肠鸣音的建模与模拟研究

1、    肠鸣音的建模与模拟研究        本文对肠道运动进行分析，从结构上研究肠鸣音的产生机理和肠鸣音的时域、频域特点，从而得到其物理模型，并用等效电路来模拟肠鸣音的产生，为研究肠鸣音的数学模型，以及临床医学研究提供了方便。关键词:肠鸣音；物理模型；肠梗阻分类号:R318.04 0前言肠鸣音是反映人体小肠运动的生理状态的一项指标，在正常状态下和病理状态下，会形成不同特征的肠鸣音1。由于人们对肠鸣音尚未深入了解，肠鸣音诊断只是作为一个辅助诊断手段而不能受到临床的重视。为对肠

2、鸣音产生机理以及肠鸣音测试诊断进行深入研究，我们在对肠鸣音信号进行分析的基础上，建立它的物理模型，并用模拟的方法将肠鸣音信号再现，以证明该模型，为临床诊断提供参考。1肠鸣音产生的生理过程及临床特征小肠在消化过程中要不断地将食物与肠内消化液充分拌和，形成食糜以使小肠壁粘膜从中吸收营养成分。在食糜之间、食糜与肠壁之间的碰撞接触过程中，由于肠中夹杂着空气，而这些空气与肠内食糜一起与肠壁发生撞击、摩擦，从而产生肠鸣音2。临床听诊中的正常肠鸣音音调低，音色清晰。从时域波形上看较有节律，波形圆滑，谐波成分少；频域分析结果频谱范围在160260Hz之间有唯一的谱峰，没有350Hz以上的有效频率成分。肠梗阻病

3、人的肠鸣音波形畸变较多，不规则，音调较高，谱峰大多在270Hz以上，有的甚至在500Hz以上，临床称为金属样音3。肠麻痹病人由于没有肠道运动，就没有肠鸣音。2肠鸣音产生的模型分析在一般情况下肠内压很小，肠管不扩张，这时肠鸣音主要是肠内液体与肠壁的摩擦声，声音小而且频率很低，体外难以测量到这种声音。在蠕动过程中，小肠产生分节运动，分节内的肠内压增大，小肠壁扩张，此时肠壁张力变大，厚度变薄，产生有液气腔，因此食糜在分节口喷射产生肠鸣音，产生的过程如1所示。由于肠鸣音是在肠内容物向下一肠节蠕动造成的，类似一个喷口，我们用一个赫姆霍兹共鸣器来模拟小肠的分节。2为赫姆霍兹共鸣器。1小肠的分节a 实际模型

4、b 理想模型2赫姆霍兹共鸣器中L为管口长度，S为管口截面积，V为共鸣器的容积，M为管口气柱质量，C为管口体弹性系数的倒数，R为气体振动时受到管壁的摩擦阻力。对于人体而言，l为肠分节的长度；S为肠管节口的面积；V为一个肠分节的容积；为肠内气体密度；2为肠内粘液密度；C反映了肠壁张紧的程度，R决定于肠粘膜分泌状况。以上参数的具体数据由于每个人的身高、体重、年龄，差异很大，而体积参数只是对于共鸣音的中心频率有一定影响，在建模与模拟过程中我们以一组观察值来说明，数值为：肠分节的长度为5cm，肠管节口的面积4.9cm，肠分节的容积14.7cm，肠内气体密度约为0.12×10kg/m，肠内粘液密

5、度约为1.03kg/m。共鸣器参数的计算公式为4：M=ls管口振动特征方程为：由方程解得气柱运动形式为：X=Xe-tcos('t-)固有频率为：其中为衰减系数：越小，曲线衰减越慢，V越大，频率就越低。3肠鸣音波形的模拟由阻抗模拟产生的肠鸣音模拟电路如3所示。按照类比计算，中选择C为23F，L为3H，R为820。其模拟结果如4。在实际测量过程中，得到的肠鸣音波形并不是简单地重复上述几种波形，而是更加复杂的波形，比如节拍波，就是由两处肠分节分别在不同时刻产生肠鸣音的叠加，从而形成差拍。如5所示，就是由二个肠鸣音的差拍振荡形成。在假设两个肠鸣音源振动相同时，可以用6所示电路模拟差拍振荡的波形

6、。3肠鸣音模拟电路4模拟肠鸣音5节拍波6节拍波模拟电路4肠梗阻肠鸣音的模型分析肠梗阻发生的初期，梗阻部位以上的腔管加强蠕动，甚至出现肠痉挛。由于肠内明显的积气和积液，使肠管进一步扩张。梗阻越完全，时间越长，肠管内的积气与积液就越多，肠管膨胀也就越大。于是，肠壁受压力变大，厚度变薄，张力变大。这时，2所示的肠鸣音模型参数发生变化，其中肠管弹性系数变大，C值降低；肠壁变薄，则摩擦阻力降低，R值减小。因而产生的肠鸣音频率较高，而且随梗阻程度而变化。模拟这些波形可以通过改变相应的模型参数，用模拟电路来产生。综上所述，由临床测得的肠鸣音波形与模型分析所得到的波形对比，我们认为可以证明2是肠鸣音产生的主要

7、模式，用等效电路来简化模拟肠鸣音的产生，为研究肠鸣音的数学模型，对肠鸣音进行分析打下了基础。5参考文献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