Технические средства для проведения фонокардиографии
Наиболее широко в медицине используются методы фонокардиографии, позволяющие анализировать шумы, создаваемые работой сердца, которые лежат в диапазоне частот 10…800 Гц.
Для анализа звуковых колебаний используют следующие основные характеристики: высоту звука, его интенсивность и тембр. Высота звука определяется частотой колебания – чем больше частота, тем выше звук, и наоборот. Сила звука зависит от амплитуды колебаний.
Во время работы сердца, в результате ритмических движений клапанного аппарата, сокращения сердечных мышц и гидравлических факторов внутрисердечной динамики, возникают колебательные движения, которые распространяются через окружающие ткани к поверхности грудной клетки, проходя через существенно неоднородные структуры.
Одним из существенных источников акустических колебаний является турбулентное движение кровяной струи, при этом параметры звука зависят как от скорости кровотока, так и от неровностей поверхности и выраженных изменений размеров «камер», через которые она протекает. Все звуковые явления, связанные с сердечной деятельностью, с физической точки зрения являются шумами, которые возникают в определённые моменты времени и различаются продолжительностью. Звуки, характеризующие работу сердца, в норме представляют собой короткие по длительности шумы. Патологические шумы длятся значительно дольше.
Звуковые колебания, наблюдаемые на поверхности грудной клетки, попадают в диапазон слышимых частот, поэтому, в принципе в простейших случаях для их регистрации можно использовать и фонендоскоп, однако обычно для этих целей – съёма фонокардиограммы (ФКГ) используются специальные микрофоны.
При съёме ФКГ микрофон может размещаться как на грудной клетке, так и на некотором расстоянии от неё, то есть реализуются контактный и воздушный способы съёма ФКГ. При воздушном способе съёма информации тоны сердца передаются к мембране микрофона через слой воздуха. Наличие его приводит к сужению диапазона частот, а кроме того, велика чувствительность к посторонним шумам.
Контактные микрофоны имеют механический контакт с грудной клеткой и улавливают звуковые колебания, приходящие к нему. Такой способ получения информации менее чувствителен к воздействию внешних шумов. Используются электродинамические и пьезоэлектрические микрофоны. Первые имеют высокую чувствительность, широкий частотный диапазон преобразования акустических сигналов, хорошую линейность амплитудной характеристики, но в них всегда имеется воздушная прослойка между объектом и мембраной. Пьезоэлектрические микрофоны могут быть как контактными, так и воздушными. Они имеют высокую чувствительность, но худшую, чем у электродинамических, линейность АЧХ. Такие микрофоны иногда выполняются с нелинейной амплитудной характеристикой или нелинейность создают при преобразовании информационного сигнала. Исходя из вида амплитудной характеристики такие микрофоны подразделяют на линейные, стетоскопические и логарифмические.
Стетоскопические микрофоны выполняются так, что они улавливают все колебания грудной стенки, кроме тех низкочастотных колебаний, которые находятся в полосе частот ниже 10 Гц. Они регистрируют кривые колебаний звука, которые при использовании фонендоскопа воспринимаются слуховым анализатором врача, при этом имеется возможность оценить как относительно высокие, так и относительно низкочастотные колебания.
Логарифмический микрофон, подобно человеческому уху, искажает звуковые колебания. Коэффициент его преобразования увеличивается с частотой, близкой к логарифмическому закону. Поэтому при использовании такого микрофона роль низкочастотных колебаний невелика (по сравнению с высокочастотными). Он обычно используется для регистрации высокочастотных колебаний и шумов.
В ряде случае одновременно устанавливают два и или более микрофонов в различных частях грудной клетки, а затем оценивают взаимные отклонения фонокардиограмм по времени и амплитуде.
При фонокардиографии следует учитывать то, что грудная клетка является, по существу, фильтром низких частот с сугубо индивидуальной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). Определить её достаточно сложно. Для практических расчётов считают, что АЧХ уменьшается пропорционально квадрату частоты.
Оценку фонокардиограммы осуществляют в привязке к другим электрофизиологическим сигналам, чаще всего к ЭКГ. Фонокардиограмма является важным дополнением к результатам, получаемым при электрокардиографическом анализе состояния сердечной системы, а также имеет и самостоятельное значение при медицинских исследованиях.
С точки зрения технической реализации фонокардиографы выполняют как автономные приборы с микропроцессорами и без них, а также как приборно-компьютерные системы с достаточно мощным математическим обеспечением. Рассмотрим структурную схему простейшего автономного фонендоскопа (рисунок 2), позволяющего осуществлять раздельное выслушивание различных фаз сердечного ритма с их временной селекцией без «привязки» к электрокардиограмме.
Рисунок 2 Структурная схема фонендоскопа с временной селекцией фаз сердечного ритма
В этой схеме сигнал с контактного микрофона (Мф) усиливается первым усилителем (У1) с подъёмом высоких частот 6…10 дБ на октаву и поступает на входы управляемого ключа (К) и формирователя (Ф). Последний из сигналов первого тона фонокардиограммы формирует импульс запуска для блока управляемой задержки (БУЗ), длительность импульса которого регулируется в пределах 0,01…0,6 с. Блок управляемой задержки включает блок формирования стробирующего импульса (БФСИ) фиксированной длительности 0,4 с, который открывает ключ (К) для передачи сигнала с первого усилителя на второй (У2) и далее на головные телефоны. Регулировка длительности импульса БУЗ приводит к сдвигу во времени фрагментов прослушиваемых сигналов. Во втором усилителе осуществляется подъём высоких частот на 6…10 дБ на октаву, благодаря чему можно прослушать все аномалии недостаточности клапанов или шумов от тромбов в коронарных сосудах. При задержке 0,01 с прослушивается систола, при задержке 0,3 с можно прослушать второй тон, при задержке 0,4…0,6 с – диастола.
Следует заметить, что при приведённых временных соотношениях нормальное выделение фаз сердечных циклов осуществляется при частоте сердечных сокращений 40…120 ударов в минуту, а качество принимаемых решений сильно зависит от субъективных способностей врача.
Для более точного выделения фаз сердечных циклов используется канал электрокардиограммы, в котором различными техническими средствами, включая применение микропроцессоров, выделяют R- и T-зубцы ЭКГ, относительно которых и определяются фазы сердечных циклов для раздельного их прослушивания врачами.
В компьютерных фонокардиографах, как правило, задействуются два канала ФКГ и ЭКГ (рисунок 3).
Рисунок 3. Обобщённая структура компьютерного фонокардиографа
В этой системе сигнал с микрофона (Мф) усиливается усилителем фонокардиограммы (УФКГ), а сигнал электрической активности сердца – усилителем электрокардиограммы (УЭКГ). Поочерёдная коммутация этих сигналов для подачи их на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) осуществляется коммутатором (км), управляемым со стороны модуля сопряжения (МСУ). Цифрой код о параметрах ФКГ и ЭКГ поочерёдно через МСУ передаётся в ПЭВМ на обработку. Фильтрация сигнала на выделенном временном отрезке осуществляется в ПЭВМ, которая в этом случае выполняет роль цифрового фильтра. В результате обработки сигнала на экране монитора могут быть получены акустические сигналы во всей полосе интересующих частот, воспринимаемых микрофоном с требуемым масштабированием в каждой полосе частот.
Важным элементом в съёме и обработке ФКГ является процесс калибровки, для реализации которого можно использовать звуковые сигналы с известной амплитудой и частотой, подводимой к грудной клетке через блок калибровки (БКАЛ). Регистрируемые в процессе исследования ФКГ и ЭКГ отображаются на экране монитора фонокардиографа или рисуются самописцем.
Для получения точных значений частоты для различных участков ФКГ, амплитудной и временной характеристик сердечных звуков используют различные математические методы, в частности классический и трехмерный спектральный анализ. Используя данные специальной математической обработки, можно построить экспертные системы, позволяющие делать заключения на врачебном языке. Аналогично можно делать заключения на врачебном языке. Аналогично можно построить системы для регистрации и обработки внутрисердечных, внутритрахеальных и внутрипищеводных звуков.