運(yùn)用體外模型對(duì)人體吞咽流體力學(xué)的超聲研究

周 銘，丁常偉，白 雪，毛 攀

吞咽功能是人體消化系統(tǒng)運(yùn)輸食物必不可少的生理活動(dòng)，整個(gè)吞咽過程是由多種肌肉和神經(jīng)參與的精密機(jī)制[1]。吞咽困難是指吞咽過程受阻的一類疾病，其主要病因包括卒中、神經(jīng)源性疾病、消化道正常結(jié)構(gòu)的破壞或機(jī)能的喪失[2，3]。 據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，吞咽困難將導(dǎo)致機(jī)體脫水、營(yíng)養(yǎng)不良、吸入性肺炎等嚴(yán)重結(jié)果。在老年人群體中，患有吞咽困難的病人由于食物誤吸入氣道而導(dǎo)致肺炎的概率大大提高[2]。

為了提升吞咽困難病人的生存質(zhì)量，多種臨床方案被運(yùn)用于吞咽困難的治療，其中包括食材控制的飲食方案[4]。飲食方案中有一種增稠飲料，有實(shí)驗(yàn)對(duì)不同物理性質(zhì)的增稠流體進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)通過增加流體的黏度，尤其是非牛頓力學(xué)流體中的剪切變稀流體（形變?cè)叫。摿黧w流動(dòng)的黏度越大），可以使吞咽困難病人在吞咽該流體食物時(shí)， 流體發(fā)生形變的可能性減少，從而降低發(fā)生食管誤吸的概率[4～6]。 雖然，這類增稠食物被初步認(rèn)為是一種可行有效的飲食材料，但是該增稠物質(zhì)在人體吞咽口腔期的流體速度、傳輸時(shí)間等性質(zhì)，以及對(duì)于運(yùn)用超聲多普勒方法來對(duì)流體在吞咽口腔期的監(jiān)測(cè)與評(píng)估的可行性方面依然不是十分明確，這就需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。

筆者實(shí)驗(yàn)研究的目的是選擇不同種類的牛頓力學(xué)流體和非牛頓力學(xué)流體，使它們分別流過模擬人體吞咽過程的體外模型，并用超聲儀器測(cè)定它們流過體外模型時(shí)的速度及傳輸時(shí)間，從而可以了解到流體的種類性質(zhì)對(duì)流速和傳輸時(shí)間的影響。通過與運(yùn)用攝像視頻拍攝方法獲得的流速值對(duì)比，可以對(duì)超聲所測(cè)得的流速值的可信度進(jìn)行評(píng)估。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)流體

所使用的牛頓力學(xué)流體包括有水（蒸餾水）、體積分?jǐn)?shù)分別為93%和96%甘油（丙三醇）水溶液。 其中水里添加纖維素粉末，目的是為了增加流體對(duì)聲波的散射。使用的非牛頓力學(xué)流體包括了體積分?jǐn)?shù)分別為1.2 %、2.4 %和3.6 % TUC（thicken up clear）水溶液。TUC 是一種由雀巢公司出品的快速增稠劑， 被用于增加吞咽困難病人的飲品黏稠度。 TUC 的主要成分為黃原膠（xanthan gum），以顯著的假塑性為特征。 在低剪切力的流體中，通過高分子聚合物內(nèi)部折疊纏繞及氫鍵形成，可以使得流體的黏度增加[7～9]。實(shí)驗(yàn)室溫度控制在（22±1）℃。

1.1.2 超聲儀器

彩色多普勒超聲（Mindray z5），使用超聲凸陣探頭（型號(hào)為65C15EA，中國(guó)），探頭頻率為5 MHz。 另一種是A 型超聲（GAMPT-scan，德國(guó)），探頭頻率為5 MHz。

1.1.3 吞咽模型

劍橋咽喉模型（Cambridge throat）最早于2013 年設(shè)計(jì)，隨后于2015 年改進(jìn)，通過模擬人體吞咽功能從而評(píng)估增稠流體在吞咽過程中的物理行為變化[10～12]。實(shí)驗(yàn)主要使用此類模型，并有一定程度的修改。 見圖1 所示，頂部的弧形硬壁類似于人體口腔鄂部。 固定于旋轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)桿臂上安裝一個(gè)小滾輪（小滾輪與頂壁留有2 mm 空隙）， 類似于口腔內(nèi)推動(dòng)食團(tuán)的舌部。 一條由塑料薄膜制成的透明薄軟管貼在頂部壁上，可以容納流體，類比于口腔容量。旋轉(zhuǎn)桿臂上懸掛砝碼， 用針筒將特定容積的流體注入薄管的開口處，當(dāng)拔出啟動(dòng)別針時(shí)，砝碼因重力作用拉動(dòng)旋轉(zhuǎn)桿臂并由滾輪推動(dòng)軟管內(nèi)的流體快速通過并排出模型外。上述整個(gè)過程模擬的就是人體吞咽的口腔期。通過更換不同質(zhì)量的砝碼，來代表不同程度的舌肌推動(dòng)力。 與此同時(shí)，整個(gè)過程會(huì)用高速攝像機(jī)拍攝儲(chǔ)存，后期運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行速度量化分析。

圖1 第一種吞咽體外模型、第二種吞咽體外模型和其滾輪局部觀Fig.1 Images of first swallowing model,second swallowing model and roller local view of swallowing model

在第一種吞咽體外模型中 （圖1A）， 探頭（65C15EA）和多普勒A 型探頭分別以60°和53°的切度角裝入模型，探頭傾斜均迎向流體方向，通過耦合劑與薄膜管道緊貼。 第二種吞咽體外模型（圖1B）僅使用一個(gè)探頭（65C15EA），切度角為60°。

1.2 方法

1.2.1 第一種吞咽體外模型實(shí)驗(yàn)

采用蒸餾水、體積分?jǐn)?shù)為93%和96 %甘油（丙三醇） 水溶液和體積分?jǐn)?shù)分別為1.2%、2.4%、3.6%的TUC 水溶液。放在滑輪桿臂上的砝碼質(zhì)量為200 g。每次轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的溶液體積是6 mL。 每種流體實(shí)驗(yàn)20次。 取樣線置于圖像中央，取樣門寬設(shè)置為4 mm，取樣夾角為60°。 凸陣探頭下流體實(shí)驗(yàn)過程多普勒頻譜超聲顯示見圖2、3。 對(duì)于A 型超聲探頭，電壓被校準(zhǔn)成流速值，并作出流速和時(shí)間曲線。 食團(tuán)通過薄膜管道的過程將由每秒150 幀的攝像機(jī)錄制儲(chǔ)存。運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件ImageJ 和MATLAB 編碼軟件可以計(jì)算出視頻中滾輪（追蹤標(biāo)記）的速度。

圖2 流體通過薄管超聲所示流程的聲像圖Fig.2 Flow sonography of fluid by thin tube ultrasonic

圖3 在圖2 基礎(chǔ)上加上彩色多普勒的聲像圖Fig.3 Ultrasonography of color Doppler based on Figure 2

1.2.2 第二種吞咽體外模型實(shí)驗(yàn)

采用蒸餾水、體積分?jǐn)?shù)93%和96%甘油（丙三醇）水溶液和體積分?jǐn)?shù)為1.2%、2.4%、3.6%TUC 水溶液。 施加于滾輪的砝碼質(zhì)量分別是100 g、50 g。 每輪實(shí)驗(yàn)的溶液體積6 mL。 每種流體將運(yùn)行20 次。 探頭將放置在模型的頂端，切度角為60°。

1.2.3 分析指標(biāo)

第一種吞咽體外模型：①檢驗(yàn)由凸陣探頭多普勒頻譜探測(cè)出的流體最高流速和通過攝像機(jī)計(jì)算出的最高流速的相關(guān)一致性；攝像機(jī)視頻后處理時(shí)，使用ImageJ 軟件標(biāo)記滾輪通過凸陣探頭的時(shí)刻（也可以被認(rèn)為是流體尾部通過探頭的時(shí)刻，也就是流體產(chǎn)生峰值流速的時(shí)刻）并測(cè)算該處的正切角速度，即流體的峰值流速；②比較凸陣探頭多普勒頻譜測(cè)得流體的最高流速與A 型探頭測(cè)得的最高流速的差異性； ③對(duì)凸陣探頭測(cè)得流體的多普勒頻譜特征進(jìn)行描述分析。

第二種吞咽體外模型：①比較實(shí)驗(yàn)流體在100 g、50 g 砝碼推動(dòng)下傳輸時(shí)間的差異性（由多普勒頻譜探測(cè)得出）； ②對(duì)兩種質(zhì)量砝碼作用下凸陣探頭測(cè)得流體的多普勒頻譜的特征進(jìn)行比較分析。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 21.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 所有數(shù)據(jù)的正態(tài)性檢驗(yàn)采用Shapiro-Wilk 檢驗(yàn)。第一種吞咽體外模型中，由凸陣探頭多普勒頻譜測(cè)出的最高流速與通過攝像機(jī)計(jì)算出的最高流速數(shù)據(jù)采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（intraclass correlation efficient，ICC） 檢驗(yàn)。 ICC 評(píng)級(jí)為：差（0.00 ～0.20），一般（0.20 ～0.40），良好（0.40 ～0.75），優(yōu)秀（0.75 ～1.00）。 凸陣探頭多普勒頻譜測(cè)出的最高流速與A 型探頭測(cè)得最高流速數(shù)據(jù)采用獨(dú)立樣本t 檢驗(yàn)。 第二種吞咽體外模型中， 在100 g、50 g砝碼推動(dòng)下測(cè)得的傳輸時(shí)間數(shù)據(jù)采用獨(dú)立樣本t 檢驗(yàn)。 P ＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 第一種吞咽體外模型的結(jié)果

6 種流體的最高速度值（20 次平均值）見表1、2。由凸陣探頭多普勒頻譜探測(cè)出的各流體最高流速和通過攝像機(jī)計(jì)算出的最高流速ICC 均顯示相關(guān)一致性較好（ICC>0.75）。 凸陣探頭多普勒頻譜測(cè)出的各流體最高流速均高于A 型探頭測(cè)得的最高流速，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。

表1 6 種流體在凸陣探頭多普勒頻譜、攝像視頻測(cè)得最高流速、ICC 比較Tab.1 Comparison the maximum flow rate and ICC of 6 fluids between convex array probe Doppler spectrum and video

表2 6 種流體在A 型超聲、凸陣探頭多普勒頻譜測(cè)得最高流速比較Tab.2 Comparison of the highest velocity of 6 fluids between mode A ultrasound and convex array probe Doppler spectrum

牛頓力學(xué)組流體在實(shí)驗(yàn)滾輪未啟動(dòng)前，3 種流體可發(fā)現(xiàn)有少量液體滲漏自行流出的情況，以黏度系數(shù)最低的水最為常見（此類情況需要重新裝置流體，盡力壓閉流體前緣處薄膜，確保無流體滲出，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)）。 而非牛頓力學(xué)組的流體均未發(fā)現(xiàn)此類情況。

為了便于論述， 以體積分?jǐn)?shù)3.6%TUC 水溶液（非牛頓力學(xué)液體） 凸陣探頭測(cè)得的多普勒頻譜作為例子進(jìn)行描述。頻譜代表了流體通過探頭時(shí)其流速的變化（圖4A）。由于砝碼的重力作用，滾輪推動(dòng)流體的速度逐漸增加。這在流速頻譜中表現(xiàn)為一個(gè)上升的坡度，然后流速到達(dá)頂峰。 其峰值流速可以認(rèn)為是流體末端觸及滾輪探頭時(shí)所致。當(dāng)整個(gè)流體長(zhǎng)度全部流過探頭掃查點(diǎn)后， 探頭將不能探測(cè)到多普勒頻移信號(hào)，因此在頻譜上流速表現(xiàn)為驟降。由于滾輪撞擊終止點(diǎn)而產(chǎn)生的振動(dòng)及滾輪自身觸及超聲探頭后產(chǎn)生的多普勒信號(hào)都將會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)流速峰值或是信號(hào)干擾（圖4B、C），左側(cè)顯示雙峰頻譜，右側(cè)在第一峰值后又出現(xiàn)一個(gè)小波峰，為信號(hào)干擾。

圖4 3.6%TUC 水溶液（第一種吞咽體外模型，砝碼質(zhì)量100 g）凸陣探頭測(cè)得的多普勒頻譜Fig.4 Doppler spectra images of 3.6%TUC solution(first swallowing model with 100 g mass)measured by convex array probe

3.6 %TUC 水溶液通過A 型超聲探頭的流速值隨時(shí)間變化曲線（圖5）。 圖中3 種顏色分別代表實(shí)驗(yàn)20 次其中3 次結(jié)果較佳。 從圖形中可以看出，信號(hào)形態(tài)與凸陣探頭測(cè)得的超聲多普勒頻譜形態(tài) （圖4）類似。

圖5 由A 型超聲測(cè)得的3.6%TUC 水溶液的速度隨時(shí)間變化曲線Fig. 5 Velocity-time curve of 3.6 % TUC solution measured by A-mode ultrasound

2.2 第二種吞咽體外模型的結(jié)果

在100 g、50 g 砝碼推動(dòng)下測(cè)得各流體的傳輸時(shí)間（20 次平均值）見表3 所示。 在50 g 砝碼推動(dòng)下測(cè)得的傳輸時(shí)間均大于100 g 砝碼推動(dòng)下測(cè)得的傳輸時(shí)間，差異有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.01）。 在50 g 砝碼作用下，可發(fā)現(xiàn)非牛頓力學(xué)流體傳輸時(shí)間均比牛頓力學(xué)流體要稍短。

表3 6 種流體在砝碼100 g、50 g 作用下傳輸時(shí)間值比較Tab.3 Comparison of transmission time values of 6 fluids between 100 g mass and 50 g mass

為了便于論述，以體積分?jǐn)?shù)93%甘油（丙三醇，牛頓力學(xué)流體）水溶液為例進(jìn)行頻譜特征描述。 圖6顯示在100 g、50 g 砝碼作用下， 體積分?jǐn)?shù)93%甘油水溶液通過探頭的多普勒頻譜。 可以發(fā)現(xiàn)，更大質(zhì)量的砝碼可以產(chǎn)生更大的推力，從而縮短流體通過并排出模型的總時(shí)間，因此在多普勒頻譜上顯示時(shí)間范圍的跨度較小，峰值流速出現(xiàn)的時(shí)間也較早。

圖6 93%甘油水溶液通過第二種吞咽體外模型（左側(cè)為100 g 砝碼，右側(cè)為50 g 砝碼）的多普勒頻譜Fig.6 Doppler spectra images of 93%glycerol solution(second swallowing model,left with 100 g mass and right with 50 g mass)measured by convex array probe

3 討論

吞咽困難可以出現(xiàn)在任何年齡群，但以老年人多見[2]。 臨床處理吞咽困難的主要目的是防止食物誤吸入氣管[2]。 在對(duì)病人的吞咽功能可行的各類檢查方法中，X 射線食管造影透視和纖維內(nèi)鏡由于能夠直接全面地觀察和評(píng)估吞咽過程和消化道解剖結(jié)構(gòu)，因此通常被認(rèn)為是消化道檢查的金標(biāo)準(zhǔn)[3]。 然而這兩種方法都為有創(chuàng)檢查，X 射線透視還存在對(duì)病人造成電離輻射損害的風(fēng)險(xiǎn)[3]。相較而言，超聲具有便攜、實(shí)時(shí)、無電離輻射的特點(diǎn)，被越來越多的研究證實(shí)對(duì)吞咽困難的評(píng)價(jià)和治療具有相當(dāng)大的協(xié)助作用[14～16]。

在以往運(yùn)用體外劍橋模型研究吞咽口腔期的文獻(xiàn)中，通常通過視頻分析軟件計(jì)算得出流體速度并比較分析[10，12]。筆者研究的第一種吞咽體外模型中，首次將劍橋模型與超聲結(jié)合起來，由凸陣探頭測(cè)得各流體溶液的最高流速與通過視頻分析獲得的最高流速相比較，發(fā)現(xiàn)其數(shù)值相關(guān)一致性較好，說明運(yùn)用超聲多普勒頻譜測(cè)量吞咽模型中不同的流體速度是相對(duì)可靠的方法。 另外，通過比較兩種不同位置探頭測(cè)得的最高流速值，可以發(fā)現(xiàn)用Mindray z5 凸陣探頭測(cè)得的各流體峰值流速均要高于A 型超聲測(cè)得的峰值流速。 這是由于A 型超聲探頭放置的位置要高于Mindray z5 探頭，流體在通過Mindray z5 凸陣探頭時(shí)流速會(huì)因?yàn)轫来a的重力加速度作用而顯著增高。這也進(jìn)一步證明，在正常人體吞咽口腔期，由于舌肌的推動(dòng)作用，食物行進(jìn)速度是一個(gè)不斷加速的過程。 因而在臨床檢查中，運(yùn)用超聲多普勒頻譜可以針對(duì)吞咽口腔期的流體加速過程進(jìn)行很好地分析評(píng)估。

在第一種吞咽體外模型中，可以發(fā)現(xiàn)，無論牛頓力學(xué)流體還是非牛頓力學(xué)流體，最高流速都會(huì)隨著甘油和TUC 水溶液濃度的增高而減低。 較高濃度意味著流體黏度增高，這會(huì)使?jié)L輪推動(dòng)流體通過薄膜管道的阻力加大，流速因此減低[12]。 另外，筆者發(fā)現(xiàn)，牛頓力學(xué)流體，在實(shí)驗(yàn)滾輪未啟動(dòng)前，有時(shí)可見有少量液體滲漏自行流出， 這就需要重新裝置流體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。相反，在非牛頓力學(xué)流體中，由于其流體特性，即在低剪切力作用下其黏度增大，均未發(fā)現(xiàn)滾輪啟動(dòng)前有液體自行滲漏的情況。 有文獻(xiàn)報(bào)道，在吞咽障礙的病人中可以發(fā)現(xiàn)舌肌未推動(dòng)流體類食物前，小部分食物自行滑入咽喉部的情況，而此現(xiàn)象將明顯增加氣管誤吸的風(fēng)險(xiǎn)[12，13]。 因此，筆者研究也進(jìn)一步證實(shí)，非牛頓力學(xué)流體相較于牛頓力學(xué)流體在預(yù)防吞咽過程中氣管誤吸方面具有更好的安全性。

有文獻(xiàn)指出，舌肌推力減弱導(dǎo)致的流體傳輸時(shí)間增加即流體在口腔滯留時(shí)間延長(zhǎng)，在吞咽障礙的病人群體中較為常見[13]。有文獻(xiàn)運(yùn)用超聲針對(duì)吞咽過程中的咽喉期的舌骨移動(dòng)度、頦舌骨肌的改變進(jìn)行研究[13，16]。但是少有文獻(xiàn)論及吞咽口腔期不同流體（包括牛頓力學(xué)流體和非牛頓力學(xué)流體）的超聲多普勒頻譜的比較研究。筆者研究中的第二種吞咽體外模型使用兩種不同質(zhì)量的砝碼，來模擬舌肌不同推動(dòng)力作用下的吞咽口腔期過程。 結(jié)果顯示，不論牛頓力學(xué)流體還是非牛頓力學(xué)流體，在50 g 砝碼推動(dòng)下較之100 g 砝碼時(shí)的傳輸時(shí)間均顯著延長(zhǎng)，與以往文獻(xiàn)結(jié)果相符[12，13]。 另外，可以發(fā)現(xiàn)，在50 g 砝碼作用下，非牛頓力學(xué)流體傳輸時(shí)間比牛頓力學(xué)流體要稍短，原因可能是因?yàn)榉桥ｎD力學(xué)流體在加速過程中形變逐漸加大，其黏度逐漸減小、阻力亦隨之減小的緣故。由此可以推論出，在舌肌推力減弱的情況下，非牛頓力學(xué)流體具有更高的安全性。

筆者研究也有局限性。 選擇實(shí)驗(yàn)的溶液種類（牛頓力學(xué)和非牛頓力學(xué)）較少，同時(shí)也未將實(shí)驗(yàn)運(yùn)用在人體上驗(yàn)證，這需要今后進(jìn)一步的研究來完善。

4 結(jié)論

在筆者研究實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用體外吞咽模型探索超聲探頭測(cè)量的流體速度與視頻追蹤法測(cè)得的流體速度之間的關(guān)聯(lián)，同時(shí)對(duì)非牛頓力學(xué)流體在吞咽過程中的安全性進(jìn)行驗(yàn)證。 研究的初步結(jié)論是，多普勒超聲是在流體模型中測(cè)量流體速度、 傳輸時(shí)間的有效方法，非牛頓力學(xué)流體在預(yù)防吞咽氣管誤吸方面、舌肌減弱的情況下更具有安全性。 由此在后續(xù)的研究中，可將此方法運(yùn)用于患有吞咽困難的病人的評(píng)估中。