1. Kroppens ljud Acceleration deceleration Friktionsfenomen Icke laminärt (turbulent) flöde

Transkript

1 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 ( ) 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 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

2 efterhand som den lokala hastigheten minskar. Den punkt där strålen når kärlväggen kallas för återanslutningspunkt. u 1 u max u 1 Figur 1. Kontraktion av flödet genom en förträngning Reynoldstalet är ett mått som visar på en fluids strömmningsegenskaper: ρdu Re = 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 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 Ljudet dämpas distinkt, blir svagt och flämtande. 5. Alla ljud upphör. Det diastoliska trycket kan avläsas. 2

3 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 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 ( Hz) medan blåsljuden är mer långdragna och av högre frekvens ( 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

4 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

5 Figur 3. De fyra hjärttonerna i relation till hemodynamiska händelser i hjärtcykeln samt EKG. Bild från (Nygaard, 1996) 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

6 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 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): dq 2 P = α + βq 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 = m a). 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

7 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

8 Om man skriver om uttrycker för Reynolds tal enligt: ρ 2 du d Q ρq Q π r u π u u Re = = = = = = 2 η 4 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 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 Lungljud Lungträdet består av trachea, 2 huvudbronker, 5 lobbronker, 19 segmentbronker och 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

9 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) 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 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 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

10 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

11 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

12 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 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

13 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 Normala tredje- och fjärdetoner Klickar och snäppar Upp till Blåsljud Varierande Korotkoffljud Andningsljud Tarmljud Stetoskopets inverkan: Innefattar klockan samt slangarna (se avsnittet om stetoskop). 13

14 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). 10 Hjärt- och blåsljud Tal Figur Hjärtljud och blåsljud Frekvens (Hz) Tröskel för hörbarhet 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

15 S1 Blåsljud S2 Amplitud (V) Frekvens (Hz) Tid (s) 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: Cunningham T. Korotkoff Sounds, StudentBME. 2003; 11: Fredberg J, Holford S. Discrete Lung Sounds: Crackles (rales) as Stress-relaxation Quadrupoles, J Acoust Soc Am. 1983; 73: Hult P. Bioacoustic Principles used in Monitoring and Diagnostic Applications, Linköping Studies in Science and Technology Dissertations No. 778, Lazareck L, Moussavi Z. Classification of Normal and dysphagic Swallowing Sounds by Acoustical Means, Journal of IEEE, Trans. Biomed. Eng. 2004; 51-12: Mangione S, Nieman LZ. Cardiac auscultatory skills of internal medicine and family practice trainees. A comparison of diagnostic proficiency, JAMA. 1997; 278: Murgo J. Systolic Ejection Murmurs in the Era of Modern Cardiology What do we Really Know, JACC. 1998; 6: Northrop R. Noninvasive Instrumentation and Measurement in Medical Diagnosis, CRC Press. ISBN: ,

16 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, Person S. Kardiologi hjärtsjukdomar hos vuxna, Studentlitteratur. ISBN: , Simonsson B. Att tänka på vid lungauskultastion och perkusssion, Läkartidningen. 2000; 97: 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: Stein P, Sabbah N. Aortic origin of Innocent Murmurs, Am J Cardiol. 1977; 39: 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: