肠鸣音检测仪的临床应用与研究进展

翟祥，任相海，万显荣，江从庆

1.武汉大学中南医院结直肠肛门外科 湖北省卫健委结直肠肛门外科质量控制中心 湖北省肠病医学临床研究中心 肠病省重点实验室，湖北 武汉 430071；2.武汉大学电子信息学院，湖北 武汉 430072

肠鸣音是消化过程中肠道收缩推动液体和气体通过肠道不同部分时产生的声音[1]。肠鸣音听诊是腹部查体的一个重要组成部分，是评价胃肠功能的一种简便有效的手段，但由于肠鸣音具有信号弱、背景噪声强、个体差异大以及随机性强等特点，且无法做到实时监测[2]。临床医生有时难以单纯借助听诊器随机采集肠鸣音进行临床诊断，极大地降低了肠鸣音的临床价值。随着电子科技的发展，诸如心音图机、心音肺音智能检测系统等检测仪器越来越多地应用于临床，肠鸣音检测仪也应运而生。1975年Dalle等[3]率先借助计算机分析肠音，他们根据肠鸣音的持续时间将其分为不同亚型，这成为肠鸣音检测仪开发的雏形。随后，肠鸣音检测仪逐渐与“小波变换”“人工神经网络分析”“归一化香农能量分析”“功率谱分析”以及近年来“计算机学习网络”等信号处理技术相结合，从而实现信号增强、肠鸣音降噪、肠音类型识别和声音特征提取[2，4-6]。目前，肠鸣音检测技术可应用于便秘、肠易激综合征(irritable bowel syndrome，IBS)、肠梗阻及重症病人的胃肠功能监测等诸多方面。本文旨在综述肠鸣音的临床应用及研究进展，探索肠鸣音检测仪的临床应用前景。

一、肠鸣音检测仪概述

肠鸣音检测系统一般由信号采集系统与数据处理系统组成。其中，肠鸣音的采集主要由传声器、信号预处理系统、A/D转换单元、单片机、通信接口及信息接收终端等部分完成(图1)。信号采集系统可以获得包括肠鸣音的频率、响度、频度、肠鸣音持续时间、肠鸣音的能量及两次肠鸣音的时间间隔等在内的多种参数。肠鸣音数据处理系统主要包含降噪和肠鸣音信号分析功能。降噪主要通过滤波器对采集信号进行噪声过滤。滤波器分为低通滤波器和高通滤波器和带通量滤波器，分别去除噪声信号中的高频分量、低频分量、高频分量和低频分量[7]。去除噪音后需要对肠音信号进行分析，常用的分析方法有频谱分析、小波变换法、自适应滤波、人工神经网络、归一化香农能量分布及功率谱分析。依据分析结果，肠鸣音可分为两类： (1)单独或成串的短时间的声音；(2)长时间持续的脉冲声音。典型的肠音频率在50～1 500 Hz之间，最高频率高达5 000 Hz。然而，1500 Hz以上的信号功率相当小，最近的一项研究证实，在1 000 Hz以上的频率上，信号的功率谱密度只有0.5%，功率谱密度最大的部分位于100～500 Hz之间[3，8-9]。

图1 肠鸣音检测仪原理

二、肠鸣音检测仪的临床应用

肠道疾病作为消化系统疾病的重要组成部分，其临床诊断和鉴别诊断有时需借助影像学及内镜检查，然而，影像学在某些疾病的诊断敏感性不高，诊断价值有限；肠镜虽然可直接观察病人肠道情况，但其适应证有限，且作为侵入性的检查方法，有消化道穿孔、肠道出血等并发症发生的风险[10-11]。肠鸣音检测仪是一种无创的检查手段，可实现肠鸣音的长时监测，近年来学者们不断将其用于临床，在肠道疾病的诊断和鉴别诊断中有重要作用。

(一)肠梗阻

依据发病的病理生理机制，肠梗阻分为机械性肠梗阻、动力性肠梗阻及血运性肠梗阻，其中机械性肠梗阻最为常见。机械性肠梗阻早期典型的临床表现为肠鸣音亢进但有时缺乏典型腹部体征，晚期发生绞窄、肠管缺血坏死则表现为肠鸣音的减弱或消失[12]。机械性肠梗阻有时需要手术干预，手术时机的选择对疾病预后有重要影响。肠鸣音的动态监测对肠梗阻类型、严重程度的判断、疾病的进展以及手术指征的评估有重要价值。

Yoshino等[13]对21例机械性肠梗阻病人使用单通道滤过器进行肠鸣音采集。依据最低频率、平均频率及最高频率，将临床听诊难以区分的肠鸣音依据频率范围分为三类肠鸣音信号，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，其中超过900 Hz的高频信号仅在前两种信号类型中可见。监测中发现：全部术后肠梗阻病人均可检测到Ⅰ型肠鸣音，23%的病人可检测到Ⅱ型肠鸣音，而Ⅰ型肠鸣音未出现在肠梗阻病人中。由于肠梗阻的加重可能伴随肠鸣音波幅的扩大和峰值频率的移位，所以肠鸣音特征监测可能为肠梗阻的严重程度评估提供客观的依据。另外，新入院病人中，出现类型Ⅱ及类型Ⅲ的病人，从入院至需要接受手术的平均时间分别为4.3 d及1.2 d。肠鸣音监测还可有助于肠梗阻的鉴别诊断，Dalle等[3]通过对67名年龄在17～88岁的受试者进行肠鸣音的记录并使用可调网格(转换为二值矩阵)的方法进行肠音分析发现，机械性肠梗阻和急性弥漫性腹膜炎肠鸣音的频率有所不同，可有助于两种疾病的鉴别。机械性肠梗阻典型的腹部体征有腹部压痛、反跳痛、腹肌紧张及不对称的腹胀等，腹部体征的加重可辅助判断机械性肠梗阻的严重程度，通过结合病人肠鸣音能更加准确地判断肠梗阻的严重程度及进展，从而帮助临床医生采取相应的医疗决策。

(二)功能性胃肠病

功能性胃肠疾病是一组表现为胃肠道各部分功能紊乱的症候群，可产生包括便秘、腹痛、恶心呕吐、腹泻等胃肠道症状，包括食管功能紊乱、胃十二指肠功能紊乱、肠功能紊乱及直肠肛管功能紊乱等[14]。研究显示，1 200例经过肠镜检查的病人中，有45.6%被诊断为功能性肠病，其中9.1%的病人患有IBS[15]。可见肠道功能性疾病的诊断阳性率不高且需借助侵入性检查方法。肠鸣音检测仪作为一种无创的辅助诊断方法，目前已有利用肠鸣音监测辅助诊断慢性便秘和IBS的案例。

Kim等[16]使用神经网络分析，以便秘病人为研究对象，将肠鸣音检测仪得到的分析结果与结肠传输试验进行对比，其结果显示肠鸣音算法同结肠传输实验之间具有良好的相关性：常规结肠传输试验与肠鸣音算法估计值之间的相关系数和平均误差分别为0.89和10.6 h。此后，该团队[17]对该仪器进行改进，使用去噪性能更强的基于迭代峰度的检测(Iterative kurtosis-based detection，IKD)算法，得到IKD算法的检测率，灵敏度和特异度分别为(115.7±17.3)%，(86.3±6.0)%和(91.0±6.1)%。再次与结肠传输试验进行对比，得到二者相关系数、测量效率与平均误差分别为0.987、0.974和(3.5±3.3) h，使肠鸣音检测仪的可靠性得到了极大提升。2019年Du等[18]通过一项诊断性病例对照研究，探索应用IBS肠鸣音的特征进行疾病诊断的可行性。第一阶段，作者通过构建31例IBS和37名健康人肠鸣音特征的模型并对其进行交叉验证，该模型诊断IBS的敏感度和特异度分别为90%和92%。在第二阶段的研究中作者对15例IBS病人和15名健康受试者进行独立检验，实验结果显示该模型诊断IBS的敏感度和特异度分别为87%和87%。尽管Gary Allwood的研究只是概念验证，尚需进一步的前瞻性实验验证。此外，由于受试者的数量相对较少，病人组间具有轻微的异质性。但现有研究表明肠鸣音监测为肠道功能性疾病的诊断提供了一种新思路，将有可能减少胃肠功能性疾病时有创检查的使用，从而缩短诊断等待时间、减少肠穿孔及出血等并发症。

(三)胃肠功能的评估

胃肠功能恢复情况是判断胃肠道术后及重症病人能否进行肠内营养的重要证据。目前，尚未有有效的客观指标对胃肠道功能进行量化评价。由于早期肠内营养有助于危重病人的恢复[19]，因此，客观评估胃肠道功能恢复有助于肠内营养的早期进行，改善病人预后。

Goto等[20]以5例由于长期脓毒血症被认定为器官功能减退，同时合并肠梗阻的病人为研究对象使用本系统进行监测，并结合病人血液中白细胞介素-6(IL-6)浓度分析病人情况。结果表明胃肠蠕动抑制，诱发IL-6血液浓度的升高。作者认为胃肠蠕动受抑制是由病人严重脓毒血症所致的全身功能恶化所引起。Ulusar等[2]研究腹部大手术后恢复肠内营养的时机在于肠道蠕动功能的恢复，可通过监测肠鸣音以便确认肠道功能恢复情况，伺机尽早给予肠内营养，以减少病人败血症的发病率及住院时间，改善预后；侯峰[21]采用数字化肠鸣音监测系统对胃肠道手术病人研究也得出同样的结论。但也有学者认为腹部手术后病人肠鸣音的出现与排气、排便时间无关。该学者对124例腹部大手术病人采用前瞻性、双盲的研究，从腹部4个象限监测术后病人肠鸣音，任何一个象限出现肠鸣音则为肠鸣音阳性，同时记录病人肛门排气、排便时间。研究发现，腹部手术后肠鸣音的出现与肛门排气、排便无关，肠鸣音预测术后排气、排便时间阳性预测值较低[22]。虽然肠鸣音监测系统对危重及全麻术后病人的胃肠功能监测提供了连续、定量的非侵入性评估方式，指导是否肠内营养有很重要的意义。但是，术后喂养是实时决定的，且不协调的胃肠道运动也可以产生肠鸣音，目前关于肠鸣音的研究未能区分协调、不协调的肠道运动。因此，仅凭肠鸣音的恢复难以精确预测腹部大手术后病人肠道功能的恢复及术后喂养，术后喂养尚需结合病人腹部体征及肛门排气排便情况。

(四)其他疾病

肠鸣音不仅可以用于胃肠道动力疾病的诊疗，同时还可以用于消化系统其他疾病的诊断和辅助治疗。Mamun等[23]以置入人工胰腺的糖尿病病人为研究对象，通过肠鸣音检测仪监测肠道功能及人工胰腺的功能情况。经验证，仪器具有85%的准确性且假阳性率较低，可用于分析肠道功能状态，确定人工胰腺的胰岛素泵入时机从而有助于更大程度上还原胰腺功能。Wen等[24]研究发现肠鸣音还可用于新生儿粪便潜血阳性的病因诊断与鉴别诊断。新生儿粪便潜血阳性主要原因是胃肠道结构异常、坏死性小肠结肠炎及可疑食物过敏，三者肠鸣音间差异有统计学意义。由于新生儿常规检查依从性差，肠鸣音监测在新生儿粪便潜血阳性的病因诊断与鉴别诊断具较大的应用前景。Ozawa等[25]研究表明，患有药物依赖型帕金森病和多发性硬化症者肠鸣音也会降低，提示帕金森病人胃肠道功能受损。

三、肠鸣音检测仪的研究进展

(一)国外肠鸣音检测仪的研究进展

2014年Ulusar等[2]对肠鸣音进行模式分类，作者将干扰声和噪声分为五类，并使用最小统计和谱减法进行噪声抑制。59 h的测试表明：该算法对肠鸣音的识别率达到94.15%，为监测胃肠道运动功能提供了一种有效的数据分析方法。2016年Mamun等[23]应用半导体芯片设计减小了肠鸣音检测仪的体积，与数据库进行比对，最终仪器达到85%的准确性。2018年Du等[26]的数学模型中基于胃肠道的解剖学和生理学对记录的肠鸣音进行分析，作者将肠鸣音分为四类，成功地模拟可变的肠鸣音且与真实声音相吻合。2019年Kölle等[8]提出了一种基于数据驱动的肠鸣音噪声过滤新方法，不仅增强了原始信号中的非线性成分，而且还将其从其余部分中分离出来，并通过矢滤波器组特性确保了特征频率分量的识别。在对混杂肠鸣音的测试中发现，该滤波方式几乎可100%将人工标记的肠音识别出来，提高了肠鸣音识别率。2019年Du等[18]提出一种新的机器学习模型，从26种肠道发音特点计算出的IBS声学指数来鉴别健康人和IBS病人，作者使用用于构建模型的数据集进行的内部验证(交叉验证、k重交叉验证方法和自举)和外部验证(对新参与者进行的独立测试)都表明该模型在诊断IBS上具有很高的准确性。这是首次将肠鸣音检测仪用于IBS的诊断，对IBS的诊断具有较高的准确性。如表1所示。

表1 肠鸣音检测仪的国外研究进展

(二)国内肠鸣音监测仪的研究进展

2017年杨鹏飞等[27]使用带通滤波器进行肠鸣音数据降噪处理，能有效地去除低频噪声，得到更为真实的肠鸣音信号。2019年王国静等[28]基于语音端点监测技术，自主研发设计的腹带式穿戴肠鸣音检测仪，该仪器包括主机和拾音部分，利用自适应滤波和小波阈值去噪等方法有效地监测到了肠鸣音。同年卫子然等[29]研发设计了一款便携穿戴式骨传导肠鸣音检测仪，通过对100名健康志愿者和20例肠梗阻病人肠鸣音的监测证实了该设备能有效、准确地记录受试对象的肠鸣音。这些研究极大地提高了肠鸣音检测仪的便携性，使未来建立一个长期、持续、全程的肠鸣音监测成为可能。学者们不断改善肠鸣音分析方法，机器学习技术不断地应用于肠鸣音分析。2018年Liu等[30]首次提出了一种基于梅尔频率倒谱系数(Mel frequency cepstrum coefficient，MFCC)特征和长期短期记忆(long-short term memory，LSTM)神经网络的肠音监测方法，作者分别记录45名受试者3～6 h的肠鸣音，提取MFCC特征用于构建基于LSTM的神经网络。特异度和准确度均保持在90%以上，在相同的记录环境下具有很好的泛化能力。2016年Yin等[31]将收集到的12名志愿者肠鸣音计算相对频谱起伏和与基准模型的相关性，从而定量评估肠鸣音，但此法存在一定的缺点。作者2018年[32]对肠鸣音监测系统进行了改进，提出一种基于支持向量机(SVM)分类的肠音识别系统，肠鸣音识别上特异度和准确度均在90%以上，灵敏度在85%以上。因上述方法肠鸣音噪声的分割效果较差，2020年Zhao等[33]提出了一种新的神经网络方法，识别真实的医院环境下记录的20名受试者的肠鸣音，经过嘈杂噪声验证该法有较好的通用性，改进了肠鸣音噪声分割识别的性能。如表2所示。

表2 肠鸣音检测仪的国内研究进展

四、不足与展望

肠鸣音检测仪的出现为许多肠道疾病提供了更加简便、无创的辅助诊断方法，长程的肠鸣音监测可实现对疾病变化的动态观察，其临床意义重大。但还有许多问题尚需解决，如肠鸣音检测仪便携式要求同多通道采集强化信号相悖、肠鸣音个体化差异大，标准化模型构建需大样本支持、多种肠鸣音信号分析系统的要求等问题。虽然肠鸣音检测仪现在发展还不成熟，但相信随着分析方法的不断改进以及肠鸣音检测仪数字化的发展，未来肠鸣音检测仪将可能实现准确的肠鸣音信号收集、更小的体积，并可能实现如心电监护一样长程、持续、无创、便携的监测系统，甚至建立特定疾病的肠音数据库，用于胃肠道疾病的精确诊断。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突