数字听诊器的技术革新与应用

数字听诊器：技术更新

摘要

心血管疾病（CVD）被公认为是全球死亡率的首要原因，约三分之一的全球死亡率归因于心血管疾病（CVD）。除了临床表现外，特定的临床检查发现也有助于心血管疾病（CVD）的治疗和预防。心血管疾病（CVD）可能最初表现为肺部病理，因此，准确的心肺听诊对于建立准确诊断至关重要。听诊器是医生可用的最强大工具之一。听诊器最早出现于1818年，由法国医生雷内·拉埃内克发明。自那时起，最初的简单单耳木质管已发展为一种复杂的数字设备。本文对听诊器的演变进行了分析，并重点介绍了现代数字听诊器取得的进步，包括该工具在改善心血管疾病（CVD）患者诊疗中的应用。

关键词 ：心血管疾病，体格检查，诊断，治疗

引言

心血管疾病（CVD）被公认为全球各国死亡率的首要原因，因此及时的检测、治疗和预防是医生为其患者提供综合治疗的基础。2015年，全球死亡率中有31%归因于CVD，其中1770万人死于心脏相关病因。对心血管系统的听诊有助于及时诊断瓣膜性心脏病（VHD）、充血性心力衰竭、高血压病、心律失常（如房颤）、阻塞性动脉疾病以及多种结构性心脏病等。此外，多种肺部疾病可表现为右心疾病，而多种心脏病也可能首先表现为肺部病理；因此，肺部听诊与解释有助于进一步形成准确的诊断。

心血管检查通常包括以下内容：评估颈动脉脉搏和颈静脉脉搏；听诊血管杂音；听诊静脉嗡鸣、心前区冲动，并触诊心音和杂音；听诊心音；以及评估外周动静脉系统。听诊心音是医生诊断心血管疾病（CVD）并提供具有成本效益的进一步检查手段的基础。听诊代表识别体表在声音频率范围（20–20,000赫兹）内的机械振动。低于此频率范围的振动定义为“次声的”，通常表现为冲击、抬举以及动脉或静脉搏动。

在现代，除了临床检查外，还有多种方法用于评估心血管疾病（CVD）。心电图（ECG）是一种经济、无创的检查，有助于识别心律失常和急性冠脉综合征，也可作为心血管疾病的筛查工具。其他方法包括超声心动图、心脏磁共振成像（CMRI）和计算机断层扫描（CT）。超声心动图利用反射的超声波提供有关心脏血流动力学、功能和结构的信息。它是一种强有力的工具，通常与心电图和胸部X光片联合用于心血管疾病的初步评估。心脏磁共振成像（CMRI）利用磁共振成像技术清晰显示心脏解剖结构，提供详细的心肌组织分析，有助于特定类型心肌病的诊断，提供心肌存活性数据，并可辅助评估心脏功能。CT通过X射线采集具有高空间分辨率的数据。如今，心脏CT可用于评估冠状动脉疾病中的动脉粥样硬化，计算钙化评分，评估心肺血管系统以及瓣膜情况。然而，尽管这些影像技术不断进步，每种技术都需要经过培训的技术人员来执行检查，以及经验丰富的操作员准确解读结果。此外，这些设备通常仅在大型医疗机构中配备，导致许多服务不足地区无法获得此类先进技术以支持心血管疾病的诊断和治疗。因此，医生必须提升临床敏锐度，并充分利用易于获取的听诊器等工具可及时诊断和治疗心血管疾病。

传统听诊器

听诊器是一种声学装置，通过充满空气的中空管将胸件处的声音传输到听者耳朵。法国医生雷内·拉埃内克于19世纪首次发明了它。最初的设计较为简单，由一根单耳使用的中空木管构成。在同一时期，英国医生高尔丁·伯德描述了他设计的听诊器版本，采用软管材料，同样为单耳式。随后，爱尔兰医生阿瑟·利尔德改进了设计，双耳听诊器由此诞生。自那时起，双耳听诊器经历了巨大发展，但其基本原理保持不变。目前的声学双耳听诊器由一个连接胸件的中空管组成，胸件包含一个较大基底的膜片和一个较小的中空钟形件。

膜片用于传输高频声音，而钟形件则传输低频声音。因此，听诊器对心音所产生的声音传导会随着频率的降低而衰减。由于人耳对不同频率声音的敏感性存在差异，一些频率较低的声音可能无法被听到，例如低于50赫兹的声音。这种局限性促使了一种比传统听诊器更为先进的电子设备的出现（图1）。

心脏和肺部听诊

医生准确评估患者的心脏和肺部声音对于正确制定诊断至关重要。使用听诊器进行听诊可提供临床信息，有助于诊断，并调整和指导患者护理。心音是由于瓣膜的开启和关闭、血流通过任何孔口、血液流入心室腔以及心脏表面摩擦而产生的。心音频率可能受到瓣膜装置的影响，但通常其范围为从10到200赫兹。听诊主要区域如图2所示。

正常心音包括第一心音（S1），它由房室（AV）瓣膜即二尖瓣和三尖瓣的关闭产生。这对应于舒张期的结束和心室收缩期的开始，并先于颈动脉的上升支。S1听诊的变异性见图3。

第二心音（S2）是由于主动脉瓣（A2）和肺动脉瓣（P2）在结束时关闭所产生的声音，收缩期结束，标志着舒张期的开始。S2听诊的变化在图4中有进一步描述。

第三心音（S3）发生在血液从心房进入心室的早期舒张期。在40岁以下的个体中，S3可能是正常的；但在年龄较大的患者中若可听到S3，则为病理性。病理性S3可能由收缩期或舒张性心室功能障碍、缺血性心脏病、高动力状态（如发热、贫血、妊娠、甲状腺功能亢进症、动静脉瘘）、瓣膜性心脏病或容量超负荷引起。

第四心音（S4）是一种晚期舒张期声音，通常在心房的血液因顺应性降低的左心室而突然减速时产生。因此，心室肥厚、缺血性心脏病、心室动脉瘤以及导致强烈的心房收缩的高动力状态均可产生S4。

除了上述心音外，还可听到开瓣音、瓣膜射流喀喇音以及多种杂音。常见杂音的总结见表1。

杂音	位置	性质描述	传导	音调
AS	心尖/右胸骨上缘	粗糙的收缩期，先增强后减弱	颈动脉	High
AR	二尖瓣狭窄 胸骨左缘第3‐4肋间	吹风样舒张期递减型	Apex	Low
MR	Apex	吹风样全收缩期	腋下/心底部	High
PS	左侧第2肋间	吹风样收缩期，先增强后减弱	—	High
TR	左侧第4肋间	吹风样舒张期	胸骨左缘/剑突	High
HOCM	胸骨左下缘	粗糙的中晚期收缩期	—	High
VSD	胸骨左下缘	粗糙的全收缩期	—	High
PDA	胸骨左上缘	粗糙的连续性渐强‐渐弱，峰值接近S2	—	High
MVP	Apex	吹风样中晚期收缩期	腋下/心底部	High

注 ：改编自 Leng S, Tan RS, Chai KT, wang C, Ghista D, 钟力. 电子听诊器. 生物医学工程在线. 2015年;14:66。
缩写 ：AS，主动脉瓣狭窄；RUS，胸骨右上缘；AR，主动脉瓣反流；ICS，肋间隙；MS，二尖瓣狭窄；MR，二尖瓣反流；PS，肺动脉瓣狭窄；TR，三尖瓣反流；HOCM，肥厚型梗阻性心肌病；VSD，室间隔缺损；PDA，动脉导管未闭；MVP，二尖瓣脱垂。

此外，听诊的另一个重要组成部分是对肺部病理进行分类，以协助做出正确的诊断。然而，肺部听诊的准确解释具有主观性，且在很大程度上依赖于医生的培训水平。听诊应在安静的房间内进行，患者取坐位。听诊应从前方肺尖开始，对称地移动至肺底，然后移至后胸部。应要求患者张口进行深呼吸，同时评估呼吸音的性质、强度以及是否存在意外声音。

肺部声音的正常频率范围为100至1000赫兹。此外，哮鸣音的频率范围为100至5000赫兹，隆隆音为150赫兹，粗湿啰音为350赫兹，细湿啰音为650赫兹。正常的气管音在呼吸周期的两个阶段均可清晰听到，而正常的肺音仅在吸气期和呼气早期可闻及。哮鸣音可在吸气、呼气或两个阶段均能听到，具有乐性且音调高。隆隆音可在吸气、呼气或两个阶段听到，音调低，类似于打鼾声。细湿啰音出现在中晚期吸气时，有时也可在呼气时听到，通常不会传导至口腔，且不受咳嗽影响。粗湿啰音出现在吸气早期及整个呼气过程中，受咳嗽影响，并可传导至口腔。胸膜摩擦音和喘鸣音分别为爆裂声和高音调声音，也可在听诊时察觉到。由于可同时听到多种肺部声音，数字听诊器有助于临床医生准确理解声音背后的病理情况。从所获取的信息可以看出，如上所述，听诊器作为一种重要工具，通过听诊心脏和肺音来诊断多种心血管和肺部疾病过程。

数字听诊器的出现

数字听诊器能够将声学声音转换为电子信号，并可进一步放大以实现最佳听诊效果。这些电子信号还可经过处理和数字化，传输至个人计算机或笔记本电脑。数字听诊器听诊为医生提供的诊断能力有助于改变患者护理中的管理方案（图5）。

数字听诊器由三个不同模块组成：数据采集、预处理和信号处理，之后听诊者才能听到听诊声音。数据采集模块包括麦克风和压电传感器，负责对听诊声音进行滤波、缓冲和放大，并将声学声音转换为数字信号。预处理模块对数字信号进行滤波并去除任何伪影。这些数字数据随后被传送到信号处理模块，该模块将信息进行高阶分类并数据聚类，以支持临床诊断决策。

与听诊器不同，数字听诊器上的传感器种类繁多。其中一种换能方式涉及胸件中的麦克风。声音信号由听诊器膜片检测，并传递到麦克风内部的另一个膜片，从而将简单的声学声音直接转换为电信号。该信号随后可在电子设备上显示为心音图（图6）。然而，通过空气路径分隔的两个膜片可能导致过多的环境噪声信号以及电信号传输不准确。

压电传感器的功能与双膜片结构不同。在压电换能器中，听诊器膜片接收到的声音会引起晶体物质的形变，从而产生电信号。晶体物质的形变所产生的电信号可能无法真实还原膜片所捕捉到的原始声音。

电容式微机电系统是换能器采用的另一种方式。听诊器的膜片悬浮在标称电容场中，电容会随着心音产生的声压变化而改变。电容的变化能够生成电信号。

目前，几乎所有可用的数字听诊器都允许选择不同的频率响应模式，使听诊者能更清晰地听到心脏、肺部及身体其他部位的声音。此外，数字听诊器还采用多种机制来抑制环境噪声和摩擦噪声，使听诊者能够尽可能听到原始的声音。例如，3M® Littmann系列产品采用压电传感器，利用环境降噪作为自适应噪声消除器，可将声音放大至24倍。Thinklabs® One数字听诊器则通过应用电容式换能器，可将声音放大至100倍。该技术不仅能够实现环境降噪，还可利用特定的心音提取功能，成为听诊瓣膜咔嗒音等特定心音的强有力工具，并可通过特定的计算机算法进行分析。

通过推断频率来了解肺部病理。Welch‐Allyn® Elite 电子听诊器具有20至420赫兹的钟型模式，专门用于心音，以及350至1900赫兹的膜型模式，更适合用于肺部听诊。此外，埃科斯科普听诊器提供内置心电图功能，而维斯科普听诊器可为医生提供多波形的实时显示。数字听诊器还允许操作者记录心音并将其上传到计算机，以进行进一步的可视化、分析和传输。此外，一些数字听诊器还可以连接蓝牙®，将声音信号无线传输到远程处理单元。

数字听诊器：技术更新（续）

心脏和肺部听诊的医学进展与应用

除了在精确度和听诊效果方面优于传统听诊器外，数字听诊器还被研究用于阻塞性冠状动脉疾病的筛查。由于血流动力学显著的冠状动脉疾病导致湍流血流，从而产生冠状动脉内杂音。然而，传统听诊器缺乏检测这些杂音的听诊能力。我们研究了使用电子听诊器诊断冠状动脉疾病与心脏CT所见病变之间的相关性。

在我们的前瞻性单中心研究中，旨在探讨心脏CT显示的冠状动脉疾病的严重程度和位置与电子听诊器的心脏声谱分析仪（CSA；SonoMedica，美国弗吉尼亚州维也纳）处理的微杂音之间的相关准确性。共纳入161例患者，CSA对任一主要心外膜动脉冠状动脉疾病的总体敏感性为89.5%（p < 0.001）。

同样，Azimpour 等人研究了使用数字听诊器检测到的可闻冠状动脉内杂音与冠状动脉造影结果之间的相关性。在123名患者中，他们确定了通过声音检测任何冠状动脉狭窄程度达>50%病变的敏感性和特异性分别为0.70和0.80。

这种新工具通过补充无创成像手段来诊断阻塞性冠状动脉疾病，其前景基于以下前提：冠状动脉内湍流产生的微弱可听信号能够被识别。CSA、CADenceTM 和 CADScor® System 是目前正在研究的一些声学检测系统示例，用于与计算机断层扫描和侵入性冠状动脉造影进行验证对比。近期研究的总结见表2。

表2 利用声学检测系统诊断阻塞性冠状动脉疾病的近期研究汇总

声学检测系统	技术	标题和结果	参考文献
CSA SonoMedica 型号3.0	CSA 是一种无创数字电子听诊器，旨在识别频率范围为 400–2700 Hz 的微杂音	先进的数字电子听诊器在冠状动脉疾病的诊断中相比冠状动脉计算机断层扫描血管造影 结果：SonoMedica听诊器结合CSA预测CAD存在的敏感性为89.5%，且特异性为57.7%	24
CADenceTM 铁人	CADence 是一种无创设备，结合了床旁听诊和超声心动图数据，这些数据被传输到中央服务器进行分析，并将最终报告发送给医生	加州大学洛杉矶分校对1000+名患者的未发表的研究 由Aum心血管公司设计 结果：在中等风险人群中，阻塞性冠状动脉疾病可以通过81%的敏感性进行检测，特异性为83%	30
CADScor®系统 (Acarix A/S)	麦克风 CAD评分算法系统包括心脏声学特性声音结合临床风险因素 系统安装在第四肋间隙应用专用粘性贴片，心音通过自动和设备嵌入式算法分析评估	基于声学系统的诊断性能用于冠状动脉疾病风险分层 结果：CAD评分值表明为低风险 ≤20。在此临界值下，血流动力学显著的冠状动脉疾病检测的敏感性为81%，特异性为53%，阴性预测值为96%	31

缩写 ：CSA，心脏声谱分析仪；CAD，冠状动脉疾病；UCLA，加州大学洛杉矶分校；NPV，阴性预测值。

此外，由于数字听诊器的创新及其无线传输心音的能力，远程医疗领域有望得到进一步发展和提升。这将使医生能够实时获取患者的心音，并直接调整其医疗方案和健康走向。

肺部听诊的数字化涉及记录肺部声音、对获得的信号进行计算机分析，并基于频率分析对声音进行分类。基于计算机的肺音分析能够根据肺音及其频谱特征，优化和量化听诊所得的肺音。傅里叶变换是用于理解肺部听诊最常见的分析工具。傅里叶变换能够将信号分解为其组成的频率。神经网络作为一种机器学习算法，可进一步处理这些信息，并将不同频率分类为肺部声音。古龙等人对尝试理解数字肺部听诊与基于计算机的算法结合的预后能力的研究进行了荟萃分析。尽管样本量有限，但他们发现基于计算机的算法识别异常肺部声音的特异性和敏感性分别为85%和80%。

还需要注意的是，多种心肺病理学相互关联，研究人员已开始利用数字技术来获得准确的诊断。例如，卡杜拉等人使用自动机器学习和受语言识别启发的语音算法来确定数字采集的心音是否与肺动脉高压（PH）相关。所使用的算法能够仔细分析心音，并收集幅度、强度、形状和频率等信息。通过将PH患者的心音与非PH患者进行比较，他们发现该算法准确诊断PH的比例达到74%。这些最新发现为进一步研究打开了大门，以进一步优化现有技术，最终使医生能够更好地帮助患者。

结论

多种心肺病理学可通过简单的听诊机制进行识别。全球心血管疾病（CVD）的发病率正在上升，许多心血管疾病可能首先表现为肺部症状；因此，医生即使在资源有限的情况下，也必须具备准确检查患者的能力。听诊器是一种功能强大且易于使用的重要工具，可直接对患者护理产生积极影响。尽管医学领域已取得多项复杂进展，有助于临床诊断与管理，但没有任何一种手段能与听诊器的简便性和重要性相媲美。数字听诊器的出现使这一历史悠久的工具变得更加精密。如今，医生能够以更高的准确性和精确度听到心脏和肺的声音。通过这一进步，现在已具备潜在可能性用于听诊阻塞性冠状动脉疾病以及其他血管杂音和阻塞性血管疾病（如颈动脉狭窄），并检测可能构成肺部听诊的多种频率。此外，通过更早地识别疾病进程，还有望显著影响患者护理，并预防致命后果。通过将数字听诊器技术应用于远程医疗，也可在医疗资源匮乏或缺乏医疗机构的地区提供医疗服务。尽管仍需开展研究以进一步验证数字听诊器的有效性，但目前该工具已能使使用者成为更好的诊断医师，从而提供更优质的医疗服务。