DE2215543A1

DE2215543A1 - Vorrichtung zum Erfassen von Kreislauftonsignalen

Info

Publication number: DE2215543A1
Application number: DE19722215543
Authority: DE
Inventors: John M. Los Altos Calif. Cage (V.StA.). P
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1971-04-19
Filing date: 1972-03-30
Publication date: 1972-11-09
Also published as: JPS4849286A; GB1388129A; FR2136492A5; DE2215543B2; US3762397A

Description

eingegangen am.. il

P 2 164 712.1 .. -

Hewlett-Packard Company

1501 Page Mill Road - .

Palo Alto ; ' ■ .-.

California 94304 '

Case 641 <

16. Juni 1972

VORRICHTUNGZUMERFASSENVON KREISLAUFTONSIGNALEN

Die Erfindung betrifft a eine Vorrichtung zur Analyse von Kreislauf-Geräuschsignalen, welche repetierend von einer Quelle im Körper gebildet werden.

Die diagnostische Überwachung von Geräuschen, die durch innere Organe oder Körperteile hervorgerufen werden, hat sich seit vielen Jahren durchgesetzt. Insbesondere das Abhören von Herzgeräuschen mittels eines Stethoskopes und neuerdings auch mittels Mikrophonen, Verstärkern und Aufzeichnungsoszillographen sind üblich geworden.

Relativ laute, niederfrequente Töne werden leicht durch moderne Stethoskope erfaßt, während sehr schwache, hochfrequente Töne bei der Diagnose verloren gehen. Zusätzlich zum Abhören von aufeinanderfolgenden Herzschlägen hat man eine Technik mit Logikgattern aufgebaut, um nur

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Teile in jedem Herzzyklus abzuhören. Auch ist eine Technik entwickelt worden, bei welcher gleichzeitig nur niedrige oder hohe Frequenzen der Töne erfaßt werden.

Indessen werden zusätzlich zu den typischen Tönen und Schwingungen, welche durch die Herztätigkeit hervorgerufen werden, gewisse sehr schwache, relativ hochfrequente Töne erzeugt durch Turbulenzen in der Blutströmung, und dieser Ton kann durch die herkömmliche Technik nicht klar erfaßt und ausgewertet werden. Selbst wenn die hochfrequenten Töne laut genug sind, um abgehört werden zu können, so können sie vom Arzt nicht genau beschrieben und erläutert werden.

Das menschliche Kreislaufsystem ist derart gut beschaffen, daß normalerweise junge Leute relativ frei von turbulenten Tönen sind. Indessen hat selbst eine gesunde Person mit einem gesunden Herzen gewöhnlich sehr kurze Ausbrüche turbulenter Töne, wenn die verschiedenen Herzklappen während jedem Herzzyklus schließen oder öffnen. Diese Töne werden durch einen kurzen Ausbruch oder ein Lecken von Blut durch die Herzklappe verursacht, wenn diese zuschlägt oder öffnet.

Wenn der Körper älter wird, wird das Blutsystem weniger optimal und es treten Zustände auf, die zu einer Turbulenz führen, was wiederum zu zusätzlichen hochfrequenten Geräuschen führt.

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Die meisten Störungen des Herzens erzeugen auch Turbulenzen, welche symptomatisch für die Störung sind» Beispielsweise erzeugt eine stenotische Aortenklappe oder eine zurückschlagende Mitralklappe einen unterscheidbaren Turbulenzton. Ein Fehler in der Herζseheidewand, welcher angeboren durch einen Unfall oder durch eine Krankheit verursacht ist, gestattet, daß der Blutstrom zwischen den rechten und linken Kammern, entweder im Vorhof oder in der Herzkammer fließt und zu bestimmten Turbulenztönen führt.

Zusätzlich erzeugt eine schwache Zirkulation wegen Arterienverengung Turbulenz im Blutfluß durch Verstopfung der Arterien, und es wird ein Ton mit hochfrequenten Anteilen erzeugt. Man hat herausgefunden, daß über 90 % einer Herzkranzarterie verstopft werden kann, bevor ein Herzanfall erfolgt. Da dieses Schließen sich über eine lange Zeitperiode erstreckt und turbulentes Geräusch während der Entwicklungsperiode erzeugt, kann eine frühe Diagnose, die auf der Geräuscherfassung beruht, für eine geeignete vorbeugende Behandlung entscheidend sein.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe 'zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, durch welche relativ hochfrequente Töne erfaßt und aufgezeichnet werden können, die durch Turbulenz im Kreislaufsystem erzeugt werden.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Detektor die Tonsignale erfaßt, eine Einrichtung zum Synchronisieren der erfaßten Tonsignale mit einem periodischen Zustand im Körper vorgesehen ist, welcher synchron mit den wiederkehrenden Tonsignalen auftritt, und eine Einrichtung zur Mittelwertbildung einer Vielzahl von Tonsignalen über einer Vielzahl von nachfolgenden Zeitperioden den Mittelwert der Amplitude dieser Tonsignale bildet. Es kann ein Schallübertrager, beispielsweise ein Mikrophon angeordnet werden, um die Töne vom Körper aufzunehmen, und die hochfrequenten Komponenten in einem ausgewählten Frequenzband, beispielsweise von 800 bis 1200 Hz werden getrennt, verstärkt und demoduliert, um eine Hüllkurve der Amplitude dieses Tones zu erhalten. Der demodulierte Ausgang wird an einen Rechner oder einen synchronisierten Mittelwertbildner weitergeleitet, der mit einem speziellen wiederkehrenden Zustand des Kreislaufsystemes, beispielsweise der R-Zacke des Elektrokardiogrammes synchronisiert ist. Das demodulierte Ausgangssignal wird daher synchron über mehrere einen Herz-

6 7 zyklus überdeckende Perioden, beispielsweise 2 oder 2 Perioden abgetastet, um eine klare, glatte demodulierte Ausgangskurve für den Ton zu erhalten. Umgebungsgeräusche · und nicht-synchronisierte Körpergeräusche werden dabei nicht in die Durchschnittsbildung mit einbezogen.

Die durch Mittelwertbildung erhaltene Kurve gibt den Turbulenzton hoher Frequenz wieder, welcher genau zu dem vorhandenen Zustand des Kreislaufsystemes in Verbindung steht.

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Bei einer anderen Ausführungsform, werden die/Tonsignale ohne Demodulation ausgemittelt, um Information über die Töne niedriger Frequenz,selbst solche unterhalb des Hörbereiches _r zu erreichen.

Bevorzugte Ausführungsbexspiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnungen erläutert; es stellen

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Kurve der demodulierten Töne hoher Frequenz, die durch die Turbulenz in dem Kreislaufsystem eines Erwachsenen mit einem normalen, gesunden Herzen gemäß der Erfindung erhalten werden;

Fig. 3 eine Kurve, welche derjenigen der Fig. 2 ähnelt, für eine Person mit wenigstens einem Herzanfall;

Fig. 4 eine Kurve, die derjenigen der Fig. 2 ähnelt, für eine Person mit einem verzögerten sytolischen Rauschen bei einer idiopathischen, hypertrophen Subaorta-Stenose;

Fig. 5 eine Kurve der demodulierten Töne hoher Frequenz, die bei einem Herzzyklus und ohne eine synchrone Mittelwertbildung über wiederholte Herzzyklen erhalten wird;

Fig. 6 eine Kurve eines Tones niedriger Frequenz einer normalen Person ohne Demodulation, wobei die Kurve durch synchronisierte Mittelwertbildung erhalten wurde.

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Gemäß Fig. 1 liegt ein Mikrophon 11 am Körper 12 der zu untersuchenden Person nahe der Quelle des zu erfassenden Geräusches an. Beispielsweise befindet sich das Mikrophon bei Herzstörungen auf der Brust oberhalb des Herzens. Wenn eine stenotische Arterie untersucht werden soll, wird das Mikrophon so nahe wie möglich an die verstopfte Stelle herangebracht.

Der erfasste Ton wird in einem Vorverstärker 13 verstärkt und an ein Bandpaßfilter 14 übertragen, welches lediglich Frequenzen innerhalb des ausgewählten Hochfrequenzbereiches, beispielsweise von 800 bis 1200 Hz durchläßt. Der Frequenzbereich ist veränderbar und die Grenzen sind nicht kritisch; ausgewählte Bandbereiche innerhalb eines allgemeinen Bereiches von 200 bis 20 000 Hz scheinen am vorteilhaftesten zu sein. Die Bandbereiche können ausgewählt werden, um die beste Unterscheidung zwischen einem Krankhextszustand und einem anderen zu erhalten.

Das ausgewählte Band von Tonfrequenzen wild in einem Verstärker 15 verstärkt und an einen Demodulator 16 abgegeben, welcher das Tonsignal gleichrichtet und filtert, um ein Ausgangssignal abzugeben, welches proportional dem laufenden Durchschnitt der Amplitude des Tones in dem ausgewählten Frequenzband ist. Diese Hüllkurve hat die in den Kurven Fig. 2 bis 4 dargestellte Form.

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Das demodulierte Tonsignal wird an eine übliche synchronisierte Schaltung 17 zur Mittelwertbildung von Signalen oder an einen entsprechenden Rechner zur Mittelwertbildung zwecks Unterdrückung von Störsignalen übertragen. Das Synchronisiersignal für den Mittelwertbildner 17 wird von einem herkömmlichen Elektrokardiographen 18 erhalten, der mit der untersuchten Person über drei Klebe-EKG-Elektroden 19 verbunden ist. Das an den synchron arbeitenden Mittel'-wertbildner 17 vom EKG-Gerät abgegebene Synchronisiersignal wird vorzugsweise bei der ansteigenden Flanke der R-Zacke des Herzzyklus abgeleitet. Jedes in dem Rechner ermittelte demodulierte Tonsignal wird mit der R-Zacke synchronisiert und über eine geeignete Anzahl von Herzzyklen, beispielsweise 2 oder 2 Zyklen gemittelt, so daß' ein sauberes Hüllkurvensignal zur Aufzeichnung durch ein Anzeigeinstrument 21 erhalten wird.

Es versteht sich, daß die Erfindung auch in anderer Form realisiert werden kann; beispielsweise könnte das Tonsignal mit anderen periodischen Zuständen, wie Teilen des QRS-Komplexes,die von der Anstiegsflanke der R-Zacke verschieden sind, synchronisiert werden. An Stelle eines eingebauten Synchronisiersignales aufgrund zyklischer Tonschwankungen, wie es der Fall bei einer venösen Stenose wäre, können zyklische venöse Stromgeschwindigkeiten künstlich mechanisch erzeugt werden, welche repetierend die Vene zusammenziehen.

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Der synchrone Mittelwertbildner würde dann mit der mechanischen Einrichtung synchronisiert.

Der synchrone Mittelwertbildner könnte mit analoger oder digitaler Mittelwertbildung realisiert werden. Eine Alternative zu synchronisierter Mittelwertbildung besteht darin, aufeinanderfolgende Abtastungen der demodulierten hochfrequenten Töne zu korrelieren.

Die Kurven gemäß Fig. 2 bis 6 stellen jeweils die Schallintensität über der Zeit nach der Synchronisierung dar. In Fig. 2 ist eine Kurve dargestellt, die von einer Person mit einem normalen gesunden Herzen mittels des erfindungsgemäßen Apparates erhalten wurde. Die Töne wurden mit einem Mikrophon gemessen, das auf der Brust direkt über dem Herzen aufgesetzt wurde. Der Beginn der Aufzeichnung auf der linken Seite ist mit der frühen Anstiegsflanke der R-Zacke des Elektrokardxogramms der Person synchronisiert, und die ganze Kurve gibt einen Herzschlagzyklus wieder. Die Kurve stellt einen durch einen Rechner ermittelten Durchschnittswert von 2 aufeinanderfolgenden Herzschlägen dar.

Die erste Spitze ist die Hüllkurve der sehr kurzen turbulenten Töne, welche durch das Schließen und Öffnen der verschiedenen Ventile bzw. Herzklappen verursacht werden, unmittelbar bevor die Ventrikel des Herzens beginnen, Blut in die Arterien zu pumpen. Die zweite Spitze ist die

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Hüllkurve der turbulenten Töne, welche durch die Herzklappen verursacht werden, wenn die Ventrikel mit dem Pumpen aufhören und mit dem Füllen beginnen. .

Die Töne haben eine relativ hohe Frequenz und eine kleine Amplitude; sie fallen üblicherweise in den Bereich über 400 Hz. Diese Töne werden in der Regel nicht mit .einem Stethoskop wahrgenommen, da sie über dem Bereich liegen, in dem ein Stethoskop empfindlich ist. Die gut definierte Kurve ergibt sich aus der Demodulation der Töne und der wiederholten Mittelwertbildung der durch die Modulation erhaltenen Hüllkurve.

Die Kurve gemäß Fig. 3 wurde unter ähnlichen Arbeitsbedingungen erhalten, wie diejenige der Fig. 2 mit der Ausnahme, daß eine Person mit einem verzögerten systolischen Geräusch in einer idiopathischen, übermäßigen Subaorten-Stenose untersucht wurde. Der Herzmuskel war nahe des Ausströmtraktes zu stark gewachsen. Der hochfrequente Ton beginnt graduell ungefähr zu der Zeit, in welcher das Herz anfängt, Blut zu pumpen und baut sich bis zu dem " lautesten Punkt auf, unmittelbar bevor die Herzkammer-Kontraktfon aufhört. Daher bedingt diese leichte Verengung im Herzen ein beträchtliches Geräusch, welches klar definiert ist und sich zu einer verzögerten Spitze während der Systole aufbaut.

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Die Kurve der Fig. 4 wurde von.einer Person erhalten, welche wenigstens eine koronare Verstopfung hatte. Die Hüllkurve der Töne während des Schließens der Mitral- und Aortaklappen sind sichtbar, obwohl diese beiden Spitzen nicht so ausgeprägt sind wie diejenigen der Fig. 2. Zusätzlich erscheinen zwei kleinere Spitzen zwischen den beiden Klappentönen, und diese beiden turbulenten Geräusche wurden sehr wahrscheinlich verursacht durch die in den Herzarterien zurückgebliebene Beschädigung.

Diese Kurven dienen dazu, die vielen möglichen Kurvenformen zu erläutern, welche als Charakteristika für viele verschiedene Arten von Herzkrankheiten dienen können. Diese Töne können während Routineuntersuchungen festgestellt werden, bevor eine ernsthafte Schädigung erfolgt.

Der Vorteil der synchronisierten Schaltung zur Mittelwertbildung über eine relativ große Anzahl von Perioden hinweg, ist unter Bezugnahme auf Fig. 5 ersichtlich, welche eine Kurve eines einzigen Vorganges des demodulierten Geräusches zwischen 800 und 1200 Hz darstellt, welches von einer Person erhalten wurde. Obgleich ein relativ lauter Ton beim Beginn der Meßvorgänge auftritt, sind keine Spitzenwerte klar ausgeprägt und es ist sehr wenig nutzvolle Information von der Art enthalten, welche bei einer wiederholten Mittelwertbildung aus vielen Einzelereignissen gewonnen wird. In der

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Tat hat die Person ein Geräusch, welches eine Geräuschspitze zwischen den Mitral- und Aortaklappenspitzen erzeugt und welche klar wurde, wenn 2 Vorgänge synchron ausgemittelt werden. —

Es ist schließlich nicht erforderlich, daß eine reguläre periodische Herzgeschwindigkeit vorherrscht, da das Meßgeräusch mit der R-Zacke synchronisiert ist, welche ihrerseits in irregulären Zeitabständen auftreten kann.

Die Erfindung ist sehr nützlich bei der Diagnose von Fehlern in der Herzscheidewand, in den Kranzarterien, bei künstlichen Klappen, bei der Stenose und dem Zurückschlagen der Klappen, der Stenose herzferner Blutgefäße, einschließlich der Venen, und bei Arterienerweiterungen und Nebenschlüssen. Auch können Blutdrücke gemessen werden bei Verwendung von Manschetten und teilweisen Abklemmungen, und es kann eine schnelle Diagnose von Herzmuskelinfarkten vorgenommen werden, indem die Tonresonanzen beobachtet werden. Auch ist eine quantitative Messung der Blutgeschwindigkeit und der räumlichen Ausdehnungen biologischer Gebilde möglich und Phonokardiogramme können besser dargestellt werden.

In einigen Fällen werden die Tonsignale in dem synchronisierten Mittelwertbildner ohne Demodulation erhalten, wobei

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der Demodulator 16 fortgelassen wird, um nützliche Information über die niederfrequenten Töne selbst unterhalb des hörbaren Frequenzbereiches zu erhalten. Eine Kurve dieser Art von einer gesunden Person ist in Fig. 6 dargestellt.

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Claims

P 22 15 543.7 Hewlett-Packard Company Case 641 16. Juni 1972 Patentansprüche eingegongen

1. ,Vorrichtung zum Erfassen von Kreislauf-Tonsignälen,

welche repetierend von einer Quelle im Körper abgeleitet sind, dadurch gekennzeichnet , daß ein Detektor (11) die Tonsignale erfaßt, eine Einrichtung (17, 18) zum Synchronisieren der erfaßten Tonsignale mit einem periodischen Zustand im Körper vorgesehen ist, welcher synchron mit den wiederkehrenden Tonsignalen auftritt, und eine Einrichtung (17) zur Mittelwertbildung einer Vielzahl von Tonsignalen über einer Vielzahl von nachfolgenden Zeitperioden den Mittelwert der Amplituden dieser Tonsignale bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Demodulator (16) zur Demodulation der erfaßten Tonsignale vor der Mittelwertbildung.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Mittelwertbildung aus einem den zeitlichen Mittelwert bildenden Rechner besteht.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Synchronisiereinrichtung auf das Elektrokardiogramm des Körpers anspricht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der die Tonsignale erfassende Detektor ein Mikrophon (11) enthält, welches nahe dem Körper angeordnet werden kann und der Demodulator mit dem Ausgang des Mikrophons verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeich net durch ein Bandpaßfilter (14), welches die erfaßten Tonsignale derart filtert, daß Signale in ausgewählten Bandbereichen über 200 Hz und 20 000 Hz durchgelassen werden.

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