心功能正常者心音图运动试验分析
作者：杨文琴 张文渝 温宾 肖守中
单位：杨文琴 张文渝(重庆市第九人民医院 重庆 400700)；温宾 肖守中(博精医药信息学研究所 重庆 400044)
关键词：心音图；运动试验；心力储备；敏感性；特异性
北京生物医学工程000206 摘 要 心音图运动试验(PCGET)是作者新近提出和进行的一项心肌收缩能力和心力储备的评估方法。为了验明PCGET方法的实用价值，我们进行了该方法的敏感性和特异性的研究。对50个志愿者进行了PCGET并按常规算式分析了该方法的敏感性和特异性。PCGET的敏感性和特异性分别为96%和100%。反复的试验表明，PCGET是心力储备的无伤性、简便、代价低的量化测评方法。
An Analysis of Sensitivity and Specificity of the Phonocardiogram Exercise Test
, http://www.100md.com
Yang Wenqin, Zhang Wenyu, Wen Bin, Xiao Shouzhong
(The Ninth Reople's Hospital of Chongqing, Chongqing 400700)
(Bo-Jing Medical Informatics Institute,Chongqing 400044)
Abstract
Phonocardiogram exercise testing(PCGET)is a recently method developed by the authors of this paper to evaluate cardiac contractility and the cardiac specificity of patients of cardio-blood vessels,and healthy people; and their reserve heart capability as well.Fifty volunteers were performed PCGET.The sensitivity was 96% and the specificity was 100% espectively.Repeated tests showed that PCGET is a non-invasive,easy,and low cost method to measure and evoluate the quantity of reserve of patients with heart disease and of health subjects.
, 百拇医药
Key words:Phonocardiogram, Exercise testing, Cardiac reserve, Sensitivity, Specificity
0 引言
大多数心力衰竭病人的主要问题是心肌收缩力的降低，与此同时，心脏变力性、变时性和变传导性也因病情的不同或者治疗的不同而处于一种复杂的、不断变化的状态。由于任何心脏病最终都有可能导致心力衰竭，在心血管病诊断和治疗过程中对心脏变力性、变时性和变传导性进行实时监测和评估是非常必要的常规工作。一些心血管药物同时对心脏变力性、变时性和变传导性产生效应，而其中某种效应可能成为一种不合希望的副作用。例如心力衰竭病人用多巴胺的正性变力性作用改善心肌收缩力时，其正性变时性作用很可能是一种副作用，因而有必要同时对心脏变力性和变时性状态进行无伤、方便、低费用且量化的监测和评估。目前，心电图检查是心脏变时性和变传导性的最佳监测方法，但不能用来监测心脏的变力性。超声心动图能通过对心腔直径从舒张期到收缩期的变化程度和速度的测算来评估心肌的功能状态。但尚未选择一种既具有无伤性又能简便、低费用且能量化地反映心肌收缩能力的心力储备的测评方法。
, 百拇医药
Durand等研究了心肌收缩力对心音谱和心音传输特性的影响，结果表明，心肌收缩力的改变剧烈地影响心音的强度[1]。Rice和Doyle认为，第一心音的幅值是心肌收缩力的标准量度，并在手术室用心音仪监测麻醉药对心肌收缩力的影响[2]。肖守中等在心音学研究中提出用相对值法来建立心音幅值参数，特别重视用第一心音幅值(S1)的变化趋势来量度心肌收缩力和评估心血管病人和健康人的心力储备，并于1998年提出和进行了“心音图运动试验”(PCGET)[3]，把运动后S1幅值对安静时S1心音幅值的倍数定义为心肌收缩能力储备指数(myocardial contractility reserve index ,CCRI)。临床试用表明，PCCET是心力储备的无伤性、简便、代价低的量化测评方法。因此，我们应用曹泽翰和肖守中等开发的心音记录和量化分析方法[4]进行心脏变力性状态的心音学评估方法的研究。
我们在研究过程中体验到：影响第一心音幅值(S1)大小的因素很多。例如，不同受试者的性别、年龄、胸壁的厚薄、生理和病理状态、情绪、同一受试者的不同体位、呼吸时相和深度、检查者放置传感器的位置、所施压力的轻重，等等。可见，心音信号的记录、测量和分析是一项复杂和困难的诊断技术。肖守中等报道了以传统方法作参照下对心动周期时限测量的准确性[3]，但尚未对该方法的敏感性和特异性作分析。
, 百拇医药
为了验明PCGET方法对心脏变力性效应和实用价值，我们首先在心功能正常的人群中进行了该方法的敏感性和特异性的分析研究。该文报告研究的有关方法和结果。
1 方法和对象
1.1 试验装置和软件环境
应用博精医药信息学研究所提供的心音视听诊断仪(专利号97223076.9)No2样机进行该项研究。该系统的硬件组成包括心音传感器、心音专用卡、多媒体计算机和打印机。心音信号处理软件的运行环境为WINDOWS 95操作系统。
1.2 心音信号的基本测量
心音信号量化分析方法的基本思想是：(1)根据心音的声传播Durand[2]模型，提取白噪声信号的幅度作为基准，把心音信号相对于此基准的相对值作为信号的相对幅度；(2)测量心音各成分的时限；(3)根据以上测量得到的数据，生成心音诊断所需要的有关指标，供心音分类程序使用。该系统对心音信号用8kHz采样，量化精度为8位。
, 百拇医药
心脏变力性和变时性状态的心音学评估都采用运动前后同一个体的同一指标的自身对照观察的方法。我们用第一心音幅值(S1)的变化趋势来量度心肌收缩力和评估心血管病人和健康人的心力储备。心血管学中尚无心音幅值的标准，这有待通过心音的量化分析方法来建立。用心音成分幅值与基带幅值的比值来表示其对幅值的分辨能力。因为只要一个心音样本的任一个峰形波的幅值大于或等于基带幅值的3倍，人和系统都易于辨识该峰形波，所以，统计所有受试者的这一比值达到这一倍数的总人数，就能对幅值分辨力作出适当的评估。
1.3 运动试验的方法
由于运动负荷能同时改变心脏变力性和变时性状态，我们在研究中采用心音图运动试验(PCGET)方法[3]。受试者在安静状态下平静呼吸，记录心音图。然后嘱受试者完成规定的运动。登梯是PCGET的运动方式之一。用普通的楼梯进行运动试验，例如每级约20cm，每段大约10级。PCGET运动负荷的方案有多种，运动水平按受试者心血管状态的最初评估决定。其共同原则是逐步变化运动试验的等级和速度。运动试验的终点是症状的限制(心悸，呼吸困难)或者是已完成规定的运动量。心音传感器置于心前区心尖搏动最明显处。除安静时和运动后立刻记录心音图外，必要时，还可于运动后每2～3分钟记录一次，由检查者按需要决定记录次数。受试者的心功能首先按纽约心脏病学会(NYHA)的方法分级。体力活动不受限制的受试者和心力储备属于Ⅰ级。对于这一级，一个运动负荷的方案是以最大速度登6段普通楼梯，对于体力活动受限的受试者，进行PCGET时的运动量是以正常步速登1～5段普通楼梯，这些受试者根据体力活动受限的程度分属于心力储备Ⅱ级，Ⅲ级和Ⅳ级。在正常条件下能以正常步速登2～5段楼梯者分入Ⅱ级；在正常条件下只能以正常步速登1段普通楼梯者分入Ⅲ级；不能进行任何体力活动，在静息状态下都有心累、呼吸困难列入Ⅳ级。出于安全考虑，这次研究只纳入Ⅰ级心功能志愿者。
, 百拇医药
1.4 心音图运动试验的敏感性和特异性的评估方法
真阳性试验的标准是运动后S1幅值与运动前S1幅值比≥3，它反映运动负荷改变了心脏变力性状态。此阳性试验的标准是考虑心音图运动试验的精确度的分析结果的标准差作出的。假阳性是指没有进行PCGET而两次测量的S1幅值之间的比值>3。真阴性试验的标准是运动前后两次测量的S1幅值之间的比值<3。假阴性是指活动前后两次测量的S1幅值之间的比值<3。
1.5 对 象
该项研究中纳入Ⅰ级心功能志愿者50名。为安全考虑，未让Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级心功能者参与这一次试验。
2 结果
, 百拇医药
心音图运动试验结果的CCRI数据如表1所示。PCGET运动前后心脏变力性状态如表2所示。
表1 50名志愿者CCRI测量数据 No
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
, 百拇医药
0
8.44
1.68
19.53
15.04
16.49
16.52
16.43
17.76
12.48
13.12
10
14.04
, http://www.100md.com
15.39
10.95
3.79
16.50
11.35
8.39
6.81
3.08
6.55
20
9.92
10.62
4.61
, 百拇医药
5.30
7.03
4.81
12.41
2.31
4.32
11.50
30
9.48
8.18
3.67
8.49
5.11
, 百拇医药
3.13
4.37
8.00
8.67
10.04
40
8.36
7.12
5.08
6.35
5.20
8.00
10.75
, http://www.100md.com
4.08
1.96
7.11
表2 50名志愿者PCGET运动前后
心脏变力性状态
运动前
运动后
合计
阴性
50
2
52
阳性
, http://www.100md.com
0
48
48
合计
50
50
100
根据对50个志愿者进行PCGET的表列数据，其敏感性和特异性分别为96%和100%。3 讨论
由上述试验结果可知，S1幅值是心肌收缩能力敏感的指标；受试者只接受运动试验这一干预的条件下，S1幅值是心肌收缩能力特异的指标；用S1幅值变化趋势来量度心肌收缩能力和评估心力储备是可行的。由于该试验能在短时间内完成，且完全在检查者的监视下进行，其他因素干扰如正性变力性药物在试验过程中的使用的可能性很小，很难出现假阳性，故特异性高达100%。
, 百拇医药
表1 No2、No49的CCRI分别只有1.68和1.96，按标准属于假阴性，影响了敏感性的计算。这是因为测试时受试者运动前十分紧张，致使S1幅值运动后增长的倍数不大。基于此，我们设想，该方法可用于心理学和身心医学的研究。
由不同检查者分别记录并分析不同受试者的相继采集的20次不同心音样本进行测量的结果表明，两组试验数据之间的F检验则可能出现显著的差异。其原因在于，影响第一心音幅值(S1)大小的因素很多。这一方面说明了心音信号量化分析的复杂性，同时也提醒我们在应用这一方法前，必须统一测量和评估标准，检查者必须经过必要的训练，受试者在测试中须进行必要的配合。
该项研究所用的方法的实用性在于它能无伤、简便、低代价地量化测评心脏变力性和变时性状态，作为心血管疾病诊疗过程监护的一种新的手段。基于这一性能，该方法还可用于运动员心力评估，为运动人才选拔和训练安排提供一个参考指标。
但是，该方法还需要在不同人群、不同生理和病理情况下作进一步的观察，以期逐步完善。
, 百拇医药
可以预期，基于现代信息科技的心音图技术将对心血管病学的发展作出更多的贡献。
作者简介：杨文琴(1946—)，女，内科主任，副主任医师。
参考文献
[1] Durand LG,Langlois YE,Lanthier T,et al.Spectral analysis andacoustic transmission of mitral and aortic valve closure sounds in dogs.Part 4:Effects of modulating cardiac inotropy.Med & Bio Eng & Comput,1990,28:439
[2] Rice ML,Doyle DJ.Comparison of phonocardiographic monitoring location.IEEE EMBC'95 CD-ROM Proceedings,3.1.4.12
, 百拇医药
[3] Xiao Shouzhong,Cao Zehan,Zhou Shiyong, et al.An aplication of phonocardiogram exercise test in evaluation of cardiac reverse.IEEE EMBS'98 Satellite Conference Proceedings,Beijing,1998,82-83
[4] Cao Zehan,Zhou Shiyong,Fu Li, et al.The quantitative analysis approach for a heart sound information system.IEEE EMBS'98 Proceedings,Hong Kong,1998,1622-1623
(1999-02-08收稿，1999-08-24修回), 百拇医药
单位：杨文琴 张文渝(重庆市第九人民医院 重庆 400700)；温宾 肖守中(博精医药信息学研究所 重庆 400044)
关键词：心音图；运动试验；心力储备；敏感性；特异性
北京生物医学工程000206 摘 要 心音图运动试验(PCGET)是作者新近提出和进行的一项心肌收缩能力和心力储备的评估方法。为了验明PCGET方法的实用价值，我们进行了该方法的敏感性和特异性的研究。对50个志愿者进行了PCGET并按常规算式分析了该方法的敏感性和特异性。PCGET的敏感性和特异性分别为96%和100%。反复的试验表明，PCGET是心力储备的无伤性、简便、代价低的量化测评方法。
An Analysis of Sensitivity and Specificity of the Phonocardiogram Exercise Test
, http://www.100md.com
Yang Wenqin, Zhang Wenyu, Wen Bin, Xiao Shouzhong
(The Ninth Reople's Hospital of Chongqing, Chongqing 400700)
(Bo-Jing Medical Informatics Institute,Chongqing 400044)
Abstract
Phonocardiogram exercise testing(PCGET)is a recently method developed by the authors of this paper to evaluate cardiac contractility and the cardiac specificity of patients of cardio-blood vessels,and healthy people; and their reserve heart capability as well.Fifty volunteers were performed PCGET.The sensitivity was 96% and the specificity was 100% espectively.Repeated tests showed that PCGET is a non-invasive,easy,and low cost method to measure and evoluate the quantity of reserve of patients with heart disease and of health subjects.
, 百拇医药
Key words:Phonocardiogram, Exercise testing, Cardiac reserve, Sensitivity, Specificity
0 引言
大多数心力衰竭病人的主要问题是心肌收缩力的降低，与此同时，心脏变力性、变时性和变传导性也因病情的不同或者治疗的不同而处于一种复杂的、不断变化的状态。由于任何心脏病最终都有可能导致心力衰竭，在心血管病诊断和治疗过程中对心脏变力性、变时性和变传导性进行实时监测和评估是非常必要的常规工作。一些心血管药物同时对心脏变力性、变时性和变传导性产生效应，而其中某种效应可能成为一种不合希望的副作用。例如心力衰竭病人用多巴胺的正性变力性作用改善心肌收缩力时，其正性变时性作用很可能是一种副作用，因而有必要同时对心脏变力性和变时性状态进行无伤、方便、低费用且量化的监测和评估。目前，心电图检查是心脏变时性和变传导性的最佳监测方法，但不能用来监测心脏的变力性。超声心动图能通过对心腔直径从舒张期到收缩期的变化程度和速度的测算来评估心肌的功能状态。但尚未选择一种既具有无伤性又能简便、低费用且能量化地反映心肌收缩能力的心力储备的测评方法。
, 百拇医药
Durand等研究了心肌收缩力对心音谱和心音传输特性的影响，结果表明，心肌收缩力的改变剧烈地影响心音的强度[1]。Rice和Doyle认为，第一心音的幅值是心肌收缩力的标准量度，并在手术室用心音仪监测麻醉药对心肌收缩力的影响[2]。肖守中等在心音学研究中提出用相对值法来建立心音幅值参数，特别重视用第一心音幅值(S1)的变化趋势来量度心肌收缩力和评估心血管病人和健康人的心力储备，并于1998年提出和进行了“心音图运动试验”(PCGET)[3]，把运动后S1幅值对安静时S1心音幅值的倍数定义为心肌收缩能力储备指数(myocardial contractility reserve index ,CCRI)。临床试用表明，PCCET是心力储备的无伤性、简便、代价低的量化测评方法。因此，我们应用曹泽翰和肖守中等开发的心音记录和量化分析方法[4]进行心脏变力性状态的心音学评估方法的研究。
我们在研究过程中体验到：影响第一心音幅值(S1)大小的因素很多。例如，不同受试者的性别、年龄、胸壁的厚薄、生理和病理状态、情绪、同一受试者的不同体位、呼吸时相和深度、检查者放置传感器的位置、所施压力的轻重，等等。可见，心音信号的记录、测量和分析是一项复杂和困难的诊断技术。肖守中等报道了以传统方法作参照下对心动周期时限测量的准确性[3]，但尚未对该方法的敏感性和特异性作分析。
, 百拇医药
为了验明PCGET方法对心脏变力性效应和实用价值，我们首先在心功能正常的人群中进行了该方法的敏感性和特异性的分析研究。该文报告研究的有关方法和结果。
1 方法和对象
1.1 试验装置和软件环境
应用博精医药信息学研究所提供的心音视听诊断仪(专利号97223076.9)No2样机进行该项研究。该系统的硬件组成包括心音传感器、心音专用卡、多媒体计算机和打印机。心音信号处理软件的运行环境为WINDOWS 95操作系统。
1.2 心音信号的基本测量
心音信号量化分析方法的基本思想是：(1)根据心音的声传播Durand[2]模型，提取白噪声信号的幅度作为基准，把心音信号相对于此基准的相对值作为信号的相对幅度；(2)测量心音各成分的时限；(3)根据以上测量得到的数据，生成心音诊断所需要的有关指标，供心音分类程序使用。该系统对心音信号用8kHz采样，量化精度为8位。
, 百拇医药
心脏变力性和变时性状态的心音学评估都采用运动前后同一个体的同一指标的自身对照观察的方法。我们用第一心音幅值(S1)的变化趋势来量度心肌收缩力和评估心血管病人和健康人的心力储备。心血管学中尚无心音幅值的标准，这有待通过心音的量化分析方法来建立。用心音成分幅值与基带幅值的比值来表示其对幅值的分辨能力。因为只要一个心音样本的任一个峰形波的幅值大于或等于基带幅值的3倍，人和系统都易于辨识该峰形波，所以，统计所有受试者的这一比值达到这一倍数的总人数，就能对幅值分辨力作出适当的评估。
1.3 运动试验的方法
由于运动负荷能同时改变心脏变力性和变时性状态，我们在研究中采用心音图运动试验(PCGET)方法[3]。受试者在安静状态下平静呼吸，记录心音图。然后嘱受试者完成规定的运动。登梯是PCGET的运动方式之一。用普通的楼梯进行运动试验，例如每级约20cm，每段大约10级。PCGET运动负荷的方案有多种，运动水平按受试者心血管状态的最初评估决定。其共同原则是逐步变化运动试验的等级和速度。运动试验的终点是症状的限制(心悸，呼吸困难)或者是已完成规定的运动量。心音传感器置于心前区心尖搏动最明显处。除安静时和运动后立刻记录心音图外，必要时，还可于运动后每2～3分钟记录一次，由检查者按需要决定记录次数。受试者的心功能首先按纽约心脏病学会(NYHA)的方法分级。体力活动不受限制的受试者和心力储备属于Ⅰ级。对于这一级，一个运动负荷的方案是以最大速度登6段普通楼梯，对于体力活动受限的受试者，进行PCGET时的运动量是以正常步速登1～5段普通楼梯，这些受试者根据体力活动受限的程度分属于心力储备Ⅱ级，Ⅲ级和Ⅳ级。在正常条件下能以正常步速登2～5段楼梯者分入Ⅱ级；在正常条件下只能以正常步速登1段普通楼梯者分入Ⅲ级；不能进行任何体力活动，在静息状态下都有心累、呼吸困难列入Ⅳ级。出于安全考虑，这次研究只纳入Ⅰ级心功能志愿者。
, 百拇医药
1.4 心音图运动试验的敏感性和特异性的评估方法
真阳性试验的标准是运动后S1幅值与运动前S1幅值比≥3，它反映运动负荷改变了心脏变力性状态。此阳性试验的标准是考虑心音图运动试验的精确度的分析结果的标准差作出的。假阳性是指没有进行PCGET而两次测量的S1幅值之间的比值>3。真阴性试验的标准是运动前后两次测量的S1幅值之间的比值<3。假阴性是指活动前后两次测量的S1幅值之间的比值<3。
1.5 对 象
该项研究中纳入Ⅰ级心功能志愿者50名。为安全考虑，未让Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级心功能者参与这一次试验。
2 结果
, 百拇医药
心音图运动试验结果的CCRI数据如表1所示。PCGET运动前后心脏变力性状态如表2所示。
表1 50名志愿者CCRI测量数据 No
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
, 百拇医药
0
8.44
1.68
19.53
15.04
16.49
16.52
16.43
17.76
12.48
13.12
10
14.04
, http://www.100md.com
15.39
10.95
3.79
16.50
11.35
8.39
6.81
3.08
6.55
20
9.92
10.62
4.61
, 百拇医药
5.30
7.03
4.81
12.41
2.31
4.32
11.50
30
9.48
8.18
3.67
8.49
5.11
, 百拇医药
3.13
4.37
8.00
8.67
10.04
40
8.36
7.12
5.08
6.35
5.20
8.00
10.75
, http://www.100md.com
4.08
1.96
7.11
表2 50名志愿者PCGET运动前后
心脏变力性状态
运动前
运动后
合计
阴性
50
2
52
阳性
, http://www.100md.com
0
48
48
合计
50
50
100
根据对50个志愿者进行PCGET的表列数据，其敏感性和特异性分别为96%和100%。3 讨论
由上述试验结果可知，S1幅值是心肌收缩能力敏感的指标；受试者只接受运动试验这一干预的条件下，S1幅值是心肌收缩能力特异的指标；用S1幅值变化趋势来量度心肌收缩能力和评估心力储备是可行的。由于该试验能在短时间内完成，且完全在检查者的监视下进行，其他因素干扰如正性变力性药物在试验过程中的使用的可能性很小，很难出现假阳性，故特异性高达100%。
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表1 No2、No49的CCRI分别只有1.68和1.96，按标准属于假阴性，影响了敏感性的计算。这是因为测试时受试者运动前十分紧张，致使S1幅值运动后增长的倍数不大。基于此，我们设想，该方法可用于心理学和身心医学的研究。
由不同检查者分别记录并分析不同受试者的相继采集的20次不同心音样本进行测量的结果表明，两组试验数据之间的F检验则可能出现显著的差异。其原因在于，影响第一心音幅值(S1)大小的因素很多。这一方面说明了心音信号量化分析的复杂性，同时也提醒我们在应用这一方法前，必须统一测量和评估标准，检查者必须经过必要的训练，受试者在测试中须进行必要的配合。
该项研究所用的方法的实用性在于它能无伤、简便、低代价地量化测评心脏变力性和变时性状态，作为心血管疾病诊疗过程监护的一种新的手段。基于这一性能，该方法还可用于运动员心力评估，为运动人才选拔和训练安排提供一个参考指标。
但是，该方法还需要在不同人群、不同生理和病理情况下作进一步的观察，以期逐步完善。
, 百拇医药
可以预期，基于现代信息科技的心音图技术将对心血管病学的发展作出更多的贡献。
作者简介：杨文琴(1946—)，女，内科主任，副主任医师。
参考文献
[1] Durand LG,Langlois YE,Lanthier T,et al.Spectral analysis andacoustic transmission of mitral and aortic valve closure sounds in dogs.Part 4:Effects of modulating cardiac inotropy.Med & Bio Eng & Comput,1990,28:439
[2] Rice ML,Doyle DJ.Comparison of phonocardiographic monitoring location.IEEE EMBC'95 CD-ROM Proceedings,3.1.4.12
, 百拇医药
[3] Xiao Shouzhong,Cao Zehan,Zhou Shiyong, et al.An aplication of phonocardiogram exercise test in evaluation of cardiac reverse.IEEE EMBS'98 Satellite Conference Proceedings,Beijing,1998,82-83
[4] Cao Zehan,Zhou Shiyong,Fu Li, et al.The quantitative analysis approach for a heart sound information system.IEEE EMBS'98 Proceedings,Hong Kong,1998,1622-1623
(1999-02-08收稿，1999-08-24修回), 百拇医药