[科普中国]-心音与心脏血流动力

通俗地讲，“心音（Heart sounds，Cardiac sounds）”是心脏工作过程中发出的声音，在人体的胸部体表、背部体表均能听到。关于心音的产生机制，学术界还没有达成共识。一般地认为，心音是血液在心血管内运动引起的各种机械振动之和。主要振动有：心脏的瓣膜和大血管在血流的冲击下形成的振动，血流的加速与减速形成的湍流与涡流及其对心脏瓣膜、心房、室壁的作用所产生的振动，还有心肌的刚性迅速增加和减小形成的振动。定性地看，心音是心脏血流动力与心血管系统相互作用的结果，是一种机械振动。正常心音的振动频率范围通常在20Hz到200Hz之间，心杂音的频率一般不超过800Hz，都处于人耳的听觉范围之内。鉴于心音的产生机制，心音携带了大量关于心血管系统健康状况的信息，是诊断心脏疾病、评估心脏功能的重要信息来源。历史上，早在1816年法国医生雷奈克发明听诊器，用于听取心音。由于其操作简单、经济、有效，听诊器得到了临床医学界的认可。经过上百年的应用，医生们积累了大量的临床经验。心脏听诊已经成为内科、儿科、心血管内外科、呼吸科医生的基本功，尤其在基层医疗单位的临床诊断和心血管疾病普查中发挥着不可替代的作用，以至于“脖子上挂着听诊器”成为临床医生的一个重要标志。

心脏、心动周期、心音产生心脏及相关的主要血管如图1所示。心脏由左心房、左心室、右心房和右心室四个腔构成，每一侧各有上、下两个腔。其中上面的腔称为心房，下面的腔称为心室。全身静脉血经上下腔静脉到右心房、右心室，再进入肺动脉，到肺中进行气体交换；含氧血经肺静脉到左心房、左心室，再进入主动脉，到全身。在血液循环系统中，左右心室都起泵血作用。在体循环和肺循环，血液都按照“静脉→心房→心室→动脉”的顺序单方向流动。心房与心室、心室与动脉之间有四个瓣膜，类似单向阀门，只能单方向打开，用于防止血液倒流。心房和心室之间的瓣膜称为房室瓣。左心房和左心室之间的瓣膜有两片瓣叶，又名二尖瓣；右心房和右心室之间的瓣膜有三片瓣叶，又名三尖瓣。左心室和主动脉之间的瓣膜为主动脉瓣，右心室和肺动脉之间的瓣膜为肺动脉瓣。主动脉瓣和肺动脉瓣分别由三片半月形状的瓣叶构成，也称它们为半月瓣。正常的瓣叶是光滑、薄而富有弹性的。心脏是血液循环的动力源。心脏周期性地舒张和收缩，保证了血液在循环系统中持续的流动。心脏收缩时，心内压力升高，将血液泵出至动脉；心脏舒张时心内压力降低，静脉中的血液回流至心脏。心脏每收缩和舒张一次称为一个心动周期。在一个心动周期中，首先是心房收缩，其中右心房收缩发生在左心房收缩之前。心房收缩时间较短，约占整个心动周期的1/8，接下来约7/8时间进行舒张。心房舒张后，心室开始收缩，左心室收缩发生在右心室收缩之前。心室收缩期约占心动周期的3/8，舒张期占5/8。由于心室对心脏的泵血起主要作用，因此心动周期通常指心室的活动周期。下面以左心室的心动周期为例，说明心音、各心腔血压等信号之间的时间关系，如图2所示。

图1 心脏的结构及相关血管

心房收缩期。心房收缩使心房容积变小，内压升高，将心房内的剩余血液排入心室，使舒张的心室进一步得到充盈。此期间可产生第四心音（S4， the fourth heart sound）。

心室收缩期，分为等容收缩期、快速射血期和缓慢射血期。（1）等容收缩期 心室开始收缩时心室内压升高。当心室压力超过心房内压时，心室血液将房室关闭，产生第一心音(S1, the first heart sound)。此时，左心室内压仍然低于主动脉内压，主动脉瓣尚未打开。左心室的入口和出口均处于关闭状态。于是，左心室成为一个封闭的腔室。左心室继续收缩，而血液是几乎不可压缩的液体，因而左心室内压急剧升高到足以打开主动脉瓣的程度。在此期间，左心室不射血，容积不变，故称为等容收缩期，历时50毫秒左右。其特点是，左心室血压大幅度升高，血压上升率最大。由此，不难理解二尖瓣关闭不全时，心室一开始收缩就会产生血液反流，反流产生的心杂音始于等容收缩期，可遮盖第一心音，成为全收缩期杂音（Pansystolic murmur, holosystolic murmur）。而主动脉瓣狭窄时，主动脉瓣必然是在等容收缩期之后才打开，故主动脉狭窄的心杂音始于等容收缩期之后，不易遮盖第一心音，常为收缩期中期杂音（midsystolic murmur）。（2）快速射血期 左心室内压急剧升高，一旦超过主动脉血压时，主动脉瓣即被打开，血液由左心室迅速射入主动脉，随着左心室的强烈收缩，左心室内血压很快升高到最大值，左心室容积迅速减小。这期间射入动脉的血液量最多，占总射血量的70%-80%，而且血流速度很快，故称为快速射血期，历时100毫秒左右，约占整个收缩期的1/3。当主、肺动脉瓣狭窄时或主、肺动脉根部扩张时，可产生喷射性杂音。（3）缓慢射血期 快速射血期之后，大量血液流入主动脉，使主动脉血压增高，由于心室内血液减少，心肌收缩力减弱，此时心室容积虽然还在继续减小，但减小速度缓慢，射血速度也逐渐减慢。此间，射出血液占总射血量的10%-30%，故称为缓慢射血期，历时约150毫秒，约占整个收缩期的2/3左右。左心室容积减少到最小时，射血停止。

图2单个心动周期内，各心腔的血压关系及瓣膜动作。Plv，左心室血压；Pla，左心房血压；Paop，主动脉血压；Prv，右心室血压；Pra，右心房血压；Ppap，肺动脉血压。

心室舒张期，分为等容舒张期、快速充盈期和缓慢充盈期。（1）等容舒张期 心室开始舒张后，心室内压下降。当它低于动脉压时，动脉内血液向心室反流，致使主动脉瓣、肺动脉瓣关闭，产生第二心音（S2， the second heart sound）。此时，心室内压任然高于心房内压，三尖瓣、二尖瓣仍然处于关于状态，心室再次成为封闭的腔室，心室舒张不纳血，心室容积恒定，称为等容舒张期，历时约60毫秒。其特点是，心室内血压大幅下降，血压下降率最大。结合临床，就能理解主动脉关闭不全和二尖瓣狭窄时的心杂音特点。当心室开始舒张，室内压下降至于主动脉压时，若主动脉瓣关闭不全，主动脉内血液向心室方向反流，产生心杂音，与第二心音几乎同时产生，属于舒张期早期杂音。而二尖瓣狭窄时，只能发生与等容舒张期之后，二尖瓣开放血液快速向心室充盈时才发生杂音，始于等容舒张期之后，属于舒张中晚期杂音。（2）快速充盈期 等容舒张期后，心室继续舒张，当心室内压下降至低于心房内压是，二尖瓣、三尖瓣开放，心房内血液被快速“抽吸”流入心室，心室容积迅速增大，成为快速充盈期，历时110毫秒左右。如果二尖瓣、三尖瓣狭窄，瓣膜开放受到阻力而产生开瓣音（open snap）。此期间，心脏处于全心舒张期，心室内压接近零，甚至出现负压，心房内血液快速充盈心室，期充盈量占整个充盈量的70%-80%，是心室充盈的主要阶段。期间可能会产生第三心音（S3，the third heart sound）。第三心音的产生机制尚不明确，一般认为它与心室快速充盈及血流快速下降有关。（3）缓慢充盈期 快速充盈期后，随着心室内血液不断增多及压力升高，心室、心房之间的压力梯度逐渐减小，血液流入心室的速度逐渐减慢，成为缓慢充盈期，历时约220毫秒。

上述心动周期内，各心腔的血压变化关系，各瓣膜的开闭关系有利于理解心音的产生。总的来说，心音是心脏血流动力与心血管相互作用的结果。一般认为，瓣膜振动是形成心音的主要分量。

心音的采集方式及传感器心音的采集方式分为两种。

一种是体表的无创采集，将传感器置于胸部或背部采集相应位置的心音信号。按照临床医生的经验总结，胸部有5个常规听诊区，如图3所示。它们以心脏各瓣膜的名称命名，但它们跟心脏各瓣膜的解剖位置并不完全一致。可解释为胸腔内产生的局部振动传播到体表最清楚的特定部位。A：主动脉瓣区，胸骨右缘第2肋间。P：肺动脉瓣区，胸骨左缘第2肋间。T：三尖瓣区，胸骨左缘第3或第3肋间。M：二尖瓣区（心尖区），心尖搏动处，多位于第5肋间左锁骨中线内侧。实际上，听诊绝不仅仅限于这些常规听诊区，有些体征也出现在其它区域。

另一种是体内的有创采集。可进行开胸手术，将传感器置于心脏或大血管的任何感兴趣位置，采集相关振动信号。也可将微小传感器通过相应的动脉或静脉送至心脏的各腔室或大血管位置，采集相应的振动信号。该方式一般用于动物试验，研究心音的产生机制，或心音特征与其他生理信号之间的关系。

心音属于机械振动信号，通过传感器将机械振动转换成电信号，进而放大、数字化，最终送入计算机进行分析。以心音传感器的转换机理分类，常见有3种。

（1）麦克风传感器。类似于转换语音信号一样，麦克风传感器将心音振动转换为电压信号。只不过这里的麦克风传感器针对心音的带宽进行了专门设计。

（2）压电传感器。以压电材料为基底，将心音振动对压电材料的力作用转换为电压信号。

（3）加速度传感器。以微机电工艺制作的加速度传感器，小巧、轻便。面积在数十平方毫米，重量可小于1克。既可以置于体表也可以置于体内，将心音振动的三轴加速度转换成电压信号。

各种心音信号将心音信号记录下来，可打印在纸上，也可显示在计算机上，用于观察或分析，称为心音图（Phonocardiogram, PCG）。为了给读者留下视觉印象，下面给出各种典型的心音图。有关心音的病例并不仅仅局限于这些给出的示例，而且不同个体之间的差异很大。一方面需要丰富的临床经验进行区分，另一方面也说明当前的学术界对各种心音及杂音的产生机制还不够清晰，有待深入研究。

心音信号分析与处理的几个方面分析计算机分析与处理心音信号，通常分为预处理和特征提取等研究内容。

预处理（1）心音降噪声。既然心音是机械振动信号，那么采集过程中不可避免地会引入噪声。如 传感器与皮肤的摩擦、呼吸音、周围环境噪声等。所采用的方法有自适应滤波、时频滤波（如小波滤波等）。

（2）心音分割。从心音信号中辨别出第一心音、第二心音（第三心音、第四心音，如果存在）、心杂音的起始、终了位置。

（3）心音包络提取。心音是快速振动的非平稳信号，分析起来较困难。但它的包络（轮廓）比较简单，从中可以提取出很多有用的信息。比如，心音的位置、持续时间、相对幅度等信息。

（4）最佳子序列选取。如果心音信号较长，后继分析中仅需要一段较短的心音信号，那么有必要选取一段没有噪声（或噪声较小）的心音信号进行后继分析。这个过程称为最佳子序列选取。

（5）单周期检测。心音信号具有周期性。可通过周期检测算法，把心音信号划分成一个一个的单循环心音。进而，可以比较相邻周期心音的变化，或计算出心率。

（6）自动的第三心音、第四心音检测。设计一套算法从心音信号中检测出第三心音或第四心音，进而估计第三心音、第四心音的某些特征参数。

（7）自动心音分类。根据先验知识和心音的特征，自动地将心音进行归类，并把心音跟某些心脏疾病对应起来，起到辅助识别、辅助筛查的作用。

常见的特征提取有，时域的特征、各种变换域的特征、各种组合的特征。比如时域的特征有心音的起始、终止点、持续时间，杂音的起始、终止点、持续时间，心音的幅度、幅度比值、能量、能量比值，相邻周期之间各特征的变化关系。还有各种频域特征、时频域的特征。总之，特征跟应用有密切关系，并没有统一的定义。各位研究者为了解决特定的问题，提出了各种各样的特征。

基于心音的辅助诊断心音是血流动力作用于心脏及大血管的产物。那么，从理论上讲，心脏血流动力的任何变化都能从心音特征上或多或少地反映出来。因此，不少研究者思考如何利用心音对心脏疾病做出辅助诊断。常见的研究内容有如下几个方面。

（1）基于心音特征监测人工心脏瓣膜的工作状态，评估人工心脏瓣膜的工作性能（包括机械瓣膜和生物瓣膜）。

（2）监测心脏血流动力。根据心音特征或特征随时间的变化趋势，反推心脏血流动力。从而进行某些心血管疾病的早期筛查、或治疗效果的评估。

（3）药物评价。某些药物能改变心脏的血流动力，如需评价药物的效果，常见的办法是进行有创手术，将传感器至于心腔内。如果以心音进行评价，那么有可能以无创的方式进行。

（4）围产期孕妇的心力储备监测。

总之，有关心音的研究还有许多空白，有待深入研究。

网络资源中可利用的心音数据库世界各地有大量的研究者从不同的角度研究心音。有的机构或个人将研究中积累的心音数据公布出来，供其他人参考。其中下面几个网络资源可供大家参考。

（1）国内的“医学全在线”提供的心音数据。

（2）英国邓迪大学医学院心脏科提供的心音数据。

（3）美国华盛顿大学医学系提供的心音数据。

（4）美国德克萨斯州心脏研究院的St. Luke’s Episcopal医院提供的心音数据。

（5）美国波士顿儿童医院提供的心音数据。

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唐洪 - 副教授 - 大连理工大学电信学部生物医学工程系覃开蓉 - 教授 - 大连理工大学电信学部生物医学工程系