周 銘，丁常偉，白 雪，毛 攀

吞咽功能是人體消化系統(tǒng)運輸食物必不可少的生理活動，整個吞咽過程是由多種肌肉和神經參與的精密機制[1]。吞咽困難是指吞咽過程受阻的一類疾病，其主要病因包括卒中、神經源性疾病、消化道正常結構的破壞或機能的喪失[2，3]。 據(jù)文獻報道，吞咽困難將導致機體脫水、營養(yǎng)不良、吸入性肺炎等嚴重結果。在老年人群體中，患有吞咽困難的病人由于食物誤吸入氣道而導致肺炎的概率大大提高[2]。

為了提升吞咽困難病人的生存質量，多種臨床方案被運用于吞咽困難的治療，其中包括食材控制的飲食方案[4]。飲食方案中有一種增稠飲料，有實驗對不同物理性質的增稠流體進行研究，發(fā)現(xiàn)通過增加流體的黏度，尤其是非牛頓力學流體中的剪切變稀流體（形變越小，該流體流動的黏度越大），可以使吞咽困難病人在吞咽該流體食物時， 流體發(fā)生形變的可能性減少，從而降低發(fā)生食管誤吸的概率[4～6]。 雖然，這類增稠食物被初步認為是一種可行有效的飲食材料，但是該增稠物質在人體吞咽口腔期的流體速度、傳輸時間等性質，以及對于運用超聲多普勒方法來對流體在吞咽口腔期的監(jiān)測與評估的可行性方面依然不是十分明確，這就需要進一步的實驗研究。

筆者實驗研究的目的是選擇不同種類的牛頓力學流體和非牛頓力學流體，使它們分別流過模擬人體吞咽過程的體外模型，并用超聲儀器測定它們流過體外模型時的速度及傳輸時間，從而可以了解到流體的種類性質對流速和傳輸時間的影響。通過與運用攝像視頻拍攝方法獲得的流速值對比，可以對超聲所測得的流速值的可信度進行評估。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與儀器

1.1.1 實驗流體

所使用的牛頓力學流體包括有水（蒸餾水）、體積分數(shù)分別為93%和96%甘油（丙三醇）水溶液。 其中水里添加纖維素粉末，目的是為了增加流體對聲波的散射。使用的非牛頓力學流體包括了體積分數(shù)分別為1.2 %、2.4 %和3.6 % TUC（thicken up clear）水溶液。TUC 是一種由雀巢公司出品的快速增稠劑， 被用于增加吞咽困難病人的飲品黏稠度。 TUC 的主要成分為黃原膠（xanthan gum），以顯著的假塑性為特征。 在低剪切力的流體中，通過高分子聚合物內部折疊纏繞及氫鍵形成，可以使得流體的黏度增加[7～9]。實驗室溫度控制在（22±1）℃。

1.1.2 超聲儀器

彩色多普勒超聲（Mindray z5），使用超聲凸陣探頭（型號為65C15EA，中國），探頭頻率為5 MHz。 另一種是A 型超聲（GAMPT-scan，德國），探頭頻率為5 MHz。

1.1.3 吞咽模型

劍橋咽喉模型（Cambridge throat）最早于2013 年設計，隨后于2015 年改進，通過模擬人體吞咽功能從而評估增稠流體在吞咽過程中的物理行為變化[10～12]。實驗主要使用此類模型，并有一定程度的修改。 見圖1 所示，頂部的弧形硬壁類似于人體口腔鄂部。 固定于旋轉中心的旋轉桿臂上安裝一個小滾輪（小滾輪與頂壁留有2 mm 空隙）， 類似于口腔內推動食團的舌部。 一條由塑料薄膜制成的透明薄軟管貼在頂部壁上，可以容納流體，類比于口腔容量。旋轉桿臂上懸掛砝碼， 用針筒將特定容積的流體注入薄管的開口處，當拔出啟動別針時，砝碼因重力作用拉動旋轉桿臂并由滾輪推動軟管內的流體快速通過并排出模型外。上述整個過程模擬的就是人體吞咽的口腔期。通過更換不同質量的砝碼，來代表不同程度的舌肌推動力。 與此同時，整個過程會用高速攝像機拍攝儲存，后期運用計算機軟件進行速度量化分析。

圖1 第一種吞咽體外模型、第二種吞咽體外模型和其滾輪局部觀Fig.1 Images of first swallowing model,second swallowing model and roller local view of swallowing model

在第一種吞咽體外模型中 （圖1A）， 探頭（65C15EA）和多普勒A 型探頭分別以60°和53°的切度角裝入模型，探頭傾斜均迎向流體方向，通過耦合劑與薄膜管道緊貼。 第二種吞咽體外模型（圖1B）僅使用一個探頭（65C15EA），切度角為60°。

1.2 方法

1.2.1 第一種吞咽體外模型實驗

采用蒸餾水、體積分數(shù)為93%和96 %甘油（丙三醇） 水溶液和體積分數(shù)分別為1.2%、2.4%、3.6%的TUC 水溶液。放在滑輪桿臂上的砝碼質量為200 g。每次轉動實驗的溶液體積是6 mL。 每種流體實驗20次。 取樣線置于圖像中央，取樣門寬設置為4 mm，取樣夾角為60°。 凸陣探頭下流體實驗過程多普勒頻譜超聲顯示見圖2、3。 對于A 型超聲探頭，電壓被校準成流速值，并作出流速和時間曲線。 食團通過薄膜管道的過程將由每秒150 幀的攝像機錄制儲存。運用計算機軟件ImageJ 和MATLAB 編碼軟件可以計算出視頻中滾輪（追蹤標記）的速度。

圖2 流體通過薄管超聲所示流程的聲像圖Fig.2 Flow sonography of fluid by thin tube ultrasonic

圖3 在圖2 基礎上加上彩色多普勒的聲像圖Fig.3 Ultrasonography of color Doppler based on Figure 2

1.2.2 第二種吞咽體外模型實驗

采用蒸餾水、體積分數(shù)93%和96%甘油（丙三醇）水溶液和體積分數(shù)為1.2%、2.4%、3.6%TUC 水溶液。 施加于滾輪的砝碼質量分別是100 g、50 g。 每輪實驗的溶液體積6 mL。 每種流體將運行20 次。 探頭將放置在模型的頂端，切度角為60°。

1.2.3 分析指標

第一種吞咽體外模型：①檢驗由凸陣探頭多普勒頻譜探測出的流體最高流速和通過攝像機計算出的最高流速的相關一致性；攝像機視頻后處理時，使用ImageJ 軟件標記滾輪通過凸陣探頭的時刻（也可以被認為是流體尾部通過探頭的時刻，也就是流體產生峰值流速的時刻）并測算該處的正切角速度，即流體的峰值流速；②比較凸陣探頭多普勒頻譜測得流體的最高流速與A 型探頭測得的最高流速的差異性； ③對凸陣探頭測得流體的多普勒頻譜特征進行描述分析。

第二種吞咽體外模型：①比較實驗流體在100 g、50 g 砝碼推動下傳輸時間的差異性（由多普勒頻譜探測得出）； ②對兩種質量砝碼作用下凸陣探頭測得流體的多普勒頻譜的特征進行比較分析。

1.3 統(tǒng)計學方法

采用SPSS 21.0 軟件進行數(shù)據(jù)處理。 所有數(shù)據(jù)的正態(tài)性檢驗采用Shapiro-Wilk 檢驗。第一種吞咽體外模型中，由凸陣探頭多普勒頻譜測出的最高流速與通過攝像機計算出的最高流速數(shù)據(jù)采用組內相關系數(shù)（intraclass correlation efficient，ICC） 檢驗。 ICC 評級為：差（0.00 ～0.20），一般（0.20 ～0.40），良好（0.40 ～0.75），優(yōu)秀（0.75 ～1.00）。 凸陣探頭多普勒頻譜測出的最高流速與A 型探頭測得最高流速數(shù)據(jù)采用獨立樣本t 檢驗。 第二種吞咽體外模型中， 在100 g、50 g砝碼推動下測得的傳輸時間數(shù)據(jù)采用獨立樣本t 檢驗。 P ＜0.05 為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 第一種吞咽體外模型的結果

6 種流體的最高速度值（20 次平均值）見表1、2。由凸陣探頭多普勒頻譜探測出的各流體最高流速和通過攝像機計算出的最高流速ICC 均顯示相關一致性較好（ICC>0.75）。 凸陣探頭多普勒頻譜測出的各流體最高流速均高于A 型探頭測得的最高流速，差異有統(tǒng)計學意義（P<0.05）。

表1 6 種流體在凸陣探頭多普勒頻譜、攝像視頻測得最高流速、ICC 比較Tab.1 Comparison the maximum flow rate and ICC of 6 fluids between convex array probe Doppler spectrum and video

表2 6 種流體在A 型超聲、凸陣探頭多普勒頻譜測得最高流速比較Tab.2 Comparison of the highest velocity of 6 fluids between mode A ultrasound and convex array probe Doppler spectrum

牛頓力學組流體在實驗滾輪未啟動前，3 種流體可發(fā)現(xiàn)有少量液體滲漏自行流出的情況，以黏度系數(shù)最低的水最為常見（此類情況需要重新裝置流體，盡力壓閉流體前緣處薄膜，確保無流體滲出，再進行實驗）。 而非牛頓力學組的流體均未發(fā)現(xiàn)此類情況。

為了便于論述， 以體積分數(shù)3.6%TUC 水溶液（非牛頓力學液體） 凸陣探頭測得的多普勒頻譜作為例子進行描述。頻譜代表了流體通過探頭時其流速的變化（圖4A）。由于砝碼的重力作用，滾輪推動流體的速度逐漸增加。這在流速頻譜中表現(xiàn)為一個上升的坡度，然后流速到達頂峰。 其峰值流速可以認為是流體末端觸及滾輪探頭時所致。當整個流體長度全部流過探頭掃查點后， 探頭將不能探測到多普勒頻移信號，因此在頻譜上流速表現(xiàn)為驟降。由于滾輪撞擊終止點而產生的振動及滾輪自身觸及超聲探頭后產生的多普勒信號都將會產生兩個流速峰值或是信號干擾（圖4B、C），左側顯示雙峰頻譜，右側在第一峰值后又出現(xiàn)一個小波峰，為信號干擾。

圖4 3.6%TUC 水溶液（第一種吞咽體外模型，砝碼質量100 g）凸陣探頭測得的多普勒頻譜Fig.4 Doppler spectra images of 3.6%TUC solution(first swallowing model with 100 g mass)measured by convex array probe

3.6 %TUC 水溶液通過A 型超聲探頭的流速值隨時間變化曲線（圖5）。 圖中3 種顏色分別代表實驗20 次其中3 次結果較佳。 從圖形中可以看出，信號形態(tài)與凸陣探頭測得的超聲多普勒頻譜形態(tài) （圖4）類似。

圖5 由A 型超聲測得的3.6%TUC 水溶液的速度隨時間變化曲線Fig. 5 Velocity-time curve of 3.6 % TUC solution measured by A-mode ultrasound

2.2 第二種吞咽體外模型的結果

在100 g、50 g 砝碼推動下測得各流體的傳輸時間（20 次平均值）見表3 所示。 在50 g 砝碼推動下測得的傳輸時間均大于100 g 砝碼推動下測得的傳輸時間，差異有顯著統(tǒng)計學意義（P<0.01）。 在50 g 砝碼作用下，可發(fā)現(xiàn)非牛頓力學流體傳輸時間均比牛頓力學流體要稍短。

表3 6 種流體在砝碼100 g、50 g 作用下傳輸時間值比較Tab.3 Comparison of transmission time values of 6 fluids between 100 g mass and 50 g mass

為了便于論述，以體積分數(shù)93%甘油（丙三醇，牛頓力學流體）水溶液為例進行頻譜特征描述。 圖6顯示在100 g、50 g 砝碼作用下， 體積分數(shù)93%甘油水溶液通過探頭的多普勒頻譜。 可以發(fā)現(xiàn)，更大質量的砝碼可以產生更大的推力，從而縮短流體通過并排出模型的總時間，因此在多普勒頻譜上顯示時間范圍的跨度較小，峰值流速出現(xiàn)的時間也較早。

圖6 93%甘油水溶液通過第二種吞咽體外模型（左側為100 g 砝碼，右側為50 g 砝碼）的多普勒頻譜Fig.6 Doppler spectra images of 93%glycerol solution(second swallowing model,left with 100 g mass and right with 50 g mass)measured by convex array probe

3 討論

吞咽困難可以出現(xiàn)在任何年齡群，但以老年人多見[2]。 臨床處理吞咽困難的主要目的是防止食物誤吸入氣管[2]。 在對病人的吞咽功能可行的各類檢查方法中，X 射線食管造影透視和纖維內鏡由于能夠直接全面地觀察和評估吞咽過程和消化道解剖結構，因此通常被認為是消化道檢查的金標準[3]。 然而這兩種方法都為有創(chuàng)檢查，X 射線透視還存在對病人造成電離輻射損害的風險[3]。相較而言，超聲具有便攜、實時、無電離輻射的特點，被越來越多的研究證實對吞咽困難的評價和治療具有相當大的協(xié)助作用[14～16]。

在以往運用體外劍橋模型研究吞咽口腔期的文獻中，通常通過視頻分析軟件計算得出流體速度并比較分析[10，12]。筆者研究的第一種吞咽體外模型中，首次將劍橋模型與超聲結合起來，由凸陣探頭測得各流體溶液的最高流速與通過視頻分析獲得的最高流速相比較，發(fā)現(xiàn)其數(shù)值相關一致性較好，說明運用超聲多普勒頻譜測量吞咽模型中不同的流體速度是相對可靠的方法。 另外，通過比較兩種不同位置探頭測得的最高流速值，可以發(fā)現(xiàn)用Mindray z5 凸陣探頭測得的各流體峰值流速均要高于A 型超聲測得的峰值流速。 這是由于A 型超聲探頭放置的位置要高于Mindray z5 探頭，流體在通過Mindray z5 凸陣探頭時流速會因為砝碼的重力加速度作用而顯著增高。這也進一步證明，在正常人體吞咽口腔期，由于舌肌的推動作用，食物行進速度是一個不斷加速的過程。 因而在臨床檢查中，運用超聲多普勒頻譜可以針對吞咽口腔期的流體加速過程進行很好地分析評估。

在第一種吞咽體外模型中，可以發(fā)現(xiàn)，無論牛頓力學流體還是非牛頓力學流體，最高流速都會隨著甘油和TUC 水溶液濃度的增高而減低。 較高濃度意味著流體黏度增高，這會使?jié)L輪推動流體通過薄膜管道的阻力加大，流速因此減低[12]。 另外，筆者發(fā)現(xiàn)，牛頓力學流體，在實驗滾輪未啟動前，有時可見有少量液體滲漏自行流出， 這就需要重新裝置流體進行實驗。相反，在非牛頓力學流體中，由于其流體特性，即在低剪切力作用下其黏度增大，均未發(fā)現(xiàn)滾輪啟動前有液體自行滲漏的情況。 有文獻報道，在吞咽障礙的病人中可以發(fā)現(xiàn)舌肌未推動流體類食物前，小部分食物自行滑入咽喉部的情況，而此現(xiàn)象將明顯增加氣管誤吸的風險[12，13]。 因此，筆者研究也進一步證實，非牛頓力學流體相較于牛頓力學流體在預防吞咽過程中氣管誤吸方面具有更好的安全性。

有文獻指出，舌肌推力減弱導致的流體傳輸時間增加即流體在口腔滯留時間延長，在吞咽障礙的病人群體中較為常見[13]。有文獻運用超聲針對吞咽過程中的咽喉期的舌骨移動度、頦舌骨肌的改變進行研究[13，16]。但是少有文獻論及吞咽口腔期不同流體（包括牛頓力學流體和非牛頓力學流體）的超聲多普勒頻譜的比較研究。筆者研究中的第二種吞咽體外模型使用兩種不同質量的砝碼，來模擬舌肌不同推動力作用下的吞咽口腔期過程。 結果顯示，不論牛頓力學流體還是非牛頓力學流體，在50 g 砝碼推動下較之100 g 砝碼時的傳輸時間均顯著延長，與以往文獻結果相符[12，13]。 另外，可以發(fā)現(xiàn)，在50 g 砝碼作用下，非牛頓力學流體傳輸時間比牛頓力學流體要稍短，原因可能是因為非牛頓力學流體在加速過程中形變逐漸加大，其黏度逐漸減小、阻力亦隨之減小的緣故。由此可以推論出，在舌肌推力減弱的情況下，非牛頓力學流體具有更高的安全性。

筆者研究也有局限性。 選擇實驗的溶液種類（牛頓力學和非牛頓力學）較少，同時也未將實驗運用在人體上驗證，這需要今后進一步的研究來完善。

4 結論

在筆者研究實驗中，運用體外吞咽模型探索超聲探頭測量的流體速度與視頻追蹤法測得的流體速度之間的關聯(lián)，同時對非牛頓力學流體在吞咽過程中的安全性進行驗證。 研究的初步結論是，多普勒超聲是在流體模型中測量流體速度、 傳輸時間的有效方法，非牛頓力學流體在預防吞咽氣管誤吸方面、舌肌減弱的情況下更具有安全性。 由此在后續(xù)的研究中，可將此方法運用于患有吞咽困難的病人的評估中。