Analiza emisji akustycznej serca – zastosowanie w diagnostyce kardiologicznej

Mimo ogromnego postępu technicznego jaki się dokonał w diagnostyce kardiologicznej drugiej połowy dwudziestego wieku, osłuchiwanie serca nadal pozostało ważnym elementem badania fizykalnego. Umiejętność usłyszenia zjawisk akustycznych wytwarzanych przez kurczące się serce i przepływającą krew, pozwala na postawienie wstępnego rozpoznania patologii sercowo-naczyniowej, szczególnie wad zastawkowych serca. Zastąpienie tradycyjnego stetoskopu urządzeniem elektronicznym (3), pozwalającym na odfiltrowanie szumów, wzmocnienie wybranych częstotliwości, odniesienie do cyklu serca (EKG), umożliwiło bardziej precyzyjne powiązanie zjawisk akustycznych z konkretnymi jednostkami chorobowymi: zwężenia lub nieszczelność zastawek serca, zwężenia dużych naczyń, nieprawidłowe połączenia między jamami serca, jamami serca i dużymi naczyniami, połączenia między dużymi naczyniami (1 i 2).

W zapisie fonokardiograficznym, zarejestrowanym u zdrowej osoby wyróżniamy dwie główne grupy oscylacji (1):

– pierwsza, odpowiadająca pierwszemu tonowi serca, rozpoczyna się około 50-60 ms od rozpoczęcia depolaryzacji komór (początek załamka Q w zapisie ekg) i trwa maksymalnie 160 ms, posiada dwie składowe (pierwsza i czwarta) o niskich częstotliwościach (ok. 30 Hz) i dwie składowe (druga i trzecia) o częstotliwościach 100-150 Hz. Drgania o wyższych częstotliwościach powstają podczas zamknięcia zastawki dwudzielnej (druga składowa) i trójdzielnej (trzecia składowa). Odległość czasowa między drugą i trzecią składową pierwszego tonu w warunkach prawidłowych nie przekracza 35 ms (fizjologiczne rozdwojenie). Składowe o niskiej częstotliwości są prawdopodobnie spowodowane drganiami, wzbudzanymi podczas skracania sarkomerów i naprężania elementów sprężystych tkanki łącznej.

– druga, odpowiadająca drugiemu tonowi, rozpoczyna się w okolicy końca załamka T w zapisie ekg, posiada dwie składowe. Pierwsza składowa powstaje podczas zamknięcia zastawki aortalnej i wyprzedza o 20-40 ms drugą składową, która powstaje podczas zamknięcia zastawki pnia płucnego. Zależności czasowe między składową aortalną i płucną drugiego tonu są związane z fazą oddechu (skraca się podczas wydechu, wydłuża się podczas wdechu). Nieprawidłowe odstępy między składowymi drugiego tonu są ważnym elementem różnicującym w fonokardiografii.

Poza tym, u zdrowych osób, można zarejestrować dwie grupy drgań w okresie rozkurczu (między końcem załamka T i początkiem zespołu QRS w zapisie EKG).

Pierwsza (ton trzeci), około 120-180 ms po drugim tonie, o częstotliwości 10-50 Hz, trwa 40-80 ms. Trzeci ton powodowany jest przez drgania, jakie powstają podczas szybkiego wypełniania krwią komór serca we wczesnym okresie rozkurczu.

Druga (ton czwarty), ok. 120-180 ms od początku załamka P w zapisie EKG, o częstotliwości 10-50 Hz, trwa 30-60 ms. Ton czwarty wywołany jest przez drgania ściany komory podczas dopełnienia jej krwią w czasie skurczu przedsionka.

Amplituda i częstotliwość tonów serca i szmerów, związanych z nieprawidłowym przepływem krwi, są ważnymi cechami fizycznymi, pozwalającymi stawiać wnioski kliniczne. Jednak istnieją również inne cechy, które różnicuje aparat słuchu, a których nie można zdefiniować w tradycyjnym badaniu fonokardiograficznym – w podręcznikach diagnostyki kardiologicznej spotykamy opisy: tony serca „dźwięczne”, tony serca „mało dźwięczne”, „głuche” tony serca. Te subiektywne wrażenia słuchowe trudno w prosty sposób odnieść tylko do amplitudy i częstotliwości rejestrowanych dźwięków.,,Dźwięczność” lub „głuchość” tonów serca możliwa jest do zobrazowania na specjalnie skonstruowanym wykresie widma sygnału akustycznego, którego postać została opracowana przez autorów niniejszej pracy i będzie pokazana poniżej. Doświadczenie wielu pokoleń lekarzy oraz ograniczenia tradycyjnej fonokardiografii, skłoniły autorów do stworzenia całkowicie nowego narzędzia diagnostycznego, pozwalającego badać emisję akustyczną serca. Istniejące obecnie elektroniczne urządzenia do rejestracji tonów serca wykorzystują metody tradycyjnej fonokardiografii.

Powstaje więc potrzeba precyzyjnej rejestracji przebiegu drgań serca w zakresie niskich częstotliwości. W przypadku zastosowania nowoczesnych kontaktowych sensorów drgań istnieje techniczna możliwość prowadzenia takiej rejestracji od częstotliwości 4 Hz. Ograniczenie to (4 Hz) wynika z krótkiego czasu trwania rejestrowanego tonu (ok. 300 ms). Ponadto tradycyjny wykres amplitudy w funkcji czasu został uzupełniony o wykres charakterystyki widmowej tonów serca, przy czym charakterystyka widmowa jest wykonywana w oparciu o fragment sygnału (,,okno´´), w obrębie którego zawiera się analizowany ton serca.

Zaprojektowane w IPPT PAN urządzenia diagnostyczne składa się z:

– nowoczesnego kontaktowego sensora drgań wysokiej czułości pracującego w zakresie od 1 Hz do 8 kHz i posiadającego czułość 10 000 mV na jednostkę przyśpieszenia (równą 1m/s²). Sensor generuje szum własny poniżej 2 mV,

– wzmacniacza drgań, który jest zasilany napięciem z laptopa i poprzez układ interfejsu analogowo-cyfrowego o paśmie częstotliwości 2-20 kHz przesyła sygnał drganiowy bezpośrednio do laptopa.

Do wizualizacji rejestrowanego sygnału zaprojektowano oprogramowanie diagnostyczne, które umożliwia rejestrację i zobrazowanie sygnału drganiowego, w razie potrzeby – synchronicznie z sygnałem EKG. Wizualizacja sygnału drganiowego jest wykonywana w dwóch projekcjach, pokazanych niżej na przykładach (ryc. 1-4). W górnej części rysunków przedstawiany jest przebieg czasowy sygnału drganiowego z rozdzielczością 1 milisekundy. Zaprojektowane oprogramowanie automatycznie przeszukuje zarejestrowany sygnał, wyodrębniając fragmenty o długości ok. 0,3 sekundy (ryc. 1), które odpowiadają fazom skurczu i rozkurczu. Po wybraniu żądanego fragmentu czasowego w dolnej części ekranu laptopa ukazuje się charakterystyka widmowa tego fragmentu. Zastosowane algorytmy obróbki wyznaczają tę charakterystykę w przedziale 4-200 Hz.

Wstępne badania prowadzone przez obu autorów i ich asystentów na własnych sercach wykazały, że w przypadku serca zdrowego na charakterystyce widmowej fazy skurczu występuje wyraźne maksimum o częstotliwości ok. 10 Hz dla tętna spoczynkowego co pokazano na rycinie 1. Dalsze badania prowadzone przez autorów wykazały, że utrata dźwięczności rejestrowanego tonu skutkuje redukcją maksimum występującego na charakterystyce widmowej.

Dzięki uprzejmości Pana Prof. dr. hab. A. Beręsewicza (Zakład Fizjologii Klinicznej CMKP, Warszawa, ul. Marymoncka 99), autorzy artykułu przebadali sygnał drganiowy, zarejestrowany u kilku szczurów zdrowych i kilku szczurów bezpośrednio po podwiązaniu gałęzi przedniej zstępującej lewej tętnicy wieńcowej i 2 tygodnie po przebytym zawale wywołanym operacyjnie.

Sygnał drganiowy szczura (tętno ok. 200/min.) wymagał zastosowania okna sygnałowego (wyodrębniania fragmentów sygnału) o czasie trwania dwukrotnie krótszym niż dla człowieka. Ponadto okno sygnałowe usytuowano poza wyraźnie widocznymi impulsami pochodzącymi od cykli oddechowych, które u człowieka znacznie mniej zaburzają sygnał użyteczny.

Przedstawione wyżej przykłady potwierdzają tezę, że charakterystyka widmowa stanowi uzupełnienie informacji o postaci zarejestrowanych tonów serca i może być przydatna w wykrywaniu nieprawidłowej funkcji mięśnia sercowego. Zastosowanie sensora kontaktowego skutkuje tym, że na prezentowanych wykresach czasowych największe amplitudy posiadają niskoczęstotliwościowe (10-20 Hz) komponenty widma akustycznego. Źródłem tych komponentów są drgania mięśnia sercowego oraz elementów sprężystych pośredniczących w transmisji drgań do sensora (tkanki znajdujące się pomiędzy sercem a skórą).

Celem dalszych prac autorów publikacji jest wyznaczenie charakterystycznych i znamiennych diagnostycznie zależności czasowo-częstotliwościowych w sygnale rejestrowanym u osób zdrowych i ze zdiagnozowanym uszkodzeniem mięśnia sercowego.