基于非负矩阵分解和深度学习的心肺音分离方法研究

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心血管疾病和呼吸系统疾病的发病率呈上升趋势,危害着人民健康。心音信号与肺音信号中包含了大量的心血管系统和呼吸系统的病理信息,能有效辅助医护人员进行诊断。听诊是常见的获取心音信号和肺音信号的手段,但采集的往往是心音信号和肺音信号互相混叠和干扰的心肺音信号。针对这一问题,本文进行了以下研究:1)提出了用于实现单通道心肺音信号分离的一种多重约束的非负矩阵分解算法(MCNMF)。本文研究了非负矩阵分解(NMF)与聚类算法在心肺音分离问题上的应用,分析了不同约束非负矩阵分解(CNMF)的影响,针对NMF分解不彻底的问题,提出一种基于欧氏距离的MCNMF分解算法和基于K-means与SVM的聚类算法。实验结果表明,该方法相比于基于NMF的心肺音分离算法有更好的效果。2)提出了一种基于MCNMF和嵌入空间质心网络(ECNet)的心肺音分离算法。针对不同种类的心音信号在时域和频域上的区别会影响心肺音分离精度这一问题,本文研究了基于MCNMF和卷积神经网络(CNN)的心音提取与分类方法,提出了一种具有强泛化性的ECNet用于分离心肺音。实验结果表明,相比于现有的方法,该方法在评价指标上有着不同幅度的提升。3)研究了基于稀疏非负矩阵分解(SNMF)和门控循环单元(GRU)的心肺音分离方法。为减少算法时间复杂度,降低需要的先验条件,本文研究了不同种类的心音字典矩阵,根据心音信号种类的多样性,搭建了多类GRU网络用于分离心肺音。实验结果表明,相比于基于NMF的心肺音分离方法,该方法有更好的效果。
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