin，采样时间为30s，为了保证采集数据的稳定性，截取其中的第3~5周期中的一个周期数据保存，保存格式为.txt或者.mat。呼吸音采集系统如图1所示。2方法的实现2.1预处理和包络提取在获取呼吸音包络前，原始呼吸音信号需要进行预处理。首先，对采集的呼吸音信号进行下采样，采样频率从20kHz下采样到2kHz；接着，用十阶巴特沃斯滤波器进行滤波保证呼吸音带宽在100~1000Hz之间，再通过小波收缩阈值降噪法来有效去除呼吸音中的白噪声；最

3、后采用Morlet小波来提取呼吸音包络。在包络提取法中，用Morlet小波针对呼吸音包络提取比Hilbert变换法提取的包络信号更光滑，能有效地降低使用Hil-bert变换法所带来的不够光滑，毛刺太多（随机干扰成分）等问题，因此，本论文采用Morlet小波方法来提取包络[3-4]。2.2Morlet小波Morlet是由法国地球物理学家J.Morlet在分析地震信号时提出来的，常用的是复值Morlet小波[5]：2.3呼吸信号的包络图2为肺泡呼吸音，其音调相对较低，吸气时音响较强，音调相对较高，时相较长；呼气时音响较弱，音调相对较低，时

4、相较短[6]。图3为胸膜摩擦音，其是随着呼吸便可出现脏胸膜和壁胸膜间的摩擦声，一般在吸气末与呼气开始时较为明显。正常人胸膜表面光滑，胸膜腔内只有微量液体存在，因此呼吸时胸膜脏层和壁层之间相互滑动并无音响发生。胸膜摩擦音为病理呼吸音的一种[6]。如图4所示，支气管呼吸音是呼吸时气流在声门、气管形成湍流所产生的声音，吸气时主动运动，吸气时声门增宽，气流通过快；呼气是被动运动，声门变窄，气流通过慢，因而呼气时相比吸气时相长，音调较高，音响较强[6]。图5为支气管呼吸音伴大湿啰音，其是由于通过呼吸道内的分泌物如渗出液、血液、浓液等，形成的水泡

5、破裂所产生的声音，变化在吸气早起，音调响亮[6]。2.4特征参数提取呼吸音的特征参数，本文使用FCM聚类算法对呼吸音包络信号进行自适应选取阈值线，图6以一例肺泡呼吸音作为参考，然后提取呼吸音特征参数，呼气相和吸气相的持续时间（T1，T2），呼气间隙时间和吸气间歇时间（D1，D2），呼气相和吸气相的峰值（P1，P2），最后可以通过呼吸音参数的特点来判断吸气相和呼气相。2.4.1FCM聚类算法FCM聚类算法也称模糊C均值聚类[7]，是由Bezkek于1981年提出的，它是目前广泛采用的一种聚类算法。FCM把n个向量Xi（i=1，2，…，n

6、）分为c个模糊组，并求出每个组的聚类中心，使其非相似性指标的价值函数达到最小，并且它能给出每个样本的隶属度来确定隶属于某个小组的程度。而FCM的模糊划分，使数据以（0，1）间的隶属度来确定其属于各个组的程度，同时归一化规定后，一个数据隶属度总和为1，即：2.4.2阈值线选取阈值线的选定会确定几组呼吸音周期的特征参数，采用FCM聚类算法可得到聚类中心参数[C1(p)，C2(p)]，[C3(p)，C4(p)]通过得到的参数分析阈值时得到的特征参数比较稳定，图7中当阈值选取30%~40%时比较稳定，在选取40%作为阈值线时，得到的参数值为0

7、.918，1.035，2.352，3.388。2.5呼吸音区域定位阈值线选取后根据呼吸规律，平静呼吸时呼气时间T1是要长于吸气时间T2，通过呼吸相和吸气相（TI，T2）的对比判定，确定吸气相和呼气相，同时确定呼气间歇时间D1和吸气间歇时间D2，通过归一化后得到的（T1，T2），（D1，D2）为1.035s，0.918s，2.352s，3.388s。3实验与验证本文采用50例3种不同类的呼吸音进行分析，以T1T2,D1D2作为区分呼吸音类型参数，如表1~表6所示。从表1~表3可以发现不同部位的呼吸音参数（T1，T2），（D1，D2）有明

8、显不同时长的特征分布。从表4中可以看出肺泡呼吸音分类特征参数T1T2主要在1.220~1.230之间，D1D2主要在1.430~1.440之间。表5的支气管呼吸音分类特征参数T1T2主要在0.990~1.000之间，D1