腸鳴音的建模與模擬研究

1、    腸鳴音的建模與模擬研究        本文對腸道運動進行分析，從結(jié)構(gòu)上研究腸鳴音的產(chǎn)生機理和腸鳴音的時域、頻域特點，從而得到其物理模型，并用等效電路來模擬腸鳴音的產(chǎn)生，為研究腸鳴音的數(shù)學(xué)模型，以及臨床醫(yī)學(xué)研究提供了方便。關(guān)鍵詞:腸鳴音；物理模型；腸梗阻分類號:R318.04 0前言腸鳴音是反映人體小腸運動的生理狀態(tài)的一項指標，在正常狀態(tài)下和病理狀態(tài)下，會形成不同特征的腸鳴音1。由于人們對腸鳴音尚未深入了解，腸鳴音診斷只是作為一個輔助診斷手段而不能受到臨床的重視。為對腸

2、鳴音產(chǎn)生機理以及腸鳴音測試診斷進行深入研究，我們在對腸鳴音信號進行分析的基礎(chǔ)上，建立它的物理模型，并用模擬的方法將腸鳴音信號再現(xiàn)，以證明該模型，為臨床診斷提供參考。1腸鳴音產(chǎn)生的生理過程及臨床特征小腸在消化過程中要不斷地將食物與腸內(nèi)消化液充分拌和，形成食糜以使小腸壁粘膜從中吸收營養(yǎng)成分。在食糜之間、食糜與腸壁之間的碰撞接觸過程中，由于腸中夾雜著空氣，而這些空氣與腸內(nèi)食糜一起與腸壁發(fā)生撞擊、摩擦，從而產(chǎn)生腸鳴音2。臨床聽診中的正常腸鳴音音調(diào)低，音色清晰。從時域波形上看較有節(jié)律，波形圓滑，諧波成分少；頻域分析結(jié)果頻譜范圍在160260Hz之間有唯一的譜峰，沒有350Hz以上的有效頻率成分。腸梗阻病

3、人的腸鳴音波形畸變較多，不規(guī)則，音調(diào)較高，譜峰大多在270Hz以上，有的甚至在500Hz以上，臨床稱為金屬樣音3。腸麻痹病人由于沒有腸道運動，就沒有腸鳴音。2腸鳴音產(chǎn)生的模型分析在一般情況下腸內(nèi)壓很小，腸管不擴張，這時腸鳴音主要是腸內(nèi)液體與腸壁的摩擦聲，聲音小而且頻率很低，體外難以測量到這種聲音。在蠕動過程中，小腸產(chǎn)生分節(jié)運動，分節(jié)內(nèi)的腸內(nèi)壓增大，小腸壁擴張，此時腸壁張力變大，厚度變薄，產(chǎn)生有液氣腔，因此食糜在分節(jié)口噴射產(chǎn)生腸鳴音，產(chǎn)生的過程如1所示。由于腸鳴音是在腸內(nèi)容物向下一腸節(jié)蠕動造成的，類似一個噴口，我們用一個赫姆霍茲共鳴器來模擬小腸的分節(jié)。2為赫姆霍茲共鳴器。1小腸的分節(jié)a 實際模型

4、b 理想模型2赫姆霍茲共鳴器中L為管口長度，S為管口截面積，V為共鳴器的容積，M為管口氣柱質(zhì)量，C為管口體彈性系數(shù)的倒數(shù)，R為氣體振動時受到管壁的摩擦阻力。對于人體而言，l為腸分節(jié)的長度；S為腸管節(jié)口的面積；V為一個腸分節(jié)的容積；為腸內(nèi)氣體密度；2為腸內(nèi)粘液密度；C反映了腸壁張緊的程度，R決定于腸粘膜分泌狀況。以上參數(shù)的具體數(shù)據(jù)由于每個人的身高、體重、年齡，差異很大，而體積參數(shù)只是對于共鳴音的中心頻率有一定影響，在建模與模擬過程中我們以一組觀察值來說明，數(shù)值為：腸分節(jié)的長度為5cm，腸管節(jié)口的面積4.9cm，腸分節(jié)的容積14.7cm，腸內(nèi)氣體密度約為0.12×10kg/m，腸內(nèi)粘液密

5、度約為1.03kg/m。共鳴器參數(shù)的計算公式為4：M=ls管口振動特征方程為：由方程解得氣柱運動形式為：X=Xe-tcos('t-)固有頻率為：其中為衰減系數(shù)：越小，曲線衰減越慢，V越大，頻率就越低。3腸鳴音波形的模擬由阻抗模擬產(chǎn)生的腸鳴音模擬電路如3所示。按照類比計算，中選擇C為23F，L為3H，R為820。其模擬結(jié)果如4。在實際測量過程中，得到的腸鳴音波形并不是簡單地重復(fù)上述幾種波形，而是更加復(fù)雜的波形，比如節(jié)拍波，就是由兩處腸分節(jié)分別在不同時刻產(chǎn)生腸鳴音的疊加，從而形成差拍。如5所示，就是由二個腸鳴音的差拍振蕩形成。在假設(shè)兩個腸鳴音源振動相同時，可以用6所示電路模擬差拍振蕩的波形

6、。3腸鳴音模擬電路4模擬腸鳴音5節(jié)拍波6節(jié)拍波模擬電路4腸梗阻腸鳴音的模型分析腸梗阻發(fā)生的初期，梗阻部位以上的腔管加強蠕動，甚至出現(xiàn)腸痙攣。由于腸內(nèi)明顯的積氣和積液，使腸管進一步擴張。梗阻越完全，時間越長，腸管內(nèi)的積氣與積液就越多，腸管膨脹也就越大。于是，腸壁受壓力變大，厚度變薄，張力變大。這時，2所示的腸鳴音模型參數(shù)發(fā)生變化，其中腸管彈性系數(shù)變大，C值降低；腸壁變薄，則摩擦阻力降低，R值減小。因而產(chǎn)生的腸鳴音頻率較高，而且隨梗阻程度而變化。模擬這些波形可以通過改變相應(yīng)的模型參數(shù)，用模擬電路來產(chǎn)生。綜上所述，由臨床測得的腸鳴音波形與模型分析所得到的波形對比，我們認為可以證明2是腸鳴音產(chǎn)生的主要

7、模式，用等效電路來簡化模擬腸鳴音的產(chǎn)生，為研究腸鳴音的數(shù)學(xué)模型，對腸鳴音進行分析打下了基礎(chǔ)。5參考文獻RESEARCH ON MODELLING AND SIMULATING OF INTESTINAL SOUNDHu Yong, Wang Mingshi(Tianjin University, Tianjin 300072)ABSTRACTThe movement of intestines was analysed in order to study the production of intestinal sound and its characteristics of the time domain and frequency domain, A physical model was established, and the intestinal sound was simulated by the equivalent circuits. It provided a good method to study the mathematical model of intestinal sou