CC BY
86
АКУСТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА БРОНХИАЛЬНОЙ ОБСТРУКЦИИ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ТРАХЕАЛЬНЫХ ШУМОВ ФОРСИРОВАННОГО ВЫДОХА
Коренбаум В.И., Почекутова И.А., Костив А.Е., Тагильцев А.А.
Тихоокеанский океанологический институт ДВО РАН, [email protected]
Шумообразование трахеальных шумов форсированного выдоха (ФВ) исследуется с целью поиска акустических признаков бронхиальной обструкции (БО). Разработана статистическая модель, описывающая шумообразование свистов ФВ за счет срыва вихрей на бифуркациях бронхиального дерева. Разработана регрессионная модель зависимости продолжительности шумов ФВ от биомеханических и антропометрических характеристик. Разработаны новые алгоритмы оценки параметров сигналов (продолжительность шумов, перераспределение продолжительностей в полосах частот). Эти алгоритмы проверены на выборке здоровых молодых мужчин и больных бронхиальной астмой (БА). Чувствительность акустического метода у больных БА со спирографическими изменениями не отличалась существенно от спирографии. Чувствительность метода у больных со спирографически негативной БА составила 76%, при специфичности 88%. Разработанный метод может быть использован не только для диагностики клинически значимой БО, но и для скрининга скрытой БО. Метод применен в водолазной физиологии для выявления преходящей БО, вызванной токсическим действием кислорода.
Форсированный выдох (ФВ) - дыхательный маневр, при котором после полного вдоха выполняется резкий и максимально полный выдох. Обжатие дыхательных путей при ФВ представляет собой нагрузку, на фоне которой становятся заметными даже незначительные отклонения вентиляционной функции легких, и, прежде всего, нарушения бронхиальной проходимости (НБП), являющиеся признаком таких распространенных заболеваний, как бронхиальная астма (БА) и хронический обструктивный бронхит (ХОБ). ФВ используется при спирографическом исследовании вентиляционной функции легких (интегральные потоки и объемы).
Субъективное выслушивание дыхательных звуков (аускультация легких) с помощью стетоскопа, устанавливаемого на поверхность грудной клетки, известно с 1819 г. Одним из вариантов аускультации является выслушивание дыхательных звуков на трахее [1]. Потенциальная простота, удобство и безопасность метода вдохновляли многих исследователей. Однако, до сих пор не удавалось разработать достоверную диагностическую процедуру, что, видимо, связано с недостаточной изученностью происхождения трахеальных шумов ФВ и их связей с физиологией дыхания.
Цель исследования состоит в уточнении физической картины шумообразования ФВ и поиске акустических признаков НБП.
Разработана акустическая аппаратура, которая содержит акустический датчик (электретный микрофон со стетоскопической насадкой), подключаемый к портативному компьютеру, и специализированное программное обеспечение. Акустический датчик устанавливается сидящему пациенту на область гортани, накладывается носовой зажим. После инструктирования пациент выполняет маневр ФВ. Ввод сигналов в компьютер осуществляется через микрофонный вход звуковой карты. Обработка сигналов выполняется с помощью разработанных алгоритмов. Амплитудно-частотная характеристика реального микрофона корректируется при цифровой обработке.
Разработана полуэмпирическая акустическая модель, с помощью которой шумы ФВ, регистрируемые над трахеей, разделены по своему происхождению на аэродинамические (шумы турбулентного пограничного слоя, турбулентного потока, срыва вихрей) и автоколебательные (осцилляции смыканий тканей слизистой оболочки бронха). Выделены предположительно значимые для диагностики НБП акустические параметры ФВ: продолжительность шумового процесса, продолжительность среднечастотных узкополосных шумов (свистов) ФВ,
появление высокочастотных свистов ФВ. На основе экспериментальных данных разработана качественная акустико-биомеханическая модель ФВ, позволившая связать эти параметры со степенью механической неоднородности легких.
Разработана статистическая модель шумообразования свистов ФВ. На основе анализа спектрограмм дыхательных шумов ФВ по группе здоровых лиц оценены основные частоты свистов. Выполнена статистическая оценка взаимосвязи основных частот свистов, стандартных спирографических характеристик объемного расхода воздуха и среднестатистических диаметров бронхов (до 7-й генерации ветвления) с учетом их обжатия при функциональном экспираторном стенозе, сопровождающем ФВ. Показано, что доминирующим механизмом шумообразования среднечастотных (400 - 600 Гц) свистов в первой половине ФВ является срыв вихрей на бифуркациях главных и долевых бронхов. Условия для реализации механизма динамического флаттера возможны только в более удаленных генерациях бронхиального дерева. Высокочастотные (700-1000 Гц) свисты в первой половине ФВ преимущественно определяются механизмом срыва вихрей на бифуркациях бронхиального дерева от 3-й до 7-й генераций ветвления бронхиального дерева. Высокочастотные свисты в конце ФВ не могут быть объяснены рассмотренными аэродинамическими механизмами.
Разработана регрессионная модель взаимосвязи продолжительности шумов ФВ с такими биомеханическими параметрами как форсированная жизненная емкость легких, экспираторное сопротивление, максимальное экспираторное давление. Переход от биомеханических параметров к их антропометрическим коррелятам позволил получить регрессионную модель, связывающую продолжительность шумов ФВ с окружностями грудной клетки при спокойном дыхании и максимальном вдохе.
На основе описанных моделей разработаны оригинальные способы обработки сигналов трахеальных шумов ФВ и алгоритмы оценивания акустических параметров, имеющих диагностическую ценность. Прежде всего, это продолжительность шумового процесса (Т). Разработаны алгоритм и программное обеспечение в среде Ма1ЬаЬ, которые обеспечивают объективную полуавтоматическую оценку продолжительности шумов ФВ по уровню 0,5 % от максимального значения амплитуды огибающей сигнала. Начало шумового процесса ФВ выделяется программой автоматически, а при распознавании окончания процесса предусмотрена возможность интерактивного выбора номера корня решения из генерируемых программой вариантов. Объективная оценка параметров узкополосных свистов ФВ представляет значительные сложности вследствие их нестационарности. Предложен метод оценивания спектрально-временных параметров, связанный с определением отношения продолжительностей шумового процесса (кТ) в низкочастотной (200 - 600 Гц) и высокочастотной (1200 -1600 Гц) областях, менее критичный к нестационарности сигнала [2].
В качестве клинической апробации мы провели сравнительный анализ значений Т в однородных по возрасту и полу группах здоровых некурящих лиц (52 чел.) и больных БА (45 чел.), представленных мужчинами в возрасте 16-24 лет. Критериями включения в обследуемую группу больных БА являлись: снижение ОФВ1, ОФВ1/ФЖЕЛ, положительная бронходилятационная проба, суточная вариабельность ПОС > 20%. Никто из больных БА на момент обследования не получал базисную противовоспалительную терапию. Короткодействующие бета2-агонисты не применялись в пределах 8 часов до начала обследования. Обследуемые группы значимо не различались по возрасту, росту и массе тела. В то же время выявлены существенные различия между группами по Т (р < 0.0001), также как и по всем анализируемым показателям спирометрии. Величина Т оказалась существенно большей у больных БА.
В результате использования ROC-анализа в качестве порога, разделяющего норму и патологию выбрано значение T = 1.78 с. При этом чувствительность акустического метода диагностики составила 86.7 %, специфичность - 86.5 %. Чувствительность спирографических показателей (ОФВ1 и/или ОФВ1/ФЖЕЛ) составила 86.7%, специфичность - 100 %. Таким образом, чувствительности акустического и спирографического методов значимо не различаются. Специфичность спирографии оказалась выше (p = 0.004). Поскольку соотношение между чувствительностью и специфичностью диагностического теста зависит от выбранного порога и может варьироваться в зависимости от поставленной задачи, целесообразно сравнить площади под ROC-кривыми. Значимых различий между площадью под кривыми T, ОФВ1%, ОФВ1/ФЖЕЛ выявлено не было (p=0.2-0.4). Это свидетельствует о сопоставимости диагностических характеристик разработанного акустического метода и традиционной спирографии в выявлении клинически значимой обструкции. В то же время акустический метод проще в осуществлении и полностью исключает возможность перекрестного воздушно-капельного инфицирования обследуемых (проблема весьма актуальная для спирографии). Однако эти результаты получены только для одной возрастно-половой группы (мужчины 16-24 лет). Для широкого использования акустического метода необходимо определение пороговых значений параметра T в других возрастно-половых группах. При этом межиндивидуальная вариабельность T высока (коэффициент вариации достигает 18%). В чем же причина высокой межиндивидуальной вариабельности этого акустического параметра?
Первая причина - это взаимосвязь T с окружностями грудной клетки. На обучающей выборке из 32 здоровых молодых мужчин путем регрессионного моделирования разработан метод нормирования T на индивидуальные антропометрические параметры Tn = (Т*105*0Г19'465)/(1.528*0Г211476), где ОГ1 -окружность грудной клетки при спокойном дыхании, ОГ2 - при максимальном вдохе. Для здоровых Tn представляет собой оценку эквивалентного экспираторного сопротивления бронхиального дерева при ФВ. Для больных Tn отражает превышение продолжительности шумообразования по сравнению с пороговой величиной, прогнозируемой по нормальному индивидуальному значению экспираторного сопротивления бронхиального дерева и, следовательно, может использоваться для диагностики. Вторая причина высокой межиндивидуальной вариабельности T в значительной степени (до 49 %) может быть связана с индивидуальными изменениями соотношения размеров проводящих дыхательных путей и легочной паренхимы в популяции. Способы нормирования на это соотношение пока неизвестны.
Разработанные акустические параметры (Tn, kT) были использованы в клиническом эксперименте. Известно, что у больных с легким течением бронхиальной астмы (БА) в фазе ремиссии спирографические показатели часто не отклоняются от нормы. Более чувствительные, но дорогие и ограниченно распространенные методы (бодиплетизмография, КТ высокого разрешения, МРТ с контрастными газами) выявляют у некоторых из этих больных нарушения бронхиальной проходимости (НБП). Проведен сравнительный анализ акустических характеристик шума ФВ (Tn, kT) у больных с легким течением БА и здоровых лиц по контрольной выборке мужчин в возрасте 16-24 лет. Диагностические критерии: Tn > 7.7 или kT > 1.25. Чувствительность по группе из 22 больных БА, имеющих изменения на спирограмме, составила 95.5%. Специфичность по группе здоровых из 25 человек составила 88%. Чувствительность по группе из 25 больных БА, не имеющих изменений на спирограмме, составила 76%. Таким образом, разработанный метод оказывается перспективным для диагностики не только клинически значимого обструктивного синдрома, но и для скрининга НБП, которые
не выявляются традиционной спирографией.
Поученные результаты вдохновили авторов на применение разработанной технологии акустической диагностики НБП в водолазной физиологии. Водолазы, использующие снаряжение с дыхательными смесями, обогащенными кислородом, часто испытывают острую кислородную интоксикацию. Наиболее ранним ее проявлением, как правило, выступает легочная форма. Анализировалась динамика продолжительности шумов ФВ до и после погружения (Т2-Т1)/Т1*100% в сравнении с верхним 95% пределом усредненного коэффициента вариации продолжительности шумов (17%). Для ФЖЕЛ и ОФВ1 в качестве пределов вариабельности использовали 12% динамику этих параметров. При сравнении в фоновом режиме группы водолазов (54 чел.), с сопоставимой контрольной группой лиц (52 чел.), не занимавшихся водолазной деятельностью, выявлено отсутствие существенных различий основных спирографических показателей, что может быть объяснено небольшим стажем подводных погружений у водолазов, однако продолжительность трахеальных шумов ФВ в группе водолазов была значимо большей, чем в контрольной группе. При сравнении спирографических показателей по группе водолазов (48 чел.) до и после одиночного погружения обнаружено значимое снижение спирографических показателей ЖЕЛ, ФЖЕЛ, ОФВ1, МОС25, что свидетельствует о преходящем снижении ФВД у водолазов, использующих обогащенные кислородом дыхательные смеси, даже после одиночного погружения. После одиночного погружения у 13 водолазов из 48 (27 %) отмечено значимое увеличение продолжительности трахеальных шумов ФВ, свидетельствующее о развитии НБП. У 3 из этих 13 водолазов к концу погружения появились респираторные симптомы, а у 2 - и снижение спирографических показателей. Обнаружение у части (27 %) обследованных водолазов после одиночного погружения преходящих НБП может быть увязано с развитием субклинического воспаления слизистой бронхов и сопутствующего отека вследствие токсического действия кислорода либо развитием бронхоспазма вследствие ирритации окончаний блуждающего нерва с реализацией механизма бронхиальной гиперреактивности.
Исследования выполнены при финансовой поддержке грантов РФФИ 05-08-18171-а, 06-08-08069-офи.
1. Fiz J.A., Jane R., Izquierdo J., Homs A., Garcia M.A., Gomez R., Monso E., Morera J. Analysis of forced wheezes in asthma patients // Respiration. 2006;73(1):55-60.
2. Патент РФ 2304919. Коренбаум В.И., Костив А.Е., Почекутова И.А. Способ диагностики нарушений бронхиальной проходимости // БИПМ № 24, 27.08.2007.
ACOUSTICAL DIAGNOSTICS OF BRONCHIAL OBSTRUCTION BASED ON TRACHEAL FORCED EXPIRATORY NOISE ANALYSIS
Korenbaum V.I., Pochekutova I.A., Kostiv A.E., Tagiltsev A.A.
Pacific Oceanological Institute, Far Eastern Branch of RAS. [email protected]
Tracheal forced expiratory (FE) noises production is studied to reveal acoustic features capable for bronchial obstruction (BO) diagnostics. Statistic model of FE wheezes has been developed to explain their noise production mechanism, which is considered to be presumably vortexes shedding on bronchial tree bifurcations. Regression relationships between FE noise duration and biomechanical parameters or anthropometric parameters have been evaluated. New procedures of signal processing have been designed which are based on duration of signal and redistribution of durations in different wide-band frequency areas. These procedures have been tested in the sample of healthy young men and patients with bronchial asthma (BA). Sensitivities of acoustic and spirographic methods in BA patients with alteration of lung function are different nonsignificantly. While sensitivity of acoustic method in spirografically negative BA patients is near 76%. Specificity of acoustic method is 88 %. Thus acoustic method developed may be used either for diagnostics of clinically evaluated BO or hidden BO screening. The method has been applied for diving physiology purpose to reveal transitory BO associated with divers oxygen poisoning.
