心音監(jiān)測技術(shù)臨床應(yīng)用的研究進展

侯愛生，蘭琛，羅云根，李曉雪，曹江北，米衛(wèi)東*

(1中國人民解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心麻醉科，北京 100853；2中國人民解放軍總醫(yī)院醫(yī)學(xué)創(chuàng)新研究部災(zāi)害醫(yī)學(xué)研究中心，北京100039)

心臟疾病是造成人類病殘和死亡的常見疾病，聽診器聽心音是檢查心臟狀態(tài)的常見手段之一。心臟的心房、心室、瓣膜及大血管在血流作用下產(chǎn)生一系列的機械振動，這些振動傳導(dǎo)到體表稱為心音，被視為診斷心臟病的重要生理信號。心電和心音是反應(yīng)心血管功能狀態(tài)兩種不同的監(jiān)測手段。通過心電圖顯示人體電信號變化可以診斷心臟功能異常，但心電圖局限性之一是難以監(jiān)測心臟瓣膜的結(jié)構(gòu)異常和以心臟雜音為特征的缺陷[1]。當(dāng)心血管疾病尚未發(fā)展到足以產(chǎn)生臨床及病理改變，如心電信號變化以前，心音中出現(xiàn)的雜音和畸變就是重要的診斷信息。作為一種無創(chuàng)輔助診斷工具，心音監(jiān)測技術(shù)在心血管疾病的預(yù)測中發(fā)揮著重要作用。心音與心功能具有明顯相關(guān)性，隨著聲學(xué)傳感器設(shè)計、先進數(shù)字信號處理技術(shù)及計算機技術(shù)的快速發(fā)展，通過智能裝置采集心音實現(xiàn)長期、動態(tài)的監(jiān)測，以捕捉異常的心音變化，可作為心臟疾病監(jiān)測、預(yù)防的常規(guī)手段，也可作為健康體檢的普及措施，因此心音監(jiān)測設(shè)備對預(yù)防和治療心血管疾病有重要意義。本文綜述了心音監(jiān)測技術(shù)臨床應(yīng)用的相關(guān)文獻，并對其在新興的移動醫(yī)療保健領(lǐng)域及圍術(shù)期監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用進行展望。

1 心音基礎(chǔ)

心音是指由心臟瓣膜打開或關(guān)閉、通過瓣膜口的血液流動及血液流經(jīng)心室壁大動脈壁等引起振動所產(chǎn)生的聲音。通過記錄這些聲學(xué)振動，包括其強度、頻率、質(zhì)量和持續(xù)時間可以反映心臟的功能狀況。這些機制產(chǎn)生四種心音：第一心音(S1)由二尖瓣關(guān)閉和三尖瓣關(guān)閉的振動產(chǎn)生，這與舒張末期和心室收縮期的開始相對應(yīng)；第二心音(S2)由收縮末期主動脈瓣和肺動脈瓣關(guān)閉而產(chǎn)生；第三心音(S3)是低頻的早期舒張音，在血液快速從心房進入心室時可聽到，通常僅在兒童及青少年中聽到或者發(fā)生在血容量過高和高動力的狀態(tài)；第四心音(S4)是一種晚期舒張音，對應(yīng)于晚期心室充盈，正常情況很少聽到。除了這些心音外，心臟雜音指在心臟收縮或舒張時血液在心臟或血管內(nèi)產(chǎn)生湍流所致的室壁、瓣膜或血管振動所產(chǎn)生的異常聲音[2]。

2 心音分析

早在1816年，Laennec就發(fā)明了一種聽心臟聲音的設(shè)備，稱為聲學(xué)聽診器，直接聽診一直是臨床心臟診斷的傳統(tǒng)方法，主要優(yōu)點是簡單、快速及成本低廉，但這種傳統(tǒng)聽診方法存在內(nèi)在主觀性和不準(zhǔn)確性的缺點?，F(xiàn)在科學(xué)和臨床工作者利用麥克風(fēng)傳感器記錄心臟聲音信號并繪制成圖，稱為心音圖(phonocardiogram,PCG)，通過收集和分析心音波形，可以提供更多有關(guān)心臟狀況的信息。然而，由于心音信號的特性和在環(huán)境中噪聲的影響，心音信號的監(jiān)測面臨著很大的挑戰(zhàn)。一方面，心血管疾病癥狀的隨機性和變異性導(dǎo)致信號表現(xiàn)呈現(xiàn)復(fù)雜性和多樣性；另一方面，心音信號相對較弱，原始信號的采集過程會受到各種噪聲和干擾的影響，導(dǎo)致采集到的數(shù)據(jù)噪聲大，從而降低相關(guān)參數(shù)提取的準(zhǔn)確性，增加診斷的不確定性。因此，需要使用先進的聲學(xué)傳感器設(shè)計技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)及計算機信號處理技術(shù)對心音信號進行定量的采集和分析。通過提取PCG中的關(guān)鍵參數(shù)并將患者的監(jiān)測序列與標(biāo)記的數(shù)據(jù)庫進行比較，不僅可以自動獲得更直觀的診斷結(jié)果，而且?guī)椭鷮＜医Y(jié)合臨床知識進一步推斷潛在的心血管疾病。

心音智能聽診流程包括信號采集、信號預(yù)處理和信號處理三個階段。信號采集指通過傳感器將聲音信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并將其發(fā)送到預(yù)處理模塊的過程；預(yù)處理模塊將接受到的數(shù)字信號通過去噪和定位分割方法對心音信號進行預(yù)處理。由于外部環(huán)境的影響，心音信號常受到多種因素干擾。監(jiān)測的診斷準(zhǔn)確性直接受到信號質(zhì)量和隨后提取的特征的影響。因此，去噪是提高心音自動監(jiān)測精度的第一個重要步驟。用于心音去噪的技術(shù)包括離散小波變換(discrete wavelet transform，DWT)，自適應(yīng)濾波去噪(adaptive filter denoising,AFD)和奇異值分解(singular value decomposition,SVD)等。此外，應(yīng)用組合方法以獲得更好的效果，這有助于提高信號質(zhì)量和監(jiān)測精度。PCG信號預(yù)處理的第二階段是將心音信號定位分割，分割的目的是找到心音周期的開始和結(jié)束，并區(qū)別S1和S2以標(biāo)記收縮期和舒張期，以便隨后的特征提取。預(yù)處理后的心音信號經(jīng)過第三階段的功能提取和分類后就可以進行臨床診斷[3]。心音信號進行功能提取后將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為某種類型的參數(shù)。然后，這些參數(shù)(也可稱為特征)可用于進一步的分析和處理。分類器經(jīng)過提取功能培訓(xùn)，對數(shù)據(jù)進行分類，就可以協(xié)助醫(yī)學(xué)專家進行臨床診斷決策。

3 心音監(jiān)測技術(shù)的臨床應(yīng)用

3.1 心音監(jiān)測在圍術(shù)期的應(yīng)用

在全身麻醉下監(jiān)測患者手術(shù)期間的心臟和呼吸功能至關(guān)重要。心臟聲音提供了心肌收縮、血動狀態(tài)、血管阻力和肺動脈的重要信息,利用心音的不同成分可以測算出血容量和動脈血壓的變化趨勢，且心音的反應(yīng)性比血壓數(shù)值的變化更加迅速[4]。Moon等[5]使用經(jīng)食管聽診器記錄的術(shù)中心音圖，定量評估了心臟聲音成分調(diào)制的時間和頻率域，以及它們與幾種心血管藥物作用下左心室收縮和外周血管阻力(peripheral vascular resistance，SVR)的關(guān)聯(lián)；該研究表明麻黃堿/艾司洛爾和去氧腎上腺素/尼卡地平分別主要影響心臟聲音的S1和S2，S2心臟聲音與SVR的變化密切相關(guān)，維持足夠的SVR水平對維持血壓，特別是重癥監(jiān)護患者重要器官的灌注至關(guān)重要。Parsaei等[6]設(shè)計了一種無線電子食管聽診器，用于麻醉患者心肺聲音的持續(xù)麻醉，能夠成功地捕捉和傳輸心肺聲音，因此可以用來持續(xù)監(jiān)測麻醉患者的心臟和呼吸功能，可能適合在某些條件下(如CT掃描期間)遠距離可視實時地觀察患者。Nezafati等[7]評估在接受肝移植手術(shù)的患者中，使用食管聽診器連續(xù)監(jiān)測術(shù)中心臟聲音是否可以代替脈沖壓力(pulse pressure，PP)及其脈壓變異率(pulse pressure variability，PPV)等常見的血流動力學(xué)參數(shù)，用來表明液體反應(yīng)能力。結(jié)果表明對心音信號(S1、S2)、心音收縮時間(phonocardiographic systolic time, PST)和呼吸變異量(respiratory variation，PSV)等參數(shù)的無創(chuàng)性監(jiān)測可以在肝移植過程中提供有用的連續(xù)血液動力學(xué)指數(shù)，對PST和PSV的術(shù)中監(jiān)測將使臨床醫(yī)師能夠評估手術(shù)患者的心血管狀況。這些結(jié)果表明術(shù)中心音圖可能具有監(jiān)測接受麻醉的患者中常見的收縮性和后負荷變化的潛力，心音圖有可能被用作監(jiān)測的無創(chuàng)工具。

食管聽診器和心臟聲音也用于先心病的各種臨床研究，使用經(jīng)食管聽診器研究動脈導(dǎo)管未閉(patent ductus arteriosus,PDA)中的心臟雜音，術(shù)中食管聽診器為PDA手術(shù)提供了非常有效的監(jiān)測技術(shù)，在沒有經(jīng)食管超聲心動圖(transesophageal echocardiography，TEE)多普勒監(jiān)測的情況下，可作為一種簡單、廉價及有價值的工具[7，8]。Berraih等[9]使用雙分析技術(shù)對心音圖信號進行病理鑒別，通過可視化顯示，PCG信號可以為醫(yī)師提供更多關(guān)于心音病理鑒別的信息支持。

通過食管聽診器和無線藍牙傳輸分析心臟聲音和收縮壓，可以確認血壓與S1、S2和S1/S2各有正相關(guān)關(guān)系。由于S1/S2顯示其中最高的相關(guān)性，它可以用作適當(dāng)?shù)闹笖?shù)來顯示與血壓的相關(guān)性[10]。無線聽診器的優(yōu)點是侵入性較小，使用方便，缺點是在嘈雜的環(huán)境中，需要解決所獲得信號的低信號噪聲比問題。

3.2 心音監(jiān)測心力衰竭

心音監(jiān)測可以為心力衰竭患者提供重要診斷信息[11]。S3被認為是心力衰竭的最早跡象之一，但常常需要有經(jīng)驗的醫(yī)師才能較好地分辨出來[12,13]。S3在40歲以上的年齡組通常是異常表現(xiàn)，可能原因是心房功能障礙，也可能與心室容量超負荷有關(guān)，而S4可能與舒張期心力衰竭有關(guān)[14]。S3特征反映了一些心臟特性，如心排血量減少、射血分?jǐn)?shù)降低、左心室肥厚和通常在進展性心力衰竭中發(fā)生的舒張末期壓力升高，對心力衰竭診斷的特異性非常高[15,16]。Cao等[17]評估了植入式心臟設(shè)備測量S3預(yù)測心力衰竭事件的能力，發(fā)現(xiàn)植入設(shè)備監(jiān)測S3可識別心力衰竭風(fēng)險增加5.7倍的患者，可實現(xiàn)客觀、連續(xù)和自動的遠程監(jiān)控。S3強度弱、持續(xù)時間短、頻率低的特點，使人耳很難通過聽診器等傳統(tǒng)聽診設(shè)備監(jiān)測到，導(dǎo)致臨床醫(yī)師之間的診斷不一致率很高。這個問題可以通過使用高靈敏度的傳感器和計算機輔助方法來更有效地捕捉和識別S3聲音來解決[13,18]。

3.3 心音監(jiān)測冠狀動脈疾病

有研究通過心音監(jiān)測冠狀動脈疾病。冠狀動脈疾病是由于沉積的斑塊使冠狀動脈壁增厚和內(nèi)腔狹窄(動脈粥樣硬化)所致。據(jù)推測，動脈阻塞導(dǎo)致血流受限，從而產(chǎn)生特有的湍流聲，隨著傳感器、數(shù)據(jù)過濾和分析能力的技術(shù)進步，湍流冠狀動脈血流的聲學(xué)特征能被監(jiān)測、分析并應(yīng)用于臨床，進行診斷和風(fēng)險分層[19]。Thomas等[20]指出心音監(jiān)測是一種便攜式、無輻射、具有成本效益的方法，具有提供準(zhǔn)確診斷或排除嚴(yán)重冠狀動脈疾病的潛力。新型手持式心音設(shè)備可以大大提高資源利用率、效率、可訪問性并降低成本。

3.4 心音監(jiān)測與動脈血壓的相關(guān)性

目前血壓監(jiān)測主要分為有創(chuàng)監(jiān)測和無創(chuàng)監(jiān)測，有創(chuàng)的血壓監(jiān)測方法是通過穿刺動脈置管(如橈動脈、足背動脈等處)進行血壓監(jiān)測。雖然這種測量方法可進行連續(xù)的血壓監(jiān)測，但是這種方法技術(shù)要求高，患者易感染，不適合家庭使用。無創(chuàng)的血壓監(jiān)測方法需要穿戴袖帶，缺乏舒適性，需要充放氣，無法實現(xiàn)血壓的連續(xù)測量，而且對于燒傷及實施雙上肢手術(shù)的患者來說，也不太適用。鑒于無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測在危重患者救治中的重要意義，人們嘗試從心音中提取血壓信息，例如Zhang等[21]提出第二心音的時間與主動脈血壓有關(guān)。

隨著研究的深入，越來越多新的參數(shù)被從心音及其他相關(guān)信號中被解析出來，用于動脈血壓的估計。Ha等[22]使用加速度計傳感器測量另一種心臟機械運動信號即心沖擊圖(seismocardiogram，SCG)，發(fā)現(xiàn)SCG和收縮壓之間具有相關(guān)性。Bombardini等[15]使用加速計記錄第1和第2心音的比率，以此計算舒張時間和舒張/收縮期時間比。Tang等[23]根據(jù)不同劑量腎上腺素誘發(fā)的各種壓力差異，對左心室中各種心音特征與收縮壓的相關(guān)性進行了研究，認為通過探索心臟聲音的特征，可以預(yù)測血壓技術(shù)，可作為實時血壓監(jiān)測的替代方案，在家庭醫(yī)療保健環(huán)境中具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前基于脈搏波傳導(dǎo)時間(pulse wave transit time，PWTT)的血壓測量方法是一種應(yīng)用廣泛的無創(chuàng)血壓測量方法，據(jù)Ganti 等[24]報道，PWTT與動脈血壓有良好的一致性,并嘗試將其應(yīng)用于家庭無創(chuàng)血壓的測量。麻醉誘導(dǎo)是患者血流動力學(xué)不穩(wěn)定的時期，高血壓患者血壓波動幅度會更大。在麻醉誘導(dǎo)此類患者期間，間歇性非侵入性血壓測量可能太慢且不準(zhǔn)確，無法進行早期監(jiān)測和及時治療。當(dāng)有創(chuàng)血壓監(jiān)測在高風(fēng)險高血壓患者中不可用時，連續(xù)的PWTT測量已被證明是提供快速可用的心血管信息的替代方案[25]。然而，F(xiàn)innegan等[26]指出在很多研究中研究人員誤將脈搏到達時間(pulse arrival time，PAT)作為PWTT進行統(tǒng)計，而PAT不僅包括PWTT還包括了射血前期，因此僅利用心電圖和脈搏波估算的血壓值可能存在較大的誤差，使用心音信號來測量PWTT可以克服這一不足。

Adithya等[27]開發(fā)了一種即時監(jiān)測設(shè)備，通過測量整個血流動力學(xué)過程并篩選出多個關(guān)鍵參數(shù)，其中血流聲壓場的初步結(jié)果揭示了心臟和呼吸聲音中存在脈沖式的聲波，并開發(fā)出一套獨特的算法來從血流的聲壓場中提取連續(xù)的血壓。在某些特殊條件下提供了一種無創(chuàng)的方法來實現(xiàn)血壓的連續(xù)監(jiān)測，具有顯著的應(yīng)用前景，從而對心血管疾病的管理產(chǎn)生重大影響。比如在高血壓篩查和管理中，實時無創(chuàng)連續(xù)監(jiān)測血壓不僅可以幫助診斷主要原因，還可以改進藥物方案和改善患者生物反饋。

4 總 結(jié)

心臟疾病的早期診斷至關(guān)重要，方便而且具有成本效益的方法非常重要。心音和雜音提供了有價值的診斷信息，心音監(jiān)測可以通過捕捉異常心音變化，對早期和突發(fā)心臟病進行長期、動態(tài)監(jiān)測，提供早期診斷，還可以提供詳細的、無創(chuàng)的血流動力學(xué)監(jiān)測數(shù)據(jù)，有廣泛的臨床和研究應(yīng)用。心音監(jiān)測的局限性在于監(jiān)測過程中經(jīng)常受到各種噪聲因素的干擾，尤其是振幅較低且與噪聲具有相似特征的雜音可能較難采集到。因此，開發(fā)能夠在嘈雜環(huán)境中工作的精確降噪算法具有十分重要的意義。另外，隨著計算機智能和機器學(xué)習(xí)技術(shù)的進步，用于心臟病診斷的計算機輔助診斷系統(tǒng)越來越受到關(guān)注。醫(yī)療信號的處理成為主要的研究問題之一。需要大量的心音數(shù)據(jù)來補充心音數(shù)據(jù)庫。心音數(shù)據(jù)是發(fā)現(xiàn)心血管疾病隱藏特征的可靠信息來源。因此，有必要完成和改進心音數(shù)據(jù)庫及其相應(yīng)的專家注釋，以獲得更好的模型訓(xùn)練和更準(zhǔn)確的輔助診斷。