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«des Fachbereichs Medizin der Philipps-Universität Marburg in Zusammenarbeit mit dem Universitätsklinikum Gießen und Marburg GmbH, Standort Marburg ...»

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Aus der Klinik für Innere Medizin, Schwerpunkt Pneumologie

Leitung: Prof. Dr. C. Vogelmeier

des Fachbereichs Medizin der Philipps-Universität Marburg

in Zusammenarbeit mit dem Universitätsklinikum

Gießen und Marburg GmbH, Standort Marburg

Lungengeräuschanalyse bei herzinsuffizienten Patienten

Eine Pilotstudie zur Detektion von Rasselgeräuschen

mittels elektronischer Auskultation

Inaugural-Dissertation

zur

Erlangung des Doktorgrades der gesamten Humanmedizin

dem Fachbereich Medizin der Philipps-Universität Marburg vorgelegt von Philip Decker aus Bonn Marburg, 2013 Originaldokument gespeichert auf dem Publikationsserver der Philipps-Universität Marburg http://archiv.ub.uni-marburg.de Dieses Werk bzw. Inhalt steht unter einer Creative Commons Namensnennung Keine kommerzielle Nutzung Weitergabe unter gleichen Bedingungen

3.0 Deutschland Lizenz.

Die vollständige Lizenz finden Sie unter:

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/de/ Angenommen vom Fachbereich Medizin der Philipps-Universität Marburg am 05.11.2013.

Gedruckt mit Genehmigung des Fachbereichs.

Dekan: Prof. Dr. H. Schäfer Referent: Prof. Dr. U. Koehler

1. Korreferent: Prof. Dr. P. Alter Inhaltsverzeichnis Inhalt 1 Einleitung

2 Grundlagen

2.1 Biophysikalische Grundlagen

2.2 Historische Entwicklung der Lungenauskultation

2.3 Elektronische Auskultation und wissenschaftliche Standards der computergestützten Lungengeräuschanalyse

2.4 Einteilung und Entstehung von Lungengeräuschen

2.4.1 Atemgeräusche

2.4.2 Kontinuierliche Nebengeräusche

2.4.3 Diskontinuierliche Nebengeräusche

2.5 Herzinsuffizienz - Definition, Klinik und epidemiologischer Hintergrund....... 26 3 Zielsetzung und Fragestellung der Arbeit

4 Methodik

4.1 Das Untersuchungskollektiv

4.2 Das akustische Aufnahmesystem

4.2.1 Sensoren

4.2.2 Verstärker- und Filtereinheit

4.2.3 Messrechner und A/D-Wandler

4.3 Der Messablauf

4.3.1 Durchführung der klassischen Auskultation

4.3.2 Ablauf der elektronischen Messung

4.4 Weiterverarbeitung und audiovisuelle Bewertung des elektronischen Auskultationsbefundes

4.5 Deskriptive und statistische Auswertung des Datenmaterials

–  –  –

5 Ergebnisse

5.1 Deskriptive Datenanalyse

5.2 Detektion von Rasselgeräuschen bei Patienten und Probanden

5.3 Detektion von Rasselgeräuschen in Inspiration/Exspiration

5.4 Beschreibung des Ausprägungsgrades der detektierten Rasselgeräusche..... 48 6 Diskussion

6.1 Diskussion der Methode

6.1.1 Schallaufnahme

6.1.2 Standardisierte Atmung

6.1.3 Analoge Signalaufbereitung und Digitalisierung

6.1.4 Signalverarbeitung

6.2 Diskussion der Ergebnisse

6.2.1 Allgemeines Erkennen von Rasselgeräuschen

6.2.2 Detektion von Rasselgeräuschen in Inspiration/Exspiration

6.2.3 Feinanalyse und Ausprägungsgrad

6.2.4 Klinische Einschätzung

6.3 Untersuchervariabilität pulmonaler Auskultation

6.4 Fazit und Ausblick

7 Zusammenfassung

8 Summary

9 Literaturverzeichnis

10 Anhang

10.1 Abbildungsverzeichnis

10.2 Tabellenverzeichnis

10.3 Abkürzungsverzeichnis

–  –  –

10.4 Datenmaterial

10.4.1 Anthropometrische Daten

10.4.2 Klinische Daten des Patientenkollektivs

10.4.3 Auskultationsbefunde des Patientenkollektivs

10.4.4 Feinanalyse von Rasselgeräuschen in Inspiration/Exspiration................. 95

10.5 Patienteninformation & Einwilligungserklärung

10.6 Verzeichnis der akademischen Lehrer

10.7 Danksagung

–  –  –

1 Einleitung Im Rahmen der körperlichen Untersuchung gilt die klassische Auskultation des Thorax auch heute noch als wichtige, nicht-invasive und leicht durchführbare Methode, die direkte Informationen über Struktur und Funktion von Herz und Lunge liefert [112]. Für die Arzt-Patient-Beziehung ist das Stethoskop von unschätzbarem Wert und weltweit vermutlich das am häufigsten verwendete diagnostische Instrument [98, 99].

Durch die Entwicklung zuverlässiger bildgebender Verfahren ist das Stethoskop in seiner Bedeutung gleichwohl zurückgedrängt worden. Allgemein wird der akustischen Information heute weniger Bedeutung beigemessen als einem visuellen Befund.

Zahlreiche Studien bescheinigen der klassischen Auskultation zudem ein hohes Maß an Untersuchervariabilität. Ihren Ergebnissen mangelt es an Objektivität, sie sind wenig sensibel und schon gar nicht hochspezifisch [5].

Anfang des 20. Jahrhunderts wurde es mit Hilfe von Mikrophonen erstmals möglich Lungen- und Herzgeräusche aufzuzeichnen, sie in elektrische Impulse umzuwandeln und mit einer Elektronenstrahlröhre „sichtbar“ zu machen. Seit den 80er-Jahren sind diese Verfahren in Zusammenarbeit verschiedener Fachdisziplinen kontinuierlich weiterentwickelt worden. Moderne Methoden der Biosignalanalyse ermöglichen es heute, weit mehr Informationen aus den auskultierten Geräuschphänomenen zu gewinnen, als es das einfache Abhören mit dem Stethoskop erlaubt [84]. Im Gegensatz zur klassischen Auskultation bietet die computergestützte, elektronische Auskultation dabei die Möglichkeit einer objektiven, qualitativen und quantitativen Analyse von Lungengeräuschen [60].





Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse von Rasselgeräuschen und damit mit einem Teilphänomen des Geräuschspektrums der Lunge. Perspektivisch soll in Kooperation mit der Technischen Hochschule Mittelhessen ein funktionstüchtiger Algorithmus zur automatischen Detektion von Rasselereignissen entwickelt werden.

Anhand der vorliegenden Literatur werden einleitend die Grundlagen der objektiven Untersuchung von Lungengeräuschen erarbeitet. Da langfristig geplant ist, die entwickelte Aufnahmeapparatur vornehmlich bei herzinsuffizienten Patienten einzusetzen, werden im Anschluss Definition, Klinik und epidemiologischer Hintergrund der Herzinsuffizienz zusammenfassend dargestellt.

Grundlagen 2 Grundlagen

2.1 Biophysikalische Grundlagen Akustik ist die Lehre vom Schall und beschreibt ein Gebiet der allgemeinen Schwingungslehre. Sie beschäftigt sich mit mechanischen Schwingungen, die am menschlichen Ohr einen Schalleindruck hervorrufen [24].

Schallwellen sind charakterisiert durch die Kennwerte Frequenz, Amplitude und Signalform. Als Kehrwert der Periodendauer beschreibt die Frequenz dabei die Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit, wohingegen die Schwingungsamplitude die Größe der Auslenkung der jeweiligen Schwingung wiedergibt [24]. Die Frequenz eines Schallsignals wird in Hertz (Hz) gemessen und bestimmt die subjektive Wahrnehmung von Tonhöhe. Die Amplitude des Schalleindrucks bestimmt die Empfindung von Laustärke und wird in Dezibel (dB) angegeben [125].

Eine einfache Sinusschwingung erzeugt am menschlichen Ohr den Eindruck eines Tons, welcher umso höher empfunden wird, je höher die Frequenz und umso lauter, je größer die Amplitude der Schwingung ist. Bei den meisten Schallereignissen unserer Umgebung handelt es sich um Geräusche, die nicht-sinusförmigen Schwingungen entsprechen. Sie setzen sich aus vielen Einzeltönen zusammen, deren Schwingungen sich überlagern und deren Frequenzen dicht beieinander liegen [125].

Der normale Hörbereich eines jugendlichen Erwachsenen umfasst Frequenzen von ca.

20 bis 16000 Hz, während die Lautstärkewahrnehmung von 0 dB an der Hörschwelle, d. h. dem gerade noch wahrnehmbaren Schalldruckpegel, bis zur Schmerzschwelle bei 130 dB reicht. Die Hörschwelle ist dabei frequenzabhängig. Am empfindlichsten ist das menschliche Gehör für Frequenzen zwischen 2000 und 5000 Hz. Unterhalb von 1000 Hz, speziell unterhalb von 500 Hz, fällt die Empfindlichkeit deutlich ab, so dass höhere Schalldrücke benötigt werden, um eine Hörempfindung auszulösen [83, S. 579 f.].

Die pulmonale Auskultation mit dem Stethoskop erfasst akustische Signale im Frequenzbereich von weniger als 50 Hz bis 2000 Hz [125]. Der überwiegende Teil der respiratorischen Geräuschphänomene befindet sich somit in einem Bereich, für welchen das menschliche Gehör relativ unempfindlich ist. Erschwerend kommt hinzu,

–  –  –

dass durch die meisten handelsüblichen Stethoskope Frequenzen im Bereich über 120 Hz zusätzlich abgeschwächt werden [2, 41].

2.2 Historische Entwicklung der Lungenauskultation Erste Hinweise über das Beklopfen und Abhorchen des menschlichen Körpers finden sich bereits bei Hippokrates. In den medizinischen Schulen war es seinerzeit üblich, dass Untersucher im Rahmen der direkten Auskultation das Ohr an die Brustwand ihrer Patienten legten, um über die Beurteilung der dabei wahrgenommenen Geräusche Rückschlüsse auf die Funktion von Herz und Lunge zu erhalten [155].

Erst 2000 Jahre später wurde durch den französischen Arzt René Théophile Hyacinthe Laennec (1781-1826), seinerseits Schüler von Jean Nicolas Corvisart, das Stethoskop und mit diesem die klassische, uns bis heute bekannte Form der indirekten Auskultation entwickelt [84]. Seine Entdeckung fiel in eine Zeit, in der aus Gründen gesellschaftlicher Konvention die unmittelbare Krankenuntersuchung in weiten Kreisen verdrängt worden war. So veranlasste ihn die Leibesfülle einer jungen Frau eher zufällig, mittels einer zu einem Zylinder gedrehten Papierrolle die Brust der Erkrankten abzuhören, wobei er selbst über Deutlichkeit und Lautstärke der so gehörten Herztöne erstaunt war [5].

Angeregt durch seine Entdeckung experimentierte Laennec in der Folge mit verschiedenen Materialien und entwickelte im Laufe einiger Jahre das Stethoskop (zu griech. stethos = Brust und skopein = betrachten [38]); damals noch ein längliches Stück Holz, welches in der Mitte durchbohrt und am Ende zu einem trichterförmigen Ansatz erweitert war.

1819 veröffentlichte Laennec sein Werk über die mittelbare Auskultation [94], welches 1821 erstmals ins Englische übersetzt wurde und dessen maßgebliche Inhalte nach anfänglichen Widerständen rasant Einzug hielten in die medizinische Lehre seiner Zeit [97]. In seinen Aufzeichnungen beschreibt Laennec in sehr anschaulicher Weise die verschiedensten Auskultationsphänomene, wobei er stets bemüht war, diese auch in Beziehung zu seinen über Jahre hinweg durchgeführten Studien der pathologischen Anatomie darzustellen. Begrifflichkeiten wie Vesikuläratmen, Bronchialatmen, gemischtes Atmen, Kavernenatmen, Bronchophonie oder verschiedene Beschreibungen von Nebengeräuschen wie Rasseln, Brummen und Giemen wurden Grundlagen durch Laennec geprägt und haben ihre Gültigkeit im Wesentlichen bis heute erhalten [5]. Als Laennec 1826 an Tuberkulose starb, waren seine Erkenntnisse allgemein anerkannt. Das Stethoskop sollte sich zum Symbol eines ganzen Berufstandes entwickeln.

Als einer der bekanntesten Ärzte der neuen Wiener Schule war es vor allem der Kliniker Joseph Skoda (1805-1881), der in seiner 1839 erschienenen Abhandlung über Perkussion und Auskultation das Verständnis dieser Methoden grundlegend erweiterte, indem er einzelne Geräuschphänomene nicht nur anatomischpathologisch, sondern auch auf ihre physikalischen Gesetzmäßigkeiten hin untersuchte [84]. Der Begriff der klingenden Rasselgeräusche ist auf ihn zurückzuführen [5].

Bullar war 1884 einer der Ersten, der mittels experimenteller Ansätze versuchte, den Entstehungsort der Lungengeräusche zu ergründen. Mit einem Blasebalg pumpte er ex vivo Luft in Schafslungen und kam - entgegen der zu dieser Zeit weit verbreiteten Meinung - zu dem Ergebnis, dass das vesikuläre Atemgeräusch nicht in der Glottisregion oder der Trachea allein entstehen könne; es müsse vielmehr zusätzlich eine Quelle im Bereich der Lunge selbst angenommen werden [22, 99].

Etwa zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden entsprechend der wachsenden technischen Möglichkeiten die ersten Aufnahmemethoden entwickelt. Bezüglich der Erforschung von Lungengeräuschen war dies ein überaus wichtiger Schritt, da das Gehörte so erstmals objektiv vergleichbar war.



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