侯愛(ài)生，蘭琛，羅云根，李曉雪，曹江北，米衛(wèi)東*

(1中國(guó)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(guó)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(jiàn)疾病，聽(tīng)診器聽(tīng)心音是檢查心臟狀態(tài)的常見(jiàn)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(jī)械振動(dòng)，這些振動(dòng)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(hào)。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(cè)手段。通過(guò)心電圖顯示人體電信號(hào)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(cè)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(hào)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(wú)創(chuàng)輔助診斷工具，心音監(jiān)測(cè)技術(shù)在心血管疾病的預(yù)測(cè)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(jì)、先進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，通過(guò)智能裝置采集心音實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)，以捕捉異常的心音變化，可作為心臟疾病監(jiān)測(cè)、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(cè)設(shè)備對(duì)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(cè)技術(shù)臨床應(yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)，并對(duì)其在新興的移動(dòng)醫(yī)療保健領(lǐng)域及圍術(shù)期監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行展望。

1 心音基礎(chǔ)

心音是指由心臟瓣膜打開(kāi)或關(guān)閉、通過(guò)瓣膜口的血液流動(dòng)及血液流經(jīng)心室壁大動(dòng)脈壁等引起振動(dòng)所產(chǎn)生的聲音。通過(guò)記錄這些聲學(xué)振動(dòng)，包括其強(qiáng)度、頻率、質(zhì)量和持續(xù)時(shí)間可以反映心臟的功能狀況。這些機(jī)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(dòng)產(chǎn)生，這與舒張末期和心室收縮期的開(kāi)始相對(duì)應(yīng)；第二心音(S2)由收縮末期主動(dòng)脈瓣和肺動(dòng)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?gòu)男姆窟M(jìn)入心室時(shí)可聽(tīng)到，通常僅在兒童及青少年中聽(tīng)到或者發(fā)生在血容量過(guò)高和高動(dòng)力的狀態(tài)；第四心音(S4)是一種晚期舒張音，對(duì)應(yīng)于晚期心室充盈，正常情況很少聽(tīng)到。除了這些心音外，心臟雜音指在心臟收縮或舒張時(shí)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(dòng)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(tīng)心臟聲音的設(shè)備，稱為聲學(xué)聽(tīng)診器，直接聽(tīng)診一直是臨床心臟診斷的傳統(tǒng)方法，主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、快速及成本低廉，但這種傳統(tǒng)聽(tīng)診方法存在內(nèi)在主觀性和不準(zhǔn)確性的缺點(diǎn)。現(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(hào)并繪制成圖，稱為心音圖(phonocardiogram,PCG)，通過(guò)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(hào)的特性和在環(huán)境中噪聲的影響，心音信號(hào)的監(jiān)測(cè)面臨著很大的挑戰(zhàn)。一方面，心血管疾病癥狀的隨機(jī)性和變異性導(dǎo)致信號(hào)表現(xiàn)呈現(xiàn)復(fù)雜性和多樣性；另一方面，心音信號(hào)相對(duì)較弱，原始信號(hào)的采集過(guò)程會(huì)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(jìn)的聲學(xué)傳感器設(shè)計(jì)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及計(jì)算機(jī)信號(hào)處理技術(shù)對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行定量的采集和分析。通過(guò)提取PCG中的關(guān)鍵參數(shù)并將患者的監(jiān)測(cè)序列與標(biāo)記的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較，不僅可以自動(dòng)獲得更直觀的診斷結(jié)果，而且?guī)椭鷮＜医Y(jié)合臨床知識(shí)進(jìn)一步推斷潛在的心血管疾病。

心音智能聽(tīng)診流程包括信號(hào)采集、信號(hào)預(yù)處理和信號(hào)處理三個(gè)階段。信號(hào)采集指通過(guò)傳感器將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并將其發(fā)送到預(yù)處理模塊的過(guò)程；預(yù)處理模塊將接受到的數(shù)字信號(hào)通過(guò)去噪和定位分割方法對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。由于外部環(huán)境的影響，心音信號(hào)常受到多種因素干擾。監(jiān)測(cè)的診斷準(zhǔn)確性直接受到信號(hào)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(dòng)監(jiān)測(cè)精度的第一個(gè)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(hào)質(zhì)量和監(jiān)測(cè)精度。PCG信號(hào)預(yù)處理的第二階段是將心音信號(hào)定位分割，分割的目的是找到心音周期的開(kāi)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(hào)經(jīng)過(guò)第三階段的功能提取和分類后就可以進(jìn)行臨床診斷[3]。心音信號(hào)進(jìn)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(jìn)一步的分析和處理。分類器經(jīng)過(guò)提取功能培訓(xùn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，就可以協(xié)助醫(yī)學(xué)專家進(jìn)行臨床診斷決策。

3 心音監(jiān)測(cè)技術(shù)的臨床應(yīng)用

3.1 心音監(jiān)測(cè)在圍術(shù)期的應(yīng)用

在全身麻醉下監(jiān)測(cè)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?jiǎng)訝顟B(tài)、血管阻力和肺動(dòng)脈的重要信息,利用心音的不同成分可以測(cè)算出血容量和動(dòng)脈血壓的變化趨勢(shì)，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(tīng)診器記錄的術(shù)中心音圖，定量評(píng)估了心臟聲音成分調(diào)制的時(shí)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(duì)維持血壓，特別是重癥監(jiān)護(hù)患者重要器官的灌注至關(guān)重要。Parsaei等[6]設(shè)計(jì)了一種無(wú)線電子食管聽(tīng)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(lái)持續(xù)監(jiān)測(cè)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(yuǎn)距離可視實(shí)時(shí)地觀察患者。Nezafati等[7]評(píng)估在接受肝移植手術(shù)的患者中，使用食管聽(tīng)診器連續(xù)監(jiān)測(cè)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(jiàn)的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)，用來(lái)表明液體反應(yīng)能力。結(jié)果表明對(duì)心音信號(hào)(S1、S2)、心音收縮時(shí)間(phonocardiographic systolic time, PST)和呼吸變異量(respiratory variation，PSV)等參數(shù)的無(wú)創(chuàng)性監(jiān)測(cè)可以在肝移植過(guò)程中提供有用的連續(xù)血液動(dòng)力學(xué)指數(shù)，對(duì)PST和PSV的術(shù)中監(jiān)測(cè)將使臨床醫(yī)師能夠評(píng)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(cè)接受麻醉的患者中常見(jiàn)的收縮性和后負(fù)荷變化的潛力，心音圖有可能被用作監(jiān)測(cè)的無(wú)創(chuàng)工具。

食管聽(tīng)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(tīng)診器研究動(dòng)脈導(dǎo)管未閉(patent ductus arteriosus,PDA)中的心臟雜音，術(shù)中食管聽(tīng)診器為PDA手術(shù)提供了非常有效的監(jiān)測(cè)技術(shù)，在沒(méi)有經(jīng)食管超聲心動(dòng)圖(transesophageal echocardiography，TEE)多普勒監(jiān)測(cè)的情況下，可作為一種簡(jiǎn)單、廉價(jià)及有價(jià)值的工具[7，8]。Berraih等[9]使用雙分析技術(shù)對(duì)心音圖信號(hào)進(jìn)行病理鑒別，通過(guò)可視化顯示，PCG信號(hào)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(guò)食管聽(tīng)診器和無(wú)線藍(lán)牙傳輸分析心臟聲音和收縮壓，可以確認(rèn)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(lái)顯示與血壓的相關(guān)性[10]。無(wú)線聽(tīng)診器的優(yōu)點(diǎn)是侵入性較小，使用方便，缺點(diǎn)是在嘈雜的環(huán)境中，需要解決所獲得信號(hào)的低信號(hào)噪聲比問(wèn)題。

3.2 心音監(jiān)測(cè)心力衰竭

心音監(jiān)測(cè)可以為心力衰竭患者提供重要診斷信息[11]。S3被認(rèn)為是心力衰竭的最早跡象之一，但常常需要有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師才能較好地分辨出來(lái)[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(fù)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(jìn)展性心力衰竭中發(fā)生的舒張末期壓力升高，對(duì)心力衰竭診斷的特異性非常高[15,16]。Cao等[17]評(píng)估了植入式心臟設(shè)備測(cè)量S3預(yù)測(cè)心力衰竭事件的能力，發(fā)現(xiàn)植入設(shè)備監(jiān)測(cè)S3可識(shí)別心力衰竭風(fēng)險(xiǎn)增加5.7倍的患者，可實(shí)現(xiàn)客觀、連續(xù)和自動(dòng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。S3強(qiáng)度弱、持續(xù)時(shí)間短、頻率低的特點(diǎn)，使人耳很難通過(guò)聽(tīng)診器等傳統(tǒng)聽(tīng)診設(shè)備監(jiān)測(cè)到，導(dǎo)致臨床醫(yī)師之間的診斷不一致率很高。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)使用高靈敏度的傳感器和計(jì)算機(jī)輔助方法來(lái)更有效地捕捉和識(shí)別S3聲音來(lái)解決[13,18]。

3.3 心音監(jiān)測(cè)冠狀動(dòng)脈疾病

有研究通過(guò)心音監(jiān)測(cè)冠狀動(dòng)脈疾病。冠狀動(dòng)脈疾病是由于沉積的斑塊使冠狀動(dòng)脈壁增厚和內(nèi)腔狹窄(動(dòng)脈粥樣硬化)所致。據(jù)推測(cè)，動(dòng)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(guò)濾和分析能力的技術(shù)進(jìn)步，湍流冠狀動(dòng)脈血流的聲學(xué)特征能被監(jiān)測(cè)、分析并應(yīng)用于臨床，進(jìn)行診斷和風(fēng)險(xiǎn)分層[19]。Thomas等[20]指出心音監(jiān)測(cè)是一種便攜式、無(wú)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(dòng)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(wèn)性并降低成本。

3.4 心音監(jiān)測(cè)與動(dòng)脈血壓的相關(guān)性

目前血壓監(jiān)測(cè)主要分為有創(chuàng)監(jiān)測(cè)和無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)，有創(chuàng)的血壓監(jiān)測(cè)方法是通過(guò)穿刺動(dòng)脈置管(如橈動(dòng)脈、足背動(dòng)脈等處)進(jìn)行血壓監(jiān)測(cè)。雖然這種測(cè)量方法可進(jìn)行連續(xù)的血壓監(jiān)測(cè)，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(wú)創(chuàng)的血壓監(jiān)測(cè)方法需要穿戴袖帶，缺乏舒適性，需要充放氣，無(wú)法實(shí)現(xiàn)血壓的連續(xù)測(cè)量，而且對(duì)于燒傷及實(shí)施雙上肢手術(shù)的患者來(lái)說(shuō)，也不太適用。鑒于無(wú)創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)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(shí)間與主動(dòng)脈血壓有關(guān)。

隨著研究的深入，越來(lái)越多新的參數(shù)被從心音及其他相關(guān)信號(hào)中被解析出來(lái)，用于動(dòng)脈血壓的估計(jì)。Ha等[22]使用加速度計(jì)傳感器測(cè)量另一種心臟機(jī)械運(yùn)動(dòng)信號(hào)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(jì)記錄第1和第2心音的比率，以此計(jì)算舒張時(shí)間和舒張/收縮期時(shí)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(duì)左心室中各種心音特征與收縮壓的相關(guān)性進(jìn)行了研究，認(rèn)為通過(guò)探索心臟聲音的特征，可以預(yù)測(cè)血壓技術(shù)，可作為實(shí)時(shí)血壓監(jiān)測(cè)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(shí)間(pulse wave transit time，PWTT)的血壓測(cè)量方法是一種應(yīng)用廣泛的無(wú)創(chuàng)血壓測(cè)量方法，據(jù)Ganti 等[24]報(bào)道，PWTT與動(dòng)脈血壓有良好的一致性,并嘗試將其應(yīng)用于家庭無(wú)創(chuàng)血壓的測(cè)量。麻醉誘導(dǎo)是患者血流動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定的時(shí)期，高血壓患者血壓波動(dòng)幅度會(huì)更大。在麻醉誘導(dǎo)此類患者期間，間歇性非侵入性血壓測(cè)量可能太慢且不準(zhǔn)確，無(wú)法進(jìn)行早期監(jiān)測(cè)和及時(shí)治療。當(dāng)有創(chuàng)血壓監(jiān)測(cè)在高風(fēng)險(xiǎn)高血壓患者中不可用時(shí)，連續(xù)的PWTT測(cè)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(dá)時(shí)間(pulse arrival time，PAT)作為PWTT進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(hào)來(lái)測(cè)量PWTT可以克服這一不足。

Adithya等[27]開(kāi)發(fā)了一種即時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備，通過(guò)測(cè)量整個(gè)血流動(dòng)力學(xué)過(guò)程并篩選出多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，其中血流聲壓場(chǎng)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(kāi)發(fā)出一套獨(dú)特的算法來(lái)從血流的聲壓場(chǎng)中提取連續(xù)的血壓。在某些特殊條件下提供了一種無(wú)創(chuàng)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)血壓的連續(xù)監(jiān)測(cè)，具有顯著的應(yīng)用前景，從而對(duì)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(shí)時(shí)無(wú)創(chuàng)連續(xù)監(jiān)測(cè)血壓不僅可以幫助診斷主要原因，還可以改進(jìn)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(jià)值的診斷信息，心音監(jiān)測(cè)可以通過(guò)捕捉異常心音變化，對(duì)早期和突發(fā)心臟病進(jìn)行長(zhǎng)期、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，提供早期診斷，還可以提供詳細(xì)的、無(wú)創(chuàng)的血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，有廣泛的臨床和研究應(yīng)用。心音監(jiān)測(cè)的局限性在于監(jiān)測(cè)過(guò)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(kāi)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(jì)算機(jī)智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的進(jìn)步，用于心臟病診斷的計(jì)算機(jī)輔助診斷系統(tǒng)越來(lái)越受到關(guān)注。醫(yī)療信號(hào)的處理成為主要的研究問(wèn)題之一。需要大量的心音數(shù)據(jù)來(lái)補(bǔ)充心音數(shù)據(jù)庫(kù)。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(lái)源。因此，有必要完成和改進(jìn)心音數(shù)據(jù)庫(kù)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。