唐洪，覃開(kāi)蓉，邱天爽

大連理工大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程系，遼寧大連 116024

基于心音的心功能監(jiān)測(cè)方法及裝置

唐洪，覃開(kāi)蓉，邱天爽

大連理工大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程系，遼寧大連 116024

心音是心臟血流動(dòng)力與心臟相互作用而產(chǎn)生的一系列機(jī)械振動(dòng)。從心音的產(chǎn)生機(jī)制上看，心音特征與心臟血流動(dòng)力之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。心音特征有可能實(shí)時(shí)反映某些心功能的變化。本文總結(jié)前人的研究成果，定義了5個(gè)心音特征指標(biāo)，在硬件平臺(tái)上對(duì)志愿者高負(fù)荷運(yùn)動(dòng)后的心音進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。結(jié)論表明心音特征指標(biāo)能實(shí)時(shí)反映志愿者的心功能變化。

心音；心功能；幅度比值；舒張期與收縮期比值；心音頻率；心率

0 前言

心臟是人體血液循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)力源，而血管及各組織是動(dòng)力源的負(fù)載。心肌在心電傳導(dǎo)系統(tǒng)的作用下依次收縮和舒張，驅(qū)動(dòng)血液流經(jīng)血管及各組織，進(jìn)行物質(zhì)交換，滿足身體代謝的需要。心臟的心房、心室、瓣膜及大血管在血流作用下會(huì)產(chǎn)生一系列機(jī)械振動(dòng)[1-2]。這些機(jī)械振動(dòng)可傳播到體表的胸部、背部，稱為體表心音。通常情況下，能聽(tīng)到第一心音S1、第二心音S2。聽(tīng)診器是聽(tīng)診這些機(jī)械振動(dòng)的常用工具。從心音的產(chǎn)生機(jī)制上看，這些機(jī)械振動(dòng)是心臟自身與心臟血流動(dòng)力的直接產(chǎn)物，是監(jiān)測(cè)心臟功能的重要信息來(lái)源。

長(zhǎng)期以來(lái)，臨床醫(yī)生依靠聽(tīng)診器對(duì)心臟功能進(jìn)行初步篩查。心臟聽(tīng)診行之有效，被臨床醫(yī)生們廣泛接受，并總結(jié)出了大量有效的聽(tīng)診經(jīng)驗(yàn)[3]。然而，人耳對(duì)心音的響度、音調(diào)、時(shí)間等特征的分辨是有限的，人們的經(jīng)驗(yàn)也是有局限性的。在現(xiàn)代信息技術(shù)的條件下，有必要利用計(jì)算機(jī)方法對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行深入分析，發(fā)掘出心音中更豐富的生理信息，以利于對(duì)心臟功能更準(zhǔn)確的掌握。前人為此進(jìn)行了大量研究。重慶大學(xué)肖守中教授、郭興明教授等[4-7]研究發(fā)現(xiàn)，第一心音幅值反映了心肌收縮力的強(qiáng)弱，是評(píng)估人體心功能的有效指標(biāo)。鑒于個(gè)體差異較大，為了消除個(gè)體差異，以第一心音與第二心音幅值的相對(duì)比例表示。心臟舒張期與收縮期的時(shí)間比值，也被作為一個(gè)指標(biāo)[6-7]，用于評(píng)估心臟自身供血是否充足。心音的頻率與心臟各組織的物理性質(zhì)和心臟血流動(dòng)力有密切關(guān)系。心音產(chǎn)生的理論模型及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)均表明[8-12]，血壓變化率升高，心音的頻率也隨之升高；瓣膜鈣化，心音頻率也會(huì)升高。因此，心音頻率也是一個(gè)指標(biāo)，長(zhǎng)期跟蹤心音頻率的變化，有助于推斷心臟自身物理性質(zhì)的變化。此外，心率也是心音的一個(gè)輔助指標(biāo)。本文在綜合前人研究成果的基礎(chǔ)上，從應(yīng)用的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)自動(dòng)的心音信號(hào)處理算法，提取這些指標(biāo)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心臟的心功能。

1 信號(hào)處理方法

1.1 心音定位

心音定位是指在心音信號(hào)數(shù)值序列中確定心音所在的位置，也稱為心音分割。本文以心音的包絡(luò)及其門(mén)限來(lái)確定心音的位置。提取包絡(luò)前，先進(jìn)行預(yù)處理。①濾波：心音信號(hào)即使包括心雜音在內(nèi)，其頻率范圍往往不超過(guò)600 Hz。為了消除在此頻率范圍外的噪聲或干擾，有必要對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行通帶為[20 600]Hz的濾波處理；②采樣率2 kHz較為適宜。低采樣率也有助于降低后繼處理的計(jì)算量；③幅度歸一化：有利于統(tǒng)一參數(shù)。若心音信號(hào)表示為x（n），則其香濃能量表示為：

香濃能量的平滑，即可得到香濃包絡(luò)

包絡(luò)的提取，如圖1所示。根據(jù)門(mén)限的作用，即可確定第一心音S1、第二心音S2的位置。

圖1 心音的定位

1.2 心音幅度的比值

心音幅度的比值，是S1、S2幅度的最大絕對(duì)值的比值。若S1（n）表示第一心音的時(shí)間序列，S2（n）表示第二心音的時(shí)間序列，則比值表示為：

1.3 舒張期與收縮期的比值

根據(jù)判S1、S2的位置，可進(jìn)一步確定心臟的收縮期S、舒張期D，如圖2所示。計(jì)算舒張期與收縮期的比值為

圖2 從心音中檢測(cè)收縮期和舒張期

1.4 心音頻率的計(jì)算

關(guān)于信號(hào)頻率的估計(jì)，通常采樣功率譜方法，找出功率譜的峰值對(duì)應(yīng)的頻率。但是，S1、S2的持續(xù)時(shí)間較短，一般在幾十毫秒至一百多毫秒，導(dǎo)致基于傅立葉變換的功率譜估計(jì)方法對(duì)頻率的分辨率較低。為此，本文采用了能量加權(quán)頻率對(duì)心音頻率進(jìn)行估計(jì)。若S1（n）表示第一心音的時(shí)間序列，則它的解析信號(hào)表示為

同理，可計(jì)算出第二心音的能量加權(quán)頻率，

從定義看出，心音的幅值越高，對(duì)頻率計(jì)算的貢獻(xiàn)越大。這種頻率的計(jì)算方法綜合考慮了心音的能量分布，對(duì)能量較大的部分賦予較高的權(quán)值。該方法也不需要進(jìn)行傅立葉變換，計(jì)算量小。

1.5 心率的估計(jì)

關(guān)于心率的估計(jì)，有較簡(jiǎn)單的方法。在心音定位完成后，統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)S1、S2的個(gè)數(shù)即可。稍復(fù)雜的，可采用循環(huán)頻率域的方法[13]。對(duì)于一段心音信號(hào)（至少兩個(gè)心動(dòng)周期以上），可計(jì)算循環(huán)頻率譜密度函數(shù)：

圖3 基于循環(huán)頻率估計(jì)心率

2 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

將以上心音特征提取方法集成在一個(gè)TI的開(kāi)發(fā)平臺(tái)上，對(duì)志愿者的心音信號(hào)進(jìn)行分析（圖4）。從青年學(xué)生中選取健康志愿者12人，年齡22～25歲之間。告知志愿者全部實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并取得知情同意書(shū)。為了誘導(dǎo)志愿者的心功能變化，每名志愿者攀爬100臺(tái)階后，仰臥于體檢床，并采集二尖瓣位置的心音信號(hào)，直到志愿者恢復(fù)到平靜狀態(tài)為止。從生理上看，志愿者從高負(fù)荷狀態(tài)到平靜狀態(tài)，心功能出現(xiàn)了顯著變化，以上的心音特征指標(biāo)應(yīng)該對(duì)心功能的變化有所反映。將測(cè)試結(jié)果收集起來(lái)，其中一名志愿者的測(cè)試結(jié)果如圖5所示?？梢?jiàn)，在高負(fù)荷狀態(tài)結(jié)束時(shí)，志愿者的心音幅度比值較大（最高超過(guò)10），說(shuō)明此時(shí)心臟極強(qiáng)的收縮力；D/S的比值大于1.5，舒張期顯著大于收縮期，說(shuō)明心臟自身供血充足。隨著時(shí)間推移，心臟負(fù)荷下降，以上指標(biāo)隨之降低。第一心音頻率的局部極大值有增加趨勢(shì)，而局部極小值變化不大，是因?yàn)橹驹刚叩暮粑饔脤?duì)心臟血流動(dòng)力產(chǎn)生了二次調(diào)制（高負(fù)荷狀態(tài)下，有深度呼吸且頻率快），導(dǎo)致心臟血流動(dòng)力不僅隨心動(dòng)周期改變，而且隨呼吸周期改變。第二心音主要受肺循環(huán)的作用，變化不大。心率指標(biāo)逐漸下降至平穩(wěn)狀態(tài)。

圖4 集成的心音信號(hào)處理平臺(tái)

圖5 某一名志愿者各指標(biāo)的變化情況

3 總結(jié)

本文從應(yīng)用的角度出發(fā)，總結(jié)了5個(gè)能反映心功能的心音特征，以硬件平臺(tái)對(duì)心音特征的提取進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)志愿者在高負(fù)荷運(yùn)動(dòng)后的心音進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。從生理上看，心音特征與心功能的變化趨勢(shì)是一致的。從心音特征的提取過(guò)程中可見(jiàn)，心音定位是一個(gè)關(guān)鍵步驟。若心音定位發(fā)生錯(cuò)誤，則后繼的心音特征變得不可靠。如果有同步的心電信號(hào)R波位置作為輔助信息，那么心音定位的準(zhǔn)確性會(huì)大大提高。

致謝

本文的研究受到下列項(xiàng)目的資助：①2015年高等學(xué)校本科教學(xué)改革與教學(xué)質(zhì)量工程建設(shè)項(xiàng)目；②國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61471081）。

[1]Belhouse BJ,Belhouse FH．Mechanism of closure of the aortic valve[J]．Nature,1968,217：86-87．

[2]吳延軍,徐涇平,趙燕．心音的產(chǎn)生與傳到機(jī)制[J]．生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,1996,13（3）：280-288．

[3]劉文秀．心臟聽(tīng)診[M]．北京：人民軍醫(yī)出版社,2006．

[4]Xiao S,Guo X,Sun X,et al．A relative value method for measuring and evaluating cardiac reserve[J]．Biomed Eng Online,2002,6；1-6．

[5]X iao S,GuoX,Liu G,et al．Evaluating two new indicators of cardiac reserve[J]．IEEE Eng Med Biol Mag,2003,22（4）：147-152．

[6]Xiao S,W ang Z,Hu D．Studying cardiac contractility change trend to evaluate cardiac reserve[J]．IEEE Eng Med Biol Mag,2002, 21（1）：74-76．

[7]Xiao S,Cai S,Liu G．Studying the significance of cardiac contractiligy variability[J]．IEEE Engineering in Medicine and Biology,2000, 102-105．

[8]Sakamoto T,Kusukawa R,M accanon DM,et al．Hemodynam ic determinants of the amplitude of the first heart sound[J]．Circ Res, 1965,16：45-57．

[9]Sakamoto T,Kusukawa R,M accanon DM,et al．First heart sound am plitude in experimentally induced alternans[J]．Chest, 1966,50：470-475．

[10]Edward FB,Hani NS,Paul DS．One-dimensional model of diastolic sem ilunar valve vibrations productive of heart sound[J]．J Biomech,1978,12：223-227．

[11]David LS,Paul DS,Madhukar V．A mathematical model of aortic valve vibration[J]．J Biomech,1984,17：831-837．

[12]Zhang X,Zhang Y．Model-based analysis of effects of systolic blood pressure on frequency characteristics of the second heart sound[C]．IEEE Proceeding of EMBS Annual International Conference,USA ：New York,2006．

[13]Li T,Tang H,Qiu T,et al．Best subsequence selection of heart sound recording based on degree of sound periodicity[J]．Electronics letters,2011,47：841-843．

Heart Function Monitoring Methods and Equipment Based on Heart Sounds

TANG Hong, QIN Kai-rong, QIU Tian-shuang
Department of Biomedical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China

Heart sounds are series of acoustic vibrations generated by the interaction between heart and heart dynam ics. From the viewpoint of mechanism of heart sound generation, there must be relations between heart sound features and heart dynam ics. This makes it possible to monitor the variations of cardiac functions by heart sound features. This paper presents five heart sound features that are summarized from previous studies. The algorithms to extract the features are implemented in a hardware platform to monitor heart sound in real-time from subjects. The results show that the features can reflect the variations of cardiac function.

heart sound；cardiac function；ratio of heart amplitude；ratio of diasystolic interval to systolic interval；frequency of heart sound；heart rate

R318.6

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.10.002

1674-1633（2015）10-0006-03

2015-09-15

2015年高等學(xué)校本科教學(xué)改革與教學(xué)質(zhì)量工程建設(shè)項(xiàng)目；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61471081）。

邱天爽，教授。

通訊作者郵箱：qiutsh@dlut．edu．cn