心臟、心動周期、心音產生
心臟及相關的主要血管如圖1所示。心臟由左心房、左心室、右心房和右心室四個腔構成，每一側各有上、下兩個腔。其中上面的腔稱為心房，下面的腔稱為心室。全身靜脈血經上下腔靜脈到右心房、右心室，再進入肺動脈，到肺中進行氣體交換；含氧血經肺靜脈到左心房、左心室，再進入主動脈，到全身。在血液循環系統中，左右心室都起泵血作用。在體循環和肺循環，血液都按照“靜脈→心房→心室→動脈”的順序單方向流動。心房與心室、心室與動脈之間有四個瓣膜，類似單向閥門，只能單方向打開，用於防止血液倒流。心房和心室之間的瓣膜稱為房室瓣。左心房和左心室之間的瓣膜有兩片瓣葉，又名二尖瓣；右心房和右心室之間的瓣膜有三片瓣葉，又名三尖瓣。左心室和主動脈之間的瓣膜為主動脈瓣，右心室和肺動脈之間的瓣膜為肺動脈瓣。主動脈瓣和肺動脈瓣分別由三片半月形狀的瓣葉構成，也稱它們為半月瓣。正常的瓣葉是光滑、薄而富有彈性的。心臟是血液循環的動力源。心臟周期性地舒張和收縮，保證了血液在循環系統中持續的流動。心臟收縮時，心內壓力升高，將血液泵出至動脈；心臟舒張時心內壓力降低，靜脈中的血液回流至心臟。心臟每收縮和舒張一次稱為一個心動周期。在一個心動周期中，首先是心房收縮，其中右心房收縮發生在左心房收縮之前。心房收縮時間較短，約占整個心動周期的1/8，接下來約7/8時間進行舒張。心房舒張後，心室開始收縮，左心室收縮發生在右心室收縮之前。心室收縮期約占心動周期的3/8，舒張期占5/8。由於心室對心臟的泵血起主要作用，因此心動周期通常指心室的活動周期。下面以左心室的心動周期為例，說明心音、各心腔血壓等信號之間的時間關係，如圖2所示。
心音與心臟血流動力圖1 心臟的結構及相關血管
心房收縮期。心房收縮使心房容積變小，內壓升高，將心房內的剩餘血液排入心室，使舒張的心室進一步得到充盈。此期間可產生第四心音（S4， the fourth heart sound）。
心室收縮期，分為等容收縮期、快速射血期和緩慢射血期。（1）等容收縮期 心室開始收縮時心室內壓升高。當心室壓力超過心房內壓時，心室血液將房室關閉，產生第一心音(S1, the first heart sound)。此時，左心室內壓仍然低於主動脈內壓，主動脈瓣尚未打開。左心室的入口和出口均處於關閉狀態。於是，左心室成為一個封閉的腔室。左心室繼續收縮，而血液是幾乎不可壓縮的液體，因而左心室內壓急劇升高到足以打開主動脈瓣的程度。在此期間，左心室不射血，容積不變，故稱為等容收縮期，歷時50毫秒左右。其特點是，左心室血壓大幅度升高，血壓上升率最大。由此，不難理解二尖瓣關閉不全時，心室一開始收縮就會產生血液反流，反流產生的心雜音始於等容收縮期，可遮蓋第一心音，成為全收縮期雜音（Pansystolic murmur, holosystolic murmur）。而主動脈瓣狹窄時，主動脈瓣必然是在等容收縮期之後才打開，故主動脈狹窄的心雜音始於等容收縮期之後，不易遮蓋第一心音，常為收縮期中期雜音（midsystolic murmur）。（2）快速射血期 左心室內壓急劇升高，一旦超過主動脈血壓時，主動脈瓣即被打開，血液由左心室迅速射入主動脈，隨著左心室的強烈收縮，左心室內血壓很快升高到最大值，左心室容積迅速減小。這期間射入動脈的血液量最多，占總射血量的70%-80%，而且血流速度很快，故稱為快速射血期，歷時100毫秒左右，約占整個收縮期的1/3。當主、肺動脈瓣狹窄時或主、肺動脈根部擴張時，可產生噴射性雜音。（3）緩慢射血期 快速射血期之後，大量血液流入主動脈，使主動脈血壓增高，由於心室內血液減少，心肌收縮力減弱，此時心室容積雖然還在繼續減小，但減小速度緩慢，射血速度也逐漸減慢。此間，射出血液占總射血量的10%-30%，故稱為緩慢射血期，歷時約150毫秒，約占整個收縮期的2/3左右。左心室容積減少到最小時，射血停止。
心音與心臟血流動力圖2單個心動周期內，各心腔的血壓關係及瓣膜動作。P，左心室血壓；P，左心房血壓；P，主動脈血壓；P，右心室血壓；P，右心房血壓；P，肺動脈血壓。
心室舒張期，分為等容舒張期、快速充盈期和緩慢充盈期。（1）等容舒張期 心室開始舒張後，心室內壓下降。當它低於動脈壓時，動脈內血液向心室反流，致使主動脈瓣、肺動脈瓣關閉，產生第二心音（S2， the second heart sound）。此時，心室內壓任然高於心房內壓，三尖瓣、二尖瓣仍然處於關於狀態，心室再次成為封閉的腔室，心室舒張不納血，心室容積恆定，稱為等容舒張期，歷時約60毫秒。其特點是，心室內血壓大幅下降，血壓下降率最大。結合臨床，就能理解主動脈關閉不全和二尖瓣狹窄時的心雜音特點。當心室開始舒張，室內壓下降至於主動脈壓時，若主動脈瓣關閉不全，主動脈內血液向心室方向反流，產生心雜音，與第二心音幾乎同時產生，屬於舒張期早期雜音。而二尖瓣狹窄時，只能發生與等容舒張期之後，二尖瓣開放血液快速向心室充盈時才發生雜音，始於等容舒張期之後，屬於舒張中晚期雜音。（2）快速充盈期 等容舒張期後，心室繼續舒張，當心室內壓下降至低於心房內壓是，二尖瓣、三尖瓣開放，心房內血液被快速“抽吸”流入心室，心室容積迅速增大，成為快速充盈期，歷時110毫秒左右。如果二尖瓣、三尖瓣狹窄，瓣膜開放受到阻力而產生開瓣音（open snap）。此期間，心臟處於全心舒張期，心室內壓接近零，甚至出現負壓，心房內血液快速充盈心室，期充盈量占整個充盈量的70%-80%，是心室充盈的主要階段。期間可能會產生第三心音（S3，the third heart sound）。第三心音的產生機制尚不明確，一般認為它與心室快速充盈及血流快速下降有關。（3）緩慢充盈期 快速充盈期後，隨著心室內血液不斷增多及壓力升高，心室、心房之間的壓力梯度逐漸減小，血液流入心室的速度逐漸減慢，成為緩慢充盈期，歷時約220毫秒。
上述心動周期內，各心腔的血壓變化關係，各瓣膜的開閉關係有利於理解心音的產生。總的來說，心音是心臟血流動力與心血管相互作用的結果。一般認為，瓣膜振動是形成心音的主要分量。
心音的採集方式及感測器
心音的採集方式分為兩種。
一種是體表的無創採集，將感測器置於胸部或背部採集相應位置的心音信號。按照臨床醫生的經驗總結，胸部有5個常規聽診區，如圖3所示。它們以心臟各瓣膜的名稱命名，但它們跟心臟各瓣膜的解剖位置並不完全一致。可解釋為胸腔內產生的局部振動傳播到體表最清楚的特定部位。A：主動脈瓣區，胸骨右緣第2肋間。P：肺動脈瓣區，胸骨左緣第2肋間。T：三尖瓣區，胸骨左緣第3或第3肋間。M：二尖瓣區（心尖區），心尖搏動處，多位於第5肋間左鎖骨中線內側。實際上，聽診絕不僅僅限於這些常規聽診區，有些體徵也出現在其它區域。
另一種是體內的有創採集。可進行開胸手術，將感測器置於心臟或大血管的任何感興趣位置，採集相關振動信號。也可將微小感測器通過相應的動脈或靜脈送至心臟的各腔室或大血管位置，採集相應的振動信號。該方式一般用於動物試驗，研究心音的產生機制，或心音特徵與其他生理信號之間的關係。
圖3 胸部的5個聽診區心音屬於機械振動信號，通過感測器將機械振動轉換成電信號，進而放大、數位化，最終送入計算機進行分析。以心音感測器的轉換機理分類，常見有3種。
（1）麥克風感測器。類似於轉換語音信號一樣，麥克風感測器將心音振動轉換為電壓信號。只不過這裡的麥克風感測器針對心音的頻寬進行了專門設計。
（2）壓電感測器。以壓電材料為基底，將心音振動對壓電材料的力作用轉換為電壓信號。
（3）加速度感測器。以微機電工藝製作的加速度感測器，小巧、輕便。面積在數十平方毫米，重量可小於1克。既可以置於體表也可以置於體內，將心音振動的三軸加速度轉換成電壓信號。
各種心音信號
圖7 二尖瓣反流（關閉不全、伴有第三心音）將心音信號記錄下來，可列印在紙上，也可顯示在計算機上，用於觀察或分析，稱為心音圖（Phonocardiogram, PCG）。為了給讀者留下視覺印象，下面給出各種典型的心音圖。有關心音的病例並不僅僅局限於這些給出的示例，而且不同個體之間的差異很大。一方面需要豐富的臨床經驗進行區分，另一方面也說明當前的學術界對各種心音及雜音的產生機制還不夠清晰，有待深入研究。
圖4 正常心音
圖5 主動脈反流（主動脈關閉不全）的心音
圖6 主動脈狹窄的心音
圖9 肺動脈狹窄（伴有第三心音）
圖10 帶有第三心音心音信號分析與處理的幾個方面
分析
計算機分析與處理心音信號，通常分為預處理和特徵提取等研究內容。
預處理
（1）心音降噪聲。既然心音是機械振動信號，那么採集過程中不可避免地會引入噪聲。如 感測器與皮膚的摩擦、呼吸音、周圍環境噪聲等。所採用的方法有自適應濾波、時頻濾波（如小波濾波等）。
（2）心音分割。從心音信號中辨別出第一心音、第二心音（第三心音、第四心音，如果存在）、心雜音的起始、終了位置。
（3）心音包絡提取。心音是快速振動的非平穩信號，分析起來較困難。但它的包絡（輪廓）比較簡單，從中可以提取出很多有用的信息。比如，心音的位置、持續時間、相對幅度等信息。
（4）最佳子序列選取。如果心音信號較長，後繼分析中僅需要一段較短的心音信號，那么有必要選取一段沒有噪聲（或噪聲較小）的心音信號進行後繼分析。這個過程稱為最佳子序列選取。
（5）單周期檢測。心音信號具有周期性。可通過周期檢測算法，把心音信號劃分成一個一個的單循環心音。進而，可以比較相鄰周期心音的變化，或計算出心率。
（6）自動的第三心音、第四心音檢測。設計一套算法從心音信號中檢測出第三心音或第四心音，進而估計第三心音、第四心音的某些特徵參數。
（7）自動心音分類。根據先驗知識和心音的特徵，自動地將心音進行歸類，並把心音跟某些心臟疾病對應起來，起到輔助識別、輔助篩查的作用。
常見的特徵提取有，時域的特徵、各種變換域的特徵、各種組合的特徵。比如時域的特徵有心音的起始、終止點、持續時間，雜音的起始、終止點、持續時間，心音的幅度、幅度比值、能量、能量比值，相鄰周期之間各特徵的變化關係。還有各種頻域特徵、時頻域的特徵。總之，特徵跟套用有密切關係，並沒有統一的定義。各位研究者為了解決特定的問題，提出了各種各樣的特徵。
基於心音的輔助診斷
心音是血流動力作用於心臟及大血管的產物。那么，從理論上講，心臟血流動力的任何變化都能從心音特徵上或多或少地反映出來。因此，不少研究者思考如何利用心音對心臟疾病做出輔助診斷。常見的研究內容有如下幾個方面。
（1）基於心音特徵監測人工心臟瓣膜的工作狀態，評估人工心臟瓣膜的工作性能（包括機械瓣膜和生物瓣膜）。
（2）監測心臟血流動力。根據心音特徵或特徵隨時間的變化趨勢，反推心臟血流動力。從而進行某些心血管疾病的早期篩查、或治療效果的評估。
（3）藥物評價。某些藥物能改變心臟的血流動力，如需評價藥物的效果，常見的辦法是進行有創手術，將感測器至於心腔內。如果以心音進行評價，那么有可能以無創的方式進行。
（4）圍產期孕婦的心力儲備監測。
總之，有關心音的研究還有許多空白，有待深入研究。
網路資源中可利用的心音資料庫
世界各地有大量的研究者從不同的角度研究心音。有的機構或個人將研究中積累的心音數據公布出來，供其他人參考。其中下面幾個網路資源可供大家參考。
（1）國內的“醫學全線上”提供的心音數據。
（2）英國鄧迪大學醫學院心臟科提供的心音數據。
（3）美國華盛頓大學醫學系提供的心音數據。
（4）美國德克薩斯州心臟研究院的St. Luke’s Episcopal醫院提供的心音數據。
（5）美國波士頓兒童醫院提供的心音數據。
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