哮喘急性发作时呼吸音的分析研究

陈 菲 王 真

(首都医科大学附属北京世纪坛医院急诊科，北京100038)

支气管哮喘是一种慢性的气道炎性反应疾病，这种慢性炎性反应导致气道高反应性和广泛多变的可逆性气流受限，临床以发作性的喘息、胸闷、咳嗽为特征［1］。哮喘急性发作期由于存在支气管痉挛导致的气流阻滞，可在呼气相听到明显的哮鸣音，因此，呼吸音为哮喘的诊断提供了重要的临床信息，但这种由于气流阻滞产生的呼吸音并没有得到详细和严格的分析。声学的研究［2］表明，比起通常应用的听诊器听诊法，很多有临床意义的信息可以通过对呼吸音的研究而得到。

本研究通过利用计算机处理的呼吸音分析技术，分析在正常个体和哮喘患者之间、在急性发作和临床症状改善之后的呼吸音模式的变化，目的在于更深入地了解哮喘的发病机制和临床表现，以及将呼吸音分析技术更广泛地应用于临床。

1 对象与方法

1.1 研究对象

本研究中的22例患者均为以呼吸困难为主诉就诊于首都医科大学附属北京世纪坛医院急诊科、并诊断为支气管哮喘。为保证研究结果的准确性，本研究除外了合并有肺气肿、存在血流动力学不稳定、有肋骨或脊柱畸形、或不能自行坐位的患者。22例患者来院后均给予了支气管扩张剂和激素的治疗，其中有14例患者经治疗缓解后加入本研究。15例无已知的心肺疾病并且胸部X光片检查正常(根据放射科正式报告)的健康志愿者组成了对照组，其平均年龄为(43±11)岁。

1.2 步骤和方法

呼吸音是通过一个振动响应成像装置(Deep Breeze公司，Or-Akiva，以色列)获得的。这是一种非侵入性的以声学为基本原理的动态成像技术，可显示整个呼吸周期呼吸音的振动能量的分布［3］。其方法是用36个由计算机控制的真空吸附感受器(平均分2组，每侧肺为1组)附着于被研究者的背部，通过这些感受器感受并记录传导过来的呼吸音的振动能量。研究对象被要求在20 s的记录时间内做深呼吸，从而形成一个随时间变化的动态的呼吸音振动能量的影像和曲线图。

在振动传递所形成的曲线图中，每侧肺的振动能量的分贝随时间的推移被连续地标示出来。以时间为x轴、分贝为y轴，对此图形进行描述性分析和统计学分析。

图1 呼吸音影像和曲线图Fig.1 Representative vibration energy image and breath energy graphs

1.3 统计学分析

采用SPSS15.0统计学软件进行数据分析，服从正态分布的计量数据以均数±标准差(±s)表示，多组间比较使用单因素方差分析法和LSD法，不服从正态分布的计量数据以中位数(P25，P75)表示，使用配对或非配对秩和检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

22例入选患者的临床特征详见表1。

呼吸音的动态影像图(呼吸音图):1例健康对象的呼吸音图(图1A)，首先从图像上可以看到其最大的振动能量峰(vibration energy peaks，VEPs)发生在吸气期，并呈现出能量均匀分布所形成的光滑匀称的曲线。而且左右肺呼气和吸气VEPs的达峰时间基本同步，在时间轴上呈现出吸气和呼气峰重叠的曲线。1例哮喘急性发作患者的呼吸音图(图1B)，可看出明显不同于健康个体。首先，其最大的VEPs不是发生在吸气期，而是发生在呼气期。其次，哮喘患者左右肺的呼气和吸气VEPs的达峰时间均不同步，呈现出明显的双峰曲线。

表1 患者的特征Tab.1 Patient characteristics n=22

对左右肺达到VEPs时间的数据分析显示，健康对照组与哮喘发作组之间差异有统计学意义。在对照组，两肺吸气时的VEPs基本上是同时发生的，其VEPs时间间隔为(0.004±0.014)s。呼气时的VEPs同样也是同步发生的，左右肺的VEPs时间间隔为(0.006±0.012)s。而在发作期的哮喘患者，左右肺之间的VEPs间隔却明显增宽(P＜0.05)，吸气时的VEPs间隔为(0.03±0.04)s，呼气时的 VEPs间隔为(0.14±0.09)s，详见表2。经治疗临床症状改善后出院的患者(14例)，其左右肺呼气时的VEPs间隔从发作时的(0.15±0.07)s减少至(0.04±0.04)s，差异有统计学意义发作时的(P＜0.01)，详见表3。

呼气峰流量(peak expiratory flowrate，PEF)与哮喘患者呼吸的不同步的关系:本研究将左右肺不同步的程度按呼气时VEPs的时间间隔分别定义为:轻度(＜0.075 s)、中度(0.075 s至0.175 s之间)以及重度(＞0.175 s)。由此将哮喘患者分为3组:轻度不同步(7例)、中度不同步(8例)以及重度不同步(7例)。在重度不同步组，其平均PEF为(215±81)L/min，显著低于轻度不同步组的平均PEF值(318±82)L/min，差异有统计学意义(P＜0.05)，详见图2。

表2 健康志愿者和哮喘患者左右肺呼吸的同步/不同步性Tab.2 Left and right lung synchrony/asynchrony during inspiration and expiration in healthy volunteers and asthma patients during acute exacerbation M(P25，P75)

表3 哮喘患者在发作和缓解期左右肺呼吸的不同步性Tab.3 Left and right lung asynchrony during inspiration and expiration in asthma patients during acute exacerbation and after clinical improvement M(P25，P75)

图2 哮喘患者呼气时左右肺不同步性与呼吸峰流量的关系Fig.2 Left and right lung asynchrony during expiration versus peak expiratory flowrate in asthma patients

3 讨论

哮喘时，气道病变产生的影响并不是均一的。哮喘患者的第1 s用力呼气量(forced expiratory volume，FEV)和呼气峰流速(peak expiratory flow，PEF)下降，但这并非由于支气管树平滑肌均匀一致程度的痉挛所致。实际上，哮喘在病理学上涉及一系列的不同程度的气道狭窄，包括一些气道的完全梗阻。应用形态测量学数学模型，可以阐明哮喘患者的气道高反应性是由于气道梗阻的不均匀性所致［4］。PEF可用来监测气流受限性疾病发作时的气流阻力并且与疾病的严重程度相关［5-7］。

由于动态的呼吸音二维图像可以记录及显示左右肺的呼吸音能量，因此，本课题组开展并运用了这种二维图像成像法对哮喘患者进行了分析研究。本研究显示，正常个体的呼吸音模式中，其吸气振动的音域窄而尖锐，左右肺基本同步。而哮喘患者的呼吸音模式与正常个体有很大差异。第一，哮喘发作时呼吸音的最大VEPs发生在呼气期而不是吸气期，这提示与哮喘的气流受限有关，反映了哮喘患者气道阻力增加的特点，即在哮喘发作期，呼气时气道受阻的程度明显大于吸气时气道受阻的程度。第二，哮喘时左右肺VEPs出现的时间点不同，存在着时间间隔，尤其是呼气时的VEPs间隔更明显，即存在不同步，反映了哮喘患者左右肺病生理变化的不同步性，这可能是由于左右肺不同肺段的支气管分支由于气体阻滞程度不同而致气流不均匀的表现。第三，治疗后缓解的哮喘患者的呼吸音模式可以转化为类似正常个体的模式，并且差异有统计学意义，这一点也恰恰为哮喘患者左右肺呼吸音的不同步性提供了证据。

对阻塞性气道疾病的研究一直在积极进行，如对病灶处的气流阻滞、结构不均匀以及气流不同步性的阐述等。Tgavalekos等［8］使用正电子发射断层扫描将断层重组成三维模型，以此来进行不均匀性的分析。Holmes等［9］描述了在吸入He-30气体的同时进行磁共振快速连续的扫描，以此来记录及判断气体阻滞和通气不足的程度。Tanaka等［10］运用动态平面检测技术获得一系列胸部X光片，通过对像素的密度变化进行数学分析来阐明通气分布的差异。虽然上述的这些研究都有其各自的特点，但共同点在于都能记录肺与肺之间的不均匀性，并且可以继续追踪和记录其随时间发生的变化。

总之，在本研究中，运用呼吸音成像分析技术测量了哮喘急性发作时的气流阻滞的振动能量，分析了哮喘发作时的气流特点，阐明了哮喘发作时左右肺VEPs的不同步性。这种非侵入性的无创技术的应用能够增进我们对气流阻滞的生理机制的理解，并对气流阻滞性疾病的诊断和治疗提供帮助。

［1］王吉耀.内科学［M］.北京:人民卫生出版社，2005:49-60.

［2］Pasterkamp H，Kraman S S，Wodicka G R.Respiratory Sounds.Advances beyond the stethoscope［J］.Am J Respir Crit Care Med，1997，156(3 pt 1):974-987.

［3］Dellinger R P，Jean S，Cinel I，et al.Regional distribution of acoustic-based lung vibration as a function of mechanical ventilation mode［J］.Crit Care，2007，11(1):R26.

［4］Hansen E F，Vestbo J，Phanareth K，et al.Peak flow as predictor of overall mortality in asthma and chronic obstructive pulmonary disease［J］.Am J Respir Crit Care Med，2001，163(3 Pt1):690-693.

［5］Rowe B H，Bota G W，Clark S，et al.Comparison of Canadian versus American emergency department visits for acute asthma［J］.Can Respir J，2007，14(6):331-337.

［6］Gillis H L，Lutchen K R.Airway remodeling in asthma amplifies heterogeneities in smooth muscle shortening causing hyperresponsiveness［J］.J Appl Physiol，1999，86(6):2001-2012.

［7］张恩花，潘娜，彭晶晶，等.评价Astograph乙酰甲胆碱激发试验对支气管哮喘的诊断价值［J］.首都医科大学学报，2010，31(5):531-535.

［8］Tgavalekos N T，Tawhai M，Harris R S，et al.Identifying airways responsible for heterogeneous ventilation and mechanical dysfunction in asthma:an image functional modeling approach［J］.J Appl Physiol，2005，99(6):2388-2397.

［9］Holmes J H，Korosec F R，Du J，et al.Imaging of lung ventilation and respiratory dynamics in a single ventilation cycle using hyperpolarized He-3 MRI［J］.J Magn Reson Imaging，2007，26(3):630-636.

［10］Tanaka R，Sanada S，Okazaki N，et al.Evaluation of pulmonary function using breathing chest radiography with a dynamic flat panel detector:primary results in pulmonary diseases［J］.Invest Radiol，2006，41(10):735-745.