24. Технические средства для проведения фонокардиографии.
Фонокардиограф – медицинский диагностический прибор для фонокардиографии, позволяющий регистрировать и 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 (силу) и тембр. Высота звука определяется частотой колебания – чем больше частота, тем выше звук, и наоборот. Сила звука зависит от амплитуды колебаний. Тембр – окраска или оттенок звука – зависит от характера и последовательности возникновения обертонов. Обертоны – призвуки, входящие в спектр музыкального звука, дополнительный (более высокий) тон, придающий основному тону особый оттенок или особое качество звучания. Звуковая волна есть комбинация ряда синусоидальных колебаний. Наиболее низкое считается основным, а остальные считаются обертонами.
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.
Структурная схема фонендоскопа с временной селекцией фаз сердечного ритма
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.
БУЗ 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.
Обобщенная структурная схема 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.