慢性阻塞性肺疾病患者呼吸音聲譜特征研究

高晶晶，羅 勇,2，黃 煜，呂冰聰

(1.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院崇明分院呼吸科，上海 202150；2.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院呼吸科，上海 200092；3.上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；4.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院振動(dòng)、沖擊、噪聲研究所，上海 200240)

0 引言

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)是人類最常見的慢性呼吸道疾病，在我國(guó)40歲以上人群的患病率高達(dá)13.7%[1]，也是人類第四大死亡病因[2]，嚴(yán)重威脅著人類健康。目前，臨床上COPD的診斷以及疾病的嚴(yán)重程度分級(jí)完全依賴于肺通氣功能的檢測(cè)，并據(jù)此制定不同的治療方案[3]。但是，肺功能檢測(cè)時(shí)需要患者在醫(yī)技人員的指揮下不停地做用力吸氣、呼氣、屏氣等動(dòng)作，患者的聽力、理解力、肌肉協(xié)調(diào)力都會(huì)影響其檢查結(jié)果，且危重病人及意識(shí)障礙者無(wú)法完成肺功能檢查，導(dǎo)致只有部分COPD患者能通過(guò)肺功能檢測(cè)而確診。據(jù)報(bào)道，美國(guó)只有1/3～2/3的臨床診斷COPD的患者成功完成肺功能檢測(cè)[4]，在我國(guó)情況更為嚴(yán)重，有些地方出院診斷為“COPD”的患者中只有16.2%的患者完成了肺功能檢查[5]。對(duì)于沒有完成肺功能檢測(cè)的COPD診斷，臨床醫(yī)生基本依據(jù)患者病史、體檢、胸部X線攝片等輔助檢查綜合判斷，主觀因素較高，由此產(chǎn)生的錯(cuò)誤診斷率也較高，甚至可導(dǎo)致最高42%的支氣管擴(kuò)張劑被過(guò)度使用[6]。

COPD是一種在各種致病因素導(dǎo)致氣道管腔變小、呼吸時(shí)氣流受阻的疾病，根據(jù)肺功能檢查發(fā)現(xiàn)其呼吸量下降可以確診并判斷嚴(yán)重程度，同樣這些患者在氣道發(fā)生病變時(shí)呼吸過(guò)程中產(chǎn)生的聲譜特征也會(huì)發(fā)生一定的變化。如果發(fā)現(xiàn)COPD患者的呼吸音聲譜變化特征，就可以在患者沒有條件做肺功能檢測(cè)時(shí)輔助診斷疾病，提高診斷正確率。

本研究對(duì)經(jīng)肺功能檢查確診為COPD的患者和健康者，行呼吸音采樣，傳輸至聲波分析系統(tǒng)，計(jì)算和分析不同呼吸音吸/呼氣時(shí)間、聲波頻率及不同頻段的非計(jì)權(quán)聲壓級(jí)等聲學(xué)測(cè)量，并做進(jìn)一步比較分析。確定COPD患者呼吸音聲譜圖特征性的參數(shù)和指標(biāo)，探討COPD呼吸聽診的可視化和可測(cè)量化，使臨床醫(yī)生能夠通過(guò)聽診而間接、客觀地了解患者的氣流受限情況，降低對(duì)COPD的誤診誤治率。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

本研究入選病例為2018年10月～2020年12月在上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院崇明分院就診過(guò)的患者，年齡均大于40歲。經(jīng)篩選，其中經(jīng)肺功能檢測(cè)確診為COPD(即第1 s用力呼氣容積(FEV1)/用力肺活量(FVC)＜0.70，且吸入支氣管擴(kuò)張劑后，F(xiàn)EV1/FVC＜0.70)的患者作為COPD組，共52例；肺功能正常者(FEV1/FVC≥0.70)作為對(duì)照組，共36例(見表1)。本研究方案經(jīng)醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(批件號(hào)：LLWYH-2018-13)，所有患者均知情同意。使用3M Littmann電子聽診器，采集入組成員呼吸音30 s，通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線傳輸至電腦，使用3M?Littmann?StethAssist?心肺音可視化軟件記錄和儲(chǔ)存呼吸音信號(hào)。

1.2 研究方法及統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

試聽對(duì)照組和COPD組所有的呼吸音頻，從對(duì)照組(36段)和COPD組(52段)的音頻中(wav格式，采樣率4 000 Hz，采樣位數(shù)16 bit，時(shí)長(zhǎng)30 s)，選取信噪比較高、能清晰聽到呼吸聲的音頻作為統(tǒng)計(jì)樣本，共計(jì)對(duì)照組27段和COPD組41段。使用Matlab軟件計(jì)算吸氣、呼氣時(shí)長(zhǎng)以及聲壓級(jí)，IBM SPSS Statistics 23進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。對(duì)樣本群體的年齡進(jìn)行方差分析，對(duì)性別進(jìn)行獨(dú)立樣本卡方檢驗(yàn)，對(duì)樣本群體的吸呼氣時(shí)間、聲壓級(jí)等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，當(dāng)數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布時(shí)，利用非參數(shù)檢驗(yàn)方法對(duì)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步分析。由于對(duì)照組和COPD組的樣本之間相互獨(dú)立，選擇獨(dú)立樣本Mann-Whitney U檢驗(yàn)方法，設(shè)定顯著性水平P=0.05。

2 結(jié)果

2.1 一般資料比較

本研究共納入樣本88例，選取干擾音少、信噪比較高、能清晰聽到呼吸聲的音頻作為統(tǒng)計(jì)樣本，計(jì)對(duì)照組27段和COPD組41段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，最后納入統(tǒng)計(jì)學(xué)分析的共68例。對(duì)照組平均年齡為(69.3±10.4)歲，COPD組平均年齡為(71.1±10.1)歲；對(duì)照組中有20例男性、7例女性，COPD組有30例男性、11例女性。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，兩組樣本年齡、性別P值均大于0.05，無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的差異，結(jié)果如表1所示。

表1 對(duì)照組與COPD組基礎(chǔ)數(shù)據(jù)比較Table 1 Comparison of basic data between the control group and the COPD group

2.2 吸呼氣時(shí)間數(shù)據(jù)分析

首先，試聽對(duì)照組和COPD組所有的呼吸音頻，并選取其中可以聽清并區(qū)分吸氣和呼氣的音頻，或者在音頻軟件Audition中的時(shí)間-頻率譜中可以顯示出吸氣、呼氣區(qū)別的所有音頻的吸氣時(shí)間和呼氣時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并得出每個(gè)個(gè)體的平均吸氣時(shí)間和平均呼氣時(shí)間，計(jì)算出每個(gè)個(gè)體的平均吸呼氣時(shí)間比。

以個(gè)體平均吸氣時(shí)間為橫坐標(biāo)，平均呼氣時(shí)間為縱坐標(biāo)畫出個(gè)體吸呼氣時(shí)間散點(diǎn)圖，如圖1所示，可以明顯看出對(duì)照組與COPD組個(gè)體在平均呼氣時(shí)間差異不大的情況下，在平均吸氣時(shí)間上區(qū)別較為明顯。

圖1 個(gè)體平均吸呼氣散點(diǎn)圖Fig.1 Individual average inhalation and expiration scatter diagram

再分別將對(duì)照組和COPD組的組內(nèi)平均吸氣時(shí)間、平均呼氣時(shí)間和平均吸/呼時(shí)間比，以及兩組總的平均吸、呼氣時(shí)間和平均吸/呼氣時(shí)間比做柱狀圖(見圖2)。

圖2 平均吸/呼氣時(shí)間、平均吸/呼氣時(shí)間比柱狀圖Fig.2 Histograms of average inspiratory and expiratory time and average inspiratory/expiratory time ratio(gray represents mean value)

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析兩組樣本頻譜總體平均吸、呼氣時(shí)間，對(duì)照組樣本平均吸氣時(shí)間為(1.9±0.5)s，平均呼氣時(shí)間為(1.6±0.6)s，平均吸/呼氣時(shí)間比為1.3±0.5，平均呼吸頻率為(18.5±4.3)次·min-1；COPD組樣本平均吸氣時(shí)間為(1.4±0.4)s，平均呼氣時(shí)間為(1.6±0.8)s，平均吸/呼氣時(shí)間比為0.9±0.4，平均呼吸頻率為(22.0±5.5)次·min-1。

經(jīng)獨(dú)立樣本Mann-Whitney U檢驗(yàn)結(jié)果顯示如表2所示。對(duì)照組與COPD組個(gè)體的吸氣時(shí)間、平均吸呼時(shí)間比值及呼吸頻率有非常顯著的差異，平均呼氣時(shí)間無(wú)顯著差異。

表2 對(duì)照組與COPD組吸呼時(shí)間比較Table 2 Comparison of inhalation and expiration time between the control group and the COPD group

2.3 時(shí)頻譜圖分析

觀察COPD組和對(duì)照組在音頻軟件Audition中的時(shí)間-頻率譜圖，有明顯能量差異表現(xiàn)的樣本個(gè)體典型表現(xiàn)如圖3、4(色帶深淺表示能量)。COPD組呼吸音頻相較對(duì)照組音頻，在大于50 Hz頻段可見能量較高的水平線(圖中a處)，考慮為COPD患者氣道收縮所致干啰音的時(shí)頻譜圖表現(xiàn)；圖中b處為噪音時(shí)頻譜圖表現(xiàn)。

圖3 COPD患者呼吸音時(shí)頻譜圖(COPD組3#、17#、29#)Fig.3 Spectrograms of breath sounds of COPD patients in Group 3#,17#,29#

2.4 非計(jì)權(quán)聲壓級(jí)相關(guān)分析

觀察呼吸音頻的時(shí)間-頻率譜可發(fā)現(xiàn)，部分COPD組在呼氣過(guò)程中有明顯干啰音，且干啰音的基頻范圍普遍在50～200 Hz。分別計(jì)算各呼吸音頻吸氣相和呼氣相在50～200 Hz頻段內(nèi)的非計(jì)權(quán)聲壓級(jí)(單位dB)；為更好地表示差異，將吸氣相50～200 Hz頻段的聲壓級(jí)與呼氣相50～200 Hz的聲壓級(jí)相減，即為兩者能量比。通過(guò)計(jì)算得出，對(duì)照組平均吸氣相50～200 Hz頻段聲壓級(jí)為(53.9±7.9)dB，呼氣相聲壓級(jí)為(53.1±8.2)dB，兩者能量比為(0.7±4.0)dB；COPD組平均吸氣相50～200 Hz頻段聲壓級(jí)為(50.2±8.2)dB，呼氣相聲壓級(jí)為(52.1±8.6)dB，二者能量比為(-1.9±4.7)dB。對(duì)照組和COPD組吸氣相50～200 Hz頻段的非計(jì)權(quán)聲壓級(jí)與呼氣相50～200 Hz頻段的聲壓級(jí)之差，兩者能量比有著顯著的差異(P=0.035)，結(jié)果如表3所示。

表3 對(duì)照組與COPD組呼吸音非計(jì)權(quán)聲壓級(jí)相關(guān)分析Table 3 Correlation analysis of un-weighted sound pressure level of breath sound between control group and COPD group

3 分析及討論

呼吸過(guò)程就是氣體進(jìn)出呼吸道的過(guò)程，當(dāng)氣道發(fā)生病變的時(shí)候，其氣道管腔大小可能會(huì)發(fā)生細(xì)微變化，氣體經(jīng)過(guò)引起振動(dòng)而發(fā)出的呼吸音將會(huì)發(fā)生變化。隨著聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，聲音不僅可以完全記錄，還可以進(jìn)行進(jìn)一步分析。最近Boehme等在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)上通過(guò)對(duì)使用人工機(jī)械通氣的實(shí)驗(yàn)豬胸背部各部位呼吸音的監(jiān)測(cè)和分析來(lái)判斷肺部病變情況，并與胸部電子計(jì)算機(jī)X線斷層掃描(Computed Tomography,CT)影像進(jìn)行對(duì)照比較，獲得良好效果[7]。近年來(lái)在臨床方面也有研究者發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)不同聲音的時(shí)頻分析(time-frequency representation)來(lái)判斷呼吸音及心音的性質(zhì)[8]。Tabata等對(duì)兒童支氣管哮喘患者呼吸音的頻譜曲線進(jìn)行分析來(lái)了解呼吸氣流受阻的程度[9]。Shimoda也發(fā)現(xiàn)呼吸音頻譜分析是一種監(jiān)測(cè)支氣管哮喘患者治療效果的有價(jià)值的手段[10]。Krishen等對(duì)沒有呼吸道癥狀的消防員進(jìn)行呼吸音音頻分析(Breath Sound Frequency Analysis,BSFA)研究，使用電子聽診器記錄下受試者不同部位的呼吸音，結(jié)果發(fā)現(xiàn)BSFA比肺功能檢測(cè)能更早發(fā)現(xiàn)氣道病變[11]。上述研究表明，聲學(xué)具備了現(xiàn)代科學(xué)的各門學(xué)科相互交叉，從而形成邊緣學(xué)科的特點(diǎn)，現(xiàn)代技術(shù)也具備了對(duì)聲波及相關(guān)的聲學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)量和定量研究的技能。

COPD患者存在氣道阻塞，但該病的氣道阻力具有一定的特征，即呼氣相阻力較吸氣相更大，主要因?yàn)槠洳∽儾课恢饕谶h(yuǎn)端或周邊[12]，本研究發(fā)現(xiàn)COPD組呼氣時(shí)間明顯長(zhǎng)于吸氣時(shí)間。氣道阻力增加容易出現(xiàn)呼吸急促，呼吸頻率加快，但是呼吸頻率加快并不具有特征性，許多心肺疾病均可導(dǎo)致呼吸頻率加快[13]。一般情況下呼吸頻率加快可以導(dǎo)致呼氣時(shí)間和吸氣時(shí)間同步縮短，本研究發(fā)現(xiàn)COPD組在呼吸頻率加快時(shí)，僅表現(xiàn)為吸氣時(shí)間縮短，COPD組為(1.4±0.4)s，對(duì)照組為(1.9±0.5)s，P=0.002，而呼氣時(shí)間并沒有相應(yīng)縮短，COPD組為 (1.6±0.8)s， 對(duì) 照 組 為 (1.6±0.6)s，P=0.980，COPD組和對(duì)照組吸呼時(shí)間比具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P=0.002)，理論上這和COPD患者呼氣時(shí)阻力更為顯著有關(guān)，這也可以作為一個(gè)COPD與其他疾病相鑒別要點(diǎn)之一。我們以前也利用普通聽診器通過(guò)患者呼吸音的吸氣和呼氣長(zhǎng)短比例來(lái)探討與COPD等疾病的鑒別診斷等臨床問題，雖然有一定的意義，但是限于條件和設(shè)備，有很大的局限性[13]。

本研究將吸呼氣音頻在Matlab中進(jìn)行變換后得到各個(gè)個(gè)體呼吸音頻的頻譜，從每個(gè)個(gè)體的頻譜圖中可看出差異，即COPD組呼吸音頻相較對(duì)照組音頻，在大于50 Hz頻段有時(shí)可見能量較高的水平線，此水平線與2018年日本學(xué)者Imai等在因哮喘而氣道阻塞的患兒呼吸音聲譜圖中所發(fā)現(xiàn)的異常音譜圖非常相似。Imai等通過(guò)對(duì)比計(jì)算得出此異常頻譜圖中的水平線為氣道阻塞所致的“哮鳴音”頻譜表現(xiàn)(＞250 ms，770 Hz，15.6 dBm)，這種“哮鳴音”普通聽診器不一定能聽到，且治療后患者癥狀緩解，這些異常音譜圖會(huì)完全消失，對(duì)疾病的療效監(jiān)測(cè)有一定意義[14]。另外發(fā)現(xiàn)，本研究中很多COPD組個(gè)體在呼吸過(guò)程中呼吸音變粗糙或伴有哮鳴音，這些異常呼吸音的頻率具有個(gè)體差異，部分個(gè)體異常呼吸音音調(diào)較低，但大部分異常呼吸音集中在50～200 Hz的頻率，因此我們通過(guò)Matlab分別對(duì)每個(gè)個(gè)體的50～200 Hz頻段進(jìn)行聲壓級(jí)的計(jì)算(dB)。為了更好地表示差異，分別采用將吸氣相頻段的聲壓級(jí)與呼氣相聲壓級(jí)做差(即兩者能量比)及加權(quán)的統(tǒng)計(jì)分析形式，得出對(duì)照組與COPD組呼吸音頻在吸氣相與呼氣相50～200 Hz頻段內(nèi)的能量比(dB)有顯著差異(P＜0.05)，而正常人沒有這種差別，與COPD患者氣道阻力增高、氣流受阻，呼氣相阻力明顯大于吸氣相阻力的這種疾病特有的病理生理狀況所致的呼吸音差異相符。

綜上所述，呼吸音頻譜分析和研究是一項(xiàng)新的對(duì)呼吸道疾病有前景的檢測(cè)手段，且具有無(wú)創(chuàng)傷性、無(wú)放射性、無(wú)需受試者配合等特點(diǎn)，非常適合一些老年和危重病患者。COPD患者的疾病特征即為氣流受阻，其呼吸音與正常人存在顯著差異，但是人耳的聽診具有主觀性、不可重復(fù)性且敏感性低，故考慮通過(guò)對(duì)COPD患者呼吸音頻譜的研究，可將患者的呼吸音可視化，標(biāo)準(zhǔn)化。作為公認(rèn)的智能聽診器研發(fā)領(lǐng)域的企業(yè)先驅(qū)，目前美國(guó)3M公司開發(fā)的高端的智能電子聽診器，也僅限于對(duì)復(fù)雜的心臟雜音的智能分析，而對(duì)COPD等肺部疾病的呼吸音的智能分析尚屬空白。本研究可為進(jìn)一步開發(fā)高端智能化電子聽診器提供一定的理論依據(jù)。

4 結(jié)論

本文對(duì)COPD患者呼吸音的聲譜特征與健康對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比分析。發(fā)現(xiàn)COPD患者吸氣時(shí)間縮短，呼吸頻率加快，吸/呼時(shí)間比變小，呼吸音頻在50～200 Hz頻段內(nèi)在吸氣相與呼氣相的能量比有顯著差異。這些指標(biāo)可以為日后進(jìn)行肺功能損害程度的相關(guān)性研究，找出可以判定個(gè)體是否患有COPD的判斷依據(jù)之一，從而輔助指導(dǎo)醫(yī)生的診斷與治療，為開發(fā)高級(jí)的智能聽診器提供一定的理論基礎(chǔ)。