呼吸音分析在儿童支气管哮喘中的研究进展

田 娇，徐勇胜

1天津医科大学研究生院，天津 300070

2天津市儿童医院呼吸科，天津 300074

哮喘是一种常见的慢性呼吸道疾病，影响着不同国家1%～18%的人口[1]。我国儿童患病率自1998年以来持续上升，2017至2019年仍呈上升趋势[2]。哮喘的诊断和管理主要依靠症状，而非医务人员很难正确识别喘息症状。肺功能虽能提供重要信息，但往往需要患儿配合，且无法实时监测。呼吸音分析是医疗人工智能时代的产物，通过运用多种分析方法对采集到的呼吸音进行数字化处理和转换，形成特征性的信号参数，建立参数与疾病间的关系。在哮喘患儿中，呼吸音与气道变化之间存在密切关系，通过检测并分析呼吸音可为哮喘的病情进展和控制评估提供可靠的临床信息，本文总结了呼吸音分析在儿童支气管哮喘中的应用进展。

呼吸音概述

呼吸音的产生与分类呼吸音是呼吸时气流通过呼吸道和肺泡产生湍流，引起气体振动，发出的声响通过肺组织和胸壁传至体表的声音，是人体呼吸系统与外界在通气过程中产生的一种生理性声音信号。呼吸音的同义词是肺音，二者本质相同。

呼吸音可分为正常呼吸音与异常呼吸音两大类：正常呼吸音是由呼吸道的气流产生的，其分类及特点见表1；异常呼吸音是附加在正常呼吸音之上的附加音，异常呼吸音的出现通常提示肺部疾病，但也可见于健康人群，其分类和特点见表2。异常呼吸音又分为连续音与非连续音，连续音包括“Wheeze”“Rhonchus”“Stridors”“Squawks”“Gasp”，中文文献对以上词汇统称为喘鸣音，但在声音特点方面有细微差别(表2)；非连续音包括“Fine Crackle”“Coarse Crackle”“Pleural Rub”[3]。正常和异常呼吸音都与气体运动、肺形态改变和气道内分泌物存在直接联系，是诊断肺部疾病的重要线索[4]。

表1 正常呼吸音分类及特点Table 1 Types and characteristics of normal breath sounds

表2 异常呼吸音分类及特点Table 2 Types and characteristics of adventitious sounds

呼吸音的影响因素呼吸音受多种因素的影响，如年龄、性别、呼吸方式等。不同个体呼吸频率、潮气量、肺活量、气体流速等存在差异，由此产生的呼吸音也各不相同。

各年龄段儿童呼吸音频率与强度可能存在差异。有研究表明，在标准化气流条件下，300 Hz以下，婴儿和儿童呼吸音的功率较小；而在300 Hz以上，受试者的频谱斜率与年龄无关[5]。

呼吸方式对正常和异常呼吸音亦有影响。最常见的呼吸方式是自然呼吸(即平静呼吸)，研究中常用于对照的是标准呼吸(即标准的深呼吸)。正常呼吸音在标准呼吸时的强度和频率高于自然呼吸时。也有学者发现，在反映肺部疾病方面，自然呼吸似乎并不比标准呼吸差[6]。

呼吸音的采集设备呼吸音采集设备目前研究较多的是各类型的电子听诊器，或称数字听诊器[7]。基于不同功能研发的远程电子听诊器[8]、智能无线电子听诊器、多功能电子听诊器等，分别具备或同时具备采集声音音频信息，借助智能手机、平板电脑APP实时显示声音波形信息、录音和放音，借助蓝牙、移动硬盘实现声音文件的存储和传输，对信号进行数字化等功能[9- 10]。

呼吸音的分析方式与常用参数呼吸音分析流程见图1：电子听诊器采集的声音样本首先经过声音文件的预处理，通过多个噪音消除算法去掉一些能够消除的噪音；然后进行数据增益，对指定频率段，如哮鸣音的重点观测频段(100～2000 Hz数据)进行增益，加大振幅，让声音数据更好地呈现；呼吸音特征选取与特征提取部分因选取的算法不同各有区别，目前常用快速傅里叶变换(fast Fourier transform，FFT)[11- 12]等算法和函数，对语音进行时域和频域分析，从而获得该声音的声学特征，对这些特征进行深度计算即可获得呼吸音参数[13]。

图1 呼吸音分析流程图Fig 1 Flow chart of breath sound analysis

基于FFT所得呼吸音参数如图2所示：呼吸音文件经初步处理后，以纵轴表示频率，横轴表示时间；由于信号在时域上的特性可以对比不同信号的差异，但很难看出信号本身的特性，所以通常需要将其转换为频域上的能量分布来分析，不同的能量分布代表不同的语音特性，转换后横轴表示频率(单位为Hz)，纵轴表示功率(单位为dBm)，采用五点移动平均法进行平滑以确定合适的dBm值；使用自定义软件程序自动计算数据即可获得呼吸音参数(图2)[14- 20]。

图2 呼吸音分析常用参数Fig 2 Common parameters for breath sound analysis

此外，还有其他指标用于呼吸音分析，如：ic700是指吸气呼吸音频率为700 Hz时的声音强度[21- 22]；低频呼气/吸气肺声功率比(expiration-to-inspiration lung sound power ratio at low frequencies，E/I LF)和中频呼气/吸气肺声功率比(expiration-to-inspiration lung sound power ratio at mid frequencies，E/I MF)分别指呼吸音在100～200 Hz的低频范围和200～400 Hz的中频范围内呼气/吸气的肺声功率比[23- 25]。上述指标经常用来阐述呼吸音与肺部病变的关系。

呼吸音参数与哮喘病理生理变化

气流受阻是支气管哮喘病理生理改变的核心，慢性气道炎症、气道高反应和气道重构均是造成患儿气道受阻的原因。

慢性气道炎症一方面影响呼吸流速，另一方面气道炎性损伤可使管壁变硬、管径变小，二者均可影响呼吸音参数[26]。Habukawa 等[27]研究发现，肺音参数变化可以反映支气管壁增厚和周围气道变窄，且100～400 Hz频率范围内的呼吸音还可以反映气道狭窄的程度；呼气相中频段(200～400 Hz)的声功率比也与气道高反应性相关[28]。气道管径方面，有研究表明，呼吸阻力与气道管径呈负相关[29]，哮喘患者出现喘息不只受气道管径的影响，还与气道壁的厚度、弯曲刚度和纵向张力有关[30]。气道硬度增加可以提高声音的传输速度[31]。

气道高反应所致气流受限呈可逆性，呼吸音参数可辅助评估气道痉挛。Tabata等[20]研究表明，呼吸音参数，尤其是A3/AT和RPF50可用于评估支气管痉挛，这些指标受呼吸气流、肺活量、年龄或体质量的影响较小，具有较高敏感度。Nukaga等[16]研究显示，呼吸音参数与支气管扩张试验结果具有相关性。也有学者研究了支气管激发试验前后呼吸音参数的变化，结果提示A3/AT、B4/AT、RPF75和RPF50等指标有助于评估哮喘患者的气道高反应[15]。以上研究表明，呼吸音参数特征可反映气流受限和气道结构的改变，为哮喘的管理与控制提供可靠的临床信息。

呼吸音分析在儿童哮喘中的应用

早期诊断婴幼儿喘息的早期发现临床意义较大，但由于哮喘早期症状常不典型，很难第一时间识别。呼气音分析被认为是有效的早期诊断方法。Enseki 等[19]研究了59例婴幼儿哮喘患儿的呼吸音参数，结果显示A3/AT和RPF50可早期反映气道痉挛，提示呼吸音分析在婴幼儿气道监测管理方面具有使用价值。

具有哮喘危险因素的患儿可能已存在气道潜在改变，早期发现、早期干预对预防哮喘的发生意义重大，呼吸音分析可提供部分有用信息，Shioya等[18]研究发现，过敏患儿的RPF75和RPF50均高于无过敏患儿；特应性皮炎患儿RPF75、RPF50、F99值均高于非特应性皮炎患儿；有呼吸道合胞病毒(respiratory syncytial virus，RSV)感染史婴儿的F99值明显高于无RSV感染史的婴儿；有呼吸道感染住院史的婴儿A3/AT值较低，以上结果提示存在小气道狭窄的可能性，表明具有哮喘发展危险因素的婴儿，即使是在健康状态下，通过呼吸音分析也可显示出潜在的气道变化，可为临床提供重要信息，因此，呼吸音分析有助于早期发现有哮喘发生危险因素的患儿。

严重度评估在哮喘严重度评估方面，常被提及的是ic700，其是吸气呼吸音频率为700 Hz时计算出的呼吸音指数，可辅助评估哮喘的严重程度和控制情况。Habukawa等[21]采用ic700评估无症状哮喘儿童的气流受限情况，结果显示ic700与哮喘严重程度有关，且ic700不受个体差异的影响。有研究采用ic700评估哮喘儿童吸入皮质类固醇(inhaled corticosteriods，ICS)的治疗效果，结果表明，ic700在评估ICS治疗效果和预测2周内哮喘发作方面具有实用价值[22]。因此，ic700可评估哮喘患儿气道功能状态，与前述呼吸音参数一样，可单独分析呼吸音而不需要测量身高、体质量和气流大小来进行无创性评估，也不需要使用吹气或鼻夹等辅助手段，提供了一种简易无创地监测儿童哮喘控制的新策略。

疗效监测哮喘患儿的规范化管理对预后至关重要，监测治疗效果是哮喘管理的重要一环。ic700也可用于评价治疗效果，研究显示，E/I LF和E/I MF值也是反映气道阻塞和炎症变化较有效的指标，可用于监测支气管哮喘患者的治疗反应[23- 24，28]。有研究报道，咳嗽变异性哮喘(cough variant asthma，CVA)患儿在吸入β2激动剂后喘息音消失，呼吸音参数也相应发生变化，提示呼吸音分析在儿童CVA治疗中同样有应用价值[14，32]。

多项研究表明，呼吸音参数的变化与气道改变显著相关。呼吸音分析可能成为一种新的气道和肺功能检测方法，用于检测儿童气道的可逆性和高反应。更重要的是，A3/AT、Β4/AT、RPF50、RPF75等呼吸音指数受气流速率的影响较小，平静呼吸过程中即可评价呼吸音的变化，为各年龄段儿童哮喘的气道功能评估提供了便利。以上研究证明，呼吸音分析可用于支气管哮喘患儿气道炎症、气道高反应性、气道结构等各方面的评估，多项呼吸音参数与哮喘等疾病之间能建立紧密联系，呼吸音分析在哮喘患儿中的应用具有可行性。

展 望

呼吸音分析是一个新兴领域，在消除环境噪音与避免心音信号干扰方面，还有更多的探索空间[17]。学者们对呼吸音分析的多种应用前景持乐观态度，数字化的呼吸音允许存储云端，便于大量呼吸音数据通过电子传输和播放[33]。未来需要进一步的研究提高呼吸音检测的灵敏度，以便为疾病诊断和监测提供依据。目前，自动检测异常呼吸音、附加音以及呼吸音方面的技术手段日臻成熟，辅以日益强大的计算能力和大数据云平台的广泛使用，自动检测、分析呼吸音的便携设备很快就会为临床医生和消费者所采用。