人体结肠压力信号的时频分析

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第４期
人体结肠压力信号的时频分析
４０１
波分成两类，即低幅推进性收缩（ＬＡＰＣｓ）和高幅推进性收缩（ＨＡＰＣｓ）。个体每天ＬＡＰＣｓ的发生频率约为６０次，且餐后频率增加。ＨＡＰＣｓ是一种少
这样就可以记录到全结肠各段的压力变化。在测压的过程中，可通过往橡皮囊内注人液体，通过腹部Ｂ超检查确定水囊所在位置，就可以确定被测肠段
人结肠动力活动大体上可以分为三种类型：单个收缩、多个部位集体时相性收缩、推进性收缩。前
两种属于节段性收缩，第三种属于推进性活动〔 ’ 〕。
节段性活动是人结肠日常动力活动最主要的模式，收缩幅度一般较大，偶尔能见到单个的高幅收缩波。收缩通常是无节律性的，但偶尔能记录到一些
值，是其他信息不可替代的［［４，５］。关于人体结肠压
ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．Ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｉｓｎｅｅｄｅｄｍａｋｅｇｏｏｄａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅｃｏｌｏｎｉｃｐｒｅｓｓｕｅｒｄａｔａａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｉｎｔｉｍｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｏｍａｉｎ．Ｔｈｅｅｒｓｕｌｔｓａｒｅｕｓｅｆｕｌｔｏ
力特性，目前较经常使用的还是直观的时域经验观
察〔１，３］，有关正常状态和疾病状态的判断方法比较
缺乏提炼。本文采用时频分析方法，对人体结肠压力信号进行研究，探求人体结肠的运动学和动力学
特性。
基金项目：国家自然科学基金（３０２７０３８２）、上海交通大学ＰＲＦ
ｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｅｘｐｌａｉｎｉｎｇｔｈｅｃｏｌｏｎｍｏｔｉｌｉｔｙ．
［ＫｅｙＷＯｒｄＳ１ｃｏｌｏｎｐｅｒｓｓｕｅｓｒｉｇｎａｌｔｉｍｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｔｒｔｉｍｅＦｏｕｒｉｅｒｔｒａｎｓｆｏｒｍ
ｄｉａｇｎｏｓｉｓｏｆｃｏｌｏｎｉｃｄｉｓｅａｓｅｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｃｏｒｄｏｆｈｕｍａｎｃｏｌｏｎｉｃｐｒｅｓｓｕｅ，ｒｔｈｅｅｒｉｓｎｏｔｅｎｏｕｇｈｋｎｏｗｌｅｄｇｅａｂｏｕｔｔｈｅｃｏｌｏｎｉｃｍｏｔｉｌｉｔｙ
用来评价肠道的运动功能，帮助医生诊断一些结肠
１人体结肠动力的基本特征
目前结肠运动功能的检查包括结肠收缩运动、结肠肌电活动及结肠内容物通过时间等三个方面。
运动功能障碍疾病〔３］。肠道压力信号被广泛用于评
价消化道运动情况，可以准确反应腔内压力变化的幅度、频率等，对运动障碍疾病的诊断有较高的价
的位置。
见的结肠运动形式，其频率平均为每人６次／天〔 ‘ １。
和上段肠道和一些动物标本的结肠相比，人体结肠运动并不表现出规则的循环变化。但在直肠（可能是末端乙状结肠），可发现一种周期性的变化：直肠动力复合运动（ＲＭＣ）ｏＲＭＣ是一种频率为２一３次／ｍｉｎ的直肠收缩活动，持续时间大于
［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｃｏｌｏｎｉｃｍａｎｏｍｅｔｅｒｉｓａｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｍｅｔｈｏｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅａｌｉｍｅｎｔａｙｒｔｒａｃｔａｎｄｉｓｖｅｙｒｖａｌｕａｂｌｅｔｏｔｈｅ
结肠运动功能异常是一种发病率很高的疾病，
近２０％的个体都受其影响〔 ’ 〕，慢传输性便秘（ｓｌｏｗｔｒａｎｓｉｔｃｏｎｓｔｉｐａｔｉｏｎ，ＳＴＣ）和结肠无力（ｃｏｌｏｎｉｃｉｎｔｅｔｒｉａ，ＣＩ）都是其典型临床表现［［２］。结肠测压可
ａｎａｌｙｚｅｔｈｅｂａｓｉｃｃｏｌｏｎｉｃｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍｅｔｈｏｄｓｏｆｔｉｍｅ－ｄｏｍａｉｎａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｄｏｍａｉｎａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｃａｎｏｂｖｉｏｕｓｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅｎｏｉｓｅｉｎａｐｅｒｉｏｄｏｆｔｉｍｅａｎｄｇｏｏｄｔｉｍｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｃａｎｂｅａｃｑｕｉｒｅｄ．Ｉｔｉｓｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｓｉｇｎａｌｏｆｃｏｌｏｎ
３ｍｉｎ，波幅大于５ｍｍＨｇＤ１０
，人体肠道压力信号包含肠道动力的一般来说基本特征和信息，具有明显的非平稳性。对压力信号进行时频分析的目的就是为了准确而清晰地理解受试者肠道动力的基本特征。
图１结肠压力测试系统Ｆｉｇ１Ｍｅａｓｕｉｒｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｃｏｌｏｎｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅ
第２５卷第４期２００６年８月
北京生物医学工程ＢｅｉｊｉｎｇＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ
Ｖｏｌ．２５Ｎｏ．４
Ａｕｇ．
２０６
人体结肠压力信号的时频分析
陈晨佳王旖旎田社平
５０％。（０３５５３６）资助
作者单位：上海交通大学电子信息与电气工程学院信息检测技术与
仪器系（上海２００２４０）
作者简介：陈晨佳（１９８４－），女，研究方向为信号分析与信息处
理。
推进性活动在整个结肠动力中有重要的作用，但这种收缩模式只占一小部分。按照其收缩幅度（可能有不同的病理生理意义），可以人为地把推进
３数据处理方法
３．１短时傅里叶变换对信号在时频域进行分析，可以更好地观察信号的时间和频率分布。常见的时频分析方法有短时
２测试系统构成与数据采集
测压仪器是瑞典ＣＴＤ２ＳＹＮＥＴＩＣＳ公司生产的胃肠道功能监测仪，包括测压管、数据采集卡和计算机处理系统及其他辅助装置，如图１所示。在测压管头端添加一个能容纳５０一６０ｍ１水的水囊，水囊后１０ｃｍ处有一个能容纳５０一６０ｍ１气体的气囊。测压管共有４个测压孔，相隔５ｃｍ，可以同时测得４点的压力，采样频率是１６Ｈｚ。受试者包括正常人组与结肠功能异常者。在测压前需要做的准备有： ①患者在测压前一周停用一切对胃肠运动和中枢神经系统有影响的药物；②测压前禁食８一１２ｈ；③ 测压前避免激烈的身体活动和情绪激动，不让腹部受到外来的压力；④检查室的温度不能太低，防止患者出现肌颤，影响测压结果；⑤患者作清肠准备。测压管进人用如下方法：将活检钳通过内镜活检孔插至内镜的前端，用一根３磅的钓鱼线系着测压管的前端，用活检钳夹住钓鱼线的另一头。测压管头端系一橡皮囊，橡皮囊后接测压管注气管，间
理盐水，使头端增加重量，不易与肠镜一同滑出；取出内镜，将钓鱼线及测压管留在受检肠段内；抽
节律性的收缩（不到全部日常收缩活动的６％），
特别是在乙状结肠，以３ｃｐｍ（次／ｍｉｎ）的频率为
主。在乙状结肠部位，这种规律性收缩是连续的，并且有时持续时间较长。在直肠乙状结肠连接处也
经常能记录到频率为３ｃｐｍ的规律性收缩。但是乙
状结肠处的节律性活动只占其收缩活动全部时间的
傅里叶变换（ＳＴＦＴ）ｉｂｌ，Ｗｉｇｎｅｒ时频分布、小波变
换等。本文采用ＳＴＦＴ对结肠压力信号进行分析。ＳＴＦＴ有清晰的数学表达、物理意义。为了使傅里叶变换（ＦＴ）与时间联系起来，一个简单而直观的方法使对信号ｘ（ｕ）进行加窗处理，再计算其ＦＴ，其结果就是ＳＴＦＴ，即尺（ｔ，： ‘ ，ｈ）＝
Hale Waihona Puke Baidu
ｘ（ｕ）ｈ ‘ （ｕ一ｔ）ｅ－＇２－ｄｕ（１）
这里ｈ（ｔ）是以ｔ二０，ｒ＝０为中心的分析窗。
隔１０ｃｍ在测压管另一注气开口处系另一橡皮囊；拉出活检钳，将钓鱼线留在活检孔道内，拉紧，使测压管紧贴内镜壁，将准备好的结肠镜和测压管一同插至受检肠段；向测压管头端橡皮囊注５０ｍ１生
Ｓｃｈｏｏ
ＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＳｈａｎｇｈａｉｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｇｎ，Ｓｈａｎｇｈａｉ．
中图分类号８３１８．０４８５７４．６２文献标识码Ａ文章编号１０２－３２０８（２０６）０４－０４０－０４
ＨｎｍｎｕＣｏｌｏｎｉＴｈｅＴｉｍｅ－ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｃＰｒｅｓｓｕｒｅＳｉｇｎａｌＣＨＥＮＣｈｅｉ砰 “ ，ＷＡＮＧＹｉｎｉ，ＴＩＡＮＳｈｅｐｉｎｇ．
摘要结肠测压对结肠运动障碍疾病的诊断有较高的价值。但是由于现有资料中对结肠运动功能的认识还比较欠缺，因此对测压结果的分析还需要不断地积累经验。对实际采集的结肠压力信号进行时频分析，并与结肠基本功能相对照。结果表明，这种方法对正常和异常的结肠压力信号的区分有明显的作用。和传统的时域观察或者频域分析相比，本方法可以使噪声信号很好的局域化，具有较好的时频分辨率，适于分析结肠压力这一非平稳的信号。关键词结肠压力信号时频分析短时傅里叶变换