呼吸音分析在兒童支氣管哮喘中的研究進(jìn)展

田 嬌，徐勇勝

1天津醫(yī)科大學(xué)研究生院，天津 300070

2天津市兒童醫(yī)院呼吸科，天津 300074

哮喘是一種常見的慢性呼吸道疾病，影響著不同國(guó)家1%～18%的人口[1]。我國(guó)兒童患病率自1998年以來(lái)持續(xù)上升，2017至2019年仍呈上升趨勢(shì)[2]。哮喘的診斷和管理主要依靠癥狀，而非醫(yī)務(wù)人員很難正確識(shí)別喘息癥狀。肺功能雖能提供重要信息，但往往需要患兒配合，且無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。呼吸音分析是醫(yī)療人工智能時(shí)代的產(chǎn)物，通過(guò)運(yùn)用多種分析方法對(duì)采集到的呼吸音進(jìn)行數(shù)字化處理和轉(zhuǎn)換，形成特征性的信號(hào)參數(shù)，建立參數(shù)與疾病間的關(guān)系。在哮喘患兒中，呼吸音與氣道變化之間存在密切關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)并分析呼吸音可為哮喘的病情進(jìn)展和控制評(píng)估提供可靠的臨床信息，本文總結(jié)了呼吸音分析在兒童支氣管哮喘中的應(yīng)用進(jìn)展。

呼吸音概述

呼吸音的產(chǎn)生與分類呼吸音是呼吸時(shí)氣流通過(guò)呼吸道和肺泡產(chǎn)生湍流，引起氣體振動(dòng)，發(fā)出的聲響通過(guò)肺組織和胸壁傳至體表的聲音，是人體呼吸系統(tǒng)與外界在通氣過(guò)程中產(chǎn)生的一種生理性聲音信號(hào)。呼吸音的同義詞是肺音，二者本質(zhì)相同。

呼吸音可分為正常呼吸音與異常呼吸音兩大類：正常呼吸音是由呼吸道的氣流產(chǎn)生的，其分類及特點(diǎn)見表1；異常呼吸音是附加在正常呼吸音之上的附加音，異常呼吸音的出現(xiàn)通常提示肺部疾病，但也可見于健康人群，其分類和特點(diǎn)見表2。異常呼吸音又分為連續(xù)音與非連續(xù)音，連續(xù)音包括“Wheeze”“Rhonchus”“Stridors”“Squawks”“Gasp”，中文文獻(xiàn)對(duì)以上詞匯統(tǒng)稱為喘鳴音，但在聲音特點(diǎn)方面有細(xì)微差別(表2)；非連續(xù)音包括“Fine Crackle”“Coarse Crackle”“Pleural Rub”[3]。正常和異常呼吸音都與氣體運(yùn)動(dòng)、肺形態(tài)改變和氣道內(nèi)分泌物存在直接聯(lián)系，是診斷肺部疾病的重要線索[4]。

表1 正常呼吸音分類及特點(diǎn)Table 1 Types and characteristics of normal breath sounds

表2 異常呼吸音分類及特點(diǎn)Table 2 Types and characteristics of adventitious sounds

呼吸音的影響因素呼吸音受多種因素的影響，如年齡、性別、呼吸方式等。不同個(gè)體呼吸頻率、潮氣量、肺活量、氣體流速等存在差異，由此產(chǎn)生的呼吸音也各不相同。

各年齡段兒童呼吸音頻率與強(qiáng)度可能存在差異。有研究表明，在標(biāo)準(zhǔn)化氣流條件下，300 Hz以下，嬰兒和兒童呼吸音的功率較?。欢?00 Hz以上，受試者的頻譜斜率與年齡無(wú)關(guān)[5]。

呼吸方式對(duì)正常和異常呼吸音亦有影響。最常見的呼吸方式是自然呼吸(即平靜呼吸)，研究中常用于對(duì)照的是標(biāo)準(zhǔn)呼吸(即標(biāo)準(zhǔn)的深呼吸)。正常呼吸音在標(biāo)準(zhǔn)呼吸時(shí)的強(qiáng)度和頻率高于自然呼吸時(shí)。也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在反映肺部疾病方面，自然呼吸似乎并不比標(biāo)準(zhǔn)呼吸差[6]。

呼吸音的采集設(shè)備呼吸音采集設(shè)備目前研究較多的是各類型的電子聽診器，或稱數(shù)字聽診器[7]?；诓煌δ苎邪l(fā)的遠(yuǎn)程電子聽診器[8]、智能無(wú)線電子聽診器、多功能電子聽診器等，分別具備或同時(shí)具備采集聲音音頻信息，借助智能手機(jī)、平板電腦APP實(shí)時(shí)顯示聲音波形信息、錄音和放音，借助藍(lán)牙、移動(dòng)硬盤實(shí)現(xiàn)聲音文件的存儲(chǔ)和傳輸，對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化等功能[9- 10]。

呼吸音的分析方式與常用參數(shù)呼吸音分析流程見圖1：電子聽診器采集的聲音樣本首先經(jīng)過(guò)聲音文件的預(yù)處理，通過(guò)多個(gè)噪音消除算法去掉一些能夠消除的噪音；然后進(jìn)行數(shù)據(jù)增益，對(duì)指定頻率段，如哮鳴音的重點(diǎn)觀測(cè)頻段(100～2000 Hz數(shù)據(jù))進(jìn)行增益，加大振幅，讓聲音數(shù)據(jù)更好地呈現(xiàn)；呼吸音特征選取與特征提取部分因選取的算法不同各有區(qū)別，目前常用快速傅里葉變換(fast Fourier transform，F(xiàn)FT)[11- 12]等算法和函數(shù)，對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，從而獲得該聲音的聲學(xué)特征，對(duì)這些特征進(jìn)行深度計(jì)算即可獲得呼吸音參數(shù)[13]。

圖1 呼吸音分析流程圖Fig 1 Flow chart of breath sound analysis

基于FFT所得呼吸音參數(shù)如圖2所示：呼吸音文件經(jīng)初步處理后，以縱軸表示頻率，橫軸表示時(shí)間；由于信號(hào)在時(shí)域上的特性可以對(duì)比不同信號(hào)的差異，但很難看出信號(hào)本身的特性，所以通常需要將其轉(zhuǎn)換為頻域上的能量分布來(lái)分析，不同的能量分布代表不同的語(yǔ)音特性，轉(zhuǎn)換后橫軸表示頻率(單位為Hz)，縱軸表示功率(單位為dBm)，采用五點(diǎn)移動(dòng)平均法進(jìn)行平滑以確定合適的dBm值；使用自定義軟件程序自動(dòng)計(jì)算數(shù)據(jù)即可獲得呼吸音參數(shù)(圖2)[14- 20]。

圖2 呼吸音分析常用參數(shù)Fig 2 Common parameters for breath sound analysis

此外，還有其他指標(biāo)用于呼吸音分析，如：ic700是指吸氣呼吸音頻率為700 Hz時(shí)的聲音強(qiáng)度[21- 22]；低頻呼氣/吸氣肺聲功率比(expiration-to-inspiration lung sound power ratio at low frequencies，E/I LF)和中頻呼氣/吸氣肺聲功率比(expiration-to-inspiration lung sound power ratio at mid frequencies，E/I MF)分別指呼吸音在100～200 Hz的低頻范圍和200～400 Hz的中頻范圍內(nèi)呼氣/吸氣的肺聲功率比[23- 25]。上述指標(biāo)經(jīng)常用來(lái)闡述呼吸音與肺部病變的關(guān)系。

呼吸音參數(shù)與哮喘病理生理變化

氣流受阻是支氣管哮喘病理生理改變的核心，慢性氣道炎癥、氣道高反應(yīng)和氣道重構(gòu)均是造成患兒氣道受阻的原因。

慢性氣道炎癥一方面影響呼吸流速，另一方面氣道炎性損傷可使管壁變硬、管徑變小，二者均可影響呼吸音參數(shù)[26]。Habukawa 等[27]研究發(fā)現(xiàn)，肺音參數(shù)變化可以反映支氣管壁增厚和周圍氣道變窄，且100～400 Hz頻率范圍內(nèi)的呼吸音還可以反映氣道狹窄的程度；呼氣相中頻段(200～400 Hz)的聲功率比也與氣道高反應(yīng)性相關(guān)[28]。氣道管徑方面，有研究表明，呼吸阻力與氣道管徑呈負(fù)相關(guān)[29]，哮喘患者出現(xiàn)喘息不只受氣道管徑的影響，還與氣道壁的厚度、彎曲剛度和縱向張力有關(guān)[30]。氣道硬度增加可以提高聲音的傳輸速度[31]。

氣道高反應(yīng)所致氣流受限呈可逆性，呼吸音參數(shù)可輔助評(píng)估氣道痙攣。Tabata等[20]研究表明，呼吸音參數(shù)，尤其是A3/AT和RPF50可用于評(píng)估支氣管痙攣，這些指標(biāo)受呼吸氣流、肺活量、年齡或體質(zhì)量的影響較小，具有較高敏感度。Nukaga等[16]研究顯示，呼吸音參數(shù)與支氣管擴(kuò)張?jiān)囼?yàn)結(jié)果具有相關(guān)性。也有學(xué)者研究了支氣管激發(fā)試驗(yàn)前后呼吸音參數(shù)的變化，結(jié)果提示A3/AT、B4/AT、RPF75和RPF50等指標(biāo)有助于評(píng)估哮喘患者的氣道高反應(yīng)[15]。以上研究表明，呼吸音參數(shù)特征可反映氣流受限和氣道結(jié)構(gòu)的改變，為哮喘的管理與控制提供可靠的臨床信息。

呼吸音分析在兒童哮喘中的應(yīng)用

早期診斷嬰幼兒喘息的早期發(fā)現(xiàn)臨床意義較大，但由于哮喘早期癥狀常不典型，很難第一時(shí)間識(shí)別。呼氣音分析被認(rèn)為是有效的早期診斷方法。Enseki 等[19]研究了59例嬰幼兒哮喘患兒的呼吸音參數(shù)，結(jié)果顯示A3/AT和RPF50可早期反映氣道痙攣，提示呼吸音分析在嬰幼兒氣道監(jiān)測(cè)管理方面具有使用價(jià)值。

具有哮喘危險(xiǎn)因素的患兒可能已存在氣道潛在改變，早期發(fā)現(xiàn)、早期干預(yù)對(duì)預(yù)防哮喘的發(fā)生意義重大，呼吸音分析可提供部分有用信息，Shioya等[18]研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)敏患兒的RPF75和RPF50均高于無(wú)過(guò)敏患兒；特應(yīng)性皮炎患兒RPF75、RPF50、F99值均高于非特應(yīng)性皮炎患兒；有呼吸道合胞病毒(respiratory syncytial virus，RSV)感染史嬰兒的F99值明顯高于無(wú)RSV感染史的嬰兒；有呼吸道感染住院史的嬰兒A3/AT值較低，以上結(jié)果提示存在小氣道狹窄的可能性，表明具有哮喘發(fā)展危險(xiǎn)因素的嬰兒，即使是在健康狀態(tài)下，通過(guò)呼吸音分析也可顯示出潛在的氣道變化，可為臨床提供重要信息，因此，呼吸音分析有助于早期發(fā)現(xiàn)有哮喘發(fā)生危險(xiǎn)因素的患兒。

嚴(yán)重度評(píng)估在哮喘嚴(yán)重度評(píng)估方面，常被提及的是ic700，其是吸氣呼吸音頻率為700 Hz時(shí)計(jì)算出的呼吸音指數(shù)，可輔助評(píng)估哮喘的嚴(yán)重程度和控制情況。Habukawa等[21]采用ic700評(píng)估無(wú)癥狀哮喘兒童的氣流受限情況，結(jié)果顯示ic700與哮喘嚴(yán)重程度有關(guān)，且ic700不受個(gè)體差異的影響。有研究采用ic700評(píng)估哮喘兒童吸入皮質(zhì)類固醇(inhaled corticosteriods，ICS)的治療效果，結(jié)果表明，ic700在評(píng)估ICS治療效果和預(yù)測(cè)2周內(nèi)哮喘發(fā)作方面具有實(shí)用價(jià)值[22]。因此，ic700可評(píng)估哮喘患兒氣道功能狀態(tài)，與前述呼吸音參數(shù)一樣，可單獨(dú)分析呼吸音而不需要測(cè)量身高、體質(zhì)量和氣流大小來(lái)進(jìn)行無(wú)創(chuàng)性評(píng)估，也不需要使用吹氣或鼻夾等輔助手段，提供了一種簡(jiǎn)易無(wú)創(chuàng)地監(jiān)測(cè)兒童哮喘控制的新策略。

療效監(jiān)測(cè)哮喘患兒的規(guī)范化管理對(duì)預(yù)后至關(guān)重要，監(jiān)測(cè)治療效果是哮喘管理的重要一環(huán)。ic700也可用于評(píng)價(jià)治療效果，研究顯示，E/I LF和E/I MF值也是反映氣道阻塞和炎癥變化較有效的指標(biāo)，可用于監(jiān)測(cè)支氣管哮喘患者的治療反應(yīng)[23- 24，28]。有研究報(bào)道，咳嗽變異性哮喘(cough variant asthma，CVA)患兒在吸入β2激動(dòng)劑后喘息音消失，呼吸音參數(shù)也相應(yīng)發(fā)生變化，提示呼吸音分析在兒童CVA治療中同樣有應(yīng)用價(jià)值[14，32]。

多項(xiàng)研究表明，呼吸音參數(shù)的變化與氣道改變顯著相關(guān)。呼吸音分析可能成為一種新的氣道和肺功能檢測(cè)方法，用于檢測(cè)兒童氣道的可逆性和高反應(yīng)。更重要的是，A3/AT、Β4/AT、RPF50、RPF75等呼吸音指數(shù)受氣流速率的影響較小，平靜呼吸過(guò)程中即可評(píng)價(jià)呼吸音的變化，為各年齡段兒童哮喘的氣道功能評(píng)估提供了便利。以上研究證明，呼吸音分析可用于支氣管哮喘患兒氣道炎癥、氣道高反應(yīng)性、氣道結(jié)構(gòu)等各方面的評(píng)估，多項(xiàng)呼吸音參數(shù)與哮喘等疾病之間能建立緊密聯(lián)系，呼吸音分析在哮喘患兒中的應(yīng)用具有可行性。

展 望

呼吸音分析是一個(gè)新興領(lǐng)域，在消除環(huán)境噪音與避免心音信號(hào)干擾方面，還有更多的探索空間[17]。學(xué)者們對(duì)呼吸音分析的多種應(yīng)用前景持樂(lè)觀態(tài)度，數(shù)字化的呼吸音允許存儲(chǔ)云端，便于大量呼吸音數(shù)據(jù)通過(guò)電子傳輸和播放[33]。未來(lái)需要進(jìn)一步的研究提高呼吸音檢測(cè)的靈敏度，以便為疾病診斷和監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。目前，自動(dòng)檢測(cè)異常呼吸音、附加音以及呼吸音方面的技術(shù)手段日臻成熟，輔以日益強(qiáng)大的計(jì)算能力和大數(shù)據(jù)云平臺(tái)的廣泛使用，自動(dòng)檢測(cè)、分析呼吸音的便攜設(shè)備很快就會(huì)為臨床醫(yī)生和消費(fèi)者所采用。