2014.08.20 CardioTune1.1


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
1


Фонокардиография

Фонокардиография (далее ФКГ)


инструментальный
метод
регистрации
звуковых колебаний, возник
ающих при работе сердца. То есть, по простому, ФКГ
это запись «музы
ки» сердца (чуете романтику? :)


Р
абота сердца вызывает наслаивающиеся друг на друга колебания различной
частоты и амплитуды. В совокупности они
и
образуют фонокардиографический
сигнал.


Рис: Фонокардиографический сигнал (без фильтрации)

Сигнал снимается с одной из точек аускультации, в зависимости от
исследуемой области сердца (например митральный клапан или зона левого
желудочка). «Выслушивание» именно в этих участках обусловлено минимал
ьной
суммацией звуков, возникающих в соседних отделах сердца.

2



Рис: Точки аускультации

Одни (из этих колебаний) обусловлены изменением формы и объема сердца
и перемещением крови, другие в
озникают

при переходе от одного периода
сердечного цикла к другому,
а третьи обусловлены движением крови в течение
какого
-
либо периода сердечного цикла (или в течение нескольких периодов). По
принадлежности к одной из этих групп «звуки сердца» делят на тона и шумы.
На основании взаимного положения
тонов, шумов и артефактов

во времени,
их
частотное и амплитудное соотношение и другие показател
ей

судят о
функционировании сердца и наличи
ях

патологи
й
.


Немного истории

Пару тысячелетий
назад диагностика сердца
ограничивалась
аускультацией
(
его
выслушиванием
)

с помощью

уха, пока
ему на смену не пришел
изобрете
нный двести лет назад стетоскоп. Теперь же, каждый раз когда Вы
приходите к терапевту с недугом типа простуды, с помощью стетофонендоскопа

Вам прослушивают только легкие. И хотя

классическая аускультация сердца
давно канула в

лета, но именно из нее «растут ноги»
фонокардиографии
.

Первый фонокардиограф был собран Эйнтховеном и Гелаком в 1894 году,
аппарат преобразовывал звуковые колебания с помощью угольного микрофона
в электрические и передавал их на ртутный
капиллярный

электрометр
, где он
и
регистрировались на движущейся фотоленте (
Эйнтховен, кстати, «папа»
электрокардиографии).

Впоследствии

было бурное
развития так называемой «прямой»

или
пневмооптической

фонокардиографии
, когда с помощью мыльной пленки или
желатиновой
мембраны регистрировалось

непосредственно
перемещение

грудной клетки. Прибо
р
ы такого типа
, например сегментная капсула Франка или
3


фонокардиограф Ома (да
-
да, того самого
)
,

быстро нашли
п
рименение
вследствие н
есовершенства первых микрофонов, но
также

быстро
ушли в
небытие

с развитием электроники


в частности, с появлением приборов на
ламповых усилителях.

К 30
-
м годам были накоплены первые системные данные об «звуках и музыке
сердца»
-

исследованы компоненты сигнала (тоны и шумы сердца), их
периодичность, осн
овные
нарушения сердечной деятельности, регистрируемые
с помощью

ФКГ
. Однако из
-
за несовершенства технической базы некоторые
виды шумов (а, следовательно, и патологии)

плохо регистрировались
.

Относительно «современная»
фонокардиография

связана с работами М
ааса,
Спрэга,
Маннгеймера

и
Тренделебурга
(
попробуй произнеси последнюю
фамилию правильно с первой попытки
), которые достигли значите
льных успехов
в электроакустике, описали и разработали основные явления, принципы и
методы современной фонокардиографии.

Ну а теперь настала новая эпоха


эпоха «цифры»
-

цифровой сигнал,
цифровая
фильтрация

и прочее.
Посмотрим, что из этой эпохи
можно будет
привнести и
использовать

в ФКГ.


ЭКГ
vs
. ФКГ

П
режде чем расписывать про преимущества и недостатки
фонокардиографии, от
вечу на

самый популярный

вопрос

-

«
Е
сли она такая
классная, то почему ей никто не пользуется?».

Если быть откровенным,

я

не

могу

сказать, почему в современной медицине
ФКГ используется только как второстепенный метод подтверждения диагноза, а
выпускают
полноценные
устройства для записи фонокардиограммы

разве
что

в
Индии. На
основании используемой мною литературы и законов логики

у меня

сложилась

следующ
ая точка зрения
.

Первая причина

«непопулярности ФКГ»


историческая.
Несмотря на то, что
аускультация в
озникла раньше
, ее
полностью вы
теснила электрокардиография
,
которая опередила фонокардиографию на 7 лет
в

регист
р
ации биосигнала

с
помощью того же
кап
и
л
лярного электрометра. Фактически,
первые
фонокардиографы наследовали
аппаратную базу электрокардиографов

с
небольшими изменениями.

Причины были не только в новизне метода ЭКГ


оно
значительно превосходило

классическую

аускультацию в информативности
.
Дело в том, что человеческий слух нелинеен и глубоко субъективен, а также
совершенно не воспринимает нижние
частоты (ниже 20 Гц), обладающие
высокой информативностью в диагностике сердечно
-
сосудистых заболеваний
.

К
стати
именно
в этом заключается преимущество «технической» ау
скультации.
4


С самого начала т
ребования к качеству записи ФКГ, как и к аппарату, были на
п
орядок выше, чем к ЭКГ.
Сигнал

Ф
КГ значительно сложнее, нежели сигнал
Э
КГ
(
пример приведу

ниже), поэтому
необходимо было соблюдать большую точность

(
угольные фильтры это вам не современные микрофоны
)
, что неизбежн
о бы
отразилось бы и на цене.
Кром
е всего п
рочего, такого понятия

как
«
цифровая
фильтрация
»

не существовало, фильтрацию необходимо был
о осуществлять
схемотехнически,
используя для каждой области специфический

фильтр
, что
тоже являлось дополнительным источником

расходов
.
А е
жели методика ФКГ
была
сл
ожнее и дороже ЭКГ при примерно одинаковой диагностической
ценности,
зачем платить больше?

Вторая причина
, почему ФКГ не используется в уже современном обществе,
кроется в том,
что основной потребитель в сфере медицинских услуг
не мы с
Вами, а врач
. Так как врач лечит как умеет, то и технику подбирает
соответственно

способностям
, и ежели его с ординатурой почти 10 лет учили
диагностировать с помощью ЭКГ, то на кой ему ФКГ? Если Вы со школы знаете,
что площадь круга
равна пи эр квадрат,

не будете же
считать ее через интеграл?
Хотя, если копнуть глубже, это проблема системы медицинского образования
-

именно медицинские академии определяют «популярность» тех или методов
диагностики/терапии/хирургии и т.д., подготавливая определенное количество
специали
стов по тому или иному направлению, а, следовательно,
именно они и
формируют рынок медицинских изделий. Проблема лишь в том, что
Минздрав

сам не знает,
кто ему нужен
, и поэтому какие в нашей стране в ближайшие будут
тенденции в ближайшие лет
десять
, пока п
онять невозможно.

Третья причина
, на мой взгляд
, заключена

в области

сложности и

информативности сигнала
,
в его диагностической значимости. Компании,
вып
у
скающие меди
ц
инскую технику, ясно дело, делиться с нами результатами
исследований не будут, а я сам не

возьмусь судить
,

информативность

какого

сигнала

(или метода)

выше



в ряде рассматриваемых мною источниках (а самые
«свежие» это книги 80
-
х годов) фонокардиография описывается не только как
равноценная замена, но и в ряде случаев более информативная


ряд

патологий
регистрировался на самом на
чальном этапе, когда на электрокардиограмме они
еще были неочевидны
. Но с 80
-
х годов технические средства и
методы
обработки значительно изменились, а новые труды на тему ф
онокардиографии,
которых, кстати, кат
а
стр
о
фиче
ски мало (самый последний
«приличный» труд на
эту тему “
Phonocardiography

signal

processing
” был написан

аж

в 2008 году
)

почти
не поднимают вопрос об сравнении

этих двух методов
.


Дело
еще
в том, что
есть фундаментальное различие


если ЭКГ эт
о
, в
подавляю
щем большинстве, высокочастотные колебания, то ФКГ


низкочастотные, т.к.
человеческое тело, по сути,
демпф
ерная

система
,

и
возникать в теле
высокочастотных

колебаний попросту не может
.

5


Почему ФКГ

Итак, почему
-
же ФКГ?

Для начала, кто из Вас знал
что либо

про ФКГ? Думаю единицы. Так и я,
видимо, решил почувствовать себя второоткрывателем фонокардиографии. А
еще я люблю блестящие
пьезоэлектрические

штучки :)

Важным

нюансом, склонившим меня к ФКГ является то
, что для регистрации
сигнала достаточно всего одно
го датчика
, а не трех, как в «минимально
приличном» наборе ЭКГ
. Как я уже описал ранее,

каждому значимому отделу
сердца (и связанной с ней патологией) соответствует своя точка аускультации,
проекцию которой можно найти на грудной клетке. Разумеется, при кл
иническом
обследовании происходит синхронная запись сразу с четырех точек, но, в нашем
случае, при известном диагнозе, достаточно и одной. Кстати если Вы в клинике
делали ЭКГ с синхронным ФКГ и на Вас поместили только один датчик


это не
ФКГ, это халтура
:)

П
ри этом датчик необязательно должен быть контактным, что дает большой
плюс в электробезопасности и просто удобней



датчик можно помыть и
использовать другому человеку
.
Плюс Вас не смачивают водой для улучшения
контакта, бррр...

Затем сигнал фильтруетс
я,

причем
характеристики фильтра напря
мую
зависят от исследуемого отдела



все
тона и шумы
сердца

лежат в разной
частотной области
.

Как я уже писал ранее, сигнал ФКГ сложнее, нежели сигнал
Э
КГ, в этом есть
и свои плюсы и свои минусы. Плюсы, пока
не полност
ью
обоснованные
, связаны
с тем,
что из сложного сигнала можно извлечь совсем незначительные
изменения в
функционировании

сердечно
-
сосудистой системы.


Рисунок: ЭКГ и ФКГ
сигналы

6


С другой стороны, д
аже д
ля того, чтобы

написать алгоритм, который

будет
считать

частоту серд
ечных сокращений
, необходимо сильно напрячься. Сигнал,
который Вы видели ранее
,

записан для нормы,

при патологии сигнал порой
деформируется до неузнаваемости
.


Что
мы имеем сейчас

За последний год я довольно сильно продвинулся в заданном направлении.
Путем грамотного подбора компонентов мне удалось снизить себестоимость
изделия с 160$ до 110$ при практически неизменном качестве сигнала.
Для
этого
я тестировал
различные датчики и исп
ользовал разные схемотехнические
элементы. В дальнейшем я планирую «удешевить» устройство еще на 20
-
30$.

Здесь особенно сложно было работать с заморскими пьезоэлементами


почти все они были в пластиковом корпусе и обильно залиты клеем, так что
извлечь эле
мент, не повредив его, было то еще развлечение.
Хотя, надо
признать, именно они и показали наилучшие результаты.


Фото: Извлечение пьезоэлемента бельгийской компании
Sonitron

Исследование пьезоэлементов было необходимо потому, что ни в одном
’е н
е было информации об интересующей меня амплитудно
-
частотной
характеристики в
области

нижних частот, что и понятно


пьезоэлементы
изначально выпускались как излучатели, а в ситуации с микрофонами запись
частот ниже 20
-
30 Гц в принципе не нужна (зачем их за
писывать, если их в
се
равно не слышно?). Но для

моих специфических задач это
было
необходимо.

7



Фото: «Финалисты» конкурса на звание «Лучший чувствительный элемент»

У
стройство прошло большой путь от
микр
офонных датчиков

на присосках...


8


Фото: Датчики для

ФКГ на присоске (слева) и модель для изучения влияния
массы на качество сигнала (справа)

... к вот такому шарикоподшипниковому :
)


Фото: Датчик для ФКГ из подручных материалов

Надо, правда, отметить что датчик с подшипником идеально подходил и по
массе и

по диаметру,
которые я определил опытным путем для каждого из
«финалистов». Описывать подробней не буду, т.к. выяснять эти параметры это
б
ыло долго, скучно и однообразно. А еще это коммерческая тайна
.


А вот что стоит отметить, так это установку для иссле
дования

влияния
сторонних шумов на качество сигна
ла. Необходимо было узнать, как, например,
музыка в спортзале или
работающий
отбойный молоток неподалеку будут
искажать сигнал.

9



Фото: Установка для исследования влияния внешних шумов

Установка состояла из

колонки с хорошими
характеристиками

в области
нижних частот и
спаянного простейше
го
аудио усилителя
. Через компью
тер на
вход усилителя подавался
или

сигнал, сгенерированный с помощью
MATLAB

а,
или простая музыка.
О
собенно
весело было, когда

по вине

низкочастотн
ого

сигнал
а
,
несмотря

на то, что
его

было почти не слышно

(из
-
за свойств
человеческого слуха)
,
тряс
ся

сервиз в соседней комнате (к моему большому
удивлению, так как от тако
го маленького динамика

я не ожидал такого
результата). Соседи тоже не оц
енили шайтан
-
установки, т
ак что к
га
рмоническим НЧ колебаниям я еще
получил

и

импульсные, в виде
стука
шваброй

об
стену

:
D



10


Конечным р
езультатом моей работы явился вот такой монстр
.


Фото:
Экспериментальная установка

На нем я записывал с себя и своих друзей фонокардиограммы (спасибо, что
терпели меня :) и рассматривал разные методы обработки сигнала. Пока я
сошелся на том, что для
исследования функционирования сердца и поиска
артефактов наилучшим
представлением данных
является
скалограмма
(спектрограмма, основанная на вейвлет
-
анализе),
хот
я для этого

и требу
ются

значительны
е

вычислительны
е

мощност
и
.

Для примера

того, как используется система в данный момент,

выложу
результаты обработки двух сигналов. Дело обстояло следующим образом


я
решил проверить, насколько значительно изменится сигнал ФКГ, если я
наконец
-
то решу всерьез заняться спортом. Я записал себя утром, а затем бегал
примерно два часа. Это было до
вольно сложно, учитывая мое нежное

и

избалованное тело, но я бегал не останавливаясь
, желая достичь «максимальной
усталости». После того, как я вернулся домой, я подождал пол часа, пока
нормализуется

сердечный ритм, и записал себя повторно.

11



Рис:
Результаты обработки сигналов ФКГ до физических нагрузок и после
.

Как видно из скалограммы, сигнал сместился в область нижних частот, что
обусловлено утомлением
сердца
. Кроме того

видно
,

что сильный энергетический
вклад начинает вносить шум митрального кла
пана. Это значит, что
с помощью
устройства можно успешно оценивать утомляемость миокарда, что может быть
полезно спортсменам.




12






Приложенные файлы

  • pdf 23786145
    Размер файла: 1 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий