鼾聲分析技術在OSAHS患者診療中的應用價值

劉朝兵 范志濤 劉勇 陳建芳 張曉嵐 喬振花 石艷紅

阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征(obstructive sleep apnea hypopnea syndrome,OSAHS)是一種常見的睡眠障礙疾病,具有較高的患病率[1],同時因其可導致心血管系統等多系統多器官功能損害[2],引起大家的廣泛關注。治療方法的選擇很大程度上取決于患者的病因以及阻塞部位,而手術作為OSAHS常用且重要的治療手段之一,需準確評估可能存在的氣道阻塞部位,進而在制定手術方案、保證手術療效方面具有重要意義[3,4]。目前,對于OSAHS患者上氣道阻塞部位的常用評估方法包括:咽喉部內鏡、影像學檢查,以及上氣道測壓和藥物誘導睡眠內鏡檢查。其中,咽喉內鏡、影像學檢查多在清醒狀態下進行,難以反映真實睡眠狀態下的氣道阻塞情況。上氣道測壓雖然能較為準確地動態測定整夜睡眠中的阻塞部位,但該法具有一定的侵入性,增加患者不適感,并且由于價格昂貴,尚未在臨床普及應用[5]。近年來,在國內外逐漸開展的藥物誘導睡眠內鏡檢查,雖然能夠直觀觀察患者睡眠狀態下上氣道存在的阻塞情況[6]。但其檢查結果的描述具有一定主觀性,尚缺乏統一標準。鼾聲是OSAHS患者最早出現和最為突出的癥狀之一,鼾聲分析是通過借助聲學研究方法對患者的鼾聲進行采集,并對其聲學特性進行分析的一項新興研究技術。它通過對OSAHS患者不同部位阻塞后鼾聲的不同頻域特性以確定鼾聲主要的解剖起源,包括初步對軟腭以上和以下的阻塞位置進行區分[7]。本研究通過分析不同阻塞部位的鼾聲聲學特征,以探討鼾聲分析技術在OSAHS患者上氣道阻塞平面定位中的應用價值,以期為OSAHS患者手術方案的制定提供一定的幫助。

1 資料與方法

1.1 一般資料 隨機選取疑似OSAHS且2018年4月至2020年4月就診于我院行多導睡眠監測的患者,同步進行鼾聲錄制。根據中華醫學會耳鼻咽喉頭頸外科學分會2009年制定的《阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征診斷和外科治療指南》[8],符合診斷為OSAHS的患者204例納入研究對象,男187例,女17例;年齡13～74歲,平均年齡(43.8±7.1)歲;BMI(28.99±4.28)kg/m2,多導睡眠監測結果:輕度73例,中度35例,重度96例;平均睡眠呼吸暫停低通氣指數(AHI)59.0±21.9。所有患者同時經電子喉鏡下Muller試驗對其阻塞部位進行評估:包括軟腭后區、舌根后區。同時除外腺樣體肥大及吸氣相明顯會厭軟骨塌陷等情況。

1.2 方法

1.2.1 錄音:在我院多導睡眠監測室進行多導睡眠監測時,同期進行聲音錄制,將飛利浦錄音設備(型號VTR8800),放置于距離患者口鼻處約30 cm的床頭位置,同時保證一定錄音靈敏性,但不會對患者的正常睡眠產生影響。設置參數為自動錄音當日23∶00至次日06∶00,錄音設置為一般性能,使用內置ADC采集數據,錄音格式為WAV,采樣頻率16 000 Hz,精度為16Bit,第2天將上述數據傳入電腦備份保存。

1.2.2 鼾聲分析:由信息科專人進行聲音信息分析,通過電腦上的錄音軟件(Adobe Audition 3.0)處理聲音文件,取分布于不同時間段的呼吸暫停后的第1次鼾聲10次作為樣本,并每次取樣的鼾聲均通過傾聽鼾聲錄音加以確認。在Matlab R2012a編程環境下,采用Welch算法,Welch算法中加Hamming窗,窗長為1 024,段重疊為512,FFT長度為1024,編寫專用軟件,對采集的鼾聲信號進行功率譜估計,分析不同阻塞部位鼾聲信號的功率譜估計特性,計算各鼾聲樣本的峰頻率(具有最大功率的頻率,peak frequency,fpeak),中心頻率(為功率譜圖上某一點頻率,在該點兩側曲線下的面積相等,central frequency,fcea)及<800 Hz(低頻段)、800～2 000 Hz(中頻段)、>2 000 Hz(高頻段)的能量構成比(某頻率段內的累積功率占總累積功率的百分比。低、中、高頻段能量構成比分別以Pl、Pm、Ph表示),并繪制功率譜圖(單位時間聲音的能量分布隨頻率變化的曲線)[9]。

1.3 建立數據量表 建立數據量表,鼾聲分析數據資料(1)由臨床醫師填寫,包含信息:時間、姓名、性別、年齡、BMI、Fridemn評分、Muller實驗(經電子喉鏡Muller實驗判斷的阻塞部位)、AHI。鼾聲分析數據資料(2)由信息科專人填寫,包含信息:姓名、阻塞層面、峰頻率、中心頻率、低頻率、中頻段占比、高頻段占比。

2 結果

2.1 軟腭、舌根阻塞鼾聲各聲學指標測量值 通過鼾聲分析對位于軟腭及舌根阻塞平面的鼾聲各聲學指標進行測量:位于舌根部阻塞平面的患者鼾聲的峰頻率(fpeak)和中心頻率(fce)顯著高于軟腭部位阻塞(P<0.05),同樣位于舌根部阻塞平面的中頻段能量(Pm)和高頻段能量(Ph)占總累積功率的百分比也顯著高于軟腭部阻塞的鼾聲(P<0.05),而低頻段能量(Pl)的趨勢與上述相反,舌根處明顯低于軟腭部阻塞部位(P<0.05)。見表1。

表1 軟腭、舌根阻塞鼾聲各聲學指標測量值

2.2 軟腭阻塞鼾聲典型的功率譜 通過上述部分頻率的鼾聲分布特點繪制了位于軟腭阻塞平面的功率譜圖,軟腭部阻塞鼾聲主要特點為能量主要集中在低頻段區域(0～800 Hz),而較少分布于中頻段(800～2 000 Hz),基本未見高頻段(>2 000 Hz)所分布,而峰頻率同樣多位于低頻段。見圖1。

圖1 軟腭部阻塞鼾聲典型的功率譜

2.3 舌根阻塞鼾聲典型的功率譜 再次繪制位于舌根阻塞平面的功率譜圖;舌根部阻塞鼾聲主要特點為中、高頻段能量所占比例較高,低頻段所占比例較少,能量分布較為廣泛,低頻段到高頻段均有分布。見圖2。

圖2 舌根部阻塞鼾聲典型的功率譜

3 討論

OSAHS是指睡眠時上氣道部分或者完全塌陷所引起的呼吸暫停和低通氣,可表現為睡眠打鼾、白天嗜睡、注意力不集中等癥狀,并可導致心血管等多系統功能損害[2]。由于導致OSAHS的相關因素諸多,如遺傳、年齡、肥胖、解剖結構異常等,上氣道任何一處阻塞都可引起或者導致OSAHS嚴重程度加劇。因此,需根據相應的手術指征,針對不同阻塞部位制定不同的手術方案,是提高療效的關鍵,如阻塞部位位于軟腭游離緣以上時,多采用懸雍垂腭咽成型等手術方式解除腭后區狹窄,當阻塞位于軟腭游離緣以下時,則多需采用擴大舌后區的方法,如舌骨懸吊、下頜骨前徙等手術[10]。

鼾聲是由軟腭、咽側壁、以及舌體或者舌根部等咽腔組織振動所產生,當氣流通過上述組織結構中呼吸受限,繼而作為振動發生的前提條件[11]。其聲學特性可通過時域和頻域特性進行描述,兩者分別反映了某一時間段或者某一時間點聲音強度隨時間和頻率發生變化的規律[7]。早期研究發現:以800 Hz作為分界值的鼾聲功率比可對單純打鼾和OSAHS患者進行有效區分[4]。單純打鼾的鼾聲峰值聲強多聚集于100～300 Hz,而當鼾聲峰值聲強高于1 000 Hz時,多考慮可能是由OSAHS患者所產生[12],此外,共振峰頻率分布上兩者同樣具有較為顯著的差異[13]。美國SNAP實驗室對不同鼾聲頻率做出如下細分:將頻率<180 Hz的鼾聲作為軟腭起源,并通過計算該類型鼾聲在所有鼾聲中所占比例來以進一步確定鼾聲具體來源[14]。國內也有研究發現,單純打鼾的鼾聲有明顯的基頻,主要分布在100 Hz段以下,而OSAHS的則無規律[15]。不同的打鼾部位(軟腭打鼾或舌根打鼾)對鼾聲的特性也有較大影響[16]。OSAHS患者鼾聲的頻域特性,發現軟腭游離緣上、下阻塞產生的鼾聲存在明顯差異[17]。本研究發現:軟腭阻塞打鼾和舌根阻塞打鼾鼾聲的頻域特性不同,舌根阻塞鼾聲的峰頻率、中心頻率和中、高頻段能量構成比明顯高于軟腭阻塞的鼾聲,而低頻段能量構成比明顯低于上部阻塞鼾聲。

此外,由于鼾聲是睡眠時產生的聲音,沒有標準的數字模型,只能借助語音信號的功率譜估計方法。在語音處理領域Welch法是最常用的功率譜估計方法,本團隊在針對鼾聲信號采用Welch法、多窗譜法、基于AR模型的自相關法和Burg法進行功率譜估計,發現Welch法對鼾聲信號的功率譜估計性能最好,因此Welch算法同樣適用于鼾聲信號處理領域的功率譜估計[18]。

鼾聲頻域特性雖有一定規律,但是鼾聲的產生機理非常復雜,影響因素多,人與人之間不同,每個人在不同時間段、不同體位、不同身體狀況下鼾聲也是不同的,鼾聲樣本的采集對結果有一定影響,鼾聲分析在OSAHS的阻塞部位的判斷還有一定局限性,有待進一步探討。

綜上所述,軟腭和舌根阻塞部位所致的鼾聲具有不同的頻域特性,舌根部位鼾聲的峰頻率、中心頻率和中、高頻段能量構成比明顯高于軟腭,而低頻段能量構成比明顯低于軟腭。采用鼾聲分析技術能夠對OSAHS患者的阻塞部位進行初步判斷,可作為綜合評估中的重要應用技術之一,進而為制定診療決策提供臨床指導。