Акустические свойства респираторного тракта человека тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ ГІДРОМЕХАНІКИ

РТБ ОД

ДАХНОВ Сергій Леонідович

УДК 534.7

АКУСТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ РЕСПІРАТОРНОГО ТРАКТУ ЛЮДИНИ

01.04.06 — Акустика

Автореферат дисертації на г*добуття наукового ступеня кандидата фіоико-математичних наук

Київ—2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті гідромеханіки НАН України.

Науковий керівник - доктор фізико-математичних наук,

професор Ігор Володимирович Вовк Інститут гідромеханіки НАН України, м. Київ провідний науковий співробітник.

Олександр Якович Калюжний Державне науково-виробниче підприємство “Дельта”, м. Київ, головний науковий співробітник.

- кандидат фізико-математичних наук Олександр Генадійович Рудницький Інститут гідромеханіки НАН України, м. Київ старший науковий співробітник.

Офіційні опоненти - доктор фізико-математичних наук,

Провідна установа - Одеський політехнічний інститут,

Міністерство освіти та науки України, м. Оде(

Захист відбудеться ” 2000 року о ” ” годині

на засіданні спеціалізованої ради Д 26.196.01 в Інституті гідромеханіки НАН України за адресою: 03680, Київ, вул. Желябова, 8/4.

годиш

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту гідромеханіки НАН України оа адресою: 03680, Київ, вул. Желябова, 8/4.

Автореферат розісланий

£ /РАС.2000 року

Вчений секретар спеціалізованої ради доктор технічних наук

£^£^ДЗтї:Криль

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дисертації.

Організм людини в процесі своєї жіттсдіяльності безперервно генерує різні шуми та звуки: звуки роботи серця, шуми та хрипи, що виникають при диханні, шуми потоку крові в судинах, звуки тракту травлення, скрипи суглобів і т.ін. Людина здавна цікавилася причинами виникнення таких звуків і намагалася за їх допомогою отримати уявлення про стан того чи іншого органу. Отже, результати, одержані при вивченні акустичних властивостей респіраторного тракту, мають не тільки непересічне фундаментальне та прикладне значення для фізики і науки про людину, але й велику цінність для медицини.

Попри багаторічну історію розвитку, аускультація респіраторного тракту та оцінка ауксультативних ознад до останнього часу багато ;в чому залишались мистецтвом, яке грунтується на досвіді лікаря, його суб’єктивному сприйнятті звуків та співставленні їх з певними слуховими образами, що сформувалися в нього в процесі практичної діяльності. Починаючи з другої половини XX сторіччя, коли почали застосовуватися нові електронні засоби і технології для реєстрації акустичних сигналів, з’явилась можливість об’єктивної реєстрації звуків дихання, документування такої інформації та використання нових методів її обробки і аналізу. Особливо прискорився цей процес за останні двадцять років у зв’язку з бурхливим розвитком комп’ютерної техніки, що дозволяє як здійснювати високоякісний цифровий звукозапис, так і ефективно обробляти одержану інформацію про респіраторні звуки. Можна стверджувати, що в наш час вже створено підвалини для досягнення принципово нового рівня розуміння процесів утворення та розповсюдження звуку в дихальних органах людини.

Однак, незважаючи на суттєві досягнення у вивченні акустики респіраторного тракту, насьогодні в цій сфері можна вказати кілька ключових напрямків, які потребують подальшого розвитку.

1. Вдосконалення експериментальної бази і, перед усім, електронних засобів багатоканальної реєстрації шумів та звуків, що генеруються в респіраторному тракті.

2. Розробка ефективних комп’ютерних методів обробки і візу-алізації зареєстрованих сигналів.

3. Дослідження властивостей респіраторного тракту з точки зору аеродинаміки та акустики.

4. Дослідження природи овукових феноменів респіраторного тракту.

5. Об’єктивізація традиційних аускультативних ознак (вербальних моделей): виявлення спектрально-часових характеристик, які можна поставити у відповідність тим, або іншим вербальним моделям.

В даній роботі розглядались усі перераховані напрямки досліджень. При цьому основна увага концентрувалася на одержанні -нових якісних і кількісних даних про акустичні властивості респіраторного тракту людини, які б могли стати науковою базою для створення нових ефективних засобів діагностики респіраторних оахворювань, Мета і задачі дослідження.

Метою дисертації є одержання нових якісних і кількісних даних про акустичні властивості та особливості респіраторного тракту людини, які дозволяють підвищити рівень розуміння фізичних процесів генерації і розповсюдження шумів та звуків в респіраторній системі, і як результат, виявити характерні об’єктивні акустичні ознаки її патологічних змін. Для досягнення цієї мети розв’язуються такі задачі.

• Розробка та вдосконалення методів реєстрації та обробки даних про коливання поверхні тіла людини, які збуджуються звуками дихання.

• Аналіз респіраторного тракту людини як акустичного та аерогідродинамічного каналу; виявлення на базі цього загальних геометричних та фізичних особливостей такого каналу.

• Дослідження фізичних та фізіологічних особливостей голосової щілини а також виявлення ступеня впливу її параметрів на характеристики шумів дихання

• Аналіз спектрально-часових характеристик шумів і звуків дихання в нормі та патології і, як його результат, встановлення відповідності між акустичними характеристиками сигналу та традиційними ауксультативними ознаками, прийнятими у медицині.

• Вивчення змін акустичних характеристик респіраторного тракту хворих в процесі їх одужання, оцінка чутливості та ро-зрізшовальних можливостей методів, які використовуються для обробки та візуалізаціїї сигналу.

з

Наукова новизна одержаних результатів.

У дисертації одержано такі нові результати.

• Розроблено електронну аналогово-цифрову установку і експериментальну методику для високоякісної одночасної реєстрації коливань поверхні тіла людини в кількох точках.

• На основі проведеного аналізу існуючих методів обробки акустичних сигналів обрано адекватні методи, що дозволяють ефективно виявляти інтегральні та локальні особливості спектрально-часових характеристик шумів та звуків дихання в нормі та патології.

• На основі проведеного аналізу респіраторного тракту людини з позицій акустики та аерогідромеханіки виявлено особливості структури потоку повітря в гортані та бронхіальному дереві. Показано, що при нормальному диханні у голосовій щілині виникають умови, що призводять до вихороутворення в потоці і, як наслідок, виникненню пульсацій тиску в бронхіальному дереві та на стінках його елементів.

• Розроблена експериментальна методика, яка дозволяє вивчати форму і розміри голосової щілини. В результаті проведених натурних досліджень вперше одержано та узагальнено кількісні дані про розміри та варіабельність голосової щілини людини. Проведено оцінку відносних інтегральних рівней шумів, які генеруються в області голосової щілини. Встановлений кореляційний зв’язок між розмірами голосової щілини та рівнем шуму, що генерується в ній під час акту дихання.

• За допомогою розроблених експериментальної установки та методики в кліничних умовах проведено натурну реєстрацію та обробку шумів і звуків дихання у більш ніж сорока респіраторних хворих з діагнозами і ауксультативними ознаками, котрі були верифіковані медиками (всього одержано близько 500 високоякісних фонограм шумів і звуків дихання). На основі цих даних встановлена відповідність між об’єктивними акустичними характеристиками сигналу та найважливійшими ауксультативними ознаками. Проведено класифікацію ауксультатив-них ознак з точки зору кількісних та якісних особливостей спектрально-часових характеристик, які відповідають конкретним вербальним моделям аухсультативних ознак. В клінічних умовах проведено моніторінг акустичних характеристик

респіраторного тракту пневмонійних хворих в процесі їх одужання. Одержані дані дозволили вивчити динаміку акустичних характеристик респіраторного тракту і визначити чутливість та розрізняючу здатність використаних методів обробки.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблені експериментальна установка та методика, що являють собою єдиний апаратно-програмний комплекс для реєстрації та обробки шумів і звуків респіраторного тракту людини, в період з 1997 по 1999 рр. пройшли наукову, технічну й клінічну апробацію в Інституті гідромеханіки НАН України та Головному військовому клінічному госпіталі МО України. Аналіз та узагальнення одержаних за їхньою допомогою результатів дозволяють говорити про високу ефективність даного комплексу як прототипу нового неінвазив-ного екологічно чистого інструменту, призначеного для мониторингу стану респіраторного тракту, а, в майбутньому, і діагностики респіраторних захворювань. Це дає підстави стверджувати, що нові високі технології такого типу можуть виявитись альтернативою існуючим рентгенологічним засобам мониторингу та діагностики захворювань органів дихання.

Зв’язок роботи а науковими програмами, -гемами.

Дисертаційна робота виконувалась у відповідності з науковим планом роботи Інституту гідромеханіки НАН України, а також науково-технічною роботою “Стоврення комп’ютерної системи реєстрації та аналізу звуків дихання з метою підвищення ефективності діагностики захворювань легенів” (договір N 8/19-98 від 11 березня 1998 р. між Міністерством України у справах науки і технологій та Інститутом гідромеханіки НАН України).

Публікації оа темою дисертації.

За темою роботи опубліковано чотири наукових статті [1-4] і тези доповіді на міжнародній науковій конференції [5]. З них, чотири публікації у фахових виданнях згідно переліку ВАК України.

Особистий внесок здобувана.

Ідейна основа теоретичних розробок та експериментальних досліджень, що знайшли своє відображення у матеріалах дисертації, в цілому належить здобувачеві.

Зокрема, в роботі [1], виконаній спільно з професором І. В. Вовком, академіком В. Т. Грінчепком та іншими співавторами, здобувач провів аналіз стану проблеми, а також приймав безпосередню участь у розробці експериментальної установки та методики для реєстрації шумів дихання з поверхні грудної клітки, проведенні натурних досліджень та аналізі одержаних експериментальних результатів.

В роботі [2], виконаній спільно о професором І. В. Вовком та академіком В. Т. Грінченком, здобувачеві належить розробка експериментальної методики оцінки форми та розмірів голосової щілини, проведення натурних замірів, обробка і аналіз одержаних відеома-теріалів. Крім того, здобувач брав участь в оцінюванні рівнів інтегральної акустичної потужності шумів дихання і встановленні кореляційних зв’язків між розмірами голосової щілини та рівнем потужності шумів.

В роботі [3], виконаній спільно з професором І. В. Вовком, академіком В. Т. Грінченком та іншими співавторами, здобув ач здійснив ретроспективний аналіз проблем, зв’язаних о об'єктивізацією аускультативних ознак, провів експериментальні роботи по накопиченню фонограм шумів дихання в умовах клініки, а також брав участь в аналізі одержаного фактичного матеріалу, верифікації типів дихання на фонограмах у відповідності з прийнятою в медицині вербальною класифікацією та встановленні об’єктивних спектрально-часових характеристик сигналу, які відповідають тем чи іншим вербальним моделям.

В роботі [4], виконаній спільно з профессором І. В. Вовком та двома іншими співавторами, здобувач організував, а також брав безпосередню участь у проведенні в умовах клініки серії експериментальних досліджень зі спостереження динаміки акустичних характеристик шумів дихання пневмонійних хворих, що одужують, проводив верифікацію типу, тяжкості та протікання захворювання, брав участь в обробці та аналізі одержаних результатів.

Апробація результатів дисертації.

Матеріали досліджень за темою дисертації доповідались на 8-ій Міжнародній конференції пульмонологів п алергологів (Польща, Закопане, 26-29 березня 1998 p.), 24-ій Міжнародній конференції з легеневих звуків - 24-th ILSA Conference (Німеччина, Марбург, 6-8 жовтня 1999 р.) [5], семінарі Національного технічного університету України “КПІ”, кафедра аналітичного приладобудування та екологічних систем (Україна, Київ, грудень 1999 p.). та Республіканському семінарі з акустики під керівництвом академіка НАН України В. Т. Грінченка (Україна, Київ, лютий 2000 p.).

Структура та обсяг дисертації.

Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків і списка літератури. Загальний обсяг роботи становить 163 сторінки, у тому числі 38 рисунків і 8 таблиць. Список літератури налічує 81 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертації, мету і задачі дослідження, його наукову новизну, практичне значення, зв’язок роботи з науковими програмами, тощо.

У першому рооділі дано стислий огляд теоретичних та експериментальних досліджень, спрямованих на вивчення акустичних властивостей респіраторного тракту людини та особливостей звуків дихання, проаналізовано деякі теоретичні та практичні аспекти, які визначають місце респіраторної акустики в сучасній науці.

Відомо, що іще лікарі Давньої Греції і древнього Китаю вислуховували шуми, що виникали в організмі з метою діагностики. Честь повторного відкриття ауксультації, але вже як науково обгрунтованого фізичного методу дослідження організму людини, належить відомому французькому клініцистові Рене Лаеннеку, котрий в 1819 році опублікував класичний трактат “Керівництво з посереднього вислуховування і захворювань легенів та серця” а також винайшов стетоскоп - перший фізичний прилад для вислуховування шумів організму. Значний внесок у розвиток традиційних ауксультацій-них методик належить таким відомим медикам як П. А. Чаруковсь-кий, С. П. Боткін, (Санкт-Петербург), Г. І. Сокольський (Москва) А. А. Ковалевський (Томськ), В. П. Обраоцов, Н. Д. Стражеско, М. М. Губергріц, Ф. Г. Яновський (всі - Київ).

До останнього часу ауксультація респіраторного тракту та оцінка ауксультативних ознак до останнього часу багато в чому залишалась мистецтвом, яке грунтується на досвіді лікаря, його суб’єктивному сприйнятті звуків та співставленні їх з певними слуховими образами, що сформувалися в нього в процесі практичної діяльності. Відповідно до цього, історично склалась аксультативна семіотика, переповнена такими суб’єктивними епітетами, як “жорстке дихання”, “дрібнобульбашкові хрипи” та ін. Вочевидь, за подібної класифікації кожній аксультативній ознаці важко поставити у відповідність будь-які інформаційно значущі об’єктивні кількісні характеристики звуків дихання.

Новітній період у вивченні акустики респіраторного тракту розпочався у другій половині XX сторіччя з застосуванням електронних засоби і технологій для реєстрації акустичних сигналів. Ретельний аналіз цих досліджень показує, що насьогодні акустика респіраторного тракту людини вже виділилась у окремий розділ сучасної акустики. Такий висновок, зокрема, підтверджується постійним зростанням кількості публікацій з цієї проблематики.

Слід вказати ряд сучасних дослідників, яким належать ва-

гомі здобутки у вивченні акустики респіраторного тракту людини: Р. Мерфі, С. Краман, Д. Райс (США), Г. Пастеркамп і Р. Бек (Канада), Н. Гавріелі і А. Кохен (Ізраїль), П. Форгас (Англія), Д. Шар-боне (Франція), М. Морі і Р. Мікамі (Японія), А. Совійарві (Фінляндія), В. Коренбаум (Росія) та ін. В Україні ініціатором і керівником таких досліджень є директор Інституту гідромеханіки НАН України, академік НАН України професор В. Т. Грінченко. Починаючи о 1976 року, активну діяльність проводить міжнародна асоціація о вивчення звуків легенів - International Lung Sound Association (ILSA), яка об’єднує вчених багатьох країн (акустиків, фізіологів, медиків, інженерів), що працюють в цін галузі.

Результати, одержані при вивченні акустичних властивостей респіраторного тракту, мають фундаментальне та прикладне значення для фізики і науки про людину. Крім того, вони мають велику цінність для медицини. Так, в ряді розвинутих країн уже зараз обговорюються персрективи використання таких досліджень для розробки нових неінвазівних технологій діагностики легенів і робляться конкретні кроки в цьому напрямку, створюються апаратні комплекси для проведення комп’ютерного аналізу звуків дихання. Виходячи о безпечності, з точки зору дії на організм людини, згадних діагностичних методів, розвиток досліджень респіраторного тракту є принципово важливим для України, територія якої була піддана радіаційному забрудненню внаслідок аварії на Чорнобильській АЕС, оскільки використання досягнень у цій області закладає науковий фундамент для створення ефективних засобів для моніторінгу та діагностики населення на предмет захворювань органів дихання без застосування рентгенологічного обладнання.

Другий розділ присвячено розробці методів електронної реєстрації та комп’ютерної обробки даних про коливання поверхні тіла людини.

На початку наведено опис експериментальної установки для електронної реєстрації та обробки даних про коливання поверхні тіла людини, викликані акустичними сигналами, що породжуються при акті дихання (рис. 1). Згадана установка структурно складається з основного тракту, призначеного для реєстрації та обробки шумів дихання, і додаткового тракту, що дозволяє розрізняти фази дихального циклу (вдих-видих) До основного тракту входять 1,2 - високочутливі мініатюрні сенсори (акселерометри), що кріпляться на тілі обстежуваного; 3 - багатоканальний електронний підсилювач сигналів (діапазон частот 1 -4- 5000 Гц, коефіцієнт підсилення 70 дБ); 4 - багатоканальні переиастроювані частотні фільтри; 5 - головні телефони;

Рис. 1. Блок-схема експериментальної установки для двоканальної реєстрації та обробки даних про шуми дихання людини

б - багатоканальний 12-ти розрядний аналого-цифровий перетворювач; 7 - персональний комп’ютер; 8 - звукові колонки; 9 - кольоровий принтер. Додатковий тракт складається о 10 - електретного мікрофона, розміщеного проти носової (ротової) порожнини обстежуваного; 11 - попереднього підсилювача.

Детально обговорені особливості протоколу роботи а суб’єктами процедури та методики реєстрації сигналу, застосованої під час досліджень. Визначена топографія точок на грудній клітці, придатних для ефективного зйому інформації про шуми дихання.

Шуми та звуки дихання є сигналом з широкими частотним та динамічним діапазонами. У зв’язку з цим, виникає потреба використовувати високочутливі сенсори, сприйнятливі до завад, що можуть перешкоджати отриманню корисного сигналу належної якості. Дано класифікацію основних типів завад при реєстрації звуків дихання (робота серця, сейсмічні коливання, наводки радіоефіру та електромережі) та вказано шляхи боротьби о ними.

У цьому ж розділі охарактеризовано ряд методик комп’ютерної обробки дихальних шумів у вигляді частотно-часових, спектральних та статистичних образів. Зокрема, розглянуто метод частотно-часових спектрів (респіросонографію), метод побудови передаточних функцій каналу трахея - поверхня грудної клітки та метод адаптивної класифікації за принципом “хворий-здоровий” (статистичний метод, що враховує інтегральні відмінності тестованого сигналу від

“еталонної” реалізації).

У третьому рооділі проведений аналіз респіраторного тракту як аеродинамічного й акустичного каналів. Зокрема, детально розглянуто специфіку геометричних і фізичних характеристик гортані та бронхіального дерева.

Гортань та порожнини, які до неї прилягають трактувались як канал о конфузорно-дифузорним переходом, у якому в місці з’єднання конфузора та дифузора знаходиться діафрагма о отвором (голосова щілина). Показано, що найбільша швидкість потоку повітря при акті дихання спостерігається в голосовій щілині. При помірному (звичайному) диханні число Рейнольдса може тут досягати значень 5-Ю3-4-Ю4 і більше. Виявлено, що при прохожденні вглиб бронхіального дерева швидкість потоку різко спадає, так, що на периферії бронхіального дерева значення числа Рейнольдса не перевищують одиницю. Показано, що турбулізація потоку оа голосовою щілиною є головною причиною виникнення пульсацій тиску і, як наслідок, генерації шумів дихання у нормі.

У четвертому роаділі досліджено вплив фізичних та фізіологічних особливостей верхніх дихальних шляхів на характеристики шумів дихання.

За оригінальною методикою, розробленою здобувачем, проведене ендоскопічне дослідження о метою документування геометричних параметрів верхніх дихальних шляхів людини і, зокрема, голосової щілини. Основну увагу звернуто на високу індивідуальну варіабельність форми та розмірів голосової щілини, в зоні якої, згідно висновків попереднього розділу, і знаходиться одне о основних джерел генерації основних звуків дихання (так званих, трахеального та бронхіального дихання). Так, за даними обстеження відношення площ голосових щілин різних людей може досягати трьох-п’яти. Форма голосової щілини є суто індивідуальною характеристикою, але здебільшого вона нагадує рівнобедрений трикутник. Виявлено, що голосова щілина також зазнає значних змін при акті дихання (відношення її площі у фазі вдоху до площі у фазі видоху становить в середньому близько двох).

Розуміння особливостей генерації шумів є необхідним для створення ефективних комп’ютерних систем реєстрації та обробки сигналів з метою вдосконалення методів діагностики респіраторних захворювань. Суттєва залежність характеристик шумів дихання від багатьох параметрів визначає необхідність документувати ці параметри в процесі вимірювань. Одним з параметрів, який часто фіксується в процесі вимірювань, є витрата повітря, що вимірюється

кіім І И ІІМ- а

г“ 1 іг Г *" Аг’" Р Г'

1200И

ЦюооИ І

6 9 12

Тіте іп seconds

-10

-20

-ЗО

-40

N1000

т

ф

г

6 9 12

Тіте іп весопбэ

Рис. 2. Респіросонограми дихання з вологими (а) та сухими (б) хрипами

пневмотахографом. Багатьма дослідниками останній параметр використовувався як контрольний для підтримання “еталонного” режиму дихання з нормованим рівнем шумів дихання від суб’єкта до суб’єкта. На основі аналізу одержаних даних покаоано, що підтримка за допомогою пневмотахографа однакової величини витрати повітря не гарантує однакового рівня потужності шумів дихання, генерованих потоком повітря в області трахеї.

П’ятий роодід присвячено аналізу спектрально-часових характеристик шумів дихання в нормі та патології і на базі цього об’єктивізації основних аускультативних ознак.

Представлено ретроспективний огляд методів, що використовувались для об’єктивизації аускультативних ознак шумів дихання людини за останнє двадцятиріччя. Викладено сучасні погляди на природу шумів дихання та систематизовано літературні дані про можливі причини виникнення основних і додаткових шумів дихання.

На базі використання спектрально-часових методів аналізу та візуального представлення складних звукових сигналів продемонстровано можливості об'єктивізації ряду аускультативних ознак. Показано, що побудова частотно-часових спектрів (респіросонографія) дозволяє одержати для різних типів шумів дихання (згідно прийнятої в медицині вербальної класифікації) акустичні “портрети”, що дають можливість чітко розрізнити більшість типів шумів та звуків дихання за об’єктивними фізичними параметрами. Так, наприклад, вологі хрипи є короткими імпульсними сигналами з широкою частотною смугою (рис. 2, а).

Зроблено спробу класифікації різних типів сухих хрипів за характером їхніх спектральних складових. Так, хрипи, в яких переважає один тон, сприймаються як гудіння, поліфонічні хрипи з кратним відношенням гармонік - як музичне свистіння рис. 2,6, а поліфонічні з дробовим відношенням частот гармонік - як дзижчання. Як свистіння можуть сприйматися також монофонічні сигнали з основним тоном від 300 Гц і вище.

У шостому розділі виконано дослідження зміни акустичних характеристик респіраторного тракту хворих в процесі їх одужання.

За допомогою адаптивного і спектрально-часового методів досліджено зміну акустичних характеристик шумів дихання пневмоній-них хворих у процесі їх одужання. Показана висока ефективність обох методів о точки зору одержання інформації про поточні зміни тяжкості захворювання та його локалізації. Встановлено, що адаптивний метод дозволяє одержати оцінку загального стану респіраторного тракту обстежуваного, а спектрально-часовий метод -

РїХІСґ1! здороВИЙ

тіі.ша У '-і

26.11.1SSS /

а' / 2і.и.іш

/

ХВОРИЙ

е Ргх10и

Н2 х 10"*

ЗДОРОВИЙ

. 18,11.10^8 і>'гб.11.1988

^<.(898 ХВОРИЙ

з

6

Р^ІСГ*

ЗДОРОВИЙ

/

/ гелиозе

^24.^998 ХВОРИЙ

рг Х І0]*| ЗДОРОВИЙ

у

./ I9.t1.t998

24.ЇМ998

^ ХВОРИЙ

/26.11.1693

е рі X ЮЧ

Рис. 3. Динаміка одужання пневмонійного хворого (оцінка за адаптивним методом)

оцінювати динаміку практично всіх основних та додаткових шумів дихання. На рис. З показано динаміку інтегральних характеристик спектрів шумів дихання хворого лівосторонньою пневмонією під час одужання, згідно оцінювання за допомогою адаптивного методу. Видно, що вказаний метод має досить високе просторове і часове розділення для того, щоб о достатньою ймовірністю свідчити про стан певного відділу легенів у певний момент часу.

ВИСНОВКИ

Підводячи підсумок результатам, одержаним у дисертаційній роботі, можна зробити такі висновки.

1. Розроблені та апробовані в клінічних умовах експериментальна установка і методика електронної реєстрації коливань поверхні тіла людини, викликаними шумами та звуками, що виникають

у грудній клітці. Обрані адекватні методи обробки зареєстрованих сигналів і оцінена їхня ефективність.

2. Проведено аналіа респіраторного тракту як аеродинамічного й акустичного каналів. Встановлені закономірності динаміки потоку повітря в гортані та бронхіальному дереві. Показано, що при нормальному диханнп найбільша швидкість потоку виникає у голосовій щілині, причому числа Рейнольдса тут досягають величин 5 - 103-г-104 і більше. Це обумовлює інтенсивне вихоро-утворення в потоці за голосовою щілиною і, як наслідок, генерацію поля пульсацій тиску та коливнь стінок бронхіального дерева як джерел шумів дихання.

3. Проведені натурні дослідження форми й розміру голосової щілини у фазі вдоху та ізидиху. Встановлено, що форма щілини і її розмір суттєво залежать від індивіда. Показано, що розмір щілини у фазі вдоху майже вдвічі більший, ніж у фазі видоху. Виявлено, що розкиди розміру щілини є дуже великими; відношення максимальної площі щілини до мінімальної в середньому складає близько чотирьох.

4. Проведено оцінку відносних рівнів потужності шумів дихання. Показано, що рівні спектральної потужності шумів дихання мають великі розкиди, що безпосередньо зв’язано зі значною різницею в індивідуальних розмірах голосової щілини. Виявлено, що розкиди потужності шумів збільшуються оі зростанням інтенсивності дихання. Встановлено, що потужність шумів дихання в області трахеї пропорційна швидкості потоку повітря в ступені від 2.3 до 3. Виявлено кореляційний зв’язок між розмірами голосової щілини та рівнем шумів дихання в області гортані.

5. На базі одержаних в клінічних умовах численних електронних записів шумів дихання у нормі та патології проведено спектрально-часовий аналіз, який дозволив поставити у відповідність до традиційних суб’єктивних вербальних моделей шумів об’єктивні спектрально-часові характеристики.

6. Досліджено динаміку акустичних характеристик респіраторного тракту пневмонійних хворих в процесі їх одужання. Показана висока розрізнювальна здатність прийнятих методів обробки сигналів, що дозволяє фактично проводити моніторинг

стану респіраторної системи у ході хвороби і якісно та кількісно оцінювати тенденції та ефективність процесу лікування.

ЛІТЕРАТУРА

[1] Вовк И. В., Дахнов С. П., Крижановский В. В., Олийнык В. Н. Возможности и перспективы диагностики легочных патологий с помощью компьютерной регистрации и обработки шумов дыхания // Акуст. вісн- 1998.- 1, N 2 - С. 3-16.

[2] Вовк И. В., Гранченко В. Т. Дахнов С. Л. Влияние физиологических особенностей дыхательных путей на характеристики шумов дыхания // Акуст. віси- 1998.- 1, N 3.- С. 14-23.

[3] Вовк И. В., Гриичешо В. Т., Дахнов С. Л., Крижановский В. В., Олийнык В. Н. Шумы дыхания человека: объективизация аускультативных признаков // Акуст. вісн,- 1999.- 2, N 3- С. 1132.

[4] Вовк И. В., Дахнов С. Л., Крижановскши В. В., Олийнык В. Н. Изменение акустических характеристик шумов дыхания пнев-монийных больных в процессе выздоровления // Акуст. вісн.— 1999.— 2, N 4.- С. 3-12.

[5] Vovk I. VGnncheako V. Т., Dahnov S. L., Krizhanovsky V. У., Oliynik V. N. Dynamics of changes in acoustical characteristics of respiratory tract of pneumonic patients in process of treatment // Proc. 24-th Int. Lung Sounds Conf.- Institute of Physiology. Marburg, Germany, 6-8 Oct., 1999.- P. 71.

АНОТАЦІЇ

Дахнов С. Л.

Акустичні властивості респіраторного тракту людини (рукопис). Дисертація на здобуття ученого ступеня кандидата фізико-математич-них наук за спеціальністю 01.04.06 - акустика, Ін-т гідромеханіки НАН України - Київ, 2000.

Дисертацію присвячено експериментальним та теоретичним дослідженням акустичних властивостей респіраторного тракту людини. Розроблено ряд сучасних методів електронної багатоканальної реєстрації та комп’ютерної обробки сигналів, характерних для коливань поверхні тіла людини. Проведений аналіз респіраторного тракту як аеродинамічного й акустичного каналів. Досліджений вшшв фізичних та фізіологічних особливостей верхніх дихальних шляхів на характеристики шумів дихання. Зокрема, показано, що завдяки великій швидкості потоку повітря в голосовій щілшгі виникає його турбулізація і, як наслідок, ефективне шумоутво-рення. Проаналізовані спектрально-часові характеристики шумів дихання в нормі та патології і на базі цього проведено об’єктивізацію аускульта-тивних ознак (вербальних моделей). Виконаної дослідження оміші основних та додаткових типів дихання, акустичних характеристик респіраторного тракту хворих в процесі їх одужання. Показана висока ефективність запропонованих методів комп’ютерної обробки і візуалізації сигналів, які породжуються шумами та звуками дихання людини.

КЛЮЧОВІ СЛОВА: шуми та звуки дихання, респіраторна система, електронна аускультація, респіросонографія, адаптивна класифікація, комп’ютерна обробка та візуалізахіія сигналів, вербальні моделі типів дихання.

Дахнов С. Л.

Акустические свойства респираторного тракта человека (рукопись).

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.06 - акустика, Ин-т гидромеханики НАН Украины - Киев, 2000.

Диссертация посвящена экспериментальным и теоретическим исследованиям акустических свойств респираторного тракта человека.

Проведен анализ литературных источников, показавший, что акустика респираторного тракта в настоящее время уже выделилась в отдельный раздел современной акустики и сформировался устойчивый круг специалистов, которые объединились в рамках Международной ассоциации по изучению шумов дыхания (International Lung Sound Association).

Предложен и разработан ряд современных методов многоканальной регистрации и компьютерной обработки сигналов, вызванных колебаниями поверхности тела человека, которые обусловлены шумами и звуками дыхания, Предложен ряд компьютерных методов обработки сигналов, в частности, адаптивный метод классификации по принципу “болен - здоров” и метод передаточных функций канала трахея - поверхность грудной клетки. При исследованиях применялся также спектрально-временной анализ шумов дыхания (респирссонография).

Проведен анализ респираторного тракта как аэродинамического и акустического каналов. Детально рассмотрена специфика геометрических и физических характеристик гортани и бронхиального дерева. Показано, что гортань можно трактовать как капал с конфузорно-диффузорным переходом, причем в месте их сочленения находится диафрагма с отверстием

(голосовая щель). Установлено, что наибольшая скорость потока воздуха В респираторной системе наблюдается именно в голосовой щели, а турбу-лизация, возникающая ниже по потоку, является главной причиной генерации шумов дыхания в норме.

Проведено эндоскопическое исследование голосовой щели. Показано, что форма и размеры щели являются сугубо индивидуальными и могут колебаться в весьма широких пределах. Обнаружено, что параметры голосовой щели существенно меняются в процессе дыхания. Например, площадь голосовой щели в фазе вдоха может в два раза превышать площадь в фазе выдоха. Показано, что высокая вариабельность размеров голосовой щели обуславливает высокую вариабельность мощности шумов дыхапия.

В клинических условиях проведены регистрация и обработка спектрально-временных характеристик шумов дыхания в норме и патологии на большом количестве пациентов. На основе накопленной базы данных проведена объективизация традиционных аускультативных признаков (вербальных: моделей) для основных и дополнительных типов шумов дыхания. Показано, что построение респиросонограмм позволяет получить акустические “портреты”шумов и звуков дыхания, характеризуемые четкими объективными физическими параметрами. Проведена классификация разных типов сухих хрипов по характеру их спектральных составляющих.

Проведено исследование изменения акустических характеристик респираторного тракта пневмошшных больных в процессе их выздоровления. Показана высокая эффективность принятых методов обработки с точки зрения получения информации о текущих изменениях тяжести заболевания в его локализации. Установлено, что адаптивный метод позволяет получить оценку общего состояния респираторного тракта обследуемого, а спектрально-временной метод - оценивать в деталях динамику практически всех основных и дополнительных респираторных шумов.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: шумы и звуки дыхания, респираторная система, электронная аускультация, респиросонография, адаптивная классификация, компьютерная обработка и визуализация сигналов, вербальные модели типов дыхания.

Dahnov S. L.

Acoustical properties of human respiratory tract (manuscript).

Thesis for a Candidate of Physical and Mathematical Sciences degree, speciality 01.04.06 - acoustics - Inst, of Hydromechanics of NAS of Ukraine, Kyiv, 2000.

The thesis is dedicated to experimental and theoretical investigation of acoustical properties of human respiratory tract. A number of modern techniques is developed for electronic registration and computer processing of vibration of the surface of human tissue. The analysis of respiratory tract as an aerodynamical and acoustical channes is carried out. The influence of physical and physiological features of upper respiratory ways on the characteristics of breath noise is investigated. In particular, it is shown that due to high speed of airflow in the vocal slot the turbulization arises, and this results in the efficient noise generation. The spectral-time properties of breath sounds in the normal state and the pathology are analysed and on this base the objectivization of auscultatory tags (verbal models) is carried out. The changes of basic and padding types of breath, and the acoustical properties of patients’ respiratory tract during their convalescense are investigated. It is shown a high efficiency of proposed techniques of computer processing and visualization of signals caused by human breath noise and sounds.