创伤性颈脊髓损伤患者咳嗽音一般特征及其与呼吸肌力量的相关性

戴建强，陈 坤，蔡学究，张亮达，黄显华

(南部战区总医院骨科监护病区，广东 广州 510010)

创伤性脊髓损伤发生率为10.4/1000 000～83/1000 000[1]，其中50%以上为创伤性颈脊髓损伤(traumatic cervical spinal cord injury,TCSCI)[2-3]。每年约11 000例TCSCI患者需要住院治疗，约20.6%的患者因为呼吸功能受累需行气管切开[4-6]。TCSCI患者发生肺部感染、呼吸衰竭、急性呼吸窘迫综合征的概率显著高于胸、腰段脊髓损伤患者[7]。呼吸系统并发症是TCSCI患者死亡的首位原因，国内报道急性期死于呼吸系统并发症的TCSCI患者占死亡总数的91.66%[8]，国外报道约为60.88%[2]。早期的全面诊断和评估是预防呼吸系统并发症、提高患者生存率的主要措施。但目前常用的肺功能监测对TCSCI患者存在一定的缺陷或误差[9-11]，临床迫切需要行之有效、重复性好、可长期动态监测的呼吸功能指标。

咳嗽作为呼吸系统最常见的症状之一，是由膈肌等肌肉收缩产生声门下压力，并通过声门突然开启实现声道中强烈的气流冲击并伴有典型声音的过程[12-13]，一定程度上可反映患者的呼吸能力，是人体的一种保护措施。本研究拟探讨TCSCI患者早期咳嗽音的一般特征，并与呼吸肌力量指标最大吸气压力(maximal inspiratory pressure,MIP)、最大呼气压力(maximal expiratory pressure,MEP)作比较，探讨其用于评估TCSCI患者呼吸功能的可能性。

1 资料与方法

1.1 临床资料

选取2018年4月至2020年1月南部战区总医院骨科监护病区收治的29例成年TCSCI患者作为TCSCI组，并随机选取同时期收治的26例非TCSCI患者作为对照组。记录2组患者年龄、体质量、身高以及所患基础疾病等基线数据，并分析TCSCI组患者治疗过程，记录TCSCI组患者ASIA分级、损伤节段以及呼吸衰竭发生情况。

TCSCI组患者纳入标准：①急性创伤，经影像学及临床症状和体征证实存在颈脊髓损伤；②不存在其他影响呼吸功能的疾病和外伤；③年龄≥18岁。TCSCI组排除标准：①慢性颈髓损伤；②非创伤；③ICU停留时间少于1 d。对照组患者纳入标准：①无急性、慢性颈脊髓损伤的腰椎间盘突出、四肢骨折；②不存在其他影响呼吸功能的疾病和外伤；③年龄≥18岁。对照组排除标准：①可疑神经功能受损；②存在慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)、重度贫血等影响呼吸功能的疾病。本研究符合医学伦理学标准，经我院伦理委员会讨论批准，所有治疗取得患者或家属同意。

1.2 咳嗽音采集

咳嗽音采集前，先对患者进行咳嗽示范及训练，嘱患者卧位深吸气，再迅速咳嗽，如此反复3次，使之适应采集过程；而后休息1 min，将咳嗽音采集器置于患者口腔前方20 cm处，确保周围环境安静、无噪音干扰，嘱患者咳嗽，采集约15 s音频。

1.3 床边肺功能仪记录MIP及MEP

使用COSMED便携式肺功能仪Pony FX(COSMED Corp,Rome,Italy)进行记录，记录前先进行5 min适应性训练，嘱患者深吸气，暂停，再用力呼出；含住Y型接口一端，再次深吸气，暂停，呼出，待患者适应后，堵住Y型接口另一端，肺功能仪即可记录呼气压力。吸气压力同此法，嘱患者深呼气，暂停，再用力吸气；含住Y型接口一端，再次深呼气，暂停，吸气，待患者适应后，堵住Y型接口另一端，得到吸气压力。上述步骤重复3次，记录测量所得最佳值为MIP和MEP。

1.4 音频资料分析

将录制好的音频资料导入分析系统得到波形后，筛选出波形最佳的咳嗽音，分析最大强度、平均强度、持续时间、有效声压、声压级等声音属性。再依据Umayahara等[14]报道的算法，使用咳嗽峰声压级估算出咳嗽峰值流量(cough peak flow,CPF)。采用本课题组自主研发的咳嗽音评分算法，即将咳嗽信号划分为[100 HZ，250 HZ)、[250 HZ,600 HZ)、[600 HZ,1 200 HZ)、[1 200 HZ,2 000 HZ)、[2 000 HZ,2 500 HZ)、[2 500 HZ,3 300 HZ)6个不同的频段，计算各频段能量的均值和方差，再通过不同权重的线性组合得到1个表示咳嗽信号频率分布情况的值，进而衡量咳嗽强度，得到咳嗽音评分。

1.5 统计学分析

2 结果

2.1 患者基线资料情况

对照组最终纳入26例患者。TCSCI组最终纳入29例患者，患者损伤节段C2有3例，C3有7例，C4有7例，C5有11例，C6有1例；神经功能损伤ASIA分级A级10例，B级4例，C级5例，D级10例；咳嗽音采集距离患者受伤的中位时间为2 d；16例(55.17%)患者因发生呼吸衰竭而使用呼吸机治疗。2组患者基线资料比较，差异均无统计学意义(P>0.05)，见表1。

表1 患者基线情况比较

2.2 MIP、MEP、咳嗽音指标比较及相关性分析

TCSCI组患者MIP、MEP、CPF、最大强度、平均强度、有效声压、声压级均低于对照组(P<0.01)，咳嗽音评分高于对照组(P<0.01),见表2。咳嗽音指标与MIP、MEP相关性分析结果显示：咳嗽音评分与MIP、MEP呈负相关(P<0.01)；CPF、最大强度、平均强度、有效声压、声压级与MIP、MEP呈正相关(P<0.01)，见表3。

表2 咳嗽音指标比较

表3 咳嗽音指标与MIP、MEP的相关性

2.3 咳嗽音指标对TCSCI患者呼吸衰竭的预测价值

以TCSCI组是否发生呼吸衰竭作为结局，通过ROC曲线分析得出咳嗽音评分具有很好的预测准确性，AUC为0.745，截断值为6.880，95%CI：0.564～0.926，P=0.025，敏感度为87.5%，特异度为53.8%，见表4、图1。

表4 咳嗽音各指标的截断值及AUC比较

图1 咳嗽音各指标预测TCSCI组是否使用呼吸机的ROC曲线分析

3 讨论

TCSCI会引起呼吸肌无力，进而影响呼吸功能，严重者甚至危及生命。有研究表明，呼吸功能的好坏往往决定患者的预后[15-16]。早期是否应预防性使用气管插管、气管切开等治疗手段一直存在争议[17]，其原因主要在于缺乏对呼吸功能的早期、客观、准确的评价指标[11]。目前临床常用的呼吸功能检测手段为肺功能仪，但TCSCI患者不便于长期动态监测。因此，临床急需新的普适性更强的检测手段。

声音的形成需要气流与声带的振动以及其他器官的参与，因此，声学参数一定程度上能反映患者的呼吸状况，特别是动力方面的因素。国外有学者发现，创伤性脊髓损伤患者发声参数改变的原因主要是肺活量的减少[10]。咳嗽是人体的一种保护措施，对于TCSCI患者而言，咳嗽能力的好坏往往决定着坠积性肺炎的发生情况，且能反映气道廓清能力。呼吸肌力量是指呼吸肌的最大收缩能力，MIP、MEP是其主要监测指标；从成因上分析，咳嗽音的强弱与呼吸肌力量具有相关性。

本研究纳入29例TCSCI患者，伤情与目前国内的研究基本相符[18-19]。采集咳嗽音距离患者受伤的中位时间为2 d，能够准确反映TCSCI患者早期的咳嗽及呼吸状况。对照组基本排除了影响呼吸功能的相关因素，可以反映正常咳嗽音及呼吸状况。通过对比分析发现，2组患者基线资料情况均衡可比；且进一步分析发现，TCSCI组中位MIP、MEP明显低于对照组，且低于既往文献报道的数值[20-21]，原因可能为：本研究是在急性期卧位状态下采集的数据，而以往的研究报道的多为康复期坐位数据，采集时机及体位因素也可能导致MIP、MEP偏低。基于体位因素，类似肺活量、用力肺活量、最大通气量和第1秒用力呼气容积与用力肺活量的比值等常用肺功能指标，因在TCSCI患者中采集困难或易造成二次损伤，故未进行比较，而MIP、MEP相对比较容易获得，也能很好反映呼吸肌力量的强弱而被纳入本研究。

本研究选取了强度、声压及声压级等咳嗽音声学指标，其中强度包括最大强度和平均强度，是通过软件获取采集咳嗽音信号幅值的最大值和平均值；声压是定量描述声波的物理量，日常所说的声压和一般电子仪表所测得的声压都是有效声压；声压级是把有效声压与基准声压之比取对数。本研究中，TCSCI组患者强度、声压、声压级都显著低于对照组，主要是因为相同时间内TCSCI组患者通过声门的气体量少，即患者呼气量缺失，从而导致声音强度不够，即呼吸肌力量薄弱。各项咳嗽音指标中，2组患者持续时间差异无统计学意义，说明TCSCI组患者完成咳嗽的动作存在，但是相同时间通过声门的气体量显著不足，导致2组声压等指标的显著差异，从侧面说明TCSCI组患者呼吸肌力量薄弱。

CPF也是常用的评价咳嗽强度的指标，是将咳嗽峰声压级通过Umayahara等[14]提出的算法进行估算获得；咳嗽音评分是本研究基于患者咳嗽音频段缺失严重程度或者分布集中程度而提出的新算法。在本研究中，TCSCI组CPF低于对照组，咳嗽音评分高于对照组，CPF越低说明咳嗽强度越弱，咳嗽音评分越高提示强度越弱。进一步相关性分析发现，强度、声压及声压级与MIP、MEP呈正相关，咳嗽音评分与MIP、MEP呈负相关。无论是咳嗽音本身的声学指标，还是通过算法获得的CPF和咳嗽音评分，都显示出与MIP、MEP的相关性。从测量难易度而言，咳嗽音指标优势明显，具备替代MIP、MEP的潜力，并且可扩展应用于其他疾病。

TCSCI患者常因呼吸肌乏力出现呼吸衰竭，而需要进行机械通气治疗，准确评估和预判呼吸功能以及良好的气道管理能有效改善患者预后[22-23]，但是关于机械通气的时机、是否需行气管切开还一直存在争议,缺乏有效的预警指标也是存在争议的原因之一[4]。鉴于咳嗽音指标在TCSCI组与对照组之间存在显著差异，我们尝试用ROC曲线分析咳嗽音指标预测TCSCI患者是否会发生呼吸衰竭的价值，结果显示咳嗽音评分具有较好的预测准确性，AUC达0.745，截断值为6.880，敏感度达87.5%，特异度达53.8%。咳嗽音评分在几个指标中显示出了较高的预测准确性，可提前预警呼吸衰竭的发生，便于尽早干预。

本研究部分TCSCI患者因损伤节段较高，神经功能受损严重，需要抢救插管，因而无法采集咳嗽音而被排除,导致纳入患者的样本较小；此外，本研究为单中心研究，但可作为大样本多中心研究的参考。

本研究发现，TCSCI患者咳嗽音指标发生了显著改变，且与反应呼吸肌力量的MIP、MEP存在相关性，具有进一步研究的价值和意义。本研究自主提出的咳嗽音评分对预测TCSCI患者是否发生呼吸衰竭具有较高的准确性，可为临床决策提供依据。