腸鳴音檢測儀的臨床應(yīng)用與研究進展

翟祥，任相海，萬顯榮，江從慶

1.武漢大學(xué)中南醫(yī)院結(jié)直腸肛門外科 湖北省衛(wèi)健委結(jié)直腸肛門外科質(zhì)量控制中心 湖北省腸病醫(yī)學(xué)臨床研究中心 腸病省重點實驗室，湖北 武漢 430071；2.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430072

腸鳴音是消化過程中腸道收縮推動液體和氣體通過腸道不同部分時產(chǎn)生的聲音[1]。腸鳴音聽診是腹部查體的一個重要組成部分，是評價胃腸功能的一種簡便有效的手段，但由于腸鳴音具有信號弱、背景噪聲強、個體差異大以及隨機性強等特點，且無法做到實時監(jiān)測[2]。臨床醫(yī)生有時難以單純借助聽診器隨機采集腸鳴音進行臨床診斷，極大地降低了腸鳴音的臨床價值。隨著電子科技的發(fā)展，諸如心音圖機、心音肺音智能檢測系統(tǒng)等檢測儀器越來越多地應(yīng)用于臨床，腸鳴音檢測儀也應(yīng)運而生。1975年Dalle等[3]率先借助計算機分析腸音，他們根據(jù)腸鳴音的持續(xù)時間將其分為不同亞型，這成為腸鳴音檢測儀開發(fā)的雛形。隨后，腸鳴音檢測儀逐漸與“小波變換”“人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析”“歸一化香農(nóng)能量分析”“功率譜分析”以及近年來“計算機學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)”等信號處理技術(shù)相結(jié)合，從而實現(xiàn)信號增強、腸鳴音降噪、腸音類型識別和聲音特征提取[2，4-6]。目前，腸鳴音檢測技術(shù)可應(yīng)用于便秘、腸易激綜合征(irritable bowel syndrome，IBS)、腸梗阻及重癥病人的胃腸功能監(jiān)測等諸多方面。本文旨在綜述腸鳴音的臨床應(yīng)用及研究進展，探索腸鳴音檢測儀的臨床應(yīng)用前景。

一、腸鳴音檢測儀概述

腸鳴音檢測系統(tǒng)一般由信號采集系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。其中，腸鳴音的采集主要由傳聲器、信號預(yù)處理系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換單元、單片機、通信接口及信息接收終端等部分完成(圖1)。信號采集系統(tǒng)可以獲得包括腸鳴音的頻率、響度、頻度、腸鳴音持續(xù)時間、腸鳴音的能量及兩次腸鳴音的時間間隔等在內(nèi)的多種參數(shù)。腸鳴音數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要包含降噪和腸鳴音信號分析功能。降噪主要通過濾波器對采集信號進行噪聲過濾。濾波器分為低通濾波器和高通濾波器和帶通量濾波器，分別去除噪聲信號中的高頻分量、低頻分量、高頻分量和低頻分量[7]。去除噪音后需要對腸音信號進行分析，常用的分析方法有頻譜分析、小波變換法、自適應(yīng)濾波、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、歸一化香農(nóng)能量分布及功率譜分析。依據(jù)分析結(jié)果，腸鳴音可分為兩類： (1)單獨或成串的短時間的聲音；(2)長時間持續(xù)的脈沖聲音。典型的腸音頻率在50～1 500 Hz之間，最高頻率高達5 000 Hz。然而，1500 Hz以上的信號功率相當(dāng)小，最近的一項研究證實，在1 000 Hz以上的頻率上，信號的功率譜密度只有0.5%，功率譜密度最大的部分位于100～500 Hz之間[3，8-9]。

圖1 腸鳴音檢測儀原理

二、腸鳴音檢測儀的臨床應(yīng)用

腸道疾病作為消化系統(tǒng)疾病的重要組成部分，其臨床診斷和鑒別診斷有時需借助影像學(xué)及內(nèi)鏡檢查，然而，影像學(xué)在某些疾病的診斷敏感性不高，診斷價值有限；腸鏡雖然可直接觀察病人腸道情況，但其適應(yīng)證有限，且作為侵入性的檢查方法，有消化道穿孔、腸道出血等并發(fā)癥發(fā)生的風(fēng)險[10-11]。腸鳴音檢測儀是一種無創(chuàng)的檢查手段，可實現(xiàn)腸鳴音的長時監(jiān)測，近年來學(xué)者們不斷將其用于臨床，在腸道疾病的診斷和鑒別診斷中有重要作用。

(一)腸梗阻

依據(jù)發(fā)病的病理生理機制，腸梗阻分為機械性腸梗阻、動力性腸梗阻及血運性腸梗阻，其中機械性腸梗阻最為常見。機械性腸梗阻早期典型的臨床表現(xiàn)為腸鳴音亢進但有時缺乏典型腹部體征，晚期發(fā)生絞窄、腸管缺血壞死則表現(xiàn)為腸鳴音的減弱或消失[12]。機械性腸梗阻有時需要手術(shù)干預(yù)，手術(shù)時機的選擇對疾病預(yù)后有重要影響。腸鳴音的動態(tài)監(jiān)測對腸梗阻類型、嚴重程度的判斷、疾病的進展以及手術(shù)指征的評估有重要價值。

Yoshino等[13]對21例機械性腸梗阻病人使用單通道濾過器進行腸鳴音采集。依據(jù)最低頻率、平均頻率及最高頻率，將臨床聽診難以區(qū)分的腸鳴音依據(jù)頻率范圍分為三類腸鳴音信號，Ⅰ型：(173±25) Hz， (273±64) Hz和(667 ±58) Hz；Ⅱ型：(309±121) Hz，(632±94) Hz和 (878±116) Hz；Ⅲ型：(330±120) Hz， (612±86) Hz和(766±82) Hz，其中超過900 Hz的高頻信號僅在前兩種信號類型中可見。監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)：全部術(shù)后腸梗阻病人均可檢測到Ⅰ型腸鳴音，23%的病人可檢測到Ⅱ型腸鳴音，而Ⅰ型腸鳴音未出現(xiàn)在腸梗阻病人中。由于腸梗阻的加重可能伴隨腸鳴音波幅的擴大和峰值頻率的移位，所以腸鳴音特征監(jiān)測可能為腸梗阻的嚴重程度評估提供客觀的依據(jù)。另外，新入院病人中，出現(xiàn)類型Ⅱ及類型Ⅲ的病人，從入院至需要接受手術(shù)的平均時間分別為4.3 d及1.2 d。腸鳴音監(jiān)測還可有助于腸梗阻的鑒別診斷，Dalle等[3]通過對67名年齡在17～88歲的受試者進行腸鳴音的記錄并使用可調(diào)網(wǎng)格(轉(zhuǎn)換為二值矩陣)的方法進行腸音分析發(fā)現(xiàn)，機械性腸梗阻和急性彌漫性腹膜炎腸鳴音的頻率有所不同，可有助于兩種疾病的鑒別。機械性腸梗阻典型的腹部體征有腹部壓痛、反跳痛、腹肌緊張及不對稱的腹脹等，腹部體征的加重可輔助判斷機械性腸梗阻的嚴重程度，通過結(jié)合病人腸鳴音能更加準確地判斷腸梗阻的嚴重程度及進展，從而幫助臨床醫(yī)生采取相應(yīng)的醫(yī)療決策。

(二)功能性胃腸病

功能性胃腸疾病是一組表現(xiàn)為胃腸道各部分功能紊亂的癥候群，可產(chǎn)生包括便秘、腹痛、惡心嘔吐、腹瀉等胃腸道癥狀，包括食管功能紊亂、胃十二指腸功能紊亂、腸功能紊亂及直腸肛管功能紊亂等[14]。研究顯示，1 200例經(jīng)過腸鏡檢查的病人中，有45.6%被診斷為功能性腸病，其中9.1%的病人患有IBS[15]?？梢娔c道功能性疾病的診斷陽性率不高且需借助侵入性檢查方法。腸鳴音檢測儀作為一種無創(chuàng)的輔助診斷方法，目前已有利用腸鳴音監(jiān)測輔助診斷慢性便秘和IBS的案例。

Kim等[16]使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析，以便秘病人為研究對象，將腸鳴音檢測儀得到的分析結(jié)果與結(jié)腸傳輸試驗進行對比，其結(jié)果顯示腸鳴音算法同結(jié)腸傳輸實驗之間具有良好的相關(guān)性：常規(guī)結(jié)腸傳輸試驗與腸鳴音算法估計值之間的相關(guān)系數(shù)和平均誤差分別為0.89和10.6 h。此后，該團隊[17]對該儀器進行改進，使用去噪性能更強的基于迭代峰度的檢測(Iterative kurtosis-based detection，IKD)算法，得到IKD算法的檢測率，靈敏度和特異度分別為(115.7±17.3)%，(86.3±6.0)%和(91.0±6.1)%。再次與結(jié)腸傳輸試驗進行對比，得到二者相關(guān)系數(shù)、測量效率與平均誤差分別為0.987、0.974和(3.5±3.3) h，使腸鳴音檢測儀的可靠性得到了極大提升。2019年Du等[18]通過一項診斷性病例對照研究，探索應(yīng)用IBS腸鳴音的特征進行疾病診斷的可行性。第一階段，作者通過構(gòu)建31例IBS和37名健康人腸鳴音特征的模型并對其進行交叉驗證，該模型診斷IBS的敏感度和特異度分別為90%和92%。在第二階段的研究中作者對15例IBS病人和15名健康受試者進行獨立檢驗，實驗結(jié)果顯示該模型診斷IBS的敏感度和特異度分別為87%和87%。盡管Gary Allwood的研究只是概念驗證，尚需進一步的前瞻性實驗驗證。此外，由于受試者的數(shù)量相對較少，病人組間具有輕微的異質(zhì)性。但現(xiàn)有研究表明腸鳴音監(jiān)測為腸道功能性疾病的診斷提供了一種新思路，將有可能減少胃腸功能性疾病時有創(chuàng)檢查的使用，從而縮短診斷等待時間、減少腸穿孔及出血等并發(fā)癥。

(三)胃腸功能的評估

胃腸功能恢復(fù)情況是判斷胃腸道術(shù)后及重癥病人能否進行腸內(nèi)營養(yǎng)的重要證據(jù)。目前，尚未有有效的客觀指標對胃腸道功能進行量化評價。由于早期腸內(nèi)營養(yǎng)有助于危重病人的恢復(fù)[19]，因此，客觀評估胃腸道功能恢復(fù)有助于腸內(nèi)營養(yǎng)的早期進行，改善病人預(yù)后。

Goto等[20]以5例由于長期膿毒血癥被認定為器官功能減退，同時合并腸梗阻的病人為研究對象使用本系統(tǒng)進行監(jiān)測，并結(jié)合病人血液中白細胞介素-6(IL-6)濃度分析病人情況。結(jié)果表明胃腸蠕動抑制，誘發(fā)IL-6血液濃度的升高。作者認為胃腸蠕動受抑制是由病人嚴重膿毒血癥所致的全身功能惡化所引起。Ulusar等[2]研究腹部大手術(shù)后恢復(fù)腸內(nèi)營養(yǎng)的時機在于腸道蠕動功能的恢復(fù)，可通過監(jiān)測腸鳴音以便確認腸道功能恢復(fù)情況，伺機盡早給予腸內(nèi)營養(yǎng)，以減少病人敗血癥的發(fā)病率及住院時間，改善預(yù)后；侯峰[21]采用數(shù)字化腸鳴音監(jiān)測系統(tǒng)對胃腸道手術(shù)病人研究也得出同樣的結(jié)論。但也有學(xué)者認為腹部手術(shù)后病人腸鳴音的出現(xiàn)與排氣、排便時間無關(guān)。該學(xué)者對124例腹部大手術(shù)病人采用前瞻性、雙盲的研究，從腹部4個象限監(jiān)測術(shù)后病人腸鳴音，任何一個象限出現(xiàn)腸鳴音則為腸鳴音陽性，同時記錄病人肛門排氣、排便時間。研究發(fā)現(xiàn)，腹部手術(shù)后腸鳴音的出現(xiàn)與肛門排氣、排便無關(guān)，腸鳴音預(yù)測術(shù)后排氣、排便時間陽性預(yù)測值較低[22]。雖然腸鳴音監(jiān)測系統(tǒng)對危重及全麻術(shù)后病人的胃腸功能監(jiān)測提供了連續(xù)、定量的非侵入性評估方式，指導(dǎo)是否腸內(nèi)營養(yǎng)有很重要的意義。但是，術(shù)后喂養(yǎng)是實時決定的，且不協(xié)調(diào)的胃腸道運動也可以產(chǎn)生腸鳴音，目前關(guān)于腸鳴音的研究未能區(qū)分協(xié)調(diào)、不協(xié)調(diào)的腸道運動。因此，僅憑腸鳴音的恢復(fù)難以精確預(yù)測腹部大手術(shù)后病人腸道功能的恢復(fù)及術(shù)后喂養(yǎng)，術(shù)后喂養(yǎng)尚需結(jié)合病人腹部體征及肛門排氣排便情況。

(四)其他疾病

腸鳴音不僅可以用于胃腸道動力疾病的診療，同時還可以用于消化系統(tǒng)其他疾病的診斷和輔助治療。Mamun等[23]以置入人工胰腺的糖尿病病人為研究對象，通過腸鳴音檢測儀監(jiān)測腸道功能及人工胰腺的功能情況。經(jīng)驗證，儀器具有85%的準確性且假陽性率較低，可用于分析腸道功能狀態(tài)，確定人工胰腺的胰島素泵入時機從而有助于更大程度上還原胰腺功能。Wen等[24]研究發(fā)現(xiàn)腸鳴音還可用于新生兒糞便潛血陽性的病因診斷與鑒別診斷。新生兒糞便潛血陽性主要原因是胃腸道結(jié)構(gòu)異常、壞死性小腸結(jié)腸炎及可疑食物過敏，三者腸鳴音間差異有統(tǒng)計學(xué)意義。由于新生兒常規(guī)檢查依從性差，腸鳴音監(jiān)測在新生兒糞便潛血陽性的病因診斷與鑒別診斷具較大的應(yīng)用前景。Ozawa等[25]研究表明，患有藥物依賴型帕金森病和多發(fā)性硬化癥者腸鳴音也會降低，提示帕金森病人胃腸道功能受損。

三、腸鳴音檢測儀的研究進展

(一)國外腸鳴音檢測儀的研究進展

2014年Ulusar等[2]對腸鳴音進行模式分類，作者將干擾聲和噪聲分為五類，并使用最小統(tǒng)計和譜減法進行噪聲抑制。59 h的測試表明：該算法對腸鳴音的識別率達到94.15%，為監(jiān)測胃腸道運動功能提供了一種有效的數(shù)據(jù)分析方法。2016年Mamun等[23]應(yīng)用半導(dǎo)體芯片設(shè)計減小了腸鳴音檢測儀的體積，與數(shù)據(jù)庫進行比對，最終儀器達到85%的準確性。2018年Du等[26]的數(shù)學(xué)模型中基于胃腸道的解剖學(xué)和生理學(xué)對記錄的腸鳴音進行分析，作者將腸鳴音分為四類，成功地模擬可變的腸鳴音且與真實聲音相吻合。2019年K?lle等[8]提出了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的腸鳴音噪聲過濾新方法，不僅增強了原始信號中的非線性成分，而且還將其從其余部分中分離出來，并通過矢濾波器組特性確保了特征頻率分量的識別。在對混雜腸鳴音的測試中發(fā)現(xiàn)，該濾波方式幾乎可100%將人工標記的腸音識別出來，提高了腸鳴音識別率。2019年Du等[18]提出一種新的機器學(xué)習(xí)模型，從26種腸道發(fā)音特點計算出的IBS聲學(xué)指數(shù)來鑒別健康人和IBS病人，作者使用用于構(gòu)建模型的數(shù)據(jù)集進行的內(nèi)部驗證(交叉驗證、k重交叉驗證方法和自舉)和外部驗證(對新參與者進行的獨立測試)都表明該模型在診斷IBS上具有很高的準確性。這是首次將腸鳴音檢測儀用于IBS的診斷，對IBS的診斷具有較高的準確性。如表1所示。

表1 腸鳴音檢測儀的國外研究進展

(二)國內(nèi)腸鳴音監(jiān)測儀的研究進展

2017年楊鵬飛等[27]使用帶通濾波器進行腸鳴音數(shù)據(jù)降噪處理，能有效地去除低頻噪聲，得到更為真實的腸鳴音信號。2019年王國靜等[28]基于語音端點監(jiān)測技術(shù)，自主研發(fā)設(shè)計的腹帶式穿戴腸鳴音檢測儀，該儀器包括主機和拾音部分，利用自適應(yīng)濾波和小波閾值去噪等方法有效地監(jiān)測到了腸鳴音。同年衛(wèi)子然等[29]研發(fā)設(shè)計了一款便攜穿戴式骨傳導(dǎo)腸鳴音檢測儀，通過對100名健康志愿者和20例腸梗阻病人腸鳴音的監(jiān)測證實了該設(shè)備能有效、準確地記錄受試對象的腸鳴音。這些研究極大地提高了腸鳴音檢測儀的便攜性，使未來建立一個長期、持續(xù)、全程的腸鳴音監(jiān)測成為可能。學(xué)者們不斷改善腸鳴音分析方法，機器學(xué)習(xí)技術(shù)不斷地應(yīng)用于腸鳴音分析。2018年Liu等[30]首次提出了一種基于梅爾頻率倒譜系數(shù)(Mel frequency cepstrum coefficient，MFCC)特征和長期短期記憶(long-short term memory，LSTM)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的腸音監(jiān)測方法，作者分別記錄45名受試者3～6 h的腸鳴音，提取MFCC特征用于構(gòu)建基于LSTM的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。特異度和準確度均保持在90%以上，在相同的記錄環(huán)境下具有很好的泛化能力。2016年Yin等[31]將收集到的12名志愿者腸鳴音計算相對頻譜起伏和與基準模型的相關(guān)性，從而定量評估腸鳴音，但此法存在一定的缺點。作者2018年[32]對腸鳴音監(jiān)測系統(tǒng)進行了改進，提出一種基于支持向量機(SVM)分類的腸音識別系統(tǒng)，腸鳴音識別上特異度和準確度均在90%以上，靈敏度在85%以上。因上述方法腸鳴音噪聲的分割效果較差，2020年Zhao等[33]提出了一種新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，識別真實的醫(yī)院環(huán)境下記錄的20名受試者的腸鳴音，經(jīng)過嘈雜噪聲驗證該法有較好的通用性，改進了腸鳴音噪聲分割識別的性能。如表2所示。

表2 腸鳴音檢測儀的國內(nèi)研究進展

四、不足與展望

腸鳴音檢測儀的出現(xiàn)為許多腸道疾病提供了更加簡便、無創(chuàng)的輔助診斷方法，長程的腸鳴音監(jiān)測可實現(xiàn)對疾病變化的動態(tài)觀察，其臨床意義重大。但還有許多問題尚需解決，如腸鳴音檢測儀便攜式要求同多通道采集強化信號相悖、腸鳴音個體化差異大，標準化模型構(gòu)建需大樣本支持、多種腸鳴音信號分析系統(tǒng)的要求等問題。雖然腸鳴音檢測儀現(xiàn)在發(fā)展還不成熟，但相信隨著分析方法的不斷改進以及腸鳴音檢測儀數(shù)字化的發(fā)展，未來腸鳴音檢測儀將可能實現(xiàn)準確的腸鳴音信號收集、更小的體積，并可能實現(xiàn)如心電監(jiān)護一樣長程、持續(xù)、無創(chuàng)、便攜的監(jiān)測系統(tǒng)，甚至建立特定疾病的腸音數(shù)據(jù)庫，用于胃腸道疾病的精確診斷。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突