以數位訊號處理器建立腸音監控之臨床應用

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

以數位訊號處理器建立腸音監控之臨床應用

計畫編號：NSC

執行期限：88 年 08 月 01 日至 89 年 07 月 31 日 主 持 人：紀志賢 成功大學醫學系

共同主持人：陳天送 成功大學醫學工程研究所 林錫璋 成功大學醫學系

中文摘要

腹 部 聽 診 是 一 種 簡 單 且 非 侵 入 式 的 檢 查，但是由於聽診需要經驗且是一種較主觀的 判斷方式，因此我們嘗試利用電腦腸音圖分析 腸音，進一步希望建立可以讓臨床醫師實際應 用的”連續性腸音監測系統”。因此，我們利用”

數位訊號處理器（DSP）立即處理量取到的資 料，設計長時間監控腸音之分析儀器，並且計 劃在軟硬體架構發展成熟後由臨床醫師實際 應用於急性腹痛的病患診斷上。

本研究於沒有隔音設備的房間裡，利用電 容式麥克風接於聽診器上，將聽診器貼於右下 腹，經由放大器放大腹部腸音與使用帶通濾波 器濾除心音，經類比-數位轉換器將訊號送到 數位訊號處理晶片作自適應濾波器處理，將外 界聲音濾除，然後再以 LabVIEW 擷取信號, 並且作連續即時的資料儲存 ,經臨床量取 15 位正常人當做控制組，結果顯示控制組頻率的 分佈為 250 到 400Hz±20 Hz。

未來將以急診處求診之急性腹痛之病患 為對象，進行前瞻性之腸音連續監測，希望能 應用腸音連續監測，早期鑑別診斷：機械性阻 塞、麻痺性腸阻塞、腹膜炎、及比較各種腹部 症狀腸音之特徵。依據測試結果，對於軟硬體 設計加以修改，以達到實用的目的。

關鍵詞：腸音、自適應性濾波器、數位訊號處 理晶片、

ABSTRACT

Auscultation is a simple and noninvasive way to examine the abdominal disease. However,

auscultation is subjective when making decision and medical experience is required. Therefore, it is needful to find an objective way to diagnose the abdominal disease through computer-aided bowel sound analysis.

The bowel sound analysis system includes microphone, amplifier circuit and band-pass filter. Finally, the sound signals were digitized by an A/D converter and send signal datas to digital signal process chip , by means of adaptive filter was applied to filter the environmental sounds, and also using LabVIEW got the signals for real-time data acquirement.

Fith-five healthy subjects were used as the control group . It were recorded in a not sound- proof room. Computer analysis of the digitized acoustic signal were afterwards done. The result showed the peak of bowel sounds spectrum is mean 250~400±20 Hz for the control group . The developed bowel sound analysis system has been used in clinical evaluation. The results show the validity in this study. Just placing the stethoscope over the wall of the right iliac fossa of subject and using the system introduced in this study, we could get the objective status of subject and some diagnostic information can be easily acquired.

Keywor ds：bowel sounds, adaptive filter , digital signal pr ocess chip.

緒 言

急性腹部疼痛是很常見的疾病，正確診斷 急性腹痛對任何醫生都是一 項最具有挑戰 性，通常醫生會藉著病史詢問，理學檢查再輔

以實驗室檢驗及影像學檢查來處理病患。

對於腹部疼痛的病患，醫師都會記錄腸音 特徵來做診斷，不過由於聽診的品質和檢查者 的訓練、經驗、吵雜的環境和腹部疼痛的種類 及機制的變化都有關，因而造成一些臨床上判 斷上的偏差，因此發展客觀的工具來作為腸音 的檢查，以協助醫生處理急性腹部疼痛極具價 值。本研究計劃是接續之前的研究 - 腸音圖 在急性腹痛病人之臨床應用 (NSC88-2314-B- 006-046)，在利用電腦腸音圖分析腸音，建立 測量模式以及初步診斷模式之後，進一步希望 建立可以讓臨床醫師實際應用的”連續性腸音 監測系統”。因此，我們計劃利用”數位訊號處 理器（DSP）立即處理量取到的資料，設計長 時間監控腸音之分析儀器，並且計劃在軟硬體 架構發展成熟後由臨床醫師實際應用於急性 腹痛的病患診斷上。

有許多設備應用於臨床上的生理監視，常 見的包含心電圖監測，血氧監測，血壓監測，

潮氣二氧化碳監測，胎兒心音監測等等，這些 監測儀器的特點為簡單方便及非侵入式，不過 目前臨床上並沒有腸音監測的醫學應用。目前 有關腸音連續監測的研究非常有限，也沒有實 務上的應用報告。如果要在臨床上測量腸音，

必須克服連續監測性(continue monitoring)及 方便判讀的課題，因此本計劃將著手設計並建 立未來實際上可以供給臨床醫師使用的腸音 監視系統。

系統設計

本研究是利用聽診器量取腹部聲音作連 續分析，而以聽診器量取腹部聲音時，最大的 困難點在於量測時會受到心音、呼吸聲、受測 者移動、講話及吵雜環境的干擾，以致在量取 腹部聲音時，會將不必要的聲音也量進所設計 系統裡。因此本研究首要工作，是如何在量取 腹部聲音時，將這些雜音減至最低。

整個研究計畫，可分為硬體設計與軟體設 計二大部份，分別說明如下：

硬體設計

腸音測量系統方塊圖，如圖 1 所示。

聽診器 1 聽診器 2

電容式麥克風 電容式麥克風

放大器 放大器

帶通濾波器 帶通濾波器

ADC

DSP

圖 1 腸音測量系統方塊圖 DSP

Adaptive Filtering

DAC

Lab VIEW

將電容式麥克風（model JL-061C）接於聽 診 器 上 （ 3 M L i t t m a n n C l a s s i c I I S . E stethoscope），將所量測到的腸音，經由前置 放 大 器 放 大 ， 將 原 始 腸 音 放 大 8 2 0 倍 。 由於正常人腸音頻率位於 250-350 Hz，而異常 者會擴散至 900 Hz[3] 。因此設計一組帶通頻 率約在 200-1k Hz 的四階帶通契比雪夫型濾波 器，以去除心音（1-150 Hz），及與皮膚接觸

的雜訊（25 Hz）。由濾波器濾波出來的訊號，

再經由類比轉數位轉換器（A/D , analog to digital converter）送到數位訊號處理晶片作濾 波處理，並將即時訊號經由電腦軟體作擷取。

所使用的類比轉數位轉換器是 12 bit 解析度

（resolution），八個類比輸入通道，軟體設定 輸入範圍為±5 V，而取樣頻率為 8k bit/sec，

將量取到的資料儲存到電腦上，作進一步信號 分析。

濾波器設計

本 研 究 設 計 了 一 組帶 通 頻 率 約 介於 在 200-1k Hz 的 4 階帶通契比雪夫型濾波器，經 實際測試,其頻率響應範圍在 235 ~ 935Hz 之 間。

另外,為了證明自適應性濾波器能濾除背 景雜訊,我們利用一組 cos 弦波當作主要訊號 (腸音),另外加一組隨機訊號,再將 cos 弦波與 隨機訊號加在一起當作背景雜訊，再取一組收 斂參數,經由自適應率波的演算方式,可以在很 快的時間內達到收斂,得到所想的 cos 弦波。本 研究就是架構在帶通濾波器以及自適應性濾 波器的設計上,並且利用 DSP 數位晶片能夠達 到即時控制的方法,設計一台體積較小,而且突 破以往只能做靜態式存取腸音資料,再離線分 析的缺點。我們將連續測得的資料分別列於下 圖,圖 2-1 為最初 10 秒的變化。圖 2-2 為第 20~30 秒的變化。圖 2-3,2-4 分別是 30~50 秒 的變化。而圖 2-5 則是從開始到第 120 秒所做 的 FFT 頻譜分析,可知道其頻率主要落在 250

~ 400Hz 之間。圖 3-1 表示模擬腸音的 cos 弦 波,圖 3-2 上圖表示模擬背景雜音的隨機訊號, 而下圖則為 cos 弦波與背景雜音加在一起的模 擬訊號(模擬聽診器在右下腹所量測到的訊號), 經由自適應性濾波器所做的處理之後,由圖 3- 3 可以看到經幾次的運算便可以將 cos 弦波取 出來(模擬腸音)。

圖 2-1

圖 2-2

圖 2-3

圖 2-4

圖 2-5

圖 3-2

圖 3-3

軟體設計

在 Window 98 下，以 TI (德州儀器)DSP assembly 撰寫自適應性濾波器程式碼，經過組 譯之後載入 DSP 晶片,配合 A/D 轉換將即時訊 號作自適應濾波處理,去除外界的雜訊,並利用 LabVIEW 發展出一套資料即時擷取系統,畫面 如圖 4，而其程式架構圖如圖 5,6 所示。其功 能將儲存在電腦上的資料，經由適應性濾波 器，將外界雜訊去除。軟體部分的流程圖如圖 7 所示,經由硬體部分所得到的腸音訊號,經由 A/D 卡擷取訊號,取樣率為 12 位元,8000Hz/秒, 然後顯示在所設計的 GUI 人機操作介面上,並 且將資料儲存到指定的記憶空間上。圖 4 可以 很清楚的看到我們利用訊號產生器送一組連 續性的 sin 弦波,頻率 1000Hz,可以在設計的 GUI 操作介面上顯示出來,如此我們可以用來 觀察即時的腸音訊號變化,只要做一些改變,就 可以連續偵測長時間腸音產生的次數結果。

圖 4 資料擷取分析畫面

圖 5 程式架構圖

圖 6 程式架構圖

start

get data from A/D

store data in the GUI

show the results and analysis

圖 7 軟體流程圖

結 果

針對 15 位受測者(男 5 位,女 10 位,平均年齡 22

±2.1), 將聽診器分別置於腹部右下側, 實驗 室的環境下做 3 到 5 分鐘連續三次的腸音分析

,經由 LabVIEW 人機介面儲存,對其中一筆資 料做 FFT 頻譜分析,其中 14 組正常人的 頻譜 分析結果大約落在 250 到 400Hz 之間，而其中 有 1 組資料其頻譜分析落在 200 到 850Hz 之間, 如下圖 8 所示。經證實此組受測者於當日有腹 瀉情況發生,經三次分析結果皆超過正常容許 範圍,故此系統已能大致做出正常人與腹瀉的 分類,做為即時腸音訊號偵測訊號擷取系統而 言,初步診斷上已有了顯著的結果可參考之。

圖 9 則是一組正常人的頻譜分析,圖 10 是利用 dB-Hz 分析腸音的頻譜,每 10dB 相差 10 倍,圖 中主要訊號約在-22dB,而落在 1000Hz 部分約 在-70dB,期間相差 100000 倍的振幅,也就是說, 濾波器能夠確實的將 1000Hz 以後的頻率濾除 掉。圖 11 中取一段時間分析,可以發現,有腸音 發生的部分,同時可以觀察頻率落在 300 ~ 320 Hz。

圖 8 腹瀉頻譜圖

圖 10 正常人頻譜圖

圖 11 正常人頻譜圖

討論與結論

雖然對於腹部疾病，聽診是一種簡單且非 侵入式的檢查，但是利用聽診器量取腸音，以 電腦作客觀性分析判斷，只有少許研究有在探 討，主要在量測時會受到心音、呼吸聲、外界 環境聲音的干擾。

在本研究設計模式下，研究人員將可以直 接、動態的判讀腸音分析，而不必經過電腦的 操作，也會使病患會更容易接受腸音的測量。

另外，擷取腸音的時間可以延長：過去設計所 能測量擷取的腸音資料有限，通常只有數分

鐘，得到的是點而非連續的資料，無法使腸音 的監測達到臨床上急診的如心電圖監測、血氧 監測、血壓監測、潮氣末端二氧化碳監測、胎 心音監測等生理監視的功能。新的模式可以延 長擷取腸音的時間，做更詳細、正確的資料分 析。最後，希望藉由臨床醫師的試用，達到真 正適合臨床應用的目的。

本系統於沒有隔音設備的房間裡，使受測 者平躺，放鬆腹部肌肉且保持安靜下，將聽診 器貼於受測者右下腹，以量取腹部的聲音，另 一聽診器置於受測者身體旁邊朝上，不接觸到 受測者，以量取外界環境的聲音，經由前置放 大器放大，再經濾波器濾波，做即時長時間的 量取資料,經由適應性濾波器降低外界環境的 聲音，儲存到電腦。

這套系統是架構在即時發生的環境測量 下,使用一顆浮點數位訊號處理晶片,有別於以 往先用 AD 卡擷取訊號,再到電腦做自適應性 分析,往往幾分鐘的腸音訊號,經由軟體做訊號 處理再求出時域,或者頻域,這段過程很耗費時 間,因為 PC 電腦的架構並不是針對濾波器的 運算結構而設計的,而數位晶片內部硬體架構 則是完全針對訊號處理而規劃的。但是要進入 數位晶片的領域並非是一件容易的事,尤其要 使用組合語言來加快晶片處理的速度,懂得它 的語法以及硬體架構十分浪費時間,研究的過 程中耗費了不少除錯的時間,目前這套系統總 算有了完整的雛形,希望這套系統能夠對於胃 腸疾病的統計和研究有進一步的貢獻。

未來我們將可以臨床醫師為使用者，實際 使用於急性腹症之病患腸音連續監測，並加以 修改軟硬體設施。再依據測試結果，對於軟硬 體設計加以修改，以達到實用的目的。

參考文獻

[1] E . A r n b j o r n e s s o n , “ N o r m a l a n d P a th o l o g i ca l B o we l S o u nd P a tt e r ns ,”

Annales Chirurgiae et Gynaecologiae, vol.

7 5 , n o . 6 , p p . 3 1 4 - 3 1 8 , 1 9 8 6 .

[2] S. Michael and R. Michael , ”Computerized P h o n o e n t e r o g r a p h y : T h e C l i n i c a l Investigation of a New System,” Journal of

Clinical Gastroenterology, vol. 18, no. 2, pp.

1 3 9 - 1 4 4 , 1 9 9 4 . [3] H. Yoshino, Y. Abe, T. Yoshino and K.

Ohsato, “Clinical Application of Spectral Analysis of Bowel Sounds in Intestinal Obstruction,” Diseases of the Colon and Rectum, vol.33, no. 9, pp. 753-757,1990.

[4] D. Dalle, G. Devroede, R. Thibault and J.

Perrault, “Computer Analysis of Bowel S o u n d s , ” C o mp u t e r s i n B i o l o g y a n d Me d ic i n e, v ol . 4 , p p . 2 47 - 2 5 6 , 1 97 5 . [5] W. C. Watson , E. C. Knox ,

“Phonoenterography: the Recording and Analysis of Bowel Sounds,” Gut, vol. 8, no. 1, pp. 88-94,1967.

[6] C. L. Radnitz, E. B. Blanchard, “Bowel Sound Biofeedback as a Treatment for Irritable Bowel Syndrome,” Biofeedback and Self-Regulation, vol. 13, no. 2, pp.169- 179, 1988.

[7] C. L. Radnitz, E. B. Blanchard, “A 1- and 2- Year Follow-Up Study of Bowel Sound Biofeedback as a Treatment for Irritable Bowel Syndrome,” Biofeedback and Self- Regulation, vol. 14, no. 4, pp.333-338, 1989.

[8] H. A. Mansy, R. H. Sandler, “Bowel-Sound S i g n a l E n h a n c e m e n t U s i n g Ad a p t i v e Filtering”, IEEE Engineering in Medicine and B io log y Ma gaz ine, vol. 1 6, no .6 , p p . 1 0 5 - 1 1 7 , 1 9 9 7 . [9] M. Eskelinen, J. Ikonen, P. Lipponen,

“Contributions of History-Taking, Physical Examination, and Computer Assistance to Diagnosis of Acute Small- BowelObstruction,” Scandinavian Journal of Gastroenterology, vol.29, no. 8, pp. 715- 721,1994.

[10] H.A. Mansy, R.H. Sandier, “Choice of Operating Parameters in Heart Sound Removal From Bowel Sounds Using Adaptive Filtering,” Engineering in Medicine and Biology Society, vol. 3 ,pp.

1398-1404, 1997.

[11] L.J. Hadjileontiadis, S.M. Panas “On Modeling Impulsive Bioacoustic Signals with Symmetric Astable Distrubutions:

Application in Discontinuous Adventitious Lung Sounds and Explosive Bowel Sounds,” Engineering in Medicine and Biology Society, vol. 1 ,pp. 13-16, 1998.

[12] B. Widrow , “Adaptive noise cancelling:

Principles and applications,” Proc. IEEE, vol. 63, no.12, pp. 1692-1716,1975.