1. Kroppens ljud

1. Kroppens ljud
"I have been able to hear very plainly the beating of a man's heart…Who knows, I say, but that it
may be possible to discover the motion of the internal parts of bodies…by the sound they make;
one may discover the works performed in several offices and shops of a man's body and thereby
discover what instrument is out of order."
Robert Hooke (1635-1703)
Fysiologiska processer lämnar mekaniska fingeravtryck i form av akustiskt mätbar energi. De
viktigaste uppkomstmekanismerna för kroppsljud är (Wranne, 1999):
•
Acceleration–deceleration av organ, kroppsdelar eller vätska som genererar ljud.
Exempel på detta är rösten och hjärttonerna. Ljudkaraktären har i vissa fall ett starkt
harmoniskt inslag genom resonansfenomen. I andra fall, t ex då strukturer slår samman
eller öppnar sig, fås »klickar och snäppar» som är bredbandiga, dvs har ett stort
frekvensinnehåll, men är kortvariga. Ett specialfall är kavitation, dvs kollaps av
gasbubblor i en vätska, till exempel i luftvägar eller mag–tarmkanal (magkurr).
•
Friktionsfenomen, där olika biologiska strukturer rör sig mot varandra. Exempel på
sådant ljud är ledknarr och perikardiella gnidningsljud. Ljuden kan uppträda när
vilofriktionen är låg, och ett transient ljud uppstår vid rörelsens början. Det kan också
uppstå ljud genom att glidningen mellan vävnader sker i steg.
•
Icke laminärt (turbulent) flöde av vätska eller gas genererar ljud. Exempel på detta är
andningsljud och hjärtats blåsljud. Ljud av denna genes avtar med kuben på avståndet
jämfört med accelerations –decelerationsljud, som avtar med kvadraten på avståndet. Ljud
härkomna från turbulent flöde är därför lättare att positionsbestämma eftersom deras
intensitet är betydligt starkare i närheten av källan.
Att använda kroppens ljud som ett diagnostiskt verktyg kallas auskultation. Tekniken har
ifrågasatts på senare år, till exempel i en studie från USA där färdigheterna i hjärtauskultation
testades på olika grupper av läkare och studenter (198 internmedicinare, 255 familjeläkare, 88
studenter, 10 kardiologer). Tolv typiska auskultationsfynd (defekta klaffar, extratoner etc.)
presenterades och träffsäkerheten var ca 20 procent för internmedicinare, familjeläkare och
studenter, medan kardiologerna hade korrekt svar i drygt 80 procent av fallen (Mangione 1997). I
takt med att nya tekniker introduceras tenderar äldre metoder att fasas ut. Likafullt är auskultation
tillsammans med sjukhistoria och övrig fysikalisk undersökning ett av de viktigaste sätten att
välja ut de patienter som behöver undersökas vidare med dyrare metoder såsom MR och
ekokardiografi. Nedan följer en kort genomgång av ett urval av olika kroppsljud, hur de
uppkommer, deras diagnostiska värde samt en koppling till fysiologiska tryck och flöden.
1.1. Artärljud
När en fluid strömmar genom en förträngning kontraherar flödet, Figur 1. Vätskestrålen fortsätter
att konvergera bortom passagen och uppnår sin minsta area i vena contracta, där även trycket på
kärlväggen har sitt lokala minimum. Vätskestrålen divergerar därefter och trycket återställs
1
efterhand som den lokala hastigheten minskar. Den punkt där strålen når kärlväggen kallas för
återanslutningspunkt.
u1
umax
u1
Figur 1. Kontraktion av flödet genom en förträngning
Reynoldstalet är ett mått som visar på en fluids strömmningsegenskaper:
Re =
ρdu
η
där d är kärlets diameter och ρ, u och η fluidens (blodets) densitet, medelhastighet och viskositet.
Vid ett lågt Reynoldstal (<1) följer flödet kärlets väggar, även vid förträngningen. Efterhand som
Reynoldstalet blir större (10-100) flyttas återanslutningspunkten bort från förträngningen
samtidigt som det bildas virvlar. Vid höga Reynoldstal (>300) blir flödet turbulent, vilket i sin tur
leder till fluktuationer i flödeshastigheten och därmed även tryckvariationer. Tryckvariationerna
påverkar kärlets väggar som då börjar vibrera vilket resulterar i ett blåsljud.
Uppmätta akustiska signaler kan därför användas för att mäta obstruktioner i olika blodkärl.
Ljudens frekvens beror på förträngningen vars geometri introducerar högfrekventa
resonanstoppar. Samtidigt påverkar avståndet mellan mikrofonen och förträngningen
signalstyrkan och därmed energiinnehållet i frekvensspektrat. Sammantaget går det alltså att att
lokalisera och storleksbestämma obstruktioner med hjälp av bioakustiska metoder.
1.1.1. Korotkoffljud
Blodtrycksmätning är den absolut vanligaste bioakustiska metoden i kärlsammanhang. Normalt
är blodflödet i perifera kärl laminärt och därmed tyst. När en blodtryckmanschett blåses upp
stryps flödet i artären och när luften sedan släpps ut uppstår ett turbulent blodflöde vilket kan
höras med ett stetoskop. Trycket i manschetten är då lika med det systoliska blodtrycket. När det
återigen blir tyst är flödet laminärt och trycket i manschetten överensstämmer med det diastoliska
blodtrycket. Vibrationerna i kärlväggen kallas Korotkoffljud och de brukar delas in i fem faser:
1. Svaga tickande ljud med gradvis ökande intensitet börjar höras, det systoliska trycket kan
avläsas.
2. Ljudet blir svagare och eventuellt susande.
3. Ljudet blir åter skarpare, men inte så starkt som i fas 1.
4. Ljudet dämpas distinkt, blir svagt och flämtande.
5. Alla ljud upphör. Det diastoliska trycket kan avläsas.
2
Det finns olika teorier till Korotkoffljudens uppkomst (Cunningham, 2003).
Kavitationsteorin: När trycket i manschetten minskar kommer artären att utvidga sig snabbt
vilket leder till ett plötsligt tryckfall i kärlet. Gaser lösta i blodet under manschetten kommer då
att övergå till gasform, ett fenomen som kallas kavitation. Då blodet rusar in i artären kollapsar
kaviteterna och den frigjorda energin skapar Korotkoffljuden.
Artärväggsteorin: Då manschetten blåses upp kollapsar artären. När sedan blodet rusar in
översträcks artären vilket skapar ljudet.
Turbulensteorin: Då trycket från manschetten minskar rusar blodet in i ett system med låg
energi (artären). Blodkärlet absorberar energi från blodet vilket tvingas sakta in med ett turbulent
flöde som följd. Energin som tappas i processen bildar vibrationer som kan kännas igen som ljud.
1.2. Hjärtljud
Redan fyrahundra år före Kristus beskrev Hippokrates hjärtljuden och de grundläggande
koncepten för auskultation. Man lyssnar efter hjärttoner och eventuella biljud, där man skiljer på
blåsljud uppkomna inom hjärtats hålrum och andra biljud, till exempel härrörande från
perikardiet (hjärtats anatomi finns i Figur 2). Hjärttoner och blåsljud har olika
uppkomstmekanismer och därför olika karaktär. Tonerna uppstår genom snabb acceleration
respektive retardation av blodpelaren i hjärtat eller de centrala blodkärlen, medan blåsljuden
uppkommer genom virvelbildning i blodet vid dess passage genom eller från hjärtat. Tonerna är
korta och av låg frekvens (25-150 Hz) medan blåsljuden är mer långdragna och av högre frekvens
(50-800 Hz). De patologier som vanligen kopplas till hjärtljud är vitier (stenos eller läckage i
klaffarna) och duktusproblematik (hål i väggen mellan hjärtats högra och vänstra sida). Det finns
även en viss koppling mellan förekomsten av en tredje hjärtton och hjärtsvikt.
3
1.2.1. Hjärtcykelns faser
En hjärtcykel brukar delas upp i två stora faser, en fas då kammarmuskeln dras ihop, systole och
en fas då kammarmuskeln slappnar av, diastole.
Figur 2. Hjärtats anatomi
Systole brukar delas upp i tre olika faser. Den första fasen kallas presystole vari förmaket
kontraherar. Denna kontraktion tömmer förmaket på blod och tvingar blodet in i kammaren och
bakåt i venerna. Nästa fas kallas tidig systole. Under denna fas stängs mitralis- och
tricuspidalisklaffarna (atrioventrikularklaffarna, AV-klaffarna) och kammaren dras ihop
isovolymetriskt (konstant volym). Eftersom samtliga klaffar är stängda när kontraktionen av
kammarväggen börjar kan inte blodvolymen ändras. Den isovolymetriska kontraktionen varar
mellan stängningen av AV-klaffarna och fram till dess att semilunarklaffarna (aorta- och
pulmonalisklaffarna) öppnas i början av mittsystole. Fasen mittsystole inleds alltså med att
semilunarklaffarna tvingas öppna och blod flödar ut i blodomloppet. Samtidigt som kammaren
töms på blod fylls förmaken. Efter denna fas börjar diastole.
Kammarens diastole börjar med att semilunarklaffarna stängs och kammaren relaxerar
isovolymetriskt. Relaxationen varar till dess att AV-klaffarna öppnas i början av mittdiastole. När
AV-klaffarna öppnas flödar blod snabbt in i kammaren. Detta är ett passivt flöde som skiljer sig
från det flöde då förmaket kontraherar och tvingar blod in i kammaren under presystole. Både
förmak och kammare är relaxerade under mittdiastole. Efter den första snabba fyllningsfasen så
saktas blodflödet in av tryckutjämningen som sker när hjärtmuskeln slappnar av. Hjärtat tar en
paus i s.k. diastasis. Under denna fas sker minimalt blodflöde mellan kammare och förmak trots
att klaffarna är öppna. Efter diastasis påbörjas en ny cykel med presystole och då är kammaren
redan fylld med blod till 80 procent. Hjärtats olika faser beskrivs väl av en så kallad PV-loop där
tryck/volym-förhållandena i hjärtat kan tolkas i en enkel graf.
Hjärtats arbete styrs av en elektrisk impuls som initieras i en grupp celler i höger förmak och
sprids genom hjärtväggen. Förändringar i impulsen mäts med hjälp av EKG. Figur 3 nedan visar
en EKG-kurva kopplad till hjärtats toner och hjärtcykelns faser.
4
Figur 3. De fyra hjärttonerna i relation till hemodynamiska händelser i hjärtcykeln samt EKG. Bild från
(Nygaard, 1996).
1.2.2. Hjärttonerna
Blodet flödar från regioner med högt tryck till regioner med lågt tryck och det är den relativa
tryckskillnaden mellan förmak, kammare och artärer som öppnar respektive stänger klaffarna i
hjärtat. Så snart blodet tenderar att flöda i motsatt riktning stängs klaffarna passivt och det är i
samband med detta som hjärttonerna uppstår. Det finns fyra hjärttoner, men normalt hörs bara de
första två (lub-dub, lub-dub...) hos en vuxen individ.
Första tonen (S1) är en sekvens av mellan- till lågfrekventa vibrationer. Sekvensen består av
komponenter som uppkommer vid AV-klaffarnas stängning (plötslig uppbromsning av blod),
semilunarklaffarnas öppning (blodets snabba acceleration ut i aorta respektive arteria pulmonalis)
samt virvelbildning i blodet under det snabba inflödet i artärerna. S1 markerar alltså början av
kammarens kontraktion. Vibrationer från alla dessa händelser mixas samman till S1.
Andra tonen (S2) uppkommer vid övergången mellan systole och diastole då semilunarklaffarna
stängs. S2 påverkas av tryckvariationer mellan hjärtats högra och vänstra sida varför klaffarna
inte stängs samtidigt. Tonen är därför dubblerad med aortakomponenten före
pulmonaliskomponenten.
5
Tredje tonen (S3) uppkommer i den passiva fyllnadsfasen då det snabbt inströmmande blodet
bromsas upp i kamrarna. S3 kan höras normalt hos barn men tyder på sjukdom vid förekomst hos
vuxna.
Fjärde tonen (S4) hör samman med kammarens aktiva fyllnadsfas och ligger i slutet av diastole.
S4 är resultatet av vibrationer i en stel kammare vid inflödet av blod och är vanlig vid för högt
blodtryck
De olika hjärttonerna påverkas av olika patologier, vilket slår igenom i form av förändringar i
intensitet eller frekvens samt tidsdifferenser mellan tonernas olika komponenter.
1.2.3. Blåsljud
Blåsljud beskrivs genom dess frekvens, intensitet, läge i hjärtcykeln samt varaktighet. Systoliska
blåsljud kan förekomma normalt medan diastoliska blåsljud alltid är patologiska. Den turbulenta
strömning eller virvelbildning som ger upphov till blåsljud orsakas av (Persson, 2003):
•
Förträngningar i klaffarna som gör att de inte öppnas upp ordentligt (stenos).
•
Läckage i klaffarna (insufficiens).
•
Abnorma förbindelser mellan hjärtats vänstra och högra sida (duktusproblematik).
•
Abnormiteter i de stora kärlen.
•
Hyperkinetisk cirkulation, dvs. stor hjärtminutvolym.
Blåsljud ur ett tryck- och flödesperspektiv:
Bildandet av blåsljud med tillräcklig mekanisk energi för att transmittera ljudet till bröstytan
kräver ett turbulent blodflöde (Stein, 1977). Blåsljud kan uppstå även då tryckgradienten över
hjärtklaffarna är liten, så ett blåsljuds uppkomst, form och timing bestäms i huvudsak av blodets
flödeshastighet (Murgo, 1998). Detta visas enklast med ett exempel där maximum för
tryckgradienten skiljer sig från maximum för flödeshastigheten, se Figur 4. I figuren framgår att
en systolisk tryckgradient (impulsgradient, IG) snabbt byggs upp och att detta sker samtidigt som
flödesaccelerationen är som störst (dQ/dt). Flödeshastigheten når sitt största värde långt senare,
vilket sammanfaller med blåsljudets intensitetsmaximum. Att tryckgradienten sammanfaller med
flödesaccelerationen bekräftas av en förenklad version av Bernuoillis ekvation (som beskriver
tryckskillnaden längs en vätskestråle):
∆P = α
dQ
+ βQ 2
dt
Q är volymsflödet och konstanterna α och β beror på blodets densitet samt kardiovaskulära
geometrier. Högerledet består här av två termer, där den första är den fluiddynamiska versionen
av Newtons lag (f = mּa). Denna del hanterar krafter som utvecklas för att överkomma trögheten
i systemet (egentligen för att sätta blodet i rörelse). Den andra termen hanterar volymsflödet
genom en area vars tvärsnitt varierar med avståndet på vätskepelaren (här blodflödet genom en
förträngning).
I ett icke-pulsativt system kommer flödesaccelerationen att vara noll samtidigt som den andra
termen är ignorerbar (förutsatt att vi jobbar med korta avsnitt av aorta). Med pulsativt flöde i ett
system med försumbar förändring av tvärsnittsarean kommer den första termen i Bernouillis
6
ekvation att dominera. Om däremot tvärsnittsarean ändras markant, som i fallet med förträngda
klaffar, kommer den andra termen att inverka mest.
Figur 4. Frisk person vid vila respektive
arbete. Simultan insamling av tryckkurvor
från vänster kammare (LV), aorta (AO) samt
dess differens (obs. förstorad), dvs
tryckgradienten (IG). Flödeshastigheten (ej
volymflöde) uppmätt i aorta och EKG samt
hjärtljud uppmätta direkt på aorta visas
också. Bild från (Murgo, 1998).
Figur 5. Patient med aortastenos (förträngning i aortaklaffen). Som figur 4, men
flödeshastigheten är uppmätt i vänster
kammares utflödesregion och
tryckdefferensen är inte förstorad. Bild från
(Murgo, 1998).
Ett mått på huruvida ett flöde är turbulent eller inte ges som bekant av Reynolds tal, som i
själva verket är ett förhållande mellan de krafter vi tagit med i den förenklade
Bernouilliekvationen och tröghetskrafterna (som bland annat kommer från skjuvkrafterna
som utvecklas längs kärlväggen). De två termerna i Bernouillis ekvation kommer alltså
direkt att påverka Reynolds tal och på så sätt indikera om flödet är turbulent. Det bör
poängteras att geometriska skillnader mellan olika personer kan påverka turbulensen även
om blodflödet är lika personerna emellan. Detta är också en förklaring till att det finns
fysiologiska (alltså friska) blåsljud. Om en patient lider av förträngda klaffar kommer den
andra termen i Bernouillis ekvation att dominera. Detta innebär att kopplingen mellan
tryckgradienten och flödeshastigheten förstärks, något man även kan se i Figur 5.
Maximum för tryckkurvan sammanfaller nu med maximum för flödeshastigheten, och
detta är en trolig orsak till varför många fysiologer felaktigt påstår att blåsljud uppstår på
grund av tryckgradienter.
7
Om man skriver om uttrycker för Reynolds tal enligt:
Re =
4Q ⎫ 4 ρQ
ρdu ⎧
d2
u⇒u= 2⎬=
= ⎨Q = π ⋅ r 2 u = π
4
η
πd ⎭ πηd
⎩
ser man att Reynolds tal blir större om flödet ökar eller om diametern minskar, något som
stämmer väl överens med intuitionen. Nämligen att turbulensen kommer att öka vid en
förträngning.
1.2.4. Biljud
Biljud är korta, ofta högfrekventa ljud som kan ha flera orsaker. Ljuden kan till exempel
orsakas av håligheter och blodläckage mellan hålrummen inuti hjärtat, av defekter hos
hjärtsäcken eller av tumörbildningar. Det finns en uppsjö av biljud och nedan förklaras de
vanligaste (Persson, 2003):
Ejektionsljud: Då semilunarklaffarna öppnas kan det förekomma patologiska
öppningsljud som orsakas av att klaffarnas uppåtgående rörelse avbryts följt av en
ejektion av blod genom en för trång öppning. Ljuden är högfrekventa intensiva ljud som
oftast är associerade med utvidgning av artärerna.
Systoliska klickljud: Patologiska fynd som associeras med att AV-klaffarna, oftast
mitralisklaffen, sjunkit ihop. Ljuden orsakas av en abrupt spänning av en ihopsjunken
mitralisklaff efter att klaffen böljat in i vänster förmak under kammarens kontraktion.
Ljuden förekommer i mitten eller slutet av systole och karaktäriseras av ett högfrekvent
klickljud.
Öppningsljud: Uppkommer om klaffarna har ärrbildning eller är förtjockade på något
sätt som gör dem mindre flexibla. Öppningsljudet är kort och högfrekvent och ganska
högt och karakteristiskt för att klaffen lider av stenos. Det kan förekomma dubbla
snäppljud ifall bägge AV-klaffarna är stenotiserade.
Knackljud från perikardiet: Återfinns oftast i tidig diastole men emellanåt även i
systole. Ljudet förekommer till exempel hos patienter som har ärrbildning på hjärtsäcken.
Ljudet är högfrekvent och snäppande.
1.3. Lungljud
Lungträdet består av trachea, 2 huvudbronker, 5 lobbronker, 19 segmentbronker och
35000 terminala bronchioli (lungans anatomi finns i Figur 6). Andningsljud uppkommer
troligen av turbulens i luftflödet vid lobbronkerna eller segmentbronkerna. I de perifera
luftvägarna är hastigheten på luftflödet så låg att turbulens aldrig uppstår. Normala
andningsljud kallas ibland vesikulära, men benämningen är olyckligt vald eftersom
ljuden omöjligt kan komma från den stillastående luften i alveolerna (vesiklarna)
(Simonsson, 2000). Bronkiella andningsljud bildas genom turbulens i larynx, trachea och
de största bronkerna (dessa ljud kan ha patologisk betydelse). Patologiska andningsljud
uppstår genom intensitetsförändringar och/eller biljud. Biljuden kan vara endera
kontinuerliga (exempelvis ronki) eller diskontinuerliga (exempelvis rassel). Figur 7 visar
exempel på andningsljud.
8
Alveol
Bronkiol
Larynx
Trachea
Huvudbronk
Lobbronk
Segmentbronker
Figur 6. Lungans anatomi
Figur 7. Exempel på lungljud hos en: a) frisk person med normala lungljud; b) astmapatient med
ronki; c) alveolitpatient med rassel. Den streckade linjen visar luftflödet där ett negativt flöde
betyder inspiration och ett postitivt flöde betyder exspiration (högra y-axeln). Den vänstra y-axeln
visar ljudens intensitet. X-axeln indikerar tid med förloppet 10 ms per ruta. Bilderna kommer från
(Sovijärvi, 2000).
1.3.1. Intensitetsförändringar
Vid luftvägsobstruktion i centrala luftvägar uppstår högre flöde och mer turbulens, varför
man hör mer högfrekventa andningsljud än normalt. Förändring av andningsljudets
intensitet förekommer även vid:
•
Emfysem eller vätska i lungsäcken (minskad intensitet).
•
Hyperventilation (ökad intensitet).
Hur väl dessa fysiologiska förändringar slår igenom i andningsljudet är bland annat
relaterat till strukturen hos lungvävnad, bronker, fett och skelett.
1.3.2. Diskontinuerliga biljud
Diskontinuerliga biljud brukar benämnas rassel och hörs framförallt vi inandning. De är
explosiva och transienta till sin natur med ett brett frekvensspektrum på 100-2000 Hz
(Sovijärvi, 2000). Ett rassel tros uppstå som följd av en tryckutjämning då en kollaberad
(hopfallen) luftväg öppnas. Man har visat med matematiska modeller att högfrekventa
rassel uppstår i de mindre luftvägarna medan lågfrekventa rassel uppstår i de större
luftvägarna (Fredberg, 1983).
9
1.3.3. Kontinuerliga biljud
Fladder i kollaberade luftvägar brukar benämnas ronki. Svängningarna börjar då
luftflödets hastighet når ett visst kritiskt värde. Man skiljer mellan sonora (lågfrekventa)
och sibilanta (högfrekventa) ronki, vilka uppstår i stora respektive små luftvägar som just
håller på att slutas. Ofta förekommer de båda typerna i kombination och brukar då kallas
för polyfona ronki. Ronki uppstår framför allt under exspirationen på grund av
förändringar i luftflödesmotståndet och är således relaterade till bronkospasm
(sammandragning av bronkmuskulaturen leder till kontraktion av luftrören), ödem
(ansamling av vätska i lungorna) eller slem i luftvägen. Vid kraftig obstruktion blir dock
inte luftflödet tillräckligt stort för att kunna åstadkomma ronki (Simonsson, 2000).
Figur 8. Virvelbildning i luftflödet i närheten av en stenos i en av bronkerna. Bild från (Cebral, 2004)
1.4. Sväljljud
En normal sväljning kräver invecklad styrning och koordination. Sväljningen brukar
delas in i den orala fasen, den pharyngala fasen och matstrupsfasen. Den orala fasen
börjar med intagande av en bolus i munnen. Läpparna, tungan och tänderna finfördelar
bolusen varpå den pharyngala fasen tar över så snart bolusen når struplocket. En
synkronisering sker här med andningen för att skydda luftvägarna. Så snart bolusen nått
matstrupen tar den sista fasen vid, vilken för ned bolusen till magen. Personer med
sväljningssvårigheter (dysphagia) saknar den systematiska koordination som krävs vid
normal sväljning vilket leder till aspiration (bolusen åker ned i luftstrupen istället för
matstrupen).
Under senare år har ljud uppmätta över halsen undersökts i samband med sväljning för att
identifiera akustiska mönster. I huvudsak är det tre karaktäristiska ljud som uppstår; ett
diskret klickljud, ett ljud då bolusen passerar från svalget till matstrupen och ytterligare
ett diskret klickljud, se Figur 9. I figuren kan man också se synkroniseringen med
andningen.
10
Figur 9. Exempel på sväljljud plottat som ljudintensitet över tiden. I=inspiration, E=exspiration,
SW=swallow. Bild från (Lazareck, 2004).
2. Mätteknik
2.1. Stetoskop
Stetoskopet uppfanns 1819 av René Laënnec, då i form av en pappersrulle som senare
ersattes av ett enkelt trärör, se Figur 10. Det sägs att Laënnec uppfann stetoskopet när han
ville hålla en viss distans till en motbjudande patient. Om det var så – eller om
önskemålet till distans kom från patienten – skall vi låta vara osagt, men ovedersägligen
är denne Laënnec upphovsmannen till ett diagnostiskt instrument vars motstycke saknas i
medicinens historia.
A
B
C
D
Figur 10.
Tidiga stetoskop: Enkla trästetoskop för ett öra (A), flexibelt stetoskop för ett öra
(B), Cummanns stetoskop (C) och Allisons stereostetoskop (D). Bild från (Hult, 2002).
11
Stetoskopklockan (givaren) består väsentligen av en tratt, med eller utan membran, som
läggs an mot huden. Ju större anläggningsytan är i förhållande till den inre luftvolymen,
desto effektivare blir signalöverföringen. Den övre gränsen för stetoskopklockans
diameter sätts i praktiken av kroppsytans krökning, som gör anläggningen svårare ju
större tratten är. Luftläckage förvränger och försvagar signalen kraftigt. Stetoskopet har i
allmänhet en öppen klocka och en med membran. Den öppna klockan skall användas för
att lyssna på låga frekvenser, typiskt under 70 Hz, medan membrandelen används för att
lyssna av mera högfrekventa ljud. Vid hjärtauskultation bör således den öppna delen av
stetoskopet användas för auskultation av S3 och S4 samt lågfrekventa blåsljud, till
exempel vid mitralisstenos. Det är också viktigt att inte trycka för hårt mot huden,
eftersom huden då kommer att verka som ett spänt membran och filtrera bort de
lågfrekventa signalerna. För att lyssna på mer högfrekventa ljud såsom S1, S2 och
aortastenos bör den membranförsedda delen användas. Likaså är den membranförsedda
delen att föredra vid lungauskultation liksom vid blodtryckstagning. Från
stetoskopklockan leds signalen via en eller två slangar till stetoskopistens öron. Typisk
längd på slangarna är 50 cm, vilket motsvarar en kvarts våglängd i luft för en ljudvåg
med frekvensen 170 Hz. En kvarts våglängd motsvarar den lägsta resonansfrekvensen för
en orgelpipa; resonansen uppkommer i ett rör med ena änden sluten och den andra öppen.
Detta är också fallet i ett stetoskop, där stetoskopistens öra motsvarar den slutna änden
och tratten den öppna. En stående våg uppstår med en buk i den öppna änden och en nod
i den slutna. En följd av detta fenomen är att stetoskopets överföringskarakteristik är full
av resonanstoppar och -dalar. Ett stetoskop med en slang som delar sig vid öronbygeln
har ett mer komplext resonansmönster till följd av att ett antal stående vågor uppträder
vid flera frekvenser. Resonanstopparnas höjd beror på en rad svårkontrollerade faktorer,
till exempel hur effektiv tätningen mot undersökarens öra är. Ett minimalt läckage kan
orsaka en stor förändring i stetoskopets överföringskarakteristik.
Elektroniska stetoskop undviker många av de resonansproblem som uppstår i slangarna.
Klockan och membranet ersätts då av en bredbandig mikrofon, en förstärkare samt
hörlurar. Samtidigt som ljudet förbättras uppkommer dock andra problem. Till exempel
känner inte alltid läkaren igen sig då resonanserna inte längre färgar ljudet på det sätt hon
är van vid.
2.2. Mikrofoner
Mikrofoner har oftast en tillräcklig övre gränsfrekvens för att fånga upp kroppsljud.
Istället är det lågfrekvensegenskaperna som kan saknas. Vissa hjärtljud är väldigt
lågfrekventa (0,1-20 Hz) och det är önskvärt att även dessa kan tas upp. Vissa lyssnare
känner av frekvenser som normalt inte är hörbara.
Det finns många typer av mikrofoner, och några tekniker som lämpar sig för upptagning
av kroppsljud är:
Kondensatormikrofonen: En relativt enkel konstruktion som består av ett tunt membran
som är elektriskt ledande placerat tätt intill en metallplatta. Detta fungerar som en
kondensator som blir elektriskt laddad med hjälp av en extern strömförsörjning.
Alternativt utnyttjas permanentladdning och då benämns typen elektretmikrofon. När
ljudvågor träffar mikrofonens membran börjar detta att vibrera. Detta gör att kapacitansen
12
förändras vilket i sin tur ger en varierande elektrisk ström som resulterar i mikrofonens
signalnivå.
Kristallmikrofonen: Utnyttjar det faktum att en piezoelektrisk kristall ger upphov till en
spänning när den utsätts för mekanisk påverkan. Ett membran kan anslutas till en
piezokristall och därigenom erhålls en kristallmikrofon. Kristallmikrofoner är mycket
användbara som kontaktmikrofoner, dvs för att ta upp vibrationer från ett fast medium,
till exempel hudytan.
Laser-doppler: Vibrationer på hudytan kan mätas med laser-dopplerteknik. Hudytan
belyses med laserljus och dopplerskiftet i det reflekterade ljuset blir proportionellt mot
hudens hastighet. Vibrationerna i huden kan då erhållas med hjälp av integration av det
detekterade frekvensskiftet.
3. Akustisk koppling
Den akustiska signalen påverkas i varje steg av den överföringskedja som ljudet
transporteras igenom.
Kroppens inverkan: Från ljudkällan skall signalen först fortplantas till den punkt på
kroppsytan där man placerar stetoskopklockan. Eftersom kroppsljuden i allmänhet har
relativt låg frekvens (Tabell 1) är våglängden ofta betydligt längre än transmissionssträckan. Den långa våglängden är kopplad till kroppens höga vattenhalt (ljudhastigheten
är 1550 m/s i vatten, 340 m/s i luft och hastigheten=våglängden·frekvensen).
Ljudvågorna reflekteras och absorberas inne i kroppen. Till exempel utgör lungornas
alveoler är en effektiv ljudabsorbator. Låga frekvenser absorberas sämre än höga, men
konsekvenserna för auskultationen är svåra att förutse eftersom örat har lättare att
uppfatta de mer högfrekventa ljuden.
Tabell 1.
Typiska frekvenser för kroppsljud.
Ljud
Frekvens, Hz
Normala första- och andratoner
25–150
Normala tredje- och fjärdetoner
25–100
Klickar och snäppar
Upp till 2 000
Blåsljud
Varierande 50–800
Korotkoffljud
20–300
Andningsljud
100–900
Tarmljud
150-900
Stetoskopets inverkan: Innefattar klockan samt slangarna (se avsnittet om stetoskop).
13
Örats inverkan: Slutligen måste poängteras att undersökarens hörselorgan också ingår i
signalkedjan. Den mänskliga hörseln är kraftigt olinjär och frekvensberoende i de
signalområden som stetoskopin omfattar. Bland annat är örats överföringskarakteristik
kraftigt beroende av tryckskillnader över trumhinnan, och därmed av vilket tryck som vi
får i stetoskopet när det används. En sådan tryckskillnad uppstår lätt, särskilt i beaktande
av det krav på tätning som påpekats ovan. Vidare varierar hörselkarakteristiken från
person till person, till exempel på grund av ålder. En lyckosam omständighet är dock att
förvärvade hörselskador och åldersnedsättning av hörseln främst påverkar de högre
frekvenserna, vilka för stetoskopin har mindre betydelse (se Figur 11).
Hjärt- och blåsljud
10
1
Tal
-1
10
10
-2
10
-3
10 -4
Hjärtljud och
blåsljud
Tröskel för
hörbarhet
-5
10
8
16
32
64
128
256
512 1024 2048 4096
Frekvens (Hz)
Figur 11.
Hjärt- och blåsljuds frekvensinnehåll i jämförelse med hörselns frekvensområde.
Bild reproducerad från (Nygaard, 1996).
4. Analysmetoder
Den äldsta och enklaste metoden för att analysera kroppens ljud är att helt enkelt lyssna
på dem. Amplitud, tonhöjd och rytm kan kännas igen och särskiljas på detta sätt. På
grund av begränsningar i den mänskliga hörseln kan det dock vara svårt att känna igen
snabba förlopp, små amplitudvariationer etc. Detta kan lösas genom att titta på signalen,
till exempel via ett oscilloskop. Begränsningen med detta är att signalen kan vara mycket
komplex och därmed svår att tolka. Att fouriertransformera signalen och titta på den i
frekvensdomänen vinner man inte mycket på eftersom all tidsinformation går förlorad.
Man vet alltså inte var i tiden (till exempel i hjärtcykeln) som ett visst fenomen inträffar.
En vanlig lösning på detta är att titta på signalen i en kombinerad tids-frekvens-domän.
Man har då tid på ena axeln och frekvens på den andra, se Figur 12. Fördelen här är att
man kan analysera hur signalens frekvensinnehåll varierar med tiden. Utförligare
information om analys av bioakustiska signaler kan till exempel hittas i (Northrop, 2002)
14
S1
Blåsljud
S2
Amplitud (V)
0.2
0
−0.2
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.1
0.2
0.3
0.4
Tid (s)
0.5
0.6
0.7
Frekvens (Hz)
1000
600
200
Figur 12. Överst visas exempel på hjärtljud med ett systoliskt blåsljud (aortastenos). I den nedre
figuren visas en tidsfrekvensrepresentation av signalen med tid på x-axeln och frekvens på y-axeln.
Intensiteten symboliseras med gråskalor.
5. Referenser
Cebral J, Summers R. Tracheal and Central Bronchial Aerodynamics Using Virtual
Bronchoscopy and Computational Fluid Dynamics, Medical Imaging, IEEE Transactions
on. 2004; 23: 1021-33
Cunningham T. Korotkoff Sounds, StudentBME. 2003; 11: 234-35.
Fredberg J, Holford S. Discrete Lung Sounds: Crackles (rales) as Stress-relaxation
Quadrupoles, J Acoust Soc Am. 1983; 73: 1036-46.
Hult P. Bioacoustic Principles used in Monitoring and Diagnostic Applications,
Linköping Studies in Science and Technology Dissertations No. 778, 2002.
Lazareck L, Moussavi Z. Classification of Normal and dysphagic Swallowing Sounds
by Acoustical Means, Journal of IEEE, Trans. Biomed. Eng. 2004; 51-12: 2103-12.
Mangione S, Nieman LZ. Cardiac auscultatory skills of internal medicine and family
practice trainees. A comparison of diagnostic proficiency, JAMA. 1997; 278: 717-22.
Murgo J. Systolic Ejection Murmurs in the Era of Modern Cardiology – What do we
Really Know, JACC. 1998; 6:1596-602.
Northrop R. Noninvasive Instrumentation and Measurement in Medical Diagnosis, CRC
Press. ISBN: 0-8493-0961-1, 2002.
15
Nygaard H. Evaluation of Heart Sounds and Murmurs - a Review with Special
Reference to Aortic Valve Stenosis, Department of Electrical Engineering, College of
Engineering, Aarhus, Denmark, 1996.
Person S. Kardiologi – hjärtsjukdomar hos vuxna, Studentlitteratur. ISBN: 91-44-023774, 2003.
Simonsson B. Att tänka på vid lungauskultastion och perkusssion, Läkartidningen. 2000;
97: 3372-75
Sovijärvi A, Malmberg L, Charbonneau G, Vanderschoot J, Dalmasso F, Sacco C,
Rossi M, Earis J. Characteristics of Breath Sounds and Adventitious Respiratory
Sounds, Eur Respir Rev. 2000; 10:591-96.
Stein P, Sabbah N. Aortic origin of Innocent Murmurs, Am J Cardiol. 1977; 39:66-571.
Wranne B, Ask P, Hök B. Inte så lätt att använda stetoskopet på rätt sätt.
Auskultationens svåra konst bör ha stort utrymme i läkarutbildningen, Läkartidningen.
1999; 24: 2981-4.
16