当有人走进医院病房时，佩戴听诊器是临床医生的显著标志。这种医疗设备已有200多年历史，尽管医疗诊断技术取得重大进步，它仍是诊所的必备工具。
听诊器是一种用于听取和放大人体内部声音的医疗仪器。医生仍通过听诊器听到的声音作为心脏或肺部疾病的初步指标。例如，心脏杂音或肺部爆裂音通常表明存在问题。尽管成像和监测技术显著进步，听诊器仍是评估患者健康的快速、便捷且经济有效的工具。
尽管听诊器如今仍具实用价值，但疾病的可听症状通常仅在疾病后期才显现。此时治疗效果往往不佳，预后通常较差。心脏病尤其如此，因为心音变化并不总是明确定义，可能难以察觉。
我们是探索利用心音更早、更准确检测疾病的科学家和工程师。研究表明，将听诊器与人工智能结合，可帮助医生减少对人耳的依赖来诊断心脏病，从而实现更及时有效的治疗。
听诊器的历史
听诊器的发明通常归功于19世纪法国医生雷内·蒂奥菲勒·雅辛特·拉埃内克（René Theophile Hyacinthe Laënnec）。在听诊器出现前，医生常直接将耳朵贴在患者胸部听诊呼吸和心音异常。
1816年，一名出现心脏病症状的年轻女孩向拉埃内克求诊。但将耳朵贴在她胸部被视为社交禁忌。受儿童通过木棍传递声音的启发，他将纸卷成筒听诊。心音的突然清晰度令他惊讶，首个听诊器由此诞生。
随后几十年，研究人员改进了早期听诊器的形状以提升舒适性、便携性和传音效果。这包括添加称为膜片的薄平振动膜来放大声音。
19世纪50年代中期取得重大突破：爱尔兰医生亚瑟·利尔德（Arthur Leared）和美国医生乔治·菲利普·卡曼（George Philip Cammann）开发出双耳听诊器。这种设备通过两根柔性管连接独立耳件，减少环境噪音干扰，实现更清晰平衡的听诊效果。
这些早期模型与当今医生使用的听诊器惊人相似，仅有的细微改进主要针对用户体验优化。
倾听心脏
医学院持续教授听诊艺术——即运用声音评估心脏、肺部及其他器官功能。21世纪初商业化的数字听诊器提供声音放大和录音等新功能，但拉埃内克提出的基本原理依然沿用。
听诊心脏时，医生专注每个心跳熟悉的"噗通"节奏。第一声"噗"发生在心脏收缩泵血时，心腔间瓣膜关闭；第二声"通"出现在心脏舒张充血时，心脏出口瓣膜关闭。
除这两大正常心音外，医生还关注杂音、额外心搏或咔嗒声等异常声响，这些可能提示血流异常或心脏瓣膜功能障碍。
心音随心脏病类型差异显著。不同疾病有时产生相同异常声响。例如收缩期杂音（两心音间的附加音）可能由主动脉瓣或肺动脉瓣狭窄引发，但也可能出现在结构正常的心脏中。这种重叠现象使仅凭杂音诊断疾病极具挑战性。
教人工智能识别人类听觉盲区
人工智能技术能识别健康心脏与病变心脏声音中的隐藏差异，并在传统声学异常（如杂音）显现前诊断疾病。AI不依赖额外声响，而是捕捉人耳无法察觉的微弱声学特征。
研究人员使用数字听诊器记录心音，将声音转换为可放大、存储及计算机分析的电子信号。通过标注正常与异常声响训练算法，使其能识别声学模式并判断新样本的健康状态。
研究团队正开发可分析数字心音的算法，结合数字听诊器打造低成本、无创且易获取的心脏病筛查工具。但多数算法基于中重度心脏病数据集构建，因难以获取症状显现前的早期患者数据，对疾病初期心音特征掌握有限。
为弥补这一缺口，我们团队采用动物模型训练算法识别疾病早期声学标志。通过将算法结果与心脏钙化影像扫描比对验证，研究显示：基于AI的算法健康心音识别准确率超95%，心脏病类型区分准确率达85%。最关键的是，该算法能在心脏杂音或结构变化出现前检测疾病早期阶段。
我们相信，让人工智能突破人类听觉极限，将彻底革新医生诊断和应对心脏病的方式。
瓦伦蒂娜·达尔甘（Valentina Dargam），生物医学工程研究助理教授，佛罗里达国际大学；乔舒亚·哈奇森（Joshua Hutcheson），生物医学工程副教授，佛罗里达国际大学
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