Акустические инструментальные средства для мониторинга океана и диагностики системы дыхания человека

Тагильцев, Александр Анатольевич

Акустические инструментальные средства для мониторинга океана и диагностики системы дыхания человека тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

Тагильцев, Александр Анатольевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Владивосток МЕСТО ЗАЩИТЫ

2004 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Акустические инструментальные средства для мониторинга океана и диагностики системы дыхания человека»

Автореферат диссертации на тему "Акустические инструментальные средства для мониторинга океана и диагностики системы дыхания человека"

На правах рукописи

Тагилыцев Александр Анатольевич

АКУСТИЧЕСКИЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ МОНИТОРИНГА ОКЕАНА И ДИАГНОСТИКИ СИСТЕМЫ ДЫХАНИЯ ЧЕЛОВЕКА

Специальность 01.04.06 - акустика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток - 2004

Работа выполнена в Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичева ДВО РАН и Институте физики и информационных технологий Дальневосточного государственного университета.

Научный руководитель:

Научный консультант:

доктор технических наук

Коренбаум В.И. доктор технических наук Ивина Н.Ф.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Долгих В.Н.

кандидат технических наук Минаев Д.Д.

Ведущая организация:

Институт проблем морских технологий ДВО РАН

Защита диссертации состоится 18 июня 2004 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 005.017.01 при Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичева ДВО РАН по адресу: 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, 43.

С диссертацией можно- ознакомиться в библиотеке Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичева ДВО РАН.

Автореферат разослан '1 мая 2004 г. И. О. Ученого секретаря диссертационного сове доктор технических наук

р г у н о в Ю.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Исследования последнего времени в области акустики океана связывают перспективу создания систем диагностики морской среды с развитием акустического пассивного мониторинга и так называемой просветной томографией среды (мониторинг прошедшего, через среду акустического сигнала излучателя "подсветки"), однако, при этом возникает необходимость развертывания и эксплуатации приемных систем больших волновых размеров. Кроме того, такие системы ненаправлены в поперечной плоскости, что приводит к неоднозначности оределения направления на источник сигнала. Преодоление этих недостатков и создание компактных и высокоинформативных акустических инструментальных средств - приемных устройств, как стационарных, так и буксируемых (в том числе гибких), обеспечивающих более полное использование информационного потенциала акустического поля на основе получения и обработки его. скалярной и векторной составляющих - является актуальной задачей.

В другой важной сфере привлечения методов акустической диагностики - медицине, а именно в области пульмонологии, несмотря на значительные усилия исследователей, пока слабо поддается объективизации процесс контроля состояния системы дыхания человека. Здесь также необходимы компактные и удобные для врача и пациента инструментальные средства, которые бы обеспечили количественное описание (пассивный мониторинг) шумов дыхания, или сигнала, прошедшего через структуру легких на стенку грудной клетки от излучателя "подсветки" (им могут быть голосовые связки или внешний электроакустический преобразователь, генерирующие звуки в верхних дыхательных путях). Общими для диагностики (мониторинга) морской среды и системы дыхания оказываются и диапазон низких звуковых частот, и необходимость применения датчиков, обеспечивающих направленный прием сигналов при малых волновых размерах, а также многоканальная регистрация данных и способы обработки информации. I ''-С. НЛЦКО(14/Гьн^Г'

6К6ЛЬОТЕК>

Системы мониторинга и диагностики опираются на развитые средства контроля переменных физических величин, дающих систематическую исходную информацию для последующего анализа состояния объекта исследования, поэтому необходим поиск адекватных методов контроля, технических решений по построению датчиков, средств и способов обработки информации.

Данная работа посвящена разработке акустических инструментальных средств, к которым отнесены акустические датчики и приемные устройства малых волновых размеров, а также способы и устройства обработки' сигналов для решения задач:

- мониторинга океана с использованием гибких буксируемых приемных устройств, содержащих приемники градиента давления;

- определения углов прихода сложного сигнала подсветки при активном акустическом мониторинге океана.

- медицинской диагностики состояния системы дыхания человека.

Применение акустических средств и методов для. контроля и

прогнозирования состояния столь различных объектов подчеркивает значение акустической диагностики, а также иллюстрирует объективную возможность использования общих подходов и инструментальных средств-для анализа акустических феноменов в различных областях науки и техники.

Используемый в работе фактический материал получен в результате натурных и лабораторных экспериментов, проведенных в период с 1982 по 2003 гг.

Цель работы - разработка акустических приемных устройств малых волновых размеров, способов обработки сигналов и исследование возможностей их применения при решении задач мониторинга и диагностики в подводной и физиологической акустике.

Задачи исследования

1. Разработать акустические датчики и приемные устройства для контроля морской среды и системы дыхания.

2. Исследовать характеристики гибких буксируемых приемных устройств (ГБПУ), содержащих приемники градиента звукового давления, для изучения их применимости в составе инструментальных средств мониторинга океана.

3. Разработать и исследовать способ определения углов прихода сложных сигналов при просветной томографии океана с помощью приемного устройства малого волнового размера.

4. Разработать и исследовать способы и устройства для медицинской диагностики системы дыхания человека.

Научная новизна

Разработаны и экспериментально обоснованы оригинальные конструкции акустических датчиков и приемных устройств, предназначенных для гидроакустической и медицинской аппаратуры.

На макетах ГБПУ впервые экспериментально определены уровни помех обтекания в трактах градиента давления и потока мощности при скоростях буксировки от 3 до 9 узлов.

Впервые разработан и экспериментально обоснован способ определения углов прихода сложных зондирующих сигналов в условиях многолучевости при использовании в качестве приемного устройства трехкомпонентного приемника градиента давления.

Впервые разработаны и обоснованы способы акустической диагностики системы дыхания на основе анализа трахеальных шумов форсированного выдоха и синхронного анализа проведения голосовых звуков на симметричные участки грудной клетки, показавшие высокую эффективность при клинической апробации.

Разработаны физические модели шумообразования при форсированном, выдохе и звукопроведения в респираторном тракте, математические модели тыльной чувствительности асимметричного градиентного приемника и шумообразования свистов форсированного выдоха.

Научная новизна подтверждена сравнением с известным уровнем развития науки и техники, патентами на изобретения, опубликованием результатов в рецензируемых отечественных и зарубежных журналах.

Достоверность результатов подтверждена: использованием при определении характеристик датчиков и приемных устройств аттестованных измерительных средств, повторяемостью данных многократных натурных измерений, согласованием результатов лабораторных и натурных экспериментов, согласованием экспериментальных и теоретических оценок, непротиворечивостью известным научным положениям и фактам, а также результатами апробации разработанных инструментальных средств.

Практическая значимость

Разработанные датчики могут найти применение в различной аппаратуре для акустического мониторинга и диагностики.

Полученные данные по помехам обтекания трактов градиента давления и потока мощности ГБПУ позволяют определить. границы применимости устройств данного типа при решении задач акустической томографии океана и сейсмоакустики.

Разработанные точечное (малых волновых размеров) приемное устройство и способ определения углов прихода сложных зондирующих сигналов при просветной томографии позволяет повысить качество реконструкции гидрофизических процессов в шельфовой зоне океана.

Высокие операционные характеристики разработанных инструментальных средств для исследования системы дыхания человека позволяют рекомендовать их для применения в медицинской диагностике заболеваний легких.

Реализация результатов работы

Разработанные технические решения по акустическим датчикам, средствам контроля их параметров, макетам ГБПУ и полученные с их помощью экспериментальные результаты внедрены в ОКБ Московского

энергетического института, НПО Севморгеология, СПП ДВО РАН. Разработанные технические решения по приемному устройству для акустической томографии океана внедрены в Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичева ДВО РАН. Разработанные инструментальные средства для медицинской диагностики внедрены на клинических базах Владивостокского государственного медицинского университета (ВГМУ). Материалы исследований включены в программы лекций и практических занятий для студентов Института физики и информационных технологий Дальневосточного государственного университета, студентов и клинических ординаторов ВГМУ.

На защиту выносятся

1. Научное обоснование технических решений по построению акустических датчиков, приемных устройств и способов обработки сигналов.

2. Результаты практического применения разработанных инструментальных средств, выявившие новые возможности акустического мониторинга и диагностики в подводной и физиологической акустике.

3. Физические модели шумообразования при форсированном выдохе и звукопроведения в респираторном тракте.

4. Математические модели (тыльная чувствительность асимметричного градиентного приемника, шумообразование среднечастотных свистов форсированного выдоха).

Апробация работы Материалы диссертации докладывались: на Всесоюзных и Всероссийских конференциях: 3-й Дальневосточной акустической конференции (Владивосток, 1982), 3-й Всесоюзной научно-технической конференции "Использование соврем, физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле" (Хабаровск, 1987), XI Всесоюзной акустической конференции (Москва, 1991), Всесоюзной конференции "Проблемы нейрокибернетики" (Ростов-на-Дону, 1992), Национальных конгрессах по болезням органов дыхания (1992, 1994, 1996), Национальном конгрессе по профилактической медицине (С.-Петербург,

1994), Российской конференции "Современное состояние и перспективы развития теории и прикладных вопросов гидроакустики" (Владивосток, 1996), Всероссийской межвузовской научно-технической конференции "Фундаментальные и прикладные вопросы физики и математики" (Владивосток, 2001), 13-й сессии Российского акустического общества (Москва, 2003);

на Всесоюзных и Всероссийских школах-семинарах: Всесоюзной школе "Технические средства и методы освоения океанов и морей" (Геленджик, 1991), Школе-семинаре акад. Л.М. Бреховских "Акустика океана", совмещенной с 12-й сессией Российского акустического общества (Москва, 2002);

на специализированном заседании Комитета по новой технике Минздравмедпрома РФ (1995);

на семинарах в: ТОИ'ДВО РАН (1994; 2004), Институте медицинской-климатологии и восстановительного лечения СО РАМН (1996), Приморском краевом пульмонологическом обществе (1996).

Публикации

Основное содержание диссертации изложено в 29 работах, включающих 11 статей в рецензируемых российских и зарубежных научных журналах, 7 описаний изобретений к авторским свидетельствам и патентам.

Объем и структура диссертации Работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка литературы, включающего 68 отечественных и 52 зарубежных источника. Диссертация изложена на 151 стр., иллюстрирована 4 таблицами и 56 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. Во введении дается краткая характеристика проблем в области исследования, общая постановка задачи, изложены основные аспекты работы, определено место выполненных разработок в ряду прикладных задач акустической диагностики.

В разделе 1 "Разработка акустических датчиков "на основе обзора

известных технических решений поставлена задача сокращения массогабаритных характеристик акустических датчиков для инструментальных средств мониторинга и диагностики, работающих в диапазоне низких звуковых частот (десятки Гц - единицы кГц). С этой целью разработаны малогабаритные одно- и трехкомпонентные акселерометры (рис. 1а, 16, соответственно). Общий принцип - размещение в корпусе 1 инерционной массы 2 в виде шара, который полюсами опирается на пары дисковых изгибных пьезопреобразователей 3, лежащих в гнездах крышек 4. Отсутствие механического закрепления массы к чувствительным элементам при очевидном упрощении и технологичности конструкции позволило получить высокую осевую и пониженную поперечную чувствительность датчика. Акселерометры использованы при разработке приемников градиента звукового давления (ПГД) и комбинированных приемников (КП) габаритами: 050 - 150 мм - для задач томографии, 68x25x35 мм - для гибких буксируемых приемных устройств.

а) б) в)

Рис.1. Акустические датчики: а) - однокомпонентный (пояснения в тексте) и б) - трехкомпонентный акселерометры; в) - датчики для диагностики системы дыхания

Соотношение размеров пьезокерамики и подложки применяемых в датчиках изгибных преобразователей оказывается вне границ используемой обычно для их расчета одномерной модели, поэтому было выполнено моделирование колебаний таких преобразователей методом конечных элементов. Полученные расчетные резонансные частоты сопоставлены с

измеренными для партии изготовленных образцов. Их значения оказались близки, расхождение находится в пределах погрешности измерений ±6%, которая обусловлена технологической неоднородностью образцов и неоднородностью условий их закрепления по контуру при измерениях.

Для задач диагностики состояния системы дыхания человека разработаны простые и технологичные конструкции датчиков (рис. 1в) с электретными микрофонами и однокомпонентными акселерометрами. Показаны способы повышения надежности конструкции подвеса воспринимающих элементов ПГД, приведено описание лабораторных измерительных средств, использованных для метрологического обеспечения разработки датчиков и приемных устройств.

В п.п. 1.4 рассматривается вариант решения задачи однонаправленного приема, предложена математическая модель формирования направленности "асимметричного" датчика- градиента звукового давления, содержащего изгибный биморфный преобразователь и акустически, жесткий цилиндрический экран. В монографии Сапожкова М.А. (1978) показано, что такие датчики, применяемые в воздушной акустике, имеют характеристику направленности (ХН) класса суперкардиоида - гиперкардиоида и значительный уровень тыльного лепестка ХН. Нами предпринята-оценка возможности уменьшения тыльного лепестка для гидроакустических приемников. В приближении малости волновых размеров экрана получено выражение для относительного уровня тыльного лепестка ХН. Изготовлены макеты с волновыми размерами:

0,002; АГк = 0,003; 2) Ш = 0,12; т = 0,043; Ы/А. = Ъ2/Х = 0,004; д/Х = 0,006,

где: -продольный размер цилиндрического экрана, - длина звуковой волны, - внешний диаметр цилиндрического экрана, - глубина установки пьезопреобразователя в цилиндрическом экране, Ь2 - толщина пьезопреобразователя. При измерении ХН в условиях свободного поля получена тыльная чувствительность 21% - 23% от фронтального максимума, что является приемлемым для практики. Численный анализ полученного теоретического выражения показывает возможность- снижения тыльной чувствительности до 13-14% при технически реализуемых значениях и

я/ь.

В разделе 2 "Гибкие буксируемые приемные устройства" рассмотрены вопросы использования ГБПУ и буксируемых сейсмоакустических антенн (БСА), оснащенных разработанными ПГД и КП, для решения задач акустического мониторинга океана и сейсмоакустики.

В п.п. 2.2 дано описание макетов ГБПУ, разработанных совместно с Коренбаумом В.И, Мальцевым Ю.В., Литвиненко А.В., и представляющих собой гибкие протяженные тела прямоугольного поперечного сечения 50x35 мм, выполненные из звукопрозрачного компаунда по технологии Балтийского государственного технического университета (рис. 2а). В тело устройств при изготовлении залиты экспериментальные образцы одно-, двухкомпонентных ПГД, КП (рис. 26) и трехкомпонентные акселерометры.

Контроль параметров датчиков и ГБПУ производился поэтапно и включал измерения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) акселерометров на этапе изготовления датчиков, измерения сквозных АЧХ секций ГБПУ по виброускорению, контроль и измерение характеристик каналов ГБПУ в среде. Описаны процедуры калибровки каналов ГБПУ и полученные результаты.

Рис.2. Приемные акустические устройства: а) - макет ГБПУ 1/03, б)- комбинированный приемник для ГБПУ

Главной проблемой, препятствующей эффективному использованию ПГД в ГБПУ, является воздействие помех обтекания. В подразделе 2.3

приводятся результаты исследований влияния помех обтекания на датчики макетов в реальных условиях, в частности, при буксировке макетов ГБПУ за парусным катамараном типа "Центаурус". Анализируются динамика и спектральный состав шума одиночных каналов ПД и ПГД в диапазоне скоростей буксировки 3 - 9 уз. По виду функции взаимной корреляции откликов разнесенных по длине приемных элементов сделан вывод о наличии в механизме шумообразования как турбулентных пульсаций набегающего потока, так и поперечных изгибных колебаний. Уровень помех обтекания (флуктуации) в тракте ПГД оказался на 10 - 20 дБ выше, чем в тракте ПД. Для подавления помех обтекания предложен интенсиметрический метод (Коренбаум В.И., 1999). При вычислении спектральной плотности потока мощности достигнуто снижение уровня помех обтекания' до уровня помех в тракте ПД с одновременным обеспечением • возможности устранения неоднозначности пеленгования в поперечном направлении.

В подразделе 2.4 рассматриваются возможности защиты БСА от помех, связанных с вторичным переотражением зондирующего сейсмоакустического сигнала от поверхности воды. С этой целью анализируются варианты формирования однонаправленности акустических датчиков БСА. Проведены экспериментальные исследования, показавшие, что уровень помех (флуктуации) обтекания каналов одиночных ПГД и ПД (при одинаковой чувствительности по звуковому давлению в плоской волне) выравнивается в области частот около 500 - 600 Гц практически независимо от скорости буксировки (3-8 уз.), что делает возможным использование аддитивной процедуры формирования кардиоидной ХН в вышележащем, диапазоне частот. Для упрощения создания однонаправленности предложено устанавливать, в БСА только вертикально ориентированные ПГД инерционного типа и буксировать такую антенну по поверхности воды. В этом случае ПГД работает в мягком экране, что приводит к удвоению чувствительности по сравнению со свободным полем и не искажает ХН. Режим буксировки характеризуется устойчивостью, так как положение антенны поддерживается балансом веса и выталкивающей силы.

Эксперименты, проведенные с макетом БСА длиной 12 м, буксируемым по поверхности воды на кабеле длиной 30 м при скорости 3 узла, не выявили существенного влияния поверхностного волнения на уровень помех одиночных ПГД в диапазоне частот свыше 500-600 Гц (рис. 3).

Ашшпуча,дВ

I 1 I < 1 » 1 1 1

ТгТ 1 • 1 • 1

( 1 1 < 1

Ори. Г 21 \ 1П 1 -5Г- <111 III» —---—Г* ——,----1---—, 1 1 1 < 1 г^^иЛуО • и....и.... 1 1 г-—»— 1 ГДР— 1

« 1 » « * 1 1 111111

■ < 1 | * 1

0 Частота, Гц 1000

РисЗ. Уровни помех (флуктуации) на одиночных акустических датчиках БСА, буксируемой по поверхности воды: 1 - ПГД, 2 - ПД

В разделе 3 "Способ и устройство для определения углов прихода сложных сигналов при активном мониторинге океана" рассматриваются разработанное на основе трехкомпонентного ПГД приемное устройство (рис. 4) и способ измерения горизонтальных и вертикальных углов прихода сложных зондирующих сигналов в условиях многолучевости.

Хотя возможность определения углов прихода зондирующих сигналов с помощью ПГД принципиально известна (Гордиенко В.А., Ильичев В.И., Захаров Л.Н., 1989), в условиях многолучевости она не реализуема из-за интерференции лучей, распространяющихся под разными углами. При решении задач просветной акустической томографии океана с применением сложных сигналов предложено вести прием тремя ортогонально ориентированными в пространстве каналами ПГД, на выходе каждого из них вычислять свертку с излученным сигналом, и для выделенных во времени фрагментов сигнала определять угломестный и азимутальный углы через соотношения амплитуд на выходах соответствующих каналов ПГД.

Для проверки работоспособности предлагаемого способа совместно с сотрудниками лаборатории инструментальных методов в гидрофизике ТОЙ

ДВО РАН (зав. лаб. Моргунов Ю.Н.) был выполнен натурный эксперимент в шельфовой зоне Японского моря. Излучались фазоманипулированные сигналы с несущими частотами 366 Гц и 2500 Гц (511 символов). Дистанция между излучателем и приемником — 5,7 км, глубина их установки у грунта — 40 и 37 м. Случайная среднеквадратическая погрешность измерения вертикальных углов прихода составила около ±2° (коэффициент вариации 2,8%). Показана возможность разрешения и определения вертикальных углов трех последовательных приходов сигнала излучателя.

Рис.4. ПГД перед постановкой на грунт

В разделе 4 "Акустическая диагностика системы дыхания" анализируются проблемы объективного изучения акустических явлений, сопровождающих дыхание человека.

В подразделе 4.1 описан один из предлагаемых вариантов объективной диагностики системы дыхания - анализ шумов форсированного выдоха (ФВ) в области трахеи. Предложена физическая модель шумообразования при ФВ, на основе которой выделены предположительно значимые для диагностики обструктивных нарушений функции внешнего дыхания частотно-временные параметры регистрируемого шума. В соответствии с этой моделью у здоровых лиц в начале ФВ в полосе частот 50 - 450 Гц отмечается слабый широкополосный шум (шум турбулентного пограничного слоя). Увеличение скорости потока приводит к последовательной турбулизации течения, начиная с трахеи, и появлению значительно более мощных шумов

турбулентного потока, характеризуемых широкополосными спектральными пиками в областях частот около 200 Гц (трахея) - 1 и 300-400 Гц (главные бронхи) - 2 (рис. 5). При развитии функционального экспираторного стеноза, сопровождающего ФВ, в дыхательных путях, начиная с долевых бронхов, достигаются такие значительные отношения линейной скорости потока к диаметру дыхательных путей, что становится возможным срыв вихрей на турбулизаторах, роль которых выполняют, предположительно, бифуркации (области разветвления) бронхиального дерева. Последний эффект характеризуется появлением "дорожки" мощных узкополосных спектральных пиков - 3 в диапазоне частот 400 - 600 Гц (называемых среднечастотными свистами форсированного выдоха - СФВ).

О 200 400 000' В00 1000 1200 < 1400 1Е00 1800. 2000 частота, Гц

Рис.5. Спектрально-временные зоны основных акустических эффектов, регистрируемых при форсированном выдохе (обозначения в тексте)

Остальные наблюдаемые "дорожки" узкополосных спектральных пиков 4 - 7, в отличие от чисто аэродинамических процессов, скорее всего представляют собой автоколебания, связанные с модуляцией потока воздуха механической колебательной системой (резонатором). Удается различать: низкочастотные "дорожки" 4 (ниже примерно 100 Гц), среднечастотные "дорожки" 5 (100-400 Гц), высокочастотные (более 600-700 Гц) "дорожки" в конце выдоха - 6 и в начале выдоха - 7. Анализ возможных акустических механизмов резонаторов позволяет предположить, что таковым является смыкание (сближение) участков слизистой оболочки бронха.

Для проведения экспериментальных исследований характеристик шумов ФВ разработаны инструментальные средства, включающие: акустические датчики (рис. 1в), устройство предварительной обработки сигналов на базе минимагнитофона, плату аналого-цифрового интерфейса L-152, персональный компьютер и пакет прикладных программ "ПФТЕСТ" (разработан совместно с Кириченко С.А.).

На клинических базах кафедры внутренних болезней №3 ВГМУ (зав. каф. Кулаков Ю.В.) проведена клиническая апробация способа оценки состояния системы дыхания, включающая измерение выделенных диагностически значимых характеристик шума ФВ с использованием указанных инструментальных средств и сопоставление с полученными в то же время результатами компьютерной спирографии (Почекутова И.А., 2001).

Обследованы больные бронхиальной астмой (БА) - 34 чел., больные хроническим обструктивным бронхитом (ХОБ) - 21 чел. и здоровые - 29 чел. Чувствительность (вероятность правильного обнаружения) анализа трахеальных шумов ФВ в группе больных (ХОБ и БА) составила 89%, при специфичности (100% минус вероятность ложной тревоги) 86%, что свидетельствует о перспективности предложенного способа диагностики и косвенно подтверждает адекватность физической модели шумоообразования при ФВ.

Для проверки возможности объяснения эффекта среднечастотных СФВ механизмом срыва вихрей использовано регрессионное моделирование по данным совместной регистрации акустических сигналов и стандартных объемно-скоростных параметров ФВ (спирография) в группе из 26 здоровых добровольцев (выполнено совместно с Почекутовой И.А.).

Временная зависимость интегральной скорости потока ФВ апроксимируется последовательно измеряемыми при спирографии мгновенными объемными скоростями потока: пиковой объемной скоростью - ПОС, мгновенными объемными скоростями потока на уровне выдоха 25%, 50%, 75% форсированной жизненной емкости легких (ФЖЕЛ) - МОС25, Для основной частоты спектрального максимума предложена эмпирическая формула:

(а Б110"' {ПОС, МОС25, МОС50, МОС75,}/2'(4 10'5)3, (1)

где I — порядок генерации бронхиального дерева, (1, - диаметр (мм) бронха 1-той генерации, - число Струхаля. Соотношение (1) получено при следующих предположениях:

- основным механизмом образования СФВ является срыв вихрей на бифуркациях дыхательных путей (скачкообразное увеличение сечения),

- диаметры крупных и средних дыхательных путей в областях бифуркаций существенно не изменяются при функциональном экспираторном стенозе за счет армирования стенок хрящевыми пластинками.

Если предположение о срыве вихрей как основном механизме СФВ справедливо, то число Струхаля (81) в формуле (1) должно быть близко к 0,2. С учетом постоянства экспериментального значения {в различных фазах ФВ, вычислены регрессионные коэффициенты (81а1181к:а 5.0) между Г и значениями ПОС, МОС«, МОС50, МОС75. При сравнении этих коэффициентов с выражением (1), получены расчетные значения для различных объемных скоростей потока и уровней бронхиального дерева. В соответствии с этими величинами в трахее срыв вихрей маловероятен во всех стадиях ФВ, на выходе из главных бронхов в трахею этот эффект возможен » 0,25) в момент времени вблизи достижения ПОС, на выходе из долевых бронхов срыв вихрей возможен в момент времени

достижения на выходе из сегментарных бронхов в долевые срыв

вихрей может иметь место в момент времени достижения

Такое же соотношение сохраняется и далее вплоть до 6-й генерации бронхиального дерева. Таким образом, срыв вихрей является вероятным механизмом СФВ, а зона образования среднечастотных СФВ в процессе выполнения маневра ФВ имеет тенденцию к смещению от крупных дыхательных путей вглубь бронхиального дерева.

В п.п. 4.2 описан предложенный способ диагностики легких на основе анализа проведения голоса на поверхность грудной клетки

(бронхофонография). Разработана двухрезонансная модель дыхательной системы как акустического тракта, включающая резонанс так называемого акустического резонансного контура (Немеровский Л.И., 1981), образованного упругостью объема воздуха в респираторных отделах легкого и массой стенки грудной клетки, а также 1/4-волновый резонанс бронхиального дерева, как узкой акустической трубы 1989). Экспериментально показано, что в акустическом отклике респираторного тракта присутствуют спектральные максимумы с частотами 100 - 150 Гц и 200 - 250 Гц, которые характерны именно для указанных резонансных механизмов.

На основе этой модели предложены два варианта способа диагностики при билатеральном сравнении проведения голоса на поверхность грудной клетки: первый - сравнение амплитуд, и второй - анализ соотношения максимумов спектра на резонансных частотах респираторного тракта. Разработаны инструментальные средства, обеспечивающие двухканальную одновременную регистрацию на симметричных участках грудной клетки справа и слева и последующий анализ проведенных звуков голоса с использованием пакета прикладных программ "ПФТЕСТ".

Результаты обследования, характеризующие сравнительное воздухонаполнение (пневматизацию) легочных тканей, отражаются на карте проекции легких (рис. 6). На базе ВГМУ проведена клиническая апробация

предложенного способа при диагностике пневмоний (Молдованова Л.М. и др., 2002) в сравнении с данными рентгенографии. Показаны: чувствительность - 75%, специфичность - 86%, что свидетельствует о перспективности данного способа диагностики и косвенно подтверждает вышеописанную модель звукопроведения в легких человека.

В заключении сформулированы следующие основные научные результаты работы.

1. Разработаны, экспериментально и физически обоснованы новые технические решения по построению акустических инструментальных средств.

1.1. Конструкции акустических датчиков малых волновых размеров:

- малогабаритные одно и трехкомпонентные акселерометры с чувствительными элементами в виде биморфных пьезопластин, пьезоцилиндров и сферической инерционной массой, предназначенные для гидроакустических приемников градиента давления;

- малогабаритные микрофонные и акселерометрические датчики для регистрации звуков над трахеей и легкими человека;

- асимметричные гидроакустические приемники градиента давления с кардиоидоподобной характеристикой направленности. (тыльный лепесток ХН на уровне 20%);

- малогабаритные (поперечный размер 25x35 мм) комбинированные гидроакустические приемники для гибких буксируемых приемных устройств;

1.2. Макеты гибких буксируемых приемных устройств с комбинированными приемниками, содержащими ПГД и приемники звукового давления.

1.3. Способ формирования поперечной направленности для буксируемых сейсмоакустических антенн с ПГД.

1.4. Способ и устройство для измерения углов прихода сложных сигналов точечным приемным устройством на основе ПГД при акустической томографии океана в условиях многолучевости.

1.5. Способы и устройство для акустической диагностики системы дыхания

на основе анализа трахеальных звуков форсированного выдоха и проведенных голосовых звуков.

2. Практическое применение разработанных технических решений выявило новые возможности акустического мониторинга и диагностики.

2.1. При экспериментальном определении уровней помех обтекания (флуктуации) в трактах давления, градиента давления и потока мощности гибких буксируемых приемных устройств выявлено, что уровень помех в тракте градиента давления на 10 - 20 дБ выше, чем в тракте давления; при вычислении спектральной плотности потока- мощности достигается снижение помех до уровня, наблюдаемого в тракте давления с одновременным устранением неоднозначности пеленгования в поперечном • направлении.

2.2. При применении разработанных способа и точечной приемной системы для томографии океана экспериментально выявлена возможность определения углов прихода фазоманипулированных сигналов со случайной погрешностью около ±2° (коэффициент вариации 2,8%), показана возможность разрешения и определения вертикальных углов трех последовательных приходов сигнала излучателя.

2.3. При применении разработанного способа и устройства анализа трахеальных звуков форсированного выдоха экспериментально показана возможность диагностики нарушений бронхиальной проходимости с чувствительностью 89% и специфичностью 86%.

2.4. При применении разработанного способа и устройства анализа проведенных голосовых звуков экспериментально показана возможность диагностики очаговых пневмоний с чувствительностью 75% и специфичностью 85%.

3. Разработаны новые модели.

3.1. Математическая модель направленности асимметричного приемника градиента давления, описывающая уровень его тыльной чувствительности.

3.2. Физическая и статистическая модели шумообразования при форсированном выдохе, позволяющие выделить новые акустические признаки нарушения бронхиальной проходимости.

3.3. Физическая модель звукопроведения голоса в респираторном тракте, позволившая выделить новые акустические признаки локального снижения воздухонаполненности (пневматизации) легочной ткани.

3.4. Экспериментально обоснована методика расчета резонансных частот дисковых изгибных пьезопреобразователей методом конечных элементов, показано совпадение расчетных и измеренных частот в пределах погрешности ± 6%.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Тагильцев А.А. Лабораторная установка для испытаний и градуировки векторных приемников // Антенны и преобразователи: Межвуз. сб. статей.- Дальневост. гос. университет.- Владивосток, 1988. -С.97-101.

2. А.с. 1540635 СССР. Гидроакустический векторный приемник / Тагильцев

A.А. Заявлено 14.12.87; Опубл. 01.10.89.

3. Коренбаум В.И., Мальцев Ю.В., Тагильцев А.А. Высокоэффективные гибкие буксируемые приемные сейсмоакустические антенны / Информационный листок. - Прим. ЦНТИ. -1991; № 66-91.

4. Пат. 1777560 СССР. Способ определения бронхофонии и устройство для его осуществления / Тагильцев А.А., Кулаков Ю.В. Заявлено 15.11.89; Опубл. 23.11.92.

5. Пат. 1827658 РФ. Буксируемая сейсмоакустическая антенна/ Коренбаум

B.И., Тагильцев А.А., Эйдельман Э.С. Заявлено 01.02.91; Опубл. 15.07.93.

6. Кулаков Ю.В., Тагильцев А.А., Коренбаум В.И., Кириченко С.А. Прибор для исследования состояния бронхиальной проходимости акустическим методом // Медицинская техника. -1995. - №5. - С. 20-23.

7. Коренбаум В.И., Кулаков Ю.В., Тагильцев А.А. Новые акустические методы исследования системы дыхания человека // Вестник новых медицинских технологий. -1996. - №3. - С. 87-89.

8. Пат. 2082316 РФ. Способ диагностики нарушений бронхиальной проходимости / Кулаков Ю.В., Тагильцев А.А., Коренбаум В.И. Заявлено 18.09.92. Опубл. 16.05.96.

9. Пат. 2061248 РФ. Устройство для сейсмоакустической разведки на

акваториях / Коренбаум В.И., Тагильцев А.А. Заявлено 18.09.92; Опубл. 27.05.96.

Ю.Кулаков Ю.В., Тагильцев А.А., Коренбаум В.И., Килин А.С. Критерии оценки нарушений бронхиальной проходимости на основе компьютерной трахеофонографии форсированного выдоха: Препринт.- Владивосток: ИАПУ ДВО РАН,: 1996. - 17 с.

И.Тагильцев А.А., Коренбаум В.И., Кулаков Ю.В., Молдованова Л.М. Аппаратно-программный комплекс для исследования системы дыхания // Тез. докл. Региональной ассамблеи "Здоровье населения Дальнего Востока". Изд-во ДВГУ. - Владивосток, 1996.

12.Коренбаум В.И., Мальцев Ю.В., Тагильцев А.А. Разработка и исследование гибких протяженных буксируемых приемных антенн для геофизических работ // Технические средства исследования океана: Межвузовский сб. / Дальневост. гос. техн. университет. - Владивосток, 1996. - С. 33-37.

13.Тагильцев А.А., Коренбаум В.И. Возможности контроля состояния системы дыхания человека на основе анализа шумов форсированного выдоха // Сб. докл. Российской конференции "Современное состояние и перспективы развития теории и прикладных вопросов гидроакустики". ТОВВМУ им. СО. Макарова.- Владивосток, 1996. - С. 266-268.

Н.Коренбаум В.И., Кулаков Ю.В., Тагильцев А.А. Акустические эффекты в системе дыхания человека при форсированном выдохе // Акустический журнал. -1997. - Т. 43, №1. - С. 78-86.

15.Korenbaum V. I., Tagiltsev АА., Kulakov Ju. V., Kilin A.S., Avdecva H.V., Pochekutova LA. An acoustic model of noise production in the human bronchial tree under forced expiration // Journal of Sound and Vibration. -1998. - V. 213.- №2. - P. 377-382.

16. Korenbaum V.I., Kulakov Ju.V., Tagiltsev A.A. A new approach to acoustical evaluation of human respiratory sounds // Biomedical Instrumentation & Technology. - 1998. - V. 32.- №2. - P. 147-156.

17.Коренбаум В.И., Тагильцев А.А., Кулаков Ю.В. Особенности передачи звука голоса человека на стенку грудной клетки // Акустический журнал. -

1998. - Т. 44, № 3. - С. 380-390.

18.Пат. 2173536 РФ. Способ диагностики нарушений бронхиальной проходимости / Коренбаум В.И., Тагильцев А.А., Кулаков Ю.В.. Заявлено 16.10.96; Опубл. 16.01.01.

19.Ивина Н.Ф., Тагильцев А.А. Собственные колебания круглых биморфных свободно опертых пьезокерамических пластин произвольных размеров // Материалы Всерос. Межвузовской научно-технической конф. - Т. 1. Фундаментальные и прикладные вопросы физики и математики. - ТОВМИ им. СО. Макарова. - Владивосток, 2001.- С. 16-18.

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.Почекутова И.А., Коренбаум В.И., Тагильцев А.А. Возможности анализа-трахеальных шумов форсированного выдоха при оценке состояния системы дыхания // Материалы Всерос. межвузовской научно-технической конф. - Т. 2. ТОВМИ им. СО. Макарова. - Владивосток, 2001.-С 297-305.

22.Коренбаум В.И., Тагильцев А.А., Моргунов Ю.Н., Нужденко А.В. Измерение углов прихода сложных зондирующих сигналов - точечной приемной системой для акустической томографии океана // Доклада: IX школы-семинара акад. Л.М. Бреховских, совмещенной с XII сессией Российского акустического общества. -М.: ГЕОС, 2002. - С. 331-334.

23.Коренбаум В.И., Тагильцев А.А. Однонаправленные буксируемые приемные антенны для сейсмоакустической аппаратуры высокого разрешения // Доклады IX школы-семинара акад. Л.М. Бреховских, совмещенной с XII сессией Российского акустического общества. - М.: ГЕОС, 2002.- С. 327-330.

24.Коренбаум В.И., Тагильцев А.А., Кулаков Ю.В. Особенности акустических явлений, наблюдаемых при аускультации легких // Акустический журнал. - 2003. - Т. 49.- №3. - С. 376-388.

25.Коренбаум В.И., Тагильцев А.А. Однонаправленный гидроакустический

№-9944

приемник // Приборы и техника эксперимента.-2003. - Т. 46.- №4. - С. 140-142.

26.Балабаев СМ., Ивина Н.Ф., Тагильцев А.А. Анализ собственных колебаний изгибных пьезопреобразователей произвольных размеров // Материалы XLVI Всерос. межвуз. науч.-тех. конф. -Т. 1.- ТОВМИ им. СО. Макарова.- Владивосток, 2003. - С. 14-16.

27.Ивина Н.Ф., Балабаев СМ., Тагильцев А.А. Анализ собственных колебаний круглых изгибных пьезопреобразователей мембранного типа с произвольным соотношением размеров // Дефектоскопия. - 2003.- №8. -С. 24-31.

28.Коренбаум В.И., Почекутова И.А., Тагильцев А.А. Регрессионное моделирование акустико-биомеханических характеристик свистов форсированного выдоха человека // Механика жидкости и газа. - 2003. -№6.-С. 64-71.

29.Пат. 2221261 РФ. Способ акустического зондирования океана / Коренбаум В.И., Тагильцев А.А., Моргунов Ю.Н., Каменев СИ., Нужденко А.В., Дзюба В.П. Заявлено 09.07.02; Опубл. 10.01.04.

Тагильцев Александр Анатольевич АВТОРЕФЕРАТ

Подписано к печати 23.04. 04 Формат 60x84/16

Уч.-изд. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ №40

Отпечатано в ТОЙ ДВО РАН 690041, Владивосток, ул. Балтийская, 43

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Тагильцев, Александр Анатольевич

Введение

1. Разработка акустических датчиков

1.1. Принципы построения датчиков малых волновых размеров

1.2. Дисковые пластинчатые изгибные пьезопреобразователи

1.3. Конструкции акустических датчиков

1.3.1. Однокомпонентные акселерометры

1.3.2. Трехкомпонентные акселерометры на изгибных пьезопреобразователях

1.3.3. Трехкомпонентный акселерометр на цилиндрических пьезопреобразователях

1.3.4. Приемники градиента давления и комбинированные приемники для гибких буксируемых приемных устройств

1.3.4.1. Однокомпонентный комбинированный приемник .

1.3.4.2. Двухкомпонентный комбинированный приемник

1.3.4.3. Приемники градиента давления для буксируемой сейсмоакустической антенны

1.3.5. Векторные и комбинированные приемники для томографических исследований морской среды

1.3.6. Возможности повышения эксплуатационных характеристик разработанных конструкций векторных приемников

1.4. Асимметричные приемники градиента давления

1.4.1. Математическая модель формирования характеристики направленности .

1.4.2. Экспериментальное исследование характеристики направленности

1.5. Датчики для диагностики системы дыхания

1.6. Разработка измерительных средств для исследования параметров акустических датчиков

1.6.1. Лабораторная установка для исследования характеристик векторных и комбинированных приемников

1.6.2. Контроль характеристик каналов векторного приемника в воздушной среде

Выводы

2. Гибкие буксируемые приемные устройства

2.1. Состояние вопроса .

2.2. Макеты гибких буксируемых приемных устройств

2.3. Исследование собственных помех макетов

2.4. Буксируемые сейсмоакустические антенны

Выводы

3. Способ и устройство для определения углов прихода сложных сигналов при активном мониторинге океана

3.1. Состояние вопроса .

3.2. Способ и устройство для определения углов прихода сложных сигналов

3.3. Пилотный эксперимент

3.4. Натурный эксперимент

Выводы

4. Акустическая диагностика системы дыхания

4.1. Трахеофонография форсированного выдоха

4.1.1. Состояние вопроса .

4.1.2. Предварительные экспериментальные результаты регистрации шумов форсированного выдоха

4.1.3. Физическая модель шумообразования при форсированном выдохе

4.1.4. Акустические инструментальные средства для проведения трахеофонографии

4.1.5. Методология регистрации и обработки трахеальных шумов.

4.1.6. Оценка воспроизводимости параметров регистрируемых шумов

4.1.7. Клиническая апробация

4.1.8. Статистическая модель трахеальных шумов

4.1.9. О причастности мелких бронхов к образованию шумов форсированного выдоха

4.2. Билатеральная бронхофонография

4.2.1. Состояние вопроса .

4.2.2. Физическая модель звукопроведения в респираторном тракте.

4.2.3. Способ и аппаратура для определения бронхофонии

4.2.4. Результаты апробации

Выводы

Введение диссертация по физике, на тему "Акустические инструментальные средства для мониторинга океана и диагностики системы дыхания человека"

Акустические явления, сопровождающие функционирование какого-либо объекта, отражают сложность структуры его механических связей. Оценка текущего состояния объекта по анализу этих явлений и прогнозирование его поведения входят в задачи акустической диагностики. В этой обширной области знаний формирование и развитие новых методов диагностики является результатом теоретического анализа и практики изучения акустических процессов, разработки и внедрения новых технических решений, материалов и технологий. Сфера применения методов акустической диагностики весьма широка — от среды обитания и предметной среды до организма человека.

Одним из развивающихся направлений акустической диагностики является диагностика морской среды. Исследования последнего времени в области акустики океана связывают перспективу создания систем диагностики с использованием акустического пассивного мониторинга и так называемой просветной томографией среды (мониторинг прошедшего через среду акустического сигнала излучателя подсветки). Применяемые для реализации этих методов средства включают излучатели, работающие в диапазоне от нескольких сотен Гц до нескольких кГц, приемные антенны больших волновых размеров с приемниками звукового давления, в том числе буксируемые, многоканальные тракты сбора и обработки информации. В последние годы для выделения времени и углов приходов зондирующих сигналов используют прием развитыми по вертикали антеннами и принцип излучения-свертки сложных сигналов с частотной или фазовой модуляцией. Недостатками таких систем является сложность их развертывания и эксплуатации, а также неоднозначность определения направления прихода сигнала в поперечной плоскости. Для преодоления этих недостатков и получения дополнительной информации в процессе мониторинга представляется полезным более полное использование информационного потенциала акустического поля с получением и обработкой его скалярной и векторной составляющих и создание на этой основе новых инструментальных средств - мобильных, компактных и высокоинформативных приемных устройств малых волновых размеров, как стационарных, так и буксируемых (в том числе гибких).

Другая важная область привлечения акустической диагностики — медицина. Там сходные задачи ставятся, в частности, в области пульмонологии, где, несмотря на значительные усилия исследователей в стране и за рубежом, пока слабо поддается объективизации процесс контроля состояния системы дыхания человека. Многофазный характер структуры и газонаполненость легких не позволяют использовать получившие широкое распространение методы ультразвуковой томографии, поэтому объективные акустические методы диагностики сводятся к анализу шумов дыхания (пассивному мониторингу), или мониторингу прошедшего через структуру легких на стенку грудной клетки низкочастотного акустического сигнала, генерируемого в верхних дыхательных путях излучателем "подсветки" (им могут быть голосовые связки или внешний электроакустический преобразователь). Однако, количественное описание акустических явлений в системе дыхания - актуальная для практической медицины задача - не решена до настоящего времени, и ее решение невозможно без создания и анализа акустической модели системы, простых и повторяемых процедур обследования (измерения), разработки необходимых инструментальных средств, доступных и эффективных средств обработки и представления данных. Для решения этой задачи предлагается на основе физического анализа развить и модифицировать существующие способы контроля, применить создающие значительные отношения сигнал/помеха специальные дыхательные маневры и звуки "подсветки" разработать устройства сбора, анализа и представления данных.

Общими для диагностики (мониторинга) морской среды и системы дыхания оказываются не только схожесть задач, но и диапазон низких звуковых частот, необходимость применения датчиков, обеспечивающих направленный прием сигналов при малых волновых размерах, способы регистрации и обработки информации.

Настоящая работа посвящена разработке акустических инструментальных средств, к которым отнесены акустические датчики и приемные устройства малых волновых размеров, а также способы и устройства обработки сигналов для решения задач:

- определения углов прихода сложного сигнала подсветки при активном акустическом мониторинге океана;

- медицинской диагностики состояния системы дыхания человека.

Применение акустических средств и методов в исследовании столь различных объектов подчеркивает значение акустической диагностики, а также иллюстрирует объективную возможность использования общих подходов и инструментальных средств для анализа акустических феноменов в различных областях науки и техники.

Задачи исследования:

1. Разработать акустические датчики и приемные устройства для контроля морской среды и системы дыхания.

4. Разработать и исследовать способы и устройства для медицинской диагностики системы дыхания человека.

Научная новизна результатов работы определяется следующим:

- разработаны и экспериментально обоснованы оригинальные конструкции акустических датчиков и приемных устройств, предназначенных для гидроакустической и медицинской аппаратуры;

- на макетах ГБПУ впервые экспериментально определены уровни помех обтекания в трактах градиента давления и потока мощности при скоростях буксировки от 3 до 9 узлов;

- впервые разработан и экспериментально обоснован способ определения углов прихода сложных зондирующих сигналов в условиях многолучевости при использовании в качестве приемного устройства трехкомпонентного приемника градиента давления;

- впервые разработаны и обоснованы способы акустической диагностики системы дыхания на основе анализа трахеальных шумов форсированного выдоха и синхронного анализа проведения голосовых звуков на симметричные участки легких, показавшие высокую эффективность при клинической апробации;

- разработаны физические модели шумообразования при форсированном выдохе и звукопроведения в респираторном тракте, математические модели тыльной чувствительности асимметричного градиентного приемника и шумообразования свистов форсированного выдоха.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка использованных источников, включающего 68 отечественных и 52 зарубежных.

Заключение диссертации по теме "Акустика"

Выводы

1. Предложены и реализованы новые способы диагностики системы дыхания на основе регистрации и анализа шумов форсированного выдоха и количественного определения бронхофонии.

2. Разработаны инструментальные средства для реализации новых способов, включающие датчики, устройства преобразования и записи сигналов, средства обработки и представления информации.

3. На основе исследования акустических характеристик шума форсированного выдоха и проведения звука голоса на стенку грудной клетки разработаны физическая и статистическая модели шумообразования, физическая модель звукопроведения в респираторном тракте, позволившие выделить новые диагностические признаки.

4. По результатам клинической апробации предложенных способов подтверждена возможность их использования в медицинской диагностике системы дыхания человека.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные результаты работы состоят в следующем.

1. Разработаны, экспериментально и физически обоснованы новые технические решения по построению акустических инструментальных средств для решения задач мониторинга и диагностики в подводной и физиологической акустике.

1.1. Конструкции акустических датчиков малых волновых размеров:

- малогабаритные одно- и трехкомпонентные акселерометры с чувствительными элементами в виде биморфных пьезопластин, пьезоцилиндров и сферической инерционной массой, предназначенные для гидроакустических приемников градиента давления;

- асимметричные гидроакустические приемники градиента давления с кардиоидоподобной характеристикой направленности (тыльный лепесток ХН на уровне 20%);

- малогабаритные (поперечный размер 25x35 мм) комбинированные гидроакустические приемники для гибких буксируемых приемных устройств.

1.3. Способ формирования поперечной направленности для буксируемых сейсмоакустических антенн с ПГД.

1.5. Способы и устройство для акустической диагностики системы дыхания на основе анализа трахеальных звуков форсированного выдоха и проведенных голосовых звуков.

2.1. При экспериментальном определении уровней помех обтекания (флуктуации) в трактах давления, градиента давления и потока мощности гибких буксируемых приемных устройств выявлено, что уровень помех в тракте градиента давления на 10 — 20 дБ выше, чем в тракте давления; при вычислении спектральной плотности потока мощности достигается снижение помех до уровня, наблюдаемого в тракте давления с одновременным устранением неоднозначности пеленгования в поперечном направлении.

3.3. Физическая модель звукопроведения голоса в респираторном тракте, позволившая выделить новые акустические признаки локального снижения вохдухонаполненности (пневматизации) легочной ткани.

Экспериментально обоснована методика расчета резонансных частот дисковых изгибных пьезопреобразователей методом конечных элементов, показано совпадение расчетных и измеренных частот в пределах погрешности ± 6%.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Тагильцев, Александр Анатольевич, Владивосток

1. Акуличев В.А., Безответных В.В., Каменев С.И., Кузьмин Е.В., Моргунов Ю.Н., Нужденко A.B., Пенкин С.И. Акустогидрофизический комплекс для томографических исследований морской среды // Приборы и техника эксперимента. -2000. -№ 6. С. 112-115.

2. Аронов Б.С. Электромеханические преобразователи из пьезоэлектрической керамики.-Л.: Энергоатомиздат. 1990. -272 с.

3. А. с. 645035 СССР. Трехкомпонентный вибропреобразователь / Новиков А.Б., Новиков Б.В., Потемкин Б.А., Сафаришвили Г.А.,Сиренко В.Н. Заявлено 01.03.77. Опубл. 30.01.79.

4. А. с. 1140074 СССР. Пьезоприемник давления для сейсморазведки / Павлов А. Д., Пантюхин И.М., Тактаров С.Г., Шишанов Г.В., Штивельман Б.Я. Заявлено21.12.82. Опубл. 15.02.85.

5. А. с. 1540635 СССР. Гидроакустический векторный приемник / Тагильцев A.A. Заявлено 14.12.87. Опубл. 01.10.89.

6. Балабаев С.М., Ивина Н.Ф. Компьютерное моделирование колебаний и излучения тел конечных размеров (методы конечных и граничных элементов). Владивосток: Дальнаука, 1966. -213 с.

7. Балабаев С.М., Ивина Н.Ф., Тагильцев A.A. Анализ собственных колебаний изгибных пьезопреобразователей произвольных размеров // Материалы XL VI Всерос. межвуз. науч.-тех. конф. -Т1. ТОВМИ им. С.О. Макарова.- Владивосток, 2003. -С. 14-16.

8. Басовский В.Г., Вовк И.В., Вовк О.И. Распространение звука в бронхиальном дереве человека. Часть II. Анализ численных результатов //Акустический вестник. -2000. -ТЗ, №4. -С.11-20.

9. Боббер Р. Гидроакустические измерения. -М.: Мир, 1974. -364 с.

10. Болезни органов дыхания: Руководство для врачей в 4 т. Под общей редакцией Н.Р. Палеева.-Т1. Общая пульмонология / Н.И. Александрова,

11. А.Г. Бобков, H.A. Богданов и др.; под ред. Н.В. Путова. М.: Медицина. 1989. -С.9-256.1 l.Baccepracep М.Е. Оценка предельных значений характеристик дисковых изгибных преобразователей // Тез. докл. X Всесоюз. акустической конф. -М.: 1983. -С.46-49.

12. Вибрации в технике: Справочник в 6-ти томах / -Машиностроение, 1981. —Т5. Измерения и испытания.- Под ред. М.Д.Генкина. 1981.

13. З.Власов В. В. Эффективность диагностических исследований. М.: Медицина, 1988.-256с.

14. Вовк И.В., Гринченко В.Т., Красный Л.Г., Макаренков А.П. Проблемы регистрации и классификации шумов дыхания человека. // Акустический журнал.-1994.-Т40, №1.-С.50-56.

15. Вовк И.В., Залуцкий К.Э., Красный Л.Г. Акустическая модель респираторного тракта человека // Акустический журнал.-1994.-Т40, №5.-С.762-767.

16. Вовк И.В., Гринченко В.Т., Олейник В.Н. Проблемы моделирования акустических свойств грудной клетки и измерения шумов дыхания // Акустический журнал. -1995. -Т41, -№5. -С.758-768.

17. Гаврилов А.Н. Об эксперименте «Arctic climate observation using underwater sound» // Акустика океана. Сб. трудов школы-семинара акад. Л.М. Бреховских. М.: ГЕОС, 1998. -С.10-15.

18. Гордиенко В.А., Ильичев В.И., Захаров Л.Н. Векторно-фазовые методы в акустике.-М.: Наука, 1989.-223 с.

19. Гордиенко В. А., Гордиенко Е.Л., Дрындин A.B., Лихачев С.М. Градуировка звукоприемников в вертикально колеблющемся столбе жидкости абсолютным методом. // Акустический журнал.-1994.-Т40, №2.-С.243-246.

20. Дьяченко А.И. Математические модели механики легких с распределенными параметрами: 01.02.08 биомеханика: Дис.докторатехн. наук. Институт машиноведения им. A.A. Благонравова РАН, -М., 2003.

21. Ивина Н.Ф., Тагильцев A.A. Собственные колебания круглых биморфных свободно опертых пьезокерамических пластин произвольных размеров // Материалы XLIV Всерос. межвуз. конф. -Т1. ТОВМИ им. С.О. Макарова.- Владивосток, 2001. -С. 16-18.

22. Ивина Н.Ф., Балабаев С.М., Тагильцев A.A. Анализ собственных колебаний круглых изгибных пьезопреобразователей мембранного типа с произвольным соотношением размеров // Дефектоскопия. -2003. №8. -С.24-31

23. Исакович М.А. Общая акустика. -М.: Наука, 1973. -С.147 229.

24. Карлик Я.С. Приемные гидроакустические антенны современных стационарных шумопеленгаторных станций мощный инструмент мониторинга океана // Акустика океана. Сб. трудов школы-семинара акад. Л.М. Бреховских. - М.: ГЕОС, 1998. -С.66-69.

25. Коренбаум В.И. Разработка и исследование гидроакустических векторных и комбинированных приемников с виброзащитой: Дис.канд. техн. наук: 01.04.06 . ТОВВМУ им. С.О. Макарова.- Владивосток, 1989.

26. Коренбаум В.И., Мальцев Ю.В., Тагильцев A.A. Особенности проектирования буксируемых сейсмоакустических антенн с комбинированными приемниками // Сб. тез. 11 Всесоюз. акустической конф., секц. Р. -М., 1991. С. 110.

27. Коренбаум В.И. О сравнительной помехозащищенности приемников звукового давления, колебательной скорости и потока мощности в движущейся жидкости // Акустический журнал. -1995. -Т41, №6. -С.930-931.

28. Коренбаум В.И., Горовой C.B., Зубенко A.A., Литвиненко A.B., Прокопчик С.Е. Подводные сейсмоакустические излучатели "Прожектор" // Акустика океана. Сб. трудов школы-семинара акад. Л.М. Бреховских. М.: ГЕОС, 1998. -С.280-282.

29. Коренбаум В.И., Тагильцев A.A., Кулаков Ю.В. Особенности передачи звука голоса человека на стенку грудной клетки // Акустический журнал. -1998. -Т44, № 3. -С. 380-390.

30. Коренбаум В.И. Защита акустических устройств от ближних полей собственных помех: 01.04.06 акустика: Дис.доктора техн. наук. -Тихоокеанский океанологический институт им. В.И.Ильичева ДВО РАН.- Владивосток, 1999.

31. Коренбаум В.И., Тагильцев A.A. Однонаправленные буксируемые приемные антенны для сейсмоакустической аппаратуры высокого разрешения // Акустика океана. Сб. трудов школы-семинара акад. Л.М. Бреховских. М.: ГЕОС, 2001. -С.327-330.

32. Коренбаум В.И.,Тагильцев A.A. Однонаправленный гидроакустический приемник // Приборы и техника эксперимента.-2003. -№4. -С.140-142.

33. Кулаков Ю.В., Гельцер Б.И., Тагильцев A.A. Новый подход к обучению студентов на базе использования электронной акустической системы //

34. Формирование клинического мышления будущего врача. Сб. статей. -ВГМИ.-Владивосток, 1994. -С.8-10.

35. Кулаков Ю.В., Тагильцев A.A., Коренбаум В.И., Кириченко С.А. Прибор для исследования состояния бронхиальной проходимости акустическим методом // Медицинская техника.-1995. -№5. -С.20-23.

36. Левин A.C., Мирандов В.Л. Сейсмоакустические методы в морских инженерно-геологических изысканиях. -М.: Транспорт, 1977. -176 е., -С.53-61.

37. Леонов В.П., Ижевский П.В. Применение статистики в медицине и биологии: анализ публикаций 1990-1997 гг. // Сибирский медицинский журнал. 1997. - №3-4. -С.64 - 74.

38. Морозов А.К. Декомпозиция энергии шумоподобных фазоманипулированных сигналов, принимаемых многоэлементной антенной системой, на плоскости угол-задержка // Акустика океана. Сб. трудов школы-семинара акад. Л.М. Бреховских. М.: ГЕОС, 1998. -С.37-41.

39. Немеровский Л.И. Пульмофонография. -М.: Медицина. 1981. -С.29 73.

40. Орлова Ю.В., Селиванова Д.А., Тагильцев A.A., Кулаков Ю.В.

41. Результаты исследования бронхофонии методом бронхофонографии // Проблемы клинической, профилактической и экспериментальной медицины на Дальнем Востоке. -Владивосток, 1994. -С.84.

42. Пат. 4473175 США. Marine seismic system / Berni A.J., filed 20.11.1981, published 13.03.1984.

43. Пат. 4179682 США. filed 03.08.78., published 18.12.79.

44. Пат. 1777560 СССР. Способ определения бронхофонии и устройство для его осуществления / Тагильцев A.A., Кулаков Ю.В. Заявлено 15.11.89. Опубл. 23.11.92.

45. Пат. 2082316 РФ. Способ диагностики нарушений бронхиальной проходимости / Тагильцев A.A., Кулаков Ю.В., Коренбаум В.И. Заявлено 18.09.92. Опубл. 06.02.96.

46. Пат. 2173536 РФ. Способ диагностики нарушений бронхиальной проходимости / Тагильцев A.A., Кулаков Ю.В., Коренбаум В.И. Заявлено 16.10.96. Опубл. 16.10.2001

47. Пат. 1827658 РФ. Буксируемая сейсмоакустическая антенна / Коренбаум В.И., Тагильцев A.A., Эйдельман Э.С., Заявл. 1.02.91. Опубл. 26.05.1993.

48. Пат. 2061248 РФ. Устройство для сейсмоакустической разведки на акваториях / Коренбаум В.И., Тагильцев A.A. Заявлено 18.09.92. Опубл. 27.05.96.

49. Пат. 2221261 РФ. Способ акустического зондирования океана / Коренбаум В.И., Тагильцев A.A., Моргунов Ю.Н., Каменев С.И., Нужденко A.B., Дзюба В.П., Заявлено 09.07.2002. Опубл. 10.01.2004.

50. Петухов В.И., Одинцов С.Г. Выбор параметров первичных преобразователей колебаний поверхности тела // Медицинская техника.-1992. -№1. -С.24-26.

51. Почекутова И.А. Диагностическое значение спектрально-временных характеристик трахеальных шумов форсированного выдоха у больных хроническим бронхитом и бронхиальной астмой: 14.00.43: Дис. . канд. мед. наук. ВГМУ.- Владивосток, 2001. -140 с.

52. Редерман М.И. Актуальные проблемы аускультации легких // Терапевтический архив. -1989. -Т61, №4. -С. 113-116.

53. Сапожков М.А. Электроакустика. -М.: Связь, 1978. -С.79-88.

54. Скребнев Г.К. Обзор зарубежных патентов по гидроакустическим приемниеам градиента давления и комбинированным приемникам // Судостроение за рубежом. -1984. -№2. -С.70-77.

55. Скребнев Г.К. Комбинированные гидроакустические приемники. -С.Петербург, Изд-во ЭЛМОР. 1997.- 200 с.

56. Способ определения бронхофонии и устройство для его осуществления / Тагилыдев A.A., Кулаков Ю.В. Информационный листок № 49-45. -Приморский ЦНТИ.- Владивосток, 1995.

57. Тагильцев A.A. Комбинированный приемник для гидроакустических измерений // Тез. докл. 1 Всесоюз. совещания-семинара "Глубоководные системы и комплексы". -4.1. -Черкассы, 1986. -С.96.

58. Тагильцев A.A. Высокочувствительный трехкомпонентный вибродатчик // Тез. докл. Всессоюз. науч.-техн. конф. "Использование современных физических методов в неразруш. исслед. и контроле". -Хабаровск, 1987.

59. Тагильцев A.A. Трехкомпонентные вибродатчики для сейсмической аппаратуры. // Тез. докл. 3 Тихоокеанской школы по морской геологии, геофизике и геохимии. -4.2. -Владивосток, 1987.

60. Тагильцев A.A. Лабораторная установка для испытаний и градуировки векторных приемников // Межвуз. сб. "Антенны и преобразователи". -Владивосток, 1988. -С.97-101.

61. Тагилыдев A.A., Мальцев Ю.В. Комбинированный приемник инерционного типа для гидрофизических исследований // Сб. тез. докл. Всесоюз. школы по техническим средствам и методам освоения океана. -Т2. -М., ИОАН., 1989. -С.96.

62. Тагильцев А.А., Коренбаум В.И., Кулаков Ю.В., Молдованова JI.M. Аппаратно-программный комплекс для исследования системы дыхания // Тез. докл. Региональной ассамблеи "Здоровье населения Дальнего Востока". Изд-во ДВГУ. -Владивосток, 1996. -С. 204-205.

63. Физиология дыхания. Отв. ред. И.С. Бреслав, Г.Г. Исаев СПб.: Наука, 1994.-С.7- 120.

64. Фурдуев А.В. Диагностика акватории по ее шумовому полю. // Акустический журнал. -1994. -Т40, №5. -С.875-876.

65. Щуров В.А. Векторная акустика океана. Владивосток: Дальнаука, 2003. -308 е., -С.48-67.

66. Beck R., Gavriely N. The reproducibility of forced expiratory wheezes // Am. Rev. Respir. Dis. 1990.-v.141, N6.-P.1418-1422.

67. Bergstresser Т., Ofengeim D., Vishedskiy A., Sheine J., Murphy R. Sound transmission in the lung as a function of lung volume // J Appl Physiol 2002, 93: -P.667-674.

68. Bucker H. Least-squares target detection for a twin-line towed array // J. Acoust. Soc. Am. 1994. 95(3): -P. 1669-1670.

69. Cegla U.H. Some aspects of pneumosonography // Prog. Resp. Res.-1979.-v.l 1, N10.-P.235-241.

70. Charbonneau G., Meslier N., Racineux J.L. et al. Frequency variations of breath sounds produced during maximal forced expiration // ILSA Proceedings, Cincinnati.-1984.-P.15. (www. ilsa. cc).

71. Charbonneau G., Sudraud M., Soufflet G. Method for the evaluation of flow rate from pulmonary sounds // Bull. Eur. Physiopathol. Respir.-1987.-v.23, N3.-P.265 -270.

72. Charleston S., Gonzalez R., Aljama T. et al. Differences in spectral parameters of tracheal breath sounds by three different spectral estimators // ILSA Proceedings, Lake Louise, Canada. 1993. (www. ilsa. cc).

73. Edelson G.S., Tufts D.W. On the ability to estimate narrow-band signal parameters using towed arrays // IEEE J. of Oceanic Eng. 1992. 17(1): -P.48-61.

74. Fawcett J.A., Maranda B.H. A hybrid target motion analysis matched-field processing localization method // J. Acoust. Soc. Am. 1993. 94(3): 1363-1371, Part 1.

75. Fawcett J.A. Synthetic-aperture processing for a towed array and a moving source //J. Acoust. Soc. Am. 1993. 94(5): -P.2832-2837.

76. Felisberto P., Jesus S.M. Towed-array beamforming during ship's manoeuvring // IEE Proceedings-Radar Sonar and Nav. 1996. 143(3): 210-215.

77. Ferguson B.G. Minimum variance distortionless response beamforming of acoustic array data// J. Acoust. Soc. Am. 1998. 104(2): 947-954, Part 1.

78. Forgacs P. The functional basis of pulmonary sounds // Chest.-1978.-v.73.-P.399.

79. Gade S. Sound intensity//B&K Techn. Rev. 1982. №3,4.

80. Gavriely N., Kelly K.B., Grotberg J.B., Loring S.H. Forced expiratory wheezes are a manifestation of airway flow limitation // J. Appl. Physiol.-1987.-v.62, N6. -P.2398-2403.

81. Gavriely N., Grotberg J.B. Flow limitation and wheezes in a constant flow and volume lung preparation // J. Appl. Physiol.-1988.-v.64, N1.-P.17-20.

82. Gavriely N. Mechanisms of Wheeze Generation // ILSA Proceedings, Helsinki.-1992.-P.40-41. (www. ilsa. cc).

83. Gavriely N. Breath sounds methodology. Check list // www. ilsa. cc 1995.

84. Gonzalez R., Aljama T., Charleston S. et al. Comparison of spectral density of tracheal breath sounds by fast fourier transform and Burg's estimator // ILSA Proceedings, Helsinki. -1992. -P. 49. (www. ilsa. cc).

85. Hardin J., Patterson J. Monitoring the state of the human airways by analysis of respiratory sound // Acta Astronáutica.-1979.-V.6. -P.l 137-1151.

86. Heffner J.E., Feinstein D., Barbieri C. Methodologic standarts for diagnostic test research in pulmonary medicine // Chest. 1998. - v. 114, N 3. - P. 877 -885.

87. Herzberg M., Gavriely N., The statistical properties of normal lung sounds // ILSA Proceedings, Veruno, Italy. -1991. P. 33. (www. ilsa. cc).

88. Korenbaum V. I., Tagiltsev A.A., Kulakov Ju. V. et al. Acoustic model of noise producing in human bronchial tree under forced expiration // J. Sound and Vibr.-1998.-v.213. N2 .-P.377-382.

89. Kraman S.S. The forced expiratory wheeze. Its site of origin and possible association with lung compliance // Respiration.-1983.-v.44, N3. -P. 189-196.

90. Kraman S.S., Pasterkamp H., Kompis M. et al. Effect of breathing pathways on tracheal sound spectral features // Respir. Physiol.-1998.-v.l 11, N3. -P.295-300.

91. Kraman S.S., Wodicka G.R., Oh Y., Pasterkamp H. Measurement of respiratory acoustic signals. Effect of microphone air cavity width, shape, and venting// Chest 1995 Oct; 108(4): -P. 1004-1008.

92. Lombardo J.S., Newhall B.K., Feuillet J.P. New array technologies for target discrimination//Johns Hopkins Apl. Technical Digest. 1993. 14(2): 154-161.

93. Macklem P.T. The mechanics of breathing // Am. J. Crit. Care Med. 1998. -v. 157. -P. 88-94.

94. Mahagnah M., Gavriely N. Repeatability of measurements of normal lung sounds // Am. J. Respir. Crit. Care Med. 1994. - v. 149, N 2. -P. 477 - 481.

95. Malmberg P., Sovijarvi A.R., Paajanen E. et al. Variability of lung sound frequency spectra during histamine challenge test in healthy adults // ILSA Proceedings, Helsinki. 1992. -P. 14. (www. ilsa. cc).

96. Mori M., Ono M., Hisada T. et al. Relationship between forced expiratory flow and tracheal sounds. Possible effect of vortices on flow // Respiration.-1988.-v.54, N 2. -P.78-88.

97. Mussell M.J. The need for standards in recording and analysing respiratory sounds // Med. Biol. Eng. Comput. 1992. - v. 30, N 2. -P. 129 - 139.

98. Mussell M.J., Miyamoto Y. Comparison of normal respiratory sounds recorded from the chest and trachea at various respiratory air flow levels // Front. Med. Biol. Eng.-1992.-v.4, N2. -P.73-85.

99. Nikitakos N.V., Leros A.K., Katsikas S.K. Towed array shape estimation using multimodel partitioning filters // IEEE J. of Oceanic Eng. 1998. 23(4): -P.380-384.

100. Olson D.E., Hartig D., Taleb A., Hammersley J.R. Velocity disturbances within small airways // ILSA Proceedings, Winnipeg. 1989. (www. ilsa. cc).

101. Pasterkamp H., Wiebicke W., Daien D. Variability of flow-standardized tracheal sounds //ILSA Proceedings, Paris.-1987.-P.18. (www. ilsa. cc).

102. Pasterkamp H., Kraman S.S., DeFrain P.D., Wodicka G.R. Measurement of respiratory acoustical signals. Comparison of sensors // Chest 1993 Nov; 104(5): -P.1518-1525.

103. Pastercamp H., Kraman S., Wodicka G. Respiratory sounds. Advances beyond the stethoscopes // Am. Journ. Respir. Crit. Care Med. 1997. - v. 156. -P. 974 - 987.

104. Ploysongsang Y., Baughman R.P., Loudon R.G., Rashkin M.C. Factors influencing the production of wheezes during expiratory maneuvers in normal subjects // Respiration. 1988. - v. 54, N 1. -P. 50 - 60.

105. Sanchez I., Powell R.E., Pasterkamp H. Tracheal sound spectra depend on body height // ILSA Proceedings, Helsinki. 1992. - P. 20. (www. ilsa. cc).

106. Schechter M.S. Metodologic standards for the evaluation of diagnostic tests. The need to evaluate the standards (Editorial comment) // Chest. 1998. -v. 114, N 3. -P. 670.

107. Schurman I.W. Reverberation rejection with a dual-line towed array // IEEE J. of Oceanic Eng. 1996. 21(2): -P.193-204.

108. Shabtai-Musih Y., Grotberg J.B., Gavriely N. Spectral content of forcedexpiratory wheeze during air, He, and SF6 breathing in normal humans // J. Appl. Physiol.-1992.-v.72, N2. -P.629-635.

109. Shock S.G., LeBlanc L.R. Chirp sonar: new technology for sub-bottom profiling // Sea Technology. 1990. V.31, № 9, -P. 35-43.

110. Smith J.J., Leung Y.H., Cantoni A. The Cramer-Rao lower bound for towed array shape estimation with a single source // IEEE Trans. Signal Proc. 1996. 44(4):-P.1033-1036.

111. Soufflet G., Charbonneau G., Polit M. et al. Interaction between tracheal sound and flow rate: a comparison of some different flow evaluations from lung sounds // IEEE Trans. Biomed. Eng.-1990.-v.37, N4.-P.384-391.

112. Sovijarvi A.R.A., Malmberg P., Kallio K. et al. Repeatability of breath sound parameters in healthy non-smoking men // ILSA Proceedings, Lake Louise, Canada. 1993. -P. 452. (www. ilsa. cc).

113. Takezava Y., Shirai F., Savaki S. et al. Comparison of wheezes over the trachea and on the chest wall // ILSA Proceedings, London.-1980.-P.30. (www. ilsa. cc).

114. Wagstaff R.A., Newcomb J. Three-dimensional noise field directionality estimation from single-line towed array data // J. Acoust. Soc. Am. 1997. 102(2): -Part 1.-P. 1023-1031.

115. Wodicka G., Stevens K., Golub H., Cravalho E., Shannon D. A model of acoustic transmission in the respiratory system // IEEE Trans. Biomed. Eng. 1989. V.36. -P.925-934.

116. Wodicka G., Stevens K., Golub H., Shannon D. Spectral characteristics of sound transmission in the human respiratory system // IEEE Trans. Biomed. Eng. 1990. V.37. -P.l 130 1134.

117. Wodicka G.R., Kraman S.S., Zenk G.M., Pasterkamp H. Measurement of respiratory acoustic signals. Effect of microphone air cavity depth // Chest 1994 Oct; 106(4): -P.l 140-1144.