CC BY
306
Вестник ДВО РАН. 2004. № 5
В.И.КОРЕНБАУМ, И.А.ПОЧЕКУГОВА, Ю.В.КУЛАКОВ, А.А.ТАГИЛЬЦЕВ, А.Е.КОСТИВ
Акустическая диагностика системы дыхания человека на основе объективного анализа дыхательных звуков
Аускультация легких, т. е. искусство выслушивания дыхательных и голосовых звуков, проведенных на стенку грудной клетки, имеет почти 200-летнюю медицинскую историю. Тем не менее до сих пор не удавалось объективизировать эту диагностическую процедуру, создать надежные акустические технологии, которые могли бы найти применение в современной медицинской практике. Полагают, что это связано с недостаточно ясным пониманием процессов формирования и распространения звуков в системе дыхания.
В результате предпринятых авторами исследований достигнут существенный прогресс в понимании акустики дыхательной системы человека. В предположении о взаимной маскировке акустических сигналов воздушного (по просвету дыхательных путей) и структурного (по тканям) проведения предложена акустическая модель распространения дыхательных звуков в респираторном тракте. Разработан оригинальный метод акустической интенсиметрии, который позволил впервые разделить спектральные составляющие воздушного и структурного проведения голоса и дыхательных шумов на грудную стенку. Существенно уточнена акустическая картина шумообразования дыхательных звуков. В частности, выяснено происхождение везикулярных звуков и свистов, в том числе при форсированном выдохе.
На основе разработанных моделей удалось предложить ряд новых методов акустической диагностики легких, выделить объективные признаки, потенциально обладающие диагностической значимостью.
Для осуществления предложенных методов разработана аппаратура в составе акустического датчика (для некоторых методов — с усилителем), подключаемого к звуковой карте портативного компьютера, и программных средств обработки/оценивания параметров регистрируемых сигналов. Аппаратура отличается простотой и доступностью.
Проводится клиническая апробация предложенных акустических методов. Высокие диагностические характеристики получены при обнаружении нарушений бронхиальной проходимости по шумам форсированного выдоха, выявлении пневмоний по соотношению воздушной и структурной составляющих проведения голосовых и перкуторных звуков на грудную стенку.
Полученные результаты позволяют в обозримом будущем надеяться на внедрение в практическое здравоохранение простой и совершенно безвредной для человека акустической технологии диагностики заболеваний легких.
The acoustical diagnostics of human respiratory system based on objective analysis of respiratory sounds.
V.I.KORENBAUM, I.A.POCHEKUTOVA, Yu.VKULAKOV, AA.TAGIL’TSEV, A.E.KOSTIV.
КОРЕНБАУМ Владимир Ильич - доктор технических наук, ПОЧЕКУТОВА Ирина Александровна -кандидат медицинских наук, КОСТИВ Анатолий Евгеньевич (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И.Ильичева ДВО РАН, Владивосток), КУЛАКОВ Юрий Вячеславович - доктор медицинских наук (Владивостокский государственный медицинский университет), ТАГИЛЬЦЕВ Александр Анатольевич (Институт физики и информационных технологий Дальневосточного государственного университета, Владивосток).
Lung auscultation or a skill of hearing of lung sounds transmitted to a chest wall has almost 200-years medical history. Unfortunately, it still defies all attempts of objectivization, that is superseding it with the implementation of the acoustic methods. It has been stated that the problem is caused by poor understanding the acoustical phenomena connected with noise production and transmission in human lungs.
On the basis of authors’ research the essential progress has been made in understanding the human respiratory acoustics. In supposition on mutual masking of air-born (through air lumen ofairways) and structure-born (through lung tissues) respiratory sound transmission the acoustic model of sound transmission in lungs has been hypothesised. New method of acoustic intensimetry has been developed. It provides discrimination between spectral components of air-born and structure-born sounds transmitted to a chest wall. Acoustical picture of noise production has been essentially detailed. In particular, an origin of vesicular sounds and wheezes including accompanying forced exhalation has been defined.
Base on developed models a number of new methods for acoustic pulmonary diagnostics has been proposed and new objective acoustic attributes having potential diagnostic value have been found.
In order to realise the methods designed the instrumentation has been developed. It consists of acoustic sensors (including an amplifier fo some methods), which are connected to a sound card of portable computer, and software for processing/estimating of recorded signal parameters. The instrumentation features by simplicity and availability.
Clinical testing of the acoustic methods is carried out. High diagnostic characterictics have been achieved in revealing the bronchial obstruction by means of forced expiratory noise analysis and detecting pneumonia by examination of relationship between air- and structure-born voice sound transmission.
The results obtained allowus to hope for introduction of new acoustic technology of pulmonary disease diagnostics in practical public health services in foreseeable future. This technology promises to be simple and completely harmless.
Несмотря на почти двухвековую историю выслушивания дыхательных звуков (аускультация легких) в медицине, эта диагностическая процедура остается более врачебным искусством, чем объективной наукой, до сих пор, хотя интенсивные исследования в попытках создания объективных акустических средств диагностики болезней легких проводятся как за рубежом, так и в нашей стране уже несколько десятилетий. В результате отставания в развитии объективных методов диагностики аускультация легких постепенно вытесняется из современной медицинской практики другими, более дорогими, сложными и не всегда безвредными диагностическими методами, например компьютерной рентгеновской томографией. В то же время простота, доступность и безвредность акустических методов диагностики легких продолжают привлекать пристальное внимание как медиков, так и специалистов в области акустики и биомедицинской техники. Тем более что заболевания легких выходят на ведущие позиции в качестве причин потери трудоспособности.
В чем же дело? Почему не удавалось разработать объективную акустическую технологию анализа дыхательных звуков? По мнению абсолютного большинства авторитетов в области респираторной акустики, а так называется отрасль физиологической акустики, исследующая дыхательную систему человека, это связано с недостаточно ясным пониманием процессов формирования и распространения звуков по системе дыхания [2, 3, 21, 25].
Авторы начали заниматься проблемами респираторной акустики чуть более 10 лет назад. В результате предпринятых исследований достигнут существенный прогресс в понимании акустики дыхательной системы человека.
Так, в предположении о взаимной маскировке акустических сигналов воздушного (по просвету дыхательных путей) и структурного (по тканям легкого) проведения на грудную стенку предложена акустическая модель распространения дыхательных звуков в респираторном тракте. Респираторный тракт может быть смоделирован двухрезонансной системой - узкой акустической трубой с резонансной крышкой. Она образована объемом воздуха в респираторных отделах легкого и грудной стенкой - так называемый акустический резонансный контур (АРК) [14, с. 29-73]. Как показано численными оценками [7, 9], собственная частота АРК лежит в диапазоне
100-150 Гц и зависит от воздухонаполнения легких и толщины грудной стенки. Таким образом, если в звуковой волне содержатся колебания данных частот, то происходит эффективное возбуждение вибраций грудной стенки, воспринимаемое стетоскопом или акустическим датчиком и характеризующее воздушное проведение.
Для частот, лежащих выше резонанса АРК, последний представляет собой акустическую границу с сосредоточенной массой, от которой происходит эффективное отражение плоской звуковой волны в обратном направлении. В процессе интерференции падающей и отраженной волн устанавливается стоячая волна. Поскольку акустическая система в данном частотном диапазоне представляет собой трубу с одним открытым, а другим закрытым концами [26], возможно существование четвертьволнового ряда собственных частот. Принимая во внимание разброс значений полной длины дыхательных путей взрослого человека (23-38 см), первая из указанного ряда частота - 1/4-волнового резонанса - находится в интервале 215-350 Гц. На этих частотах возбуждается стоячая волна, максимум звукового давления которой должен был бы лежать на закрытом конце трубы. Однако расхождение звуковой волны, падающей со стороны трахеи, и схождение волны, отраженной от грудной стенки, в ветвях бронхиального дерева создают эффект, напоминающий фокусировку, и вызывают появление максимума звукового давления в области главных бронхов и внутригрудного участка трахеи [9, 10]. Именно в этом районе происходит наиболее эффективное возбуждение структурного звука вследствие трансформации части энергии стоячей волны в цилиндрические пульсации стенок дыхательных путей, что хорошо согласуется с врачебным опытом. Далее цилиндрические волны распространяются по тканям, включая паренхиму легкого, к грудной стенке, где воспринимаются стетоскопом или акустическим датчиком и представляют структурный звук в общем механизме звукопроведения.
Удалось разработать оригинальный метод акустической интенсиметрии [10], который позволил впервые разделить спектральные составляющие воздушного и структурного проведения голоса и дыхательных шумов на грудную стенку (рис. 1). Анализ мнимой части взаимного спектра 1ш(^), характеризующей соотношение воздушного и структурного проведения [10], показавает, что составляющие воздушного проведения голоса в норме доминируют в диапазоне частот от 100 до 300 Гц в нижних отделах легких (рис. 1, а) и от 100 до 150-200 Гц в верхних (рис. 1, б). Над участками с патологическими отклонениями (рис. 1, в) наблюдается замещение составляющих воздушного проведения составляющими структурного проведения в этих областях спектра, что может быть признаком локального нарушения проходимости дыхательных путей.
Существенно уточнена акустическая картина шумообразования дыхательных звуков. В частности, выяснено происхождение везикулярных звуков. Показано, что в рамках принятой выше модели проведение этих звуков характеризуется почти исключительно воздушными составляющими, спектральный максимум кото -рых лежит в районе 100-160 Гц. В соответствии с результатами [9, 11], в зависимости от глубины дыхания зона шумообразования везикулярных звуков может смещаться примерно от 13 до 7 генераций бронхиального дерева. Характерный размер проекции зоны шумообразования везикулярных звуков на поверхность грудной клетки, который физически соответствует «дистанции когерентности» шумов, изменяется примерно от 3 до 11-23 см. Интересно отметить, что согласно полученным результатам врачи, используя для выслушивания легких углубленное дыхание, тем самым заставляют пациента озвучивать, по крайней мере при вдохе, более дистально расположенные участки бронхиального дерева. В то же время в проведении этих звуков к грудной стенке основополагающую роль играет
(+) ..........
(-) ----------
Іт (W), дБ
-10
1:1
40
(+)............
(-)------------
Яе ^), дБ
-10
45
б
(+) ..........
(-) ----------
Іт ^), дБ
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
ш 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
и діЬ
40
(+) ...........
(-) ___________
Іт (W), дБ
-10
і,-'г - "
іііЬіі
І___________________________І___________________________І____________________________І____________________________І___________________________І____________________________І____________________________
5
Рис. 1. Взаимные спектры голосового звука «три-три», зарегистрированные с помощью метода акустической интенсиметрии на поверхности грудной клетки пациентов: а) над нижними отделами легких в норме, б) над верхними отделами легких в норме, в) над нижними отделами легких при патологии; Яе ^) - вещественная часть взаимного спектра, Іт ^) - мнимая часть взаимного спектра
респираторный отдел легких за счет механизма АРК. Последнее обстоятельство позволяет отметить, что, несмотря на многочисленные критические замечания последователей [25], Р.Лаэнек [24] в понимании происхождения данных звуков был достаточно близок к истине.
Для свистов (сухих хрипов), в предположении квадрупольного характера излучения их источников, разработана акустическая модель [9], которая позволяет на основе соотношения мнимой и вещественной частей взаимного спектра оценить удаление источника свиста от поверхности грудной клетки при структурном проведении.
В качестве примера определены дистанции (см. таблицу) до источников свистов, показанных на рис. 2, а, б (пациент с обострением хронического бронхита, подтвержденным клинически). Правдоподобие величин вычисленных дистанций подтверждается анатомически. Наблюдение очень близких дистанций до источников свистов с различными частотами спектральных максимумов [9, 22] (рис. 2, а, б) может трактоваться как наличие в одном и том же месте грудной клетки нарушений проходимости дыхательных путей, которые в зависимости от пережатия в различных фазах выдоха дают вариацию частот колебаний зоны смыкания стенок дыхательных путей. Последний эффект может быть признаком очагового патологического изменения, связанного с воспалительным процессом, в дыхательных путях либо их деформации прилежащими патологически измененными участками легочных тканей. В результате одновременного или последовательного вычисления дистанции до источника свиста из нескольких зон грудной клетки с помощью разностно-дальномерных методов можно оценить и местоположение источника свиста в легком. Таким образом, поскольку различные источники свистов статистически независимы, при использовании узкополосного спектрального анализа становится принципиально возможной эмиссионная акустическая томография их источников в легких. Конечно, верификация предлагаемых акустических интерпретаций и оценка точностных параметров требуют обширных клинических исследований, однако принципиальные диагностические возможности предлагаемого подхода выглядят весьма многообещающе.
24
(+)...........
(-)------------
1т ^), дБ
-I- -
—I—
6
0
Рис. 2. Взаимные спектры дыхательных шумов, зарегистрированные с помощью метода акустической интенсиметрии на поверхности грудной клетки пациента в фазе: а) выдоха, б) вдоха
Фаза дыхательного цикла Частота спектрального максимума, Гц Дистанция, см
Выдох (рис. 2, а) Вдох (рис. 2, б) 540 7,5 710 8,1 345 8
Существенно уточнена акустическая картина шумообразования при форсированном выдохе. В соответствии с моделью [5, 23] (рис. 3) на трахее в начале форсированного выдоха выделяются шумы турбулентного потока с широкополосными спектральными пиками в областях частот около 200 Гц (трахея) - £ и 300-400 Гц (главные бронхи) - £2. При развитии сопровождающего форсированный выдох функционального экспираторного стеноза наблюдается свист форсированного выдоха (механизмом предположительно является срыв вихрей) в виде «дорожки» мощных узкополосных спектральных пиков - £3 в диапазоне частот 400-600 Гц. Остальные наблюдаемые «дорожки» узкополосных спектральных пиков £4-£7 (свисты) представляют собой автоколебания, связанные с модуляцией потока воздуха вибрациями стенок дыхательных путей. Удается различать низкочастотные «дорожки» £4 (ниже примерно 100 Гц), среднечастотные - £5 (100-400 Гц), высокочастотные (более 600700 Гц) в конце выдоха - £6 и в начале выдоха - £7 либо на всей протяженности форсированного выдоха £7^£6.
На основе разработанных моделей удалось предложить ряд новых методов акустической диагностики легких:
- исследование звуков голоса с разделением воздушного и структурного проведения (комбинированная бронхофонография), предназначенное для оценки возду-хонаполнения легочных тканей и проходимости дыхательных путей;
±' £ £ £
1 2 5 7
Рис. 3. Типичный рельефный спектр шума форсированного выдоха, зарегистрированный на трахее (эллипсами выделены диагностически значимые параметры): £1 - шум турбулентного потока в трахее, £2 - шум турбулентного потока в главных бронхах, £3 - свист форсированного выдоха (предположительно срыв вихрей) в диапазоне частот 400-600 Гц, 1 - продолжительность свиста форсированного выдоха в диапазоне частот 400-600 Гц, £4 - низкочастотный свист автоколебательного происхождения, £5 - среднечастотный свист автоколебательного происхождения, £6 - высокочастотный свист автоколебательного происхождения в конце форсированного выдоха, £7 - высокочастотный свист автоколебательного происхождения в начале форсированного выдоха
- исследование основных дыхательных шумов с разделением воздушного и структурного проведения (комбинированная пневмофонография) - для оценки региональной вентиляции легких;
- эмиссионная акустическая томография источников дополнительных дыхательных шумов (свистов) - для выделения локальных изменений в легких;
- сравнение амплитуд респираторных резонансов при исследовании перкуссии и бронхофонии - для оценки состояния паренхимы легкого и приводящих дыхательных путей бронхиального дерева;
- выявление нарушений бронхиальной проходимости на основе анализа трахеальных шумов (трахеофонография) форсированного выдоха.
Для всех этих методов удалось также выделить объективные акустические признаки, потенциально обладающие диагностической значимостью [1, 4, 6-8, 13, 15-17, 20, 22].
Для осуществления предложенных методов диагностики разработана акустическая аппаратура, содержащая акустические датчики, подключаемые (для некоторых методов - через портативный усилитель) к звуковой карте компьютера, и программные средства обработки и оценивания параметров регистрируемых сигналов. При обработке сигналов используются временные, спектральные (в том числе 3-Б, взаимноспектральные, кепстральные) и корреляционные методы, вейвлет-фильтрация. Аппаратура отличается простотой и доступностью, ее последние варианты выполнены на базе портативных компьютеров Ноутбук (рис. 4).
Совместно с Владивостокским государственным медицинским университетом, Городским аллерго-респираторным центром г. Владивостока, Медицинским объединением ДВО РАН проводится клиническая апробация предложенных методов акустической диагностики. Ниже мы приводим несколько примеров практического применения наших теоретических разработок.
1. Высокие значения диагностических характеристик получены при обнаружении нарушений бронхиальной проходимости (НБП), являющихся признаком столь распространенных заболеваний, как бронхиальная астма (БА) и хронический об-структивный бронхит (ХОБ), путем анализа трахеальных шумов форсированного выдоха (рис. 5) [18, 20]. Обследовано 127 добровольцев обоего пола в возрасте от 18 до 74 лет: больных БА - 34 чел., больных ХОБ - 21, здоровых - 29, лиц с факторами риска развития БА и ХОБ - 43 чел. Референсная диагностика НБП осуществлялась с помощью компьютерной спирографии. В качестве диагностических параметров использовались общая продолжительность шумового процесса - Т, продолжительность свиста форсированного выдоха - 1 и наличие узкополосных спектральных составляющих £6, £7^£6 (рис. 3). Разработаны акустические диагностические критерии, применение которых обеспечивает чувствительность (вероятность правильного обнаружения НБП) в группе больных ХОБ - 94 %, в группе больных БА -85 %, а по группам лиц с обструктивной патологией в целом (БА и ХОБ) - 89 %. Специфичность (100 % минус вероятность ложной тревоги выявления НБП в группе здоровых) составляет 86 %. При сравнении чувствительности анализа трахеальных шумов при форсированном выдохе и чувствительности компьютерной спирографии у лиц с подтвержденными НБП оказалось, что у больных БА исследование трахеальных шумов в 1,3 раза чувствительнее спирографии (85 % против 65 %, р = 0,03), у больных ХОБ чувствительности обоих методов достоверно не различались (95 % против 100 %, р = 0,15). Достаточно высокие операционные характеристики, выявленные при анализе здоровых и больных с подтвержденными НБП, позволили нам перейти к акустическому исследованию группы лиц с факторами риска развития БА и ХОБ. Для медицинских приложений это представляет наибольший интерес, поскольку основной проблемой своевременного выявления этих за-
Рис. 4. Информационно-измерительный Рис. 5. Обследование пациента методом трахеофоногра-комплекс на базе компьютера Ноутбук фии форсированного выдоха
болеваний легких является диагностика начальных НБП. Исходя из данных клинического обследования можно было заподозрить присутствие начальных НБП у части лиц из группы риска. Акустическое обследование данной группы выявило ее неоднородность, которая не зафиксирована компьютерной спирографией. Акустические диагностические критерии НБП в группе риска обнаружены у 23 чел. (53 %).
Позднее на модели бронхиальной астмы при сравнении групп из 12 больных БА легкого течения (с нормальной спирометрией) и 12 здоровых (обе группы -мужчины в возрастной категории 18-22 года) показана чувствительность 67 %, при специфичности - 100 %. Поскольку с помощью референсного метода (компьютерная спирография) не выявлено нарушений ни у одного человека из группы больных (чувствительность 0 %), полученные результаты свидетельствуют о перспективности разработанных аппаратуры и метода для раннего выявления (скрининга) нарушений бронхиальной проходимости.
В рамках выполнения гранта ДВО РАН 03-3Б-07-010 (2003 г.) удалось успешно применить данный метод при исследовании функции внешнего дыхания у водолазов, использующих водолазное снаряжение замкнутого типа с повышенным содержанием кислорода в дыхательной смеси [19]. Обнаружено отсутствие существенных различий между группами водолазов вне погружений (15 чел.) и контроля (13 чел.). При этом обе группы не различались по возрасту, анатомическим показателям, проценту курящих. В то же время при оценке индивидуальной динамики изменений акустических характеристик у водолазов после 20-минутного погружения (10 чел.) по существенному превышению пределов нормальной вариабельности продолжительности шумов форсированного выдоха выявлены преходящие нарушения функции внешнего дыхания у 4 человек, в том числе у 2 (20 %) - нарушения обструктивного типа. Интересно отметить, что, несмотря на нормальные акустические и спирометрические показатели функции внешнего дыхания до погружения, у этих двух водолазов по данным предварительного опроса отмечались жалобы (частые простудные заболевания, эпизод бронхоспазма в детстве), а в динамике и легкое, хотя и недостоверное статистически, снижение некоторых спирометрических показателей. Полученные результаты позволяют ставить вопрос об использовании данного метода для более жесткого профессионального отбора и текущих наблюдений водолазов, использующих снаряжение замкнутого типа, с целью предотвращения несчастных случаев.
□
□
□
критерий 1 критерий 2
норма критерий 3
и
и
и
и
сочетание нормы и критерия 1 сочетание критериев 1 и 2 сочетание критериев 1 и 3 сочетание критериев 2 и 3
Рис. 6. Карта комбинированной бронхофонографии пациента с правосторонней пневмонией. Проекции: А - передняя, Р - задняя, Ь - боковые, Э - правая, 8 - левая. Критерий 1 - затенение спектральных составляющих воздушного проведения в характерных для них областях составляющими структурного проведения, критерий 2 - усиление составляющих структурного проведения, критерий 3 -ослабление составляющих структурного проведения
2. Показана перспективность диагностики пневмоний по соотношению воздушной и структурной составляющих проведения голосовых звуков на грудную стенку [12]. Обследовано 74 больных с подтвержденной очаговой внебольничной пневмонией (возраст от 17 до 70 лет). У 57 человек наблюдалось легкое течение пневмонии, у 16 - средней тяжести и у 1 - тяжелое. Все больные были тщательно обследованы традиционными общеклиническими методами. Рентгенографическое исследование грудной полости (2 проекции) проводилось при обращении и в динамике, через 10-14 дней. Контрольная группа была представлена 55 некурящими практически здоровыми лицами в возрасте от 19 до 26 лет. Процедура акустического обследования заключалась в картировании по поверхности грудной клетки, в соответствии со специально разработанными критериями [6], соотношения воздушного и структурного проведения звука голоса пациента, произносящего фразу «три-три». Картирование выполнялось по участкам, лежащим на пересечении топографических линий грудной клетки (окологрудинной 1; среднеключичной 2; передне- 3, средне- 4 и заднеподмышечной 5; лопаточной 6; околопозвоночной 7) с межребе-рьями, каждый из которых показан на карте в виде малого квадратика с окраской, отражающей акустические параметры проведения голоса (рис. 6). У всех больных отмечалось резкое изменение соотношения воздушного и структурного звука (ослабление воздушного и усиление структурного) над областью очага пневмонии, описываемое акустическими критериями патологии [6] и согласующееся с предсказаниями теории [10]. Количество правильно выставленных акустическим методом диагнозов в группе больных составило 69, что соответствует 93,2 %. Предлагаемый метод сопоставим по чувствительности с рентгенографией (95,9 %) и более
чем в 2 раза превосходит субъективную физикальную оценку проведения голоса на грудную стенку (40,5 %). Ложноотрицательные результаты получены у 5 пациентов. У всех больных с ложноотрицательным диагнозом пневмония была локализована в средних поясах легких. Количество ложноположительных диагностических заключений в группе здоровых составило 3, что соответствует специфичности 94,5 %. У 2 больных выявлен не подтвержденный рентгенологически дополнительный очаг в противоположном легком. Во всех остальных случаях локализация очага, обнаруженного акустическим методом, полностью согласуется с рентгенологическими и физикальными данными. Интересно отметить, что при среднем рентгенологическом размере очага 3-4 см локальные физикальные изменения распространяются на значительно большую площадь - 2-3 сегмента. Размеры же очага, выявленного акустически, принимают промежуточное значение, указывая на более высокую разрешающую способность предлагаемого метода по сравнению с его субъективным аналогом. Достижение разрешения, характерного для рентгенографии, акустическим методом невозможно принципиально, однако важным достоинством последнего является отсутствие какой-либо лучевой нагрузки на пациента. Последнее обстоятельство представляется особо существенным при исследовании динамики течения пневмонии. Предлагаемый метод достаточно быстро реагирует на изменение течения заболевания. В случае прогрессирования воспалительного процесса увеличивается площадь акустически выявляемого очага. Наблюдалась даже суточная динамика состояния больных [6]. При благоприятном течении пневмонии акустически выявляемый очаг постепенно уменьшается в размерах, что хорошо согласуется с клинико-лабораторными и рентгенологическими данными.
3. Интересные результаты получены при выявлении пневмоний по объективным характеристикам перкуторных звуков [1]. В соответствии с вышеописанной двухрезонансной моделью дыхательной системы человека как акустического тракта экспериментально было показано [7], что в акустическом отклике на перкуторный удар по стенке грудной клетки присутствуют спектральные максимумы: А1 - с частотой ^ в диапазоне 100-150 Гц, А2 - с частотой в диапазоне 200-250 Гц. Данные частоты характерны именно для вышерассмотренных механизмов АРК и 1/4-волнового резонанса соответственно. На основании физиологической и патофизиологической интерпретации акустических резонансов и экспериментально наблюдавшихся индивидуальных различий отношения А2/А1 предположено, что последнее может характеризовать локальное состояние легких, связанное со снижением или увеличением пневматизации легочной ткани. Проверка этой гипотезы осуществлена на клинической модели очаговой пневмонии. Для эксперимента были отобраны 7 пациентов (мужчины от 26 до 48 лет) с рентгенологически подтвержденной пневмонией (5 человек - с односторонней, 2 - двусторонней) и 17 здоровых добровольцев (мужчины от 19 до 24 лет). Перкуссия выполнялась в стандартных точках окологрудинной, среднеключичной, переднеподмышечной, подмышечной, заднеподмышечной, лопаточной и околопозвоночной линий грудной клетки справа и слева. Акустический датчик удерживался врачом на стенке грудной клетки вблизи от точки перкуторного удара. Вычислялся спектр сигнала, определялись амплитуды А1, А2 в децибелах и их разность. У больных (в точках предположительной патологии) наблюдалось значительное изменение соотношения исследуемых спектральных максимумов по сравнению со здоровыми. В качестве диагностических порогов использовались персентили Р5, Р95 (р < 0,05), полученные по группе здоровых. На карте проекций легких больного (рис. 7) результаты обследования в каждой точке отображены: серый цвет - (А2-А1) принадлежит интервалу (Р5; Р95). белый - (А2-А1) < Р95, черный - (А2-А1) > Р5. В соответствии с модельной интерпретацией черному цвету соответствует относительное ослабление резонанса АРК
А
Р
1 1
Г
7 7
2
3
_ ■
Г
2
3
■
Г-»
4 4
5 6
■
Рис. 7. Карта объективизированной перкуссии пациента с правосторонней пневмонией: серый цвет -норма, черный цвет - усиление структурного проведения/ослабление воздушного, белый цвет - ослабление структурного проведения/усиление воздушного
либо усиление 1/4-волнового резонанса бронхиального дерева, что может быть признаком снижения пневматизации легких. Напротив, белому цвету соответствует относительное усиление резонанса АРК либо ослабление 1/4-волнового резонанса бронхиального дерева, что может быть расценено как усиление пневматизации легких. Серый цвет определяет пределы нормы.
На приведенной в качестве иллюстрации карте объективной перкуссии (рис. 7) представлены данные пациента с правосторонней пневмонией. Области легких, окрашенные на карте черным цветом, примерно соответствуют локализации пневмонии, определенной по результатам рентгенологического обследования. Обозначенное черным цветом снижение пневматизации, несомненно, может быть связано с типичной для пневмонии консолидацией легочных тканей. Белый цвет встречается гораздо реже и может быть, согласно акустическим представлениям, признаком адаптивной гипервентиляции незатронутых пневмонией областей легкого.
Если использовать в качестве диагностического критерия очага пневмонии условие о не менее чем 3 рядом лежащих точках с отклонениями от нормы, то у здоровых нами не выявлено ни одного очага (специфичность 100 %), тогда как среди больных из 9 очагов выявляется 8 (88,9 %). Столь высокие диагностические характеристики, несомненно, свидетельствуют о перспективности предлагаемого метода для медицинской диагностики.
Заметим, что проводимые авторами исследования охватывают все аспекты проблемы от фундаментальных до сугубо прикладных. Часть из предложенных диагностических методов уже находится на подготовительной к внедрению стадии. Имеется 4 патента Российской Федерации, опубликовано более 50 научных работ (в том числе 2 в ведущих зарубежных журналах, а 8 переведены за рубежом). Работы [4, 5, 10, 11, 13, 22] включались в разное время в список наиболее существенных публикаций в области респираторной акустики, издаваемый Международной ассоциацией легочных звуков (1Ь8А). Результаты исследований нашли отражение в двух докторских и четырех кандидатских диссертациях.
В заключение следует отметить, что полученные к сегодняшнему дню результаты внушают оптимизм и позволяют в обозримом будущем надеяться на внедрение в практическое здравоохранение простой и совершенно безвредной для человека акустической технологии диагностики заболеваний легких.
8
Б
Б
8
Б
ЛИТЕРАТУРА
1. Батищев Э.М., Бойко И.А., Коренбаум В.И., Костив А.Е., Кулаков Ю.В., Мокеев Д.Н., Почекуто-ва И. А., Тагильцев А. А. Акустическая интраскопия легких на основе спектрального анализа перкуторных звуков // Вестн. нов. мед. технологий. 2003. Т. 10, № 1-2. С. 8-9.
2. Вовк И.В., Гринченко В.Т., Олейник В.Н. Проблемы моделирования акустических свойств грудной клетки и измерения шумов дыхания // Акуст. журн. 1995. Т. 41, № 5. С. 758-768.
3. Дьяченко А.И. Математические модели механики легких с распределенными параметрами: Дис. ... д-ра техн. наук. М.: Ин-т машиноведения им. А.А.Благонравова РАН, 2003. 280 с.
4. Килин А. С., Коренбаум В. И., Кулаков Ю.В., Тагильцев А. А. Характеристики шумов форсированного выдоха человека в норме // Физиология человека. 1999. Т. 25, № 3. С. 128-130.
5. Коренбаум В. И., Тагильцев А. А., Кулаков Ю.В. Акустические эффекты в системе дыхания человека при форсированном выдохе // Акуст. журн. 1997. Т. 43, № 1. С. 78-86.
6. Коренбаум В. И., Кулаков Ю.В., Тагильцев А. А., Малышенко И.Ю. Некоторые возможности наблюдения за течением легочных заболеваний методом комбинированной бронхофонографии // Вестн. нов. мед. технологий. 1997. Т. 3, № 3. С. 79-81.
7. Коренбаум В. И., Кулаков Ю.В., Тагильцев А. А. Новое в биофизике дыхательных шумов // Вестн. нов. мед. технологий. 1997. Т. 4, № 1-2. С. 30-36.
8. Коренбаум В. И., Кулаков Ю.В., Тагильцев А. А. Новые акустические методы исследования системы дыхания человека // Вестн. нов. мед. технологий. 1996. Т. 4, № 3. С. 87-89.
9. Коренбаум В. И., Тагильцев А. А. Кулаков Ю.В. Особенности акустических явлений, наблюдаемых при аускультации легких // Акуст. журн. 2003. Т. 49, № 3. С. 376-388.
10. Коренбаум В. И., Тагильцев А. А., Кулаков Ю.В. Особенности передачи звука голоса человека на стенку грудной клетки // Акуст. журн. 1998. Т. 44, № 3. С. 380-390.
11. Коренбаум В.И., Кулаков Ю.В., Тагильцев А.А. Происхождение шумов везикулярного дыхания // Физиология человека. 1997. Т. 23, № 4. С. 133-135.
12. Кулаков Ю.В., Малышенко И.Ю., Коренбаум В.И. Возможности комбинированной бронхофонографии в диагностике пневмоний // Пульмонология. 2002. Т. 12, № 5. С. 29-32.
13. Кулаков Ю.В., Тагильцев А. А., Коренбаум В. И., Кириченко С. А. Прибор для исследования состояния бронхиальной проходимости // Мед. техника. 1995. № 5. С. 20-23.
14. Немеровский Л.И. Пульмофонография. М.: Медицина, 1981. 104 с.
15. Пат. 2082316 РФ. Способ диагностики нарушений бронхиальной проходимости / Кулаков Ю.В., Тагильцев А. А., Коренбаум В.И. Заявл. 18.09.92; опубл. 27.06.1997; БИ. № 18. С. 49.
16. Пат. 2173536 РФ. Способ диагностики нарушений бронхиальной проходимости / Коренбаум В.И., Тагильцев А. А., Кулаков Ю.В. Заявл. 26. 04. 1996; опубл. 20.09.2001; БИПМ. № 26. С. 224.
17. Пат. 2212186 РФ. Способ диагностики нарушений бронхиальной проходимости / Коренбаум В.И., Почекутова И.А., Кулаков Ю.В. Заявл. 26. 02. 2002; опубл. 20.09.2003; БИПМ. № 26. С. 460.
18. Почекутова И. А., Коренбаум В.И. Анализ трахеальных шумов форсированного выдоха в диагностике нарушений бронхиальной проходимости // Сб. тр. XI сес. Рос. акуст. о-ва. Т. 3. М.: ГЕОС, 2001. С. 187-191.
19. Почекутова И.А., Коренбаум В.И., Агапов Я.В. Влияние одиночного погружения на функцию внешнего дыхания водолазов, использующих замкнутые кислородные системы // Фундаментальные и прикладные вопросы естествознания: Материалы Всерос. межвуз. науч.-техн. конф. Владивосток: Тихоокеанский военно-морской ин-т им. С.О.Макарова, 2003. Т. 1. С. 162-164.
20. Почекутова И.А., Коренбаум В.И., Кулаков Ю.В., Авдеева Е.В., Тагильцев А.А. О значении спектрально-временных параметров шума форсированного выдоха в оценке состояния бронхиальной проходимости // Физиология человека. 2001. Т. 27, № 4. С. 441-445.
21. Gavriely N., Cugell D.W. Air-flow effects on amplitude and spectral content of normal breath sounds // J. Appl. Physiol. 1996. Vol. 80, N 1. P. 5-13.
22. Korenbaum V.I., Kulakov Ju.V., Tagiltsev A.A. A new approach to acoustical evaluation of human respiratory sounds // Biomed. Instrum. Technol. 1998. Vol. 32, N 2. P 147-156.
23. Korenbaum V.I., Tagiltsev A.A., Kulakov Ju.V., Kilin A.S., Avdeeva H.V., Pochekutova I. A. An acoustic model of noise production in the human bronchial tree under forced expiration // J. Sound Vibr. 1998. Vol. 213, N 2. P. 377-382.
24. Laenec R.T.H. De l’Auscultation Mediate. Paris: Brosson et Chaude, 1819.
25. Pastercamp H., Kraman S., Wodicka G. Respiratory sounds. Advances beyond the stethoscopes // Am. Journ. Respir. Crit. Care Med. 1997. Vol. 156. P. 974-987.
26. Wodicka G., Stevens K., Golub H., Cravalho E., Shannon D. A model of acoustic transmission in the respiratory system // IEEE Trans. Biomed. Eng. 1989. Vol. 36. P 925-934.
