基于笔记本计算机的心音分析仪
作者：肖仪华 裴驭力 曹泽翰 周世勇 肖守中
单位：肖仪华 裴驭力 贵州大学物理系(贵阳 550025)；曹泽翰 重庆大学计算机系(重庆 400044)；周世勇 肖守中 博精医药信息研究所(重庆 400044)
关键词：心音；信号处理；量化；笔记本计算机
北京生物医学工程990108 摘 要 基于笔记本计算机的心音分析仪由心音传感器、心音信号 预处理盒、笔记本计算机、打印机、音箱和心音信号处理软件组成。它的开发目的是充分利用笔记本计算机的便携特点和强大功能。该系统在Windows 95操作系统下用VISUAL BASIC编 程。软件设计中结合了传统的信号处理方法和知识工程技术，使它具有客观的心音量化和分析功能。该系统具有无创性、方便快速，且费用低廉，与其它心血管检查方法有互补作用，可作为临床、科研和教学的实用性的系统。
, http://www.100md.com A Notebook Computer Based Heart Sound Analysis Instrument
Xiao Yihua, Pei Yuli，Cao Zehan*，Zhou Shiyong, Xiao Shouzhong**
(Department of Physics,Guizhou University,Guiyang 550025)
(*Department of Computer,Chongqing University,400044)
(* *Bo-jing Medical Informatics Institute,Chongqing 400044)
Abstract A notebook computer based heart sound analysis instrument, consisting of phonoca rdiographic sensor, heart sound signal preprocessing box, notebook computer, printer, speakers, and heart sound signal processing software is introduced. The objective of the development was to fully utilize both the portability and powerful functions of notebook computer. The program was developed with Visual Basic 4.0 for Windows 95. The software made use of engineering and technical knowledge , and traditional signal processing methods as well. The instrument has function s of objective and quantitative analysis. The system is non-invasive, easy to use, and low-cost, and is complementary to other techniques for diagnosing cardi ovascular diseases. It is a practical system for clinic, scientific research, and teching.
, 百拇医药
Key words:Heart sound; Signal processing; Notebook computer; Quantif ication
0 前 言
心血管疾病是严重威胁人类健康的疾病之一。心音检测和分析是了解心脏和大血管状态的一种不可缺少的手段。心音分析具有重要的临床价值，例如，对于慢性阻塞性肺疾病(COPD)等引起的继发性肺动脉高压，在肺动脉尚无明显扩张、肺动脉瓣尚无相对性关闭不全时，X-线检查和超声检查都不会有阳性发现，据报道[1]，M型超声检查难于显示肺动脉瓣。原发性肺动脉高压的诊断也是如此。肺动脉插管测压虽能直接测出肺动脉压力真值，因其属于损伤性检查，不能作为常规检查项目。而心音分析中的A2/P2相对振幅比却能提供客观诊断线索。COPD的发病率在人群中极高，可以用A2/P2相对振幅比这一指标来监护COPD病人的诊疗过程。由于普通听诊具有一定的局限性和主观性，开发出了多种心音诊断仪。但基于模拟电路的心音图仪的功能有限，其应用逐渐被忽视。随着数字技术的发展，国内外再次出现心音研究的热情。研究内容包括心音信号检测、表示形式、分析、识别和模拟以及心音信号处理的临床应用[2～4]。虽然已经开发出了便携式心音图仪，但由于它们基于专用硬件，存储空间小，运算时间长，其功能有限，不能充分利用已有软件资源和信息技术，故所作出的诊断分类的数目较少[5]。80年代末期出现的多媒体技术为心音信号处理预示了美好的前景。我们曾开发出一种基于多媒体计算机的台式心音视听诊断仪[6]。它有满意的心音量化和分析功能，但不便于携带，因而使其应用范围受到一定限制。为了解决上述问题，我们开发出了一种基于笔记本计算机的心音分析仪，它能充分利用便携特点和笔记本计算机的强大功能。
, 百拇医药
1 结构和开发环境
1.1 心音信号处理的硬件结构
该系统包括有心音传感器、心音信号预处理盒、笔记本计算机、打印机、音箱(图1)。该系统只提供一个心音传感器，像临床医师那样，用同一具听诊器分别从5个传统听诊区，必要时从一些其它区域获取心音信号。为了进一步增强心音信号和降低背景噪声，制作了一个预处理盒，它包括滤波器、放大器和电源。该系统的正常频率范围是30～500Hz，增强200～500Hz的高频成分，这有助于鉴定高频杂音，如主动脉瓣关闭不全时的杂音。增益可以调节，以帮助记录微弱的心音。
图1 硬件组成结构框图
1.2 心音信号处理的软件环境
该系统在WINDOWS 95操作系统下用VISUAL BASIC编程，可在WINDOWS 3.1或WINDOWS 95操作系统下运行。
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2 该系统心音信号处理的性能和特点
2.1 心音信号采集和存储
作心音信号采集时，屏幕上出现一个心音信号采集部位菜单，引导用户按常规顺序作心音信号采集。同一个病人不同听诊区的心音信号用相同的格式。WAV分别存作不同名的文件，每个听诊区的信号采集量平均为8秒，采样频率为8000Hz，存储空间约为100KB。
2.2 心音波形显示
由于采样频率很高，心音波形显示细致。波形展开和缩回功能帮助用户方便地进行详细测量或特殊分析。每屏的正常显示宽度为8秒种的心音波形，其余原始心音数据存储备用。用户可在任何时刻冻结显示以便进行所希望的测量和分析，还可选择切取原始心音数据的任何一段作详细研究。
2.3 心音的量化分析
, 百拇医药
该系统能对心音样本各成分的幅值和时限进行测量，并记入相应的变量中，供推理程序分析判断。在人机界面上，用户通过光标来完成这些测量。由程序利用鼠标事件自动给出各段心音的时限值，所关心的某段心音的平均幅值或某波峰点的幅值。心音的时限值以秒为单位。由于心音幅值易受多种因素的影响，我们提出了相对值法，如峰值与基带幅值比等。在该项研究中，一方面把过去一些粗略的诊断指标用语如A2和P2赋与了具体的实测值，另一方面，又提出了一些新的量化的决策参数，如M1(二尖瓣听诊区第一心音幅值)、T1(三尖瓣听诊区第一心音幅值)、M1/T1比等。
2.4 基于知识的模式识别方法
该系统在心音样本的识别中非常重视医学知识的作用，把医生听诊和识别心音图的知识和经验获取过来，应用于建立不同心音的模式，表达于相应的推理规则。为了识别心音各成分的性质，我们将除基带外的心音信号分为两类：短促音(transient)和杂音(murmur)，杂音的时限大于短促音。基于知识的识别过程是：首先确定心音信号中的基带，然后在基带的基础上确定出心音信号中峰形波的位置、幅值、频率等基本事实，再由推理机调用执行推理规则，识别出峰形波为第一心音、第二心音、附加音以及杂音等，并确定心音类型。在系统中，我们采用了产生式规则来表示识别心音的知识。例如：
, 百拇医药
Rule020:如果 二尖瓣听诊区有舒张期杂音
主动脉瓣听诊区无舒张期杂音
则 二尖瓣狭窄
2.5 重视多方面信息的利用
为了增强诊断能力，该系统重视多方面信息的利用。例如，利用采集心音信号时传感器位置信息加上杂音在心动周期中的位置信息，就可以作出至少8种可能的诊断结论：
心音信号采集部位
杂音在心动周期中的位置
可能的诊断
二尖瓣听诊区
舒张期
, 百拇医药
二尖瓣狭窄
二尖瓣听诊区
收缩期
二尖瓣关闭不全
三尖瓣听诊区
舒张期
三尖瓣狭窄
三尖瓣听诊区
收缩期
三尖瓣关闭不全
主动脉瓣听诊区
舒张期
主动脉瓣关闭不全
, 百拇医药
主动脉瓣听诊区
收缩期
主动脉瓣狭窄
肺动脉瓣听诊区
舒张期
肺动脉瓣关闭不全
肺动脉瓣听诊区
收缩期
肺动脉瓣狭窄
2.6 有机组合不同的信号分析方法
首先使用时域分析方法，当需要时能转而应用其它的分析方法。如心房扑动时，舒张期可能短于收缩期，不能按普通方法自定位第一心音和第二心音，这时结合频域分析法则能解决问题。
, 百拇医药
2.7 在心音临床、教学、科研应用中视听结合
该系统让医生听心音的同时能看见心音波形，这种视听结合功能将有益于听力已减退的医生的诊断工作，有助于心动过速时的心音的分析，其心音回放功能为心脏病会诊和医学人员间的交流提供了一种新的手段。可在重病监护病房、产房或手术室作为心脏变力性和变时性状态的一种监测工具。此外还能丰富教学和学术会议的内容和形式。医学生能利用该系统的心音库像他们的导师那样同时看和听同一个病人的心音，学习听诊技能和波形分析方法，还可在病房作为床旁心脏听诊教学工具。
2.8 打印
该系统能连接大多数并行打印机，打印硬拷贝作永久病人记录，便于跟踪病人病情变化过程，作治疗前后心脏的心音学变化比较。
3 性能测试
系统的性能在其应用中进行了150人次测试。它的最重要的性能包括：(1)心音幅值分辨力；(2)心音各成分的时限的测量的准确性。心音幅值分辨力评估方法是：用该系统分别在各常规心音听诊区采集心音信号，分别测量各样本的心音波的峰值和基线幅值，如果同一个受试者的任一样本的心音波的峰值大于等于基线幅值的3倍即可符合要求，因为这已能满足人眼和计算机自动分析心音信号的要求。心音各成分的时限的测量的准确性的评估方法是：在受试者处于静息和呼气后屏气状态下同时分别用该系统和传统方法测量心动周期，用t检验比较差异的显著性。
, 百拇医药
性能测试结果表明，经150人次测试分析，就人数来看，每位受试者的心音样本的幅值分辨力都达到了上述标准，其中2人由于肺气肿使心音信号衰减，他们的A2和P2区的心音幅值分辨力差，但M区和T区的心音幅值分辨力仍然都达到了上述标准。经26人次测试分析，该系统和传统方法测量心动周期所得时限数据之间没有明显的差异(P=0.2)。时限测量的这种准确性主要决定于计算机内的时钟。
4 讨 论
应用经验表明，该系统在心音临床、科研应用中视听结合功能可补偿普通的即便是最好的听诊的不足，使过去对心音各成分时间的粗略估计替换为具体的实测数据，能检出微弱但很重要的心音事件，从而实现心音的优化分析，节省医学人员的宝贵时间。
它能充分利用便携特点和笔记本计算机的强大功能。它有满意的心音量化和分析功能，且便于带到门诊部、诊所、重症监护病房乃至家庭作临床应用，便于带到教室作教学用，带至学术会议作交流用，带至展览会作产品宣传用。还能带到手术室监护麻醉药对心脏的抑制作用，带到产房作胎儿心脏监护用，带至体育运动现场评估运动员的心力贮备。
, 百拇医药
这一方法优于其它心血管检查方法在于无创性、方便快速，且费用低廉。这些特点能使它成为临床，科研和教学的实用性强的系统。该系统与其它心血管检查方法有一种互补的作用，它们有机地结合起来能进一步完善无创性心血管疾病诊断方法，作为一种筛查手段。
因此，我们将继续完善该项研究。我们的目标是：(1)紧密结合心血管病的临床、教学和科研；(2)逐步提高系统智能化程度，包括为该系统组装辅助诊断子系统；(3)把该系统与相关研究成果(如心电研究)集成为临床虚拟仪器。
作者简介：肖仪华：女，57岁，副教授。
5 参考文献
[1]Ron J，Belt V and Ronan JA.Cardiology 2nd Edition,1979,Year Book Medical Publisher,P95
, 百拇医药
[2]吴延军，徐泾平，赵艳等.心音信号处理与识别.中国医疗器械杂志，1996，20(5)：292
[3]卢耘，等.心音信号的泛图研究.中国生物医学工程学报，1996，15(3)：208
[4]Zhan Xiaoxin,Pei Jianhua,Xiao Yihua,et al.A Computer-based heart sound simulator.MEDINFO 95 Proceedings
[5]王文辉，陈瑞荣，常蕴，等.便携式心音分析议的研制.中国医疗器械杂志，1994，18(1)：9
[6]肖守中，曹泽翰，周世勇.基于多媒体计算机的心音分析系统.电子产品设计和应用，1998，(3)：34
(1998-06-22收稿,1998-10-08修回), 百拇医药
单位：肖仪华 裴驭力 贵州大学物理系(贵阳 550025)；曹泽翰 重庆大学计算机系(重庆 400044)；周世勇 肖守中 博精医药信息研究所(重庆 400044)
关键词：心音；信号处理；量化；笔记本计算机
北京生物医学工程990108 摘 要 基于笔记本计算机的心音分析仪由心音传感器、心音信号 预处理盒、笔记本计算机、打印机、音箱和心音信号处理软件组成。它的开发目的是充分利用笔记本计算机的便携特点和强大功能。该系统在Windows 95操作系统下用VISUAL BASIC编 程。软件设计中结合了传统的信号处理方法和知识工程技术，使它具有客观的心音量化和分析功能。该系统具有无创性、方便快速，且费用低廉，与其它心血管检查方法有互补作用，可作为临床、科研和教学的实用性的系统。
, http://www.100md.com A Notebook Computer Based Heart Sound Analysis Instrument
Xiao Yihua, Pei Yuli，Cao Zehan*，Zhou Shiyong, Xiao Shouzhong**
(Department of Physics,Guizhou University,Guiyang 550025)
(*Department of Computer,Chongqing University,400044)
(* *Bo-jing Medical Informatics Institute,Chongqing 400044)
Abstract A notebook computer based heart sound analysis instrument, consisting of phonoca rdiographic sensor, heart sound signal preprocessing box, notebook computer, printer, speakers, and heart sound signal processing software is introduced. The objective of the development was to fully utilize both the portability and powerful functions of notebook computer. The program was developed with Visual Basic 4.0 for Windows 95. The software made use of engineering and technical knowledge , and traditional signal processing methods as well. The instrument has function s of objective and quantitative analysis. The system is non-invasive, easy to use, and low-cost, and is complementary to other techniques for diagnosing cardi ovascular diseases. It is a practical system for clinic, scientific research, and teching.
, 百拇医药
Key words:Heart sound; Signal processing; Notebook computer; Quantif ication
0 前 言
心血管疾病是严重威胁人类健康的疾病之一。心音检测和分析是了解心脏和大血管状态的一种不可缺少的手段。心音分析具有重要的临床价值，例如，对于慢性阻塞性肺疾病(COPD)等引起的继发性肺动脉高压，在肺动脉尚无明显扩张、肺动脉瓣尚无相对性关闭不全时，X-线检查和超声检查都不会有阳性发现，据报道[1]，M型超声检查难于显示肺动脉瓣。原发性肺动脉高压的诊断也是如此。肺动脉插管测压虽能直接测出肺动脉压力真值，因其属于损伤性检查，不能作为常规检查项目。而心音分析中的A2/P2相对振幅比却能提供客观诊断线索。COPD的发病率在人群中极高，可以用A2/P2相对振幅比这一指标来监护COPD病人的诊疗过程。由于普通听诊具有一定的局限性和主观性，开发出了多种心音诊断仪。但基于模拟电路的心音图仪的功能有限，其应用逐渐被忽视。随着数字技术的发展，国内外再次出现心音研究的热情。研究内容包括心音信号检测、表示形式、分析、识别和模拟以及心音信号处理的临床应用[2～4]。虽然已经开发出了便携式心音图仪，但由于它们基于专用硬件，存储空间小，运算时间长，其功能有限，不能充分利用已有软件资源和信息技术，故所作出的诊断分类的数目较少[5]。80年代末期出现的多媒体技术为心音信号处理预示了美好的前景。我们曾开发出一种基于多媒体计算机的台式心音视听诊断仪[6]。它有满意的心音量化和分析功能，但不便于携带，因而使其应用范围受到一定限制。为了解决上述问题，我们开发出了一种基于笔记本计算机的心音分析仪，它能充分利用便携特点和笔记本计算机的强大功能。
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1 结构和开发环境
1.1 心音信号处理的硬件结构
该系统包括有心音传感器、心音信号预处理盒、笔记本计算机、打印机、音箱(图1)。该系统只提供一个心音传感器，像临床医师那样，用同一具听诊器分别从5个传统听诊区，必要时从一些其它区域获取心音信号。为了进一步增强心音信号和降低背景噪声，制作了一个预处理盒，它包括滤波器、放大器和电源。该系统的正常频率范围是30～500Hz，增强200～500Hz的高频成分，这有助于鉴定高频杂音，如主动脉瓣关闭不全时的杂音。增益可以调节，以帮助记录微弱的心音。
图1 硬件组成结构框图
1.2 心音信号处理的软件环境
该系统在WINDOWS 95操作系统下用VISUAL BASIC编程，可在WINDOWS 3.1或WINDOWS 95操作系统下运行。
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2 该系统心音信号处理的性能和特点
2.1 心音信号采集和存储
作心音信号采集时，屏幕上出现一个心音信号采集部位菜单，引导用户按常规顺序作心音信号采集。同一个病人不同听诊区的心音信号用相同的格式。WAV分别存作不同名的文件，每个听诊区的信号采集量平均为8秒，采样频率为8000Hz，存储空间约为100KB。
2.2 心音波形显示
由于采样频率很高，心音波形显示细致。波形展开和缩回功能帮助用户方便地进行详细测量或特殊分析。每屏的正常显示宽度为8秒种的心音波形，其余原始心音数据存储备用。用户可在任何时刻冻结显示以便进行所希望的测量和分析，还可选择切取原始心音数据的任何一段作详细研究。
2.3 心音的量化分析
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该系统能对心音样本各成分的幅值和时限进行测量，并记入相应的变量中，供推理程序分析判断。在人机界面上，用户通过光标来完成这些测量。由程序利用鼠标事件自动给出各段心音的时限值，所关心的某段心音的平均幅值或某波峰点的幅值。心音的时限值以秒为单位。由于心音幅值易受多种因素的影响，我们提出了相对值法，如峰值与基带幅值比等。在该项研究中，一方面把过去一些粗略的诊断指标用语如A2和P2赋与了具体的实测值，另一方面，又提出了一些新的量化的决策参数，如M1(二尖瓣听诊区第一心音幅值)、T1(三尖瓣听诊区第一心音幅值)、M1/T1比等。
2.4 基于知识的模式识别方法
该系统在心音样本的识别中非常重视医学知识的作用，把医生听诊和识别心音图的知识和经验获取过来，应用于建立不同心音的模式，表达于相应的推理规则。为了识别心音各成分的性质，我们将除基带外的心音信号分为两类：短促音(transient)和杂音(murmur)，杂音的时限大于短促音。基于知识的识别过程是：首先确定心音信号中的基带，然后在基带的基础上确定出心音信号中峰形波的位置、幅值、频率等基本事实，再由推理机调用执行推理规则，识别出峰形波为第一心音、第二心音、附加音以及杂音等，并确定心音类型。在系统中，我们采用了产生式规则来表示识别心音的知识。例如：
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Rule020:如果 二尖瓣听诊区有舒张期杂音
主动脉瓣听诊区无舒张期杂音
则 二尖瓣狭窄
2.5 重视多方面信息的利用
为了增强诊断能力，该系统重视多方面信息的利用。例如，利用采集心音信号时传感器位置信息加上杂音在心动周期中的位置信息，就可以作出至少8种可能的诊断结论：
心音信号采集部位
杂音在心动周期中的位置
可能的诊断
二尖瓣听诊区
舒张期
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二尖瓣狭窄
二尖瓣听诊区
收缩期
二尖瓣关闭不全
三尖瓣听诊区
舒张期
三尖瓣狭窄
三尖瓣听诊区
收缩期
三尖瓣关闭不全
主动脉瓣听诊区
舒张期
主动脉瓣关闭不全
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主动脉瓣听诊区
收缩期
主动脉瓣狭窄
肺动脉瓣听诊区
舒张期
肺动脉瓣关闭不全
肺动脉瓣听诊区
收缩期
肺动脉瓣狭窄
2.6 有机组合不同的信号分析方法
首先使用时域分析方法，当需要时能转而应用其它的分析方法。如心房扑动时，舒张期可能短于收缩期，不能按普通方法自定位第一心音和第二心音，这时结合频域分析法则能解决问题。
, 百拇医药
2.7 在心音临床、教学、科研应用中视听结合
该系统让医生听心音的同时能看见心音波形，这种视听结合功能将有益于听力已减退的医生的诊断工作，有助于心动过速时的心音的分析，其心音回放功能为心脏病会诊和医学人员间的交流提供了一种新的手段。可在重病监护病房、产房或手术室作为心脏变力性和变时性状态的一种监测工具。此外还能丰富教学和学术会议的内容和形式。医学生能利用该系统的心音库像他们的导师那样同时看和听同一个病人的心音，学习听诊技能和波形分析方法，还可在病房作为床旁心脏听诊教学工具。
2.8 打印
该系统能连接大多数并行打印机，打印硬拷贝作永久病人记录，便于跟踪病人病情变化过程，作治疗前后心脏的心音学变化比较。
3 性能测试
系统的性能在其应用中进行了150人次测试。它的最重要的性能包括：(1)心音幅值分辨力；(2)心音各成分的时限的测量的准确性。心音幅值分辨力评估方法是：用该系统分别在各常规心音听诊区采集心音信号，分别测量各样本的心音波的峰值和基线幅值，如果同一个受试者的任一样本的心音波的峰值大于等于基线幅值的3倍即可符合要求，因为这已能满足人眼和计算机自动分析心音信号的要求。心音各成分的时限的测量的准确性的评估方法是：在受试者处于静息和呼气后屏气状态下同时分别用该系统和传统方法测量心动周期，用t检验比较差异的显著性。
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性能测试结果表明，经150人次测试分析，就人数来看，每位受试者的心音样本的幅值分辨力都达到了上述标准，其中2人由于肺气肿使心音信号衰减，他们的A2和P2区的心音幅值分辨力差，但M区和T区的心音幅值分辨力仍然都达到了上述标准。经26人次测试分析，该系统和传统方法测量心动周期所得时限数据之间没有明显的差异(P=0.2)。时限测量的这种准确性主要决定于计算机内的时钟。
4 讨 论
应用经验表明，该系统在心音临床、科研应用中视听结合功能可补偿普通的即便是最好的听诊的不足，使过去对心音各成分时间的粗略估计替换为具体的实测数据，能检出微弱但很重要的心音事件，从而实现心音的优化分析，节省医学人员的宝贵时间。
它能充分利用便携特点和笔记本计算机的强大功能。它有满意的心音量化和分析功能，且便于带到门诊部、诊所、重症监护病房乃至家庭作临床应用，便于带到教室作教学用，带至学术会议作交流用，带至展览会作产品宣传用。还能带到手术室监护麻醉药对心脏的抑制作用，带到产房作胎儿心脏监护用，带至体育运动现场评估运动员的心力贮备。
, 百拇医药
这一方法优于其它心血管检查方法在于无创性、方便快速，且费用低廉。这些特点能使它成为临床，科研和教学的实用性强的系统。该系统与其它心血管检查方法有一种互补的作用，它们有机地结合起来能进一步完善无创性心血管疾病诊断方法，作为一种筛查手段。
因此，我们将继续完善该项研究。我们的目标是：(1)紧密结合心血管病的临床、教学和科研；(2)逐步提高系统智能化程度，包括为该系统组装辅助诊断子系统；(3)把该系统与相关研究成果(如心电研究)集成为临床虚拟仪器。
作者简介：肖仪华：女，57岁，副教授。
5 参考文献
[1]Ron J，Belt V and Ronan JA.Cardiology 2nd Edition,1979,Year Book Medical Publisher,P95
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[2]吴延军，徐泾平，赵艳等.心音信号处理与识别.中国医疗器械杂志，1996，20(5)：292
[3]卢耘，等.心音信号的泛图研究.中国生物医学工程学报，1996，15(3)：208
[4]Zhan Xiaoxin,Pei Jianhua,Xiao Yihua,et al.A Computer-based heart sound simulator.MEDINFO 95 Proceedings
[5]王文辉，陈瑞荣，常蕴，等.便携式心音分析议的研制.中国医疗器械杂志，1994，18(1)：9
[6]肖守中，曹泽翰，周世勇.基于多媒体计算机的心音分析系统.电子产品设计和应用，1998，(3)：34
(1998-06-22收稿,1998-10-08修回), 百拇医药