TWI535418B - 腸音分析方法及系統 - Google Patents

Description

腸音分析方法及系統

本發明係有關於一種腸音分析方法及系統，特別是指將持續收集的腸音訊號透過高階統計法去除雜訊，再利用分形維度演算法擷取複雜度高的特徵以得到腸蠕動訊號，用以判斷腸蠕動發生的時間點，並可進一步分析腸蠕動訊號之特徵，以判斷腸道健康狀況之腸音分析方法及系統。

根據衛生署2012年十大死因統計，惡性腫瘤(癌症)仍為榜首，平均每十二分二秒就有一人死於癌症，而結腸直腸癌仍居惡性腫瘤第三位。因胃腸問題引發的蠕動疾患一直是內、外科常見的疾病，其中腸阻塞可能發生在惡性腫瘤、腹腔手術術後、各種感染症、腹腔發炎、新陳代謝疾病、電解質異常或藥物影響。

使用腸內視鏡、電腦斷層攝影可以輔助醫師直接觀察臟器，但它們的實用性其實受一些限制條件所侷限，例如電腦斷層攝影儀器價格昂貴，而腸內視鏡須直接深入腸內，在檢查過程容易造成不適，且皆需要專業的操作訓練及較多的醫護人力需求。電腦斷層攝影及腸內視鏡也不適合對患者做長時間的監控量測。

因此，臨床上較常見的診斷方式為經由非侵入式的聽診器來觀察腸蠕動情形，依其腸音發聲之振幅、頻率、週期來診斷患者胃腸道的健康狀況。但利用傳統聽診器來觀察腸蠕動情況必須依賴有豐富臨床經驗的醫師，且使用 聽診方式會因檢查者的訓練、經驗、環境、腹部狀況的變化而影響其品質，對於病患腸蠕動情況無法容易地進行量化等客觀評估。因此，如何將腸音評估、診斷做到最有效、最準確的應用是當前所要思考的課題。

為了將腸音量化，供醫護人員準確判斷病患腸道健康狀況，本發明提供一種腸音分析方法，包括下列步驟：A.利用一音訊收集裝置在一特定時間內持續監測一受測者之腹腔，收集該腹腔內的腸道的一腸音訊號；B.將該腸音訊號轉換為一數位訊號；C.一處理單元利用高階統計法去除該數位訊號中的雜訊；D.該處理單元再利用分形維度演算法擷取該數位訊號中複雜度高的特徵，定義為一腸蠕動訊號；E.根據該腸蠕動訊號得知該腹腔內的腸道發生腸蠕動的時間點。

進一步，在步驟D中，該處理單元根據該腸蠕動訊號分析以下一種以上之特徵值：單位時間內腸蠕動訊號出現的次數、腸蠕動訊號時間長度、腸蠕動訊號最大訊號強度、腸蠕動訊號最大方均根強度、腸蠕動訊號主要分布頻率、腸蠕動訊號功率。

進一步，將前述各訊號傳輸至一遠端電腦，供進行遠端監控。

本發明再提供一種使用前述腸音分析方法的腸音分析系統，包括：一音訊收集裝置，用以在一特定時間內持續收集一腸音訊號；一腸音擷取分析模組，連接該音訊收集裝置，該腸音擷取分析模組包括一音訊感測電路、一前置放大電路及一處理單元；一輸出介面，連接該腸音擷取分析模組。

該音訊感測電路接收前述腸音訊號，並將該腸音訊號轉換為一電訊號；該前置放大電路將該電訊號進行放大及濾波；該處理單元將該電訊號轉換為一數位訊號，並利用高階統計法去除該數位訊號中的雜訊，以及利用分形維度演算法擷取該數位訊號中複雜度高的特徵，定義為一腸蠕動訊號；該輸出介面用以輸出所述各種訊號。

進一步，該音訊收集裝置上設置一環境噪音消除裝置，用以消除環境雜音。

進一步，該輸出介面係一顯視器；或是該輸出介面係一無線傳輸模組，並有一遠端電腦訊號連接該無線傳輸模組。其中該無線傳輸模組為紅外線傳輸模組、無線電、Bluetooth、ZigBee、2G、2.5G、2.75G、3G、Wi-Fi或WiMAX任一種。

本發明的功效在於：

1.藉由長時間自動偵測腸音訊號，搭配高抗噪高階統計法去除雜音，以及使用分形維度訊號處理技術幫助醫師自動判讀腸蠕動事件發生時間點，可針對一些有腸躁症、腹脹、腹痛、便秘、腹瀉等腹部症狀之病患長時間監測其腸蠕動狀態，並且為腹部診斷做精確評估，提供醫師追蹤與及早偵測腸道蠕動的異常變化，藥物或處置對腸道的影響。

2.在量測上以非侵入式方式擷取患者腹部腸音，因此不會造成病患在使用上的不便與不適，相較於傳統昂貴醫療儀器，本發明可降低許多醫療成本也有效利用人力資源，機構設計上亦可採用微型可攜式化來提高系統使用上的便利性。

3.可同時使用無線傳輸技術，即時地將偵測到的各種訊號以及腸蠕動訊號特徵值傳輸至後端電腦供分析，增加醫師在操作上的便利性。

(1)‧‧‧音訊收集裝置

(11)‧‧‧環境噪音消除裝置

(2)‧‧‧腸音擷取分析模組

(21)‧‧‧音訊感測電路

(22)‧‧‧前置放大電路

(23)‧‧‧處理單元

(24)‧‧‧資料輸入模組

(25)‧‧‧資料儲存模組

(26)‧‧‧電源供應模組

(3)‧‧‧顯視器

(4)‧‧‧無線傳輸模組

(5)‧‧‧遠端電腦

[第一圖]係為本發明腸音分析系統架構圖。

[第二圖]係為本發明腸音分析系統各構件之功能方塊圖。

[第三圖]係為本發明方法之流程圖。

[第四圖]係為本發明中，將腸音訊號轉換為數位訊號的波形圖。

[第五圖]係為本發明中，利用高階統計法將數位訊號去除雜訊後的波形圖。

[第六圖]係為本發明中，利用分形維度演算法取得腸蠕動訊號的波形圖。

綜合上述技術特徵，本發明腸音分析方法及系統的主要功效將可於下述實施例清楚呈現。

參閱第一圖及第二圖所示，本實施例之腸音分析系統包括：一音訊收集裝置(1)，例如聽診器，並且在該音訊收集裝置(1)上設置一環境噪音消除裝置(11)，該環境噪音消除裝置(11)可為一圓柱形隔音裝置，其內可使用可吸收外部環境噪音之材質，如吸音泡棉等。一腸音擷取分析模組(2)，連接該音訊收集裝置(1)，該腸音擷取分析模組(2)包括一音訊感測電路(21)、一前置放大電路(22)、一處理單元(23)、一資料輸入模組(24)、一資料儲存模組(25)及一電源供應模組(26)。一輸出介面，連接該腸音擷取分析模組(2)，本實施例中，該輸出介面包括 一顯視器(3)及一無線傳輸模組(4)，並且有一遠端電腦(5)訊號連接該無線傳輸模組(4)，而該無線傳輸模組(4)可為紅外線傳輸模組、無線電、Bluetooth、ZigBee、2G、2.5G、2.75G、3G、Wi-Fi或WiMAX任一種。

再參閱第三圖所示，本實施例之腸音分析方法係以上述腸音分析系統來執行，包括下列步驟：

A.該音訊收集裝置(1)在一特定時間內持續監測一受測者之腹腔，收集該腹腔內的腸道的一腸音訊號，所述特定時間是由醫護人員根據受測者不同狀況所設定，例如受測者進行了腹腔手術，而一般腹腔手術後，大腸需要3-5天才能恢復正常功能，因此該特定時間可設定為3-5天或更長的時間。該環境噪音消除裝置(11)則可以初步過濾環境雜音，因此在一般醫療院所的環境皆可使用。

B.配合參閱第四圖所示，該音訊感測電路(21)用以接收前述腸音訊號，並將該腸音訊號轉換為一電訊號，再由該前置放大電路(22)將該電訊號進行放大及濾波處理，之後由該處理單元(23)將該電訊號轉換為一數位訊號。

C.配合參閱第五圖所示，由於腸音訊號擁有非高斯與特徵非穩態的特性，而高階統計技術具有抑制高斯雜訊與保留非高斯訊號的特性，因此本發明中，該處理單元(23)利用高階統計法去除該數位訊號中的雜訊，本實施例該高階統計法係計算至三階統計：

(一)z(t)=s(t)+n _s (t)

其中Z(t)為原始腸音訊號，S(t)為乾淨的腸音訊號，n_s(t)為外加雜訊。

C _zzz (t；τ ₁,τ ₂)=λC _zzz (t-1；τ ₁,τ ₂)+(1-λ)z(t)z(t+τ ₁)z(t+τ ₂)

C_ZZZ為原始腸音訊號Z(t)的三階統計參數，τ₁、τ₂為原始腸音訊號Z(t)的時間差異量，λ為遺忘參數(forgetting factor)。

τ ₁=-m ₁,(-m ₁+1),...,(m ₁-1),m ₁,τ ₂=1,2...,m ₂，m為正整數。

，係為平均運算子(mean operator)。

(二)初始條件：

C _zzz (0；τ ₁,τ ₂)=0,τ ₁=-m ₁,(-m ₁+1),...,(m ₁-1),m ₁,τ ₂=1,2...,m ₂

為累加三階統計C _zzz 的移動窗隔長度(Number ofsteps for C _zzz in moving window)，W為分形維度分析的移動窗隔長度(Moving window length of for fractal dimension)。

(三)令Z(t)為零平均訊號(zero-mean signal)：

z(t)=z(t)-mean[z(t)]

利用上述演算法可獲得該數位訊號的高階統計值。其中，C_ZZZ(t；τ₁，τ₂)包括C_SSS(t；τ₁，τ₂)與(t；τ ₁,τ ₂)。C_SSS(t；τ₁，τ₂)乾淨的腸音訊號的三階累積量，(t；τ ₁,τ ₂)為外加雜訊的三階累積量。假設外加雜訊n_s為高斯雜訊與高階累積量階數大於2(n>2)，則外加雜訊的高階累積量將被抑制掉，藉此即可濾除雜訊。

D.配合參閱第六圖所示，該處理單元(23)再利用分形維度演算法(HOS-based fractal dimension)擷取該數位訊號中複雜度高的特徵，定義為一腸蠕動訊號。

(一)計算三階統計C _zzz 在移動窗隔內的曲線總長度：

dist[.]係為移動窗格中相鄰二點的距離。

(二)計算三階統計C _zzz 在移動窗隔內的直徑(即為C _zzz 在移動窗隔內的第一個點與在移動窗隔內的最遠距離點的距離長度)：

k=t-W+1,t-W+2,...,t

(三)計算分形維度(HOS-based fractal dimension)：

E.經由上述分形維度演算法處理過之數位訊號可以將發生腸蠕動的時間點標示出來，並且進一步在前述步驟中，該處理單元(23)可根據該腸蠕動訊號分析以下一種以上之特徵值：單位時間內腸蠕動訊號出現的次數、腸蠕動訊號時間長度、腸蠕動訊號最大訊號強度、腸蠕動訊號最大方均根強度、腸蠕動訊號主要分布頻率、腸蠕動訊號功率等。醫護人員即可根據上述量化的特徵值來對受測者的腸道健康狀況進行客觀的分析判斷。

另外說明的是，前述資料輸入模組(24)可為按鈕、鍵盤或觸控式面版其一或以上之組合，用來操作此系統之選單以及系統參數設定。該資料儲存模組(25)為RAM、ROM、FLASH DISK或硬碟等可儲存之相關裝置，用來儲存系統相關設定參數、所量測到的訊號數值等。該電源供應單元(26)則用以供給系統電力。上述各種訊號及分析的特徵值可直接由該顯視器(3) 顯示出；或者亦可利用該無線傳輸模組(4)將各種訊號及分析的特徵值傳輸至該遠端電腦(5)，例如由病房傳輸至護理站或醫師診療室的電腦，端賴使用上的方便性。

綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。

Claims (8)

1. 一種腸音分析方法，包括下列步驟：A.利用一音訊收集裝置在一特定時間內持續監測一受測者之腹腔，收集該腹腔內的腸道的一腸音訊號；B.將該腸音訊號轉換為一數位訊號；C.一處理單元利用高階統計法去除該數位訊號中的雜訊，高階統計法計算公式為：z(t)=s(t)+n _s (t) C _zzz (t；τ ₁,τ ₂)=λC _zzz (t-1；τ ₁,τ ₂)+(1-λ)z(t)z(t+τ ₁)z(t+τ ₂) τ ₁=-m ₁,(-m ₁+1),...,(m ₁-1),m ₁,τ ₂=1,2...,m ₂，m為正整數，其中Z(t)為原始腸音訊號，S(t)為乾淨的腸音訊號，n_s(t)為外加雜訊，C_ZZZ為原始腸音訊號Z(t)的三階統計參數，τ₁、τ₂為原始腸音訊號Z(t)的時間差異量，λ為遺忘參數，另外，設定初始條件為：C _zzz (0；τ ₁,τ ₂)=0,τ ₁=-m ₁,(-m ₁+1),...,(m ₁-1),m ₁,τ ₂=1,2...,m ₂ 為累加三階統計C _zzz 的移動窗隔長度，W為分形維度分析的移動窗隔長度；D.該處理單元再利用分形維度演算法擷取該數位訊號中複雜度高的特徵，定義為一腸蠕動訊號，分形維度演算法計算公式為： 其中(t)為分形維度，為累加三階統計C _zzz 的移動窗隔長度，W為分 形維度分析的移動窗隔長度，(t)為C _zzz 在移動窗隔內的曲線總長度，(t)為C _zzz 在移動窗隔內的直徑；E.根據該腸蠕動訊號得知該腹腔內的腸道發生腸蠕動的時間點。
2. 如申請專利範圍第1項所述之腸音分析方法，在步驟D中，該處理單元進一步根據該腸蠕動訊號分析以下一種以上之特徵值：單位時間內腸蠕動訊號出現的次數、腸蠕動訊號時間長度、腸蠕動訊號最大訊號強度、腸蠕動訊號最大方均根強度、腸蠕動訊號主要分布頻率、腸蠕動訊號功率。
3. 如申請專利範圍第1項所述之腸音分析方法，進一步將前述各訊號傳輸至一遠端電腦，供進行遠端監控。
4. 一種使用如申請專利範圍第1項所述之腸音分析方法的腸音分析系統，包括：一音訊收集裝置，用以在一特定時間內持續收集一腸音訊號；一腸音擷取分析模組，連接該音訊收集裝置，該腸音擷取分析模組包括一音訊感測電路、一前置放大電路及一處理單元；一輸出介面，連接該腸音擷取分析模組；該音訊感測電路接收前述腸音訊號，並將該腸音訊號轉換為一電訊號；該前置放大電路將該電訊號進行放大及濾波；該處理單元將該電訊號轉換為一數位訊號，並利用高階統計法去除該數位訊號中的雜訊，以及利用分形維度演算法擷取該數位訊號中複雜度高的特徵，定義為一腸蠕動訊號，其中高階統計法計算公式為： z(t)=s(t)+n _s (t) C _zzz (t；τ ₁,τ ₂)=λC _zzz (t-1；τ ₁,τ ₂)+(1-λ)z(t)z(t+τ ₁)z(t+τ ₂) τ ₁=-m ₁,(-m ₁+1),...,(m ₁-1),m ₁,τ ₂=1,2...,m ₂,m為正整數，其中Z(t)為原始腸音訊號，S(t)為乾淨的腸音訊號，n_s(t)為外加雜訊，C_ZZZ為原始腸音訊號Z(t)的三階統計參數，τ₁、τ₂為原始腸音訊號Z(t)的時間差異量，λ為遺忘參數，初始條件為：C _zzz (0；τ ₁,τ ₂)=0,τ ₁=-m ₁,(-m ₁+1),...,(m ₁-1),m ₁,τ ₂=1,2...,m ₂ 為累加三階統計C _zzz 的移動窗隔長度，W為分形維度分析的移動窗隔長度，另外，分形維度演算法計算公式為： 其中(t)為分形維度，為累加三階統計C _zzz 的移動窗隔長度，W為分形維度分析的移動窗隔長度，(t)為C _zzz 在移動窗隔內的曲線總長度，(t)為C _zzz 在移動窗隔內的直徑；該輸出介面用以輸出所述各種訊號。
5. 如申請專利範圍第4項所述之腸音分析系統，其中該音訊收集裝置上設置一環境噪音消除裝置。
6. 如申請專利範圍第4項所述之腸音分析系統，其中該輸出介面係一顯視器。
7. 如申請專利範圍第4項所述之腸音分析系統，其中該輸出介面係一無線傳輸模組，並有一遠端電腦訊號連接該無線傳輸模組。
8. 如申請專利範圍第7項所述之腸音分析系統，其中該無線傳輸模組為紅外線傳輸模組、無線電、Bluetooth、ZigBee、2G、2.5G、2.75G、3G、Wi-Fi或WiMAX任一種。