Исследование и объективизация дополнительных звуков дыхания у больных хронической обструктивной болезнью легких

Приведены результаты исследования звуков дыхания больных хронической обструктивной болезнью легких (ХОБЛ). Исследования выполнены в клинических условиях в ГУ "Институт медицины труда АМН Украины" с помощью многоканального фоноспирографического комплекса "КоРА-03М1". Компьютерная...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Акустичний вісник
Date:	2010
Main Author:	Макаренкова, А.А.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут гідромеханіки НАН України 2010
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79770
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Исследование и объективизация дополнительных звуков дыхания у больных хронической обструктивной болезнью легких / А.А. Макаренкова // Акустичний вісник — 2010. —Т. 13, № 3. — С. 31-41. — Бібліогр.: 31 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859968947057590272
author	Макаренкова, А.А.
author_facet	Макаренкова, А.А.
citation_txt	Исследование и объективизация дополнительных звуков дыхания у больных хронической обструктивной болезнью легких / А.А. Макаренкова // Акустичний вісник — 2010. —Т. 13, № 3. — С. 31-41. — Бібліогр.: 31 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Акустичний вісник
description	Приведены результаты исследования звуков дыхания больных хронической обструктивной болезнью легких (ХОБЛ). Исследования выполнены в клинических условиях в ГУ "Институт медицины труда АМН Украины" с помощью многоканального фоноспирографического комплекса "КоРА-03М1". Компьютерная обработка и последующий анализ записей звуков дыхания более чем 500 пациентов позволили качественно и количественно объективизировать основные характерные акустические признаки, присущие ХОБЛ. На основе полученных результатов разработаны физические модели процессов генерации звуков дыхания при наличии в них артефактов, обусловленных морфологическими и физическими изменениями в легких, вызванными ХОБЛ. Наведено результати дослiдження звукiв дихання хворих хронiчним обструктивним захворюванням легенiв (ХОЗЛ). Дослiдження виконанi в клiнiчних умовах у ДУ "Iнститут медицини працi АМН України" за допомогою багатоканального фоноспiрографiчного комплексу "КОРА-03М1". Комп'ютерна обробка й подальший аналiз записiв звукiв дихання у бiльш нiж 500 пацiєнтiв дозволили якiсно й кiлькiсно об'єктивiзувати основнi характернi акустичнi ознаки, властивi ХОЗЛ. На базi отриманих результатiв розроблено фiзичнi моделi процесiв генерацiї звукiв дихання за наявностi в них артефактiв, обумовлених морфологiчними й фiзичними змiнами в легенях, викликаними ХОЗЛ. This paper deals with the results of studying of breath sounds of the patients with chronic obstructive pulmonary disease (COPD). The research has been conducted clinical conditions of the Institute for Occupational Health of AMS of Ukraine by means of multichannel phonospirographic complex "CoRA-03M1". The computer processing and subsequent analysis of breath sounds from more than 500 patients allowed the qualitative and quantitative objectifying of main characteristic acoustic symptoms of COPD. On the base of obtained results, the physical models have been developed for breath sounds generation process at presence of artifacts produced by the morphological and physical changes in the lungs due to COPD.
first_indexed	2025-12-07T16:21:36Z
format	Article
fulltext	ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2010. Том 13, N 3. С. 31 – 41 УДК 534.7+621.391.8 ИССЛЕДОВАНИЕ И ОБЪЕКТИВИЗАЦИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ЗВУКОВ ДЫХАНИЯ У БОЛЬНЫХ ХРОНИЧЕСКОЙ ОБСТРУКТИВНОЙ БОЛЕЗНЬЮ ЛЕГКИХ А. А. М АК А Р ЕН К ОВ А Институт гидромеханики НАН Украины, Киев Получено 25.05.2010 Приведены результаты исследования звуков дыхания больных хронической обструктивной болезнью легких (ХОБЛ). Исследования выполнены в клинических условиях в ГУ “Институт медицины труда АМН Украины” с помощью многоканального фоноспирографического комплекса “КоРА-03М1”. Компьютерная обработка и последу- ющий анализ записей звуков дыхания более чем 500 пациентов позволили качественно и количественно объекти- визировать основные характерные акустические признаки, присущие ХОБЛ. На основе полученных результатов разработаны физические модели процессов генерации звуков дыхания при наличии в них артефактов, обусловлен- ных морфологическими и физическими изменениями в легких, вызванными ХОБЛ. Наведено результати дослiдження звукiв дихання хворих на хронiчне обструктивне захворювання легень (ХОЗЛ). Дослiдження виконанi в клiнiчних умовах у ДУ “Iнститут медицини працi АМН України” за допомогою багатока- нального фоноспiрографiчного комплексу “КОРА-03М1”. Комп’ютерна обробка й подальший аналiз записiв звукiв дихання у бiльш нiж 500 пацiєнтiв дозволили якiсно й кiлькiсно об’єктивiзувати основнi характернi акустичнi озна- ки, властивi ХОЗЛ. На базi отриманих результатiв розроблено фiзичнi моделi процесiв генерацiї звукiв дихання за наявностi в них артефактiв, обумовлених морфологiчними й фiзичними змiнами в легенях, викликаними ХОЗЛ. This paper deals with the results of studying of breath sounds of the patients with chronic obstructive pulmonary disease (COPD). The research has been conducted clinical conditions of the Institute for Occupational Health of AMS of Ukraine by means of multichannel phonospirographic complex “CoRA-03M1”. The computer processing and subsequent analysis of breath sounds from more than 500 patients allowed the qualitative and quantitative objectifying of main characteristic acoustic symptoms of COPD. On the base of obtained results, the physical models have been developed for breath sounds generation process at presence of artifacts produced by the morphological and physical changes in the lungs due to COPD. ВВЕДЕНИЕ Еще Гиппократ по информации, получаемой ор- ганами осязания и слуха, впервые выявил и опи- сал ряд аускультативных признаков в звуках жи- знедеятельности человека [1]. Одна из важней- ших задач, которую предстоит решить с помо- щью электронной аускультации, – объективизация аускультативных признаков, а также сопутству- ющие количественная и качественная оценки со- ответствия зарегистрированных звуков функцио- нальному состоянию исследуемой системы органи- зма. Отметим, что установление такого соответ- ствия остается исключительной прерогативой вра- ча. Современный диагност-исследователь исполь- зует электронные сенсоры, компьютерную цифро- вую технику для обработки и анализа сигналов, трехмерную визуализацию полезной информации. Это существенно повышает эффективность распо- знавания состояния организма человека, сокраща- ет время установления и достоверность диагноза. Поиск связи между субъективными вербаль- ными моделями звуков дыхания и их объектив- ными акустическими характеристиками на осно- ве спектрального анализа начат еще в середине прошлого столетия [2, 3]. Это позволило класси- фицировать звуковые артефакты, обусловленные морфологическими и физическими изменениями в дыхательной системе человека при возникновении в ней патологических процессов. Затем были уста- новлены диапазоны частот дополнительных зву- ков – хрипов, свистов, звуков крепитации [4 – 7]. Однако данные о длительности фаз дыхательно- го цикла, интенсивности звуков дыхания, их спе- ктральном составе на вдохе и выдохе предостав- ляют значительно больший объем ценной инфор- мации, анализ которой может существенно улу- чшить выявление и объективизацию диагностиче- ских признаков, характерных для данного вида за- болевания. Цель данной статьи – изучение акустических характеристик звуков дыхания у больных хрони- ческой обструктивной болезнью легких (ХОБЛ), выявление и объективизация соответствующих ау- скультативных диагностических признаков, а так- же разработка физических гипотез об особенно- стях генерации звуковых феноменов в бронхоле- гочной системе этих пациентов. c© А. А. Макаренкова, 2010 31 ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2010. Том 13, N 3. С. 31 – 41 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ХОБЛ относится к часто встречающимся про- фессиональным болезням человека. Например, в Украине она, наряду с пневмокониозом, является одним из наиболее распространенных заболеваний дыхательной системы шахтеров. В настоящее вре- мя отмечается тенденция к увеличению заболева- емости ХОБЛ и по прогнозам Всемирной Органи- зации Здравоохранения к 2030 году она станет тре- тьей по значимости причиной смертности во всем мире [8]. Глобальная инициатива при хроническом об- структивном заболевании легких (GOLD)1 опре- деляет ХОБЛ как “заболевание, характеризуе- мое частично необратимым ограничением возду- шного потока. Ограничение воздушного потока, как правило, имеет неуклонно прогрессирующий характер и вызвано аномальной воспалительной реакцией легочной ткани на раздражение раз- личными патогенными частицами и газами” [9]. Способствующими его развитию факторами явля- ются воздействие профессиональных раздражите- лей (пыль, химические поллютанты, пары кислот и щелочей), атмосферное и домашнее загрязнение воздуха, особенно курение. ХОБЛ приводит к спазму бронхов, утолщению слизистой оболочки бронхов, усилению образова- ния слизи, отеку паренхимы, разрастанию соедни- тельной (рубцовой) ткани, появлению эмфиземы. Все это способствует возникновению обструкции – сужению просвета бронхов. С точки зрения аэродинамики воздуховодных путей появление на их внутренней поверхно- сти шероховатости, стенозов, пленок слизи, пере- крывающих проходное сечение бронхов и брон- хиол обуславливают дополнительное сопротивле- ние вдыхаемому и выдыхаемому воздуху. Тем са- мым ухудшаются вентиляция легких и насыщение крови кислородом. Вследствие этого включаются компенсаторные механизмы организма, стремяще- гося повысить поступление кислорода (учащается дыхание и сердцебиение). Однако ресурсы для та- кой компенсации быстро истощаются, что приво- дит к необратимым изменениям в легких и сердце. К основным методами в диагностике ХОБЛ и объективной оценке тяжести заболевания, наря- ду с клиническими и цитологическими, относят исследования функции внешнего дыхания, осу- ществляемые с помощью спирометрии, перкуссии и аускультации. Обязательны при оценке состоя- 1Совместный проект Инстута сердца, легких и крови (США) и Всемирной организации здравоохранения. ния легких и уточнении диагноза ХОБЛ рентге- нография и компьютерная томография высокого разрешения. Поиск новых, экологически безопа- сных и неинвазивных методов выявления данно- го заболевания на ранних стадиях развития заста- вил нас обратиться для этих целей к компьютер- ной электронной аускультации, приоритет разви- тия которой в нашей стране принадлежит научной школе академика НАН Украины В. Т. Гринчен- ко [10 – 12]. Исследования звуков дыхания больных ХОБЛ с помощью компьютерной электронной аускуль- тации шахтеров угольных шахт были проведены в терапевтическом отделении ГУ “Институт ме- дицины труда АМН Украины” в период с 2007 по 2009 гг. В основу применявшегося анализа по- ложена объективизация содержащихся в звуках дыхания больных ХОБЛ аускультативных при- знаков посредством сопоставления их временных, спектральных и корреляционных характеристик с аналогичными характеристиками здоровых людей и пациентов контрольной группы. 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ Звуки дыхания больных ХОБЛ, группы здоро- вых людей и контрольной группы изучались по оригинальной методике, разработанной в [13]. Ре- гистрация звуков дыхания проводилась в располо- женном в наиболее тихой части клиники специаль- ном помещении, окна и двери которого имели хо- рошую звукоизоляцию. Предварительно проводи- лась регистрация звуков на бедре пациентов, где присутствуют все составляющие помех: переизлу- чения звукового фона помещения поверхностью тела, структурные вибрации конструктивных эле- ментов и др. В результате было показано, что сум- марный уровень помех на 30 дБ ниже уровня по- лезного сигнала – звуков дыхания. Компьютерная регистрация и последующая об- работка звуковой информации, снимаемой с по- верхности грудной клетки пациентов, проводилась с помощью четырехканального фоноспирографи- ческого комплекса “КоРА-03М1”, разработанного в Институте гидромеханики НАН Украины. Ука- занный комплекс сертифицирован в Укртестме- трстандарте Украины и разрешен Министерством здравоохранения Украины для применения в ме- дицинский учреждениях страны [14, 15]. Он по- зволяет регистрировать звуки дыхания с помо- щью высокочувствительных датчиков колебатель- ного ускорения (акселерометров) в диапазоне ча- стот от 20 до 2000 Гц. Амплитудно-частотная ха- рактеристика (АЧХ) датчиков линейна, а чувстви- 32 А. А. Макаренкова ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2010. Том 13, N 3. С. 31 – 41 тельность составляет 15 мВ·с2/м при массе 12 г. В комплекс “КоРА-03М1” входят следующие компоненты. • Четыре высокочувствительных электроаку- стических преобразователей звука – акселеро- метры АД-16. • Подвижная массивная технологическая стой- ка с горизонтальными раздвижными консоля- ми, к которым через сигнальные кабели при- соединены акселерометры. В стойке разме- щен механизм подъема и опускания консолей, что обеспечивает крепление акселерометров на грудной клетке у людей разного телосло- жения. • Расположенный внутри стойки четырехка- нальный первичный усилитель, состоящий из электронного блока, который содержит мало- шумный усилитель сигналов с рабочим диапа- зоном частот (2 . . .3000) Гц с коэффициентом усиления 70, четырехканальных электронных аналоговых фильтров Баттерворта со спадом АЧХ 24 дБ на октаву в диапазоне частот ниже 50 Гц и 36 дБ на октаву на частотах больше 1100 Гц. • Пульт управления, позволяющий усиливать сигналы любого канала с шагом 10 дБ по уровню усиления. • Персональный компьютер класса Pentium с тактовой частотой не менее 100 МГц, емко- стью оперативной памяти – 16 Мб, винчесте- ра – 1.3 Гб и звуковой картой. • Восьмиканальный 12-ти разрядный аналого- цифровой преобразователь (АЦП), встроен- ный в процессорный блок компьютера. • Монитор. • Полихромный принтер типа HP 960. • Две звуковые колонки. Общий вид комплекса представлен на рис. 1. Принцип функционирования фоноспирографи- ческого комплекса “КоРА-03М1” заключается в следующем. Звуки дыхания, генерируемые в брон- холегочной системе человека, регистрируются синхронно с помощью четырех акселерометров, прикрепленных в любых точках поверхности гру- дной клетки. Акселерометры преобразуют коле- бательное ускорение поверхности тела, вызывае- мое звуками дыхания, в переменное электриче- Рис. 1. Общий вид комплекса: 1 – блок усиления, преобразования и обработки сигнала; 2 – стойка с пьезоакселерометрами АД-16 ское напряжение, которое усиливается, фильтру- ется, а затем оцифровывается на АЦП. Сигна- лы с АЦП подаются на процессор компьютера, где с помощью специального программного обе- спечения проводится их цифровая обработка. Ре- зультаты обработки выводятся на дисплей в виде соответствующих визуальных образов характери- стик звуков дыхания, которые могут быть распе- чатаны на полихромном принтере. Комплекс по- зволяет также многократно прослушивать зареги- стрированные звуки жизнедеятельности пациен- тов. Комплекс отвечает требованиям, предъявля- емым к электрической, экологической и гигиени- ческой безопасности. При проведении исследований использовались эффективные цифровые способы обработки зву- ков дыхания в спектральной форме (быстрое пре- образование Фурье [17 – 20], при котором вычи- сляются спектры мощности, отображаемые в ви- де графических зависимостей уровней спектраль- ных составляющих от частоты). Такой способ об- работки позволяет определять уровень и часто- тный диапазон наиболее выраженных аускульта- тивных признаков, содержащихся в звуках дыха- ния, однако имеет ряд ограничений. К их чи- слу относится осреднение сигналов по времени и уровню, что нивелирует низкоуровневые аускуль- тативные признаки. Поэтому для звуков дыхания более предпочтителен метод, дающий временную развертку “мгновенных спектров”. Под “мгновен- ным спектром” понимается спектр, осредненный за интервал δt, существенно меньший, чем интер- вал времени δТ, характерный для изучаемого про- цесса. Для звуков дыхания в качестве интерва- А. А. Макаренкова 33 ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2010. Том 13, N 3. С. 31 – 41 ла δТ выбирают время одного дыхательного ци- кла (вдох – пауза – выдох – пауза). В этом случае характерное время осреднения δt не превышает (5 . . .10) % времени дыхательного цикла. По су- ти, это обычная спектрограмма, которую в респи- раторной акустике принято называть фоноспиро- граммой (фоно – звук; спиро – дыхание; грамма – рисунок) [21, 22]. Градуировка цветовой гаммы фоноспирограмм соответствует кодировке цветовой шкалы уровней в дБ 2. Таким образом, фоноспирограмма являе- тся трехмерной спектрограммой звуков дыхания. Высокая чувствительность и линейность АЧХ сен- соров комплекса позволяют выявлять аускульта- тивные признаки, которые не могут быть обнару- жены при обычной аускультации. Главное преимущество такого представления звуков дыхания состоит в том, что отображаемый на мониторе визуальный образ “мгновенных спе- ктров” эквивалентен звуковому образу, восприни- маемому исследователем при аускультации звуков жизнедеятельности, когда мозг осуществляет ана- лиз сигнала во временной и частотной областях одновременно. Таким образом, здесь действитель- но наиболее полно реализуется соответствие вос- принимаемой диагностом субъективной информа- ции с результатами объективной регистрации, по- лучаемой посредством комплекса. Синхронная регистрация звуков дыхания в че- тырех различных точках грудной клетки паци- ента дает возможность вычислять характеристи- ки взаимного спектра – функцию когерентности и фазовый спектр. Если спектры в двух точках Gxx(f) и Gyy(f) отличны от нуля и не содержат дельта-функций, то функция когерентности име- ет вид [23]: γ2 xy(f) = \|Gxy(f)\|2 Gxx(f)Gyy(f) , где \|Gxy(f)\| – модуль взаимного спектра. Функ- ция когерентности подобна квадрату коэффициен- та корреляции ρxy и характеризует степень линей- ной зависимости между звуками дыхания, реги- стрируемыми двумя датчиками. Например, высо- кокогерентный сигнал наиболее характерен для дополнительных звуков дыхания – свистов. Все указанные методы обработки были успе- шно апробированы при исследовании звуков дыха- 2В комплексе “КоРА-03М1” для отображения спектраль- ных уровней используется стандартная градация “цвета ра- дуги”. Для того, чтобы более четко выявить тонкие детали фоноспирограмм, при подготовке статьи к публикациицве- товая гамма была надлежащим образом скорректирована (прим. ред.). ния у больных пневмокониозом [13]. Кроме то- го, комплекс позволяет с помощью синтензирован- ного адаптивного алгоритма обработки сигналов, основанного на сопоставлении эталонного и реаль- ного спектров мощности звуков дыхания, автома- тически классифицировать пациентов по критери- ям “норма”, “патология” и “рекомендовано допол- нительное обследование”. Опишем вкратце использованную процедуру ре- гистрации звуков дыхания. Акселерометры крепи- лись к поверхности грудной клетке в четырех то- чках слева и справа на уровне 2-го ребра по сре- днеключичной линии (точки 2Л и 2П), а также на уровне 7-х ребер под углом лопатки справа и слева (точки 7П и 7Л). Запись звуков дыхания проводи- лась синхронно со всех четырех сенсоров в течение 20 секунд. Было обследовано 120 пациентов, из них 51 че- ловек – шахтеры, больные ХОБЛ (II степени в фазе обострения или затихающего обострения), 35 практически здоровых лиц, 34 пациента кон- трольной группы, которую составили шахтеры без патологии органов дыхания. Диагнозы у пациен- тов были предварительно верифицированы с по- мощью стандартных клинических методов фун- кциональной диагностики, включая рентгеногра- фию, спирометрию, бодиплетизмографию, опреде- ление диффузионной способности альвеолокапил- лярной мембраны и общеклинические исследова- ния. 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Компьютерная регистрация и обработка зву- ков дыхания пациентов всех трех обследованных групп выявила значимые различия в их акусти- ческих характеристиках. Вначале была проведена автоматическая классификация состояния каждо- го легкого пациента с использованием адаптив- ных алгоритмов. Она позволила разделить обсле- дуемых с помощью трех критериев, указанных в предыдущем разделе. Установлено, что в группе здоровых и контрольной группе критерию “нор- ма” соответствовали 67 из 69 человек, т. е. 97 %. У одного пациента из группы здоровых классифи- кация выявила отклонения от критерия “норма” в правом легком и ему автоматически было ре- комендовано провести дополнительное обследова- ние. Кроме того, пациенту из контрольной груп- пы указано на наличие “патологии” в левом лег- ком, а для правого – “рекомендовано дополнитель- ное обследование”. В группе больных ХОБЛ 49 человек (96 %) были идентифицированы как со- ответствующие критерию “патология”. Только у 34 А. А. Макаренкова ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2010. Том 13, N 3. С. 31 – 41 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 10 20 30 40 50 60 ( ) ( ) ( ) Рис. 2. Фоноспирограмма звуков дыхания больного ХОБЛ с учащенным дыханием (т. 2П) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 10 20 30 40 50 60 ( ) ( ) ( ) ВДОХ ВЫДОХ Рис. 3. Фоноспирограмма звуков дыхания здорового человека (т. 2П) двух пациентов для каждого из легких было “реко- мендовано дополнительное обследование”. По на- шему мнению, продемонстрированная эффектив- ность выявления (оценки) состояния легких до- статочно высока. Это указывает на целесообра- зность применения данного способа автоматиче- ской классификации при обследовании и диспан- серизации (в первую очередь, у работников тех отраслей промышленности, где наиболее высок риск бронхолегочных заболеваний). Более подробное и обширное исследование ха- рактеристик дополнительных звуков дыхания у больных ХОБЛ было проведено с использованием спектрального, спектрально-временного и корре- ляционного анализа. В результате у 79 % пациен- тов больных ХОБЛ обнаружено учащенное дыха- ние. На рис. 2 представлена типичная фоноспиро- грамма звуков дыхания больного ХОБЛ. Она сви- А. А. Макаренкова 35 ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2010. Том 13, N 3. С. 31 – 41 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 10 20 30 40 50 60 ( ) ( ) ( ) Рис. 4. Фоноспирограмма больного ХОБЛ с жестким дыханием и влажными хрипами (т. 7П) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 10 20 30 40 50 60 ( ) ( ) ( ) ВДОХ ВЫДОХВЛАЖНЫЕ ХРИПЫ СУХИЕХРИПЫ ГАРМОНИКА Рис. 5. Типичная фоноспирограмма больного ХОБЛ II степени в фазе обострения (т. 2П) детельствует, что продолжительность дыхатель- ного цикла составляет 2.25 с, в то время как у здоровых людей – примерно 4.52±0.2 с (рис. 3). При этом паузы между вдохом на 40±3 % короче, нежели у здоровых лиц, и на 35 % – по сравнению с пациентами контрольной группы. С помощью спектрального анализа выявлено, что у больных ХОБЛ интенсивность звуков дыха- ния в (1.5 . . .1.8) раза выше, чем у здоровых об- следованных. В то же время, для пациентов кон- трольной группы эта величина была выше все- го на 10 %. Кроме того, если у здоровых уров- ни дыхания в среднем не превышают 25±2 дБ на вдохе и 19±2 дБ на выдохе, то у 60 % боль- ных ХОБЛ оба эти показателя оказались одинако- выми – 42±3 дБ, что свидетельствует о наличии жесткого дыхания (рис. 4). При этом частотный диапазон звуков дыхания больных ХОБЛ расши- 36 А. А. Макаренкова ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2010. Том 13, N 3. С. 31 – 41 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 10 20 30 40 50 60 ( ) ( ) ( ) Рис. 6. Фоноспирограмма звуков дыхания ХОБЛ с хрипами в виде “облачков” и отдельными широкополосными влажными хрипами (т. 2Л) 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 12 24 36 48 60 !"#$#! (%&) ' ( $ ) * + ( , - ) 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 ! " # $ % & ' " ($ ! $ % ) % " * ) + ,-*)")- (./) � � 2Л � � 2П а б Рис. 7. Характеристики звуков дыхания больного ХОБЛ при двухточечной регистрации (т. 2Л и 2П): а – спектры мощности, б – функция когерентности двух сигналов рен в сторону высоких частот – от 600 Гц, вплоть до 1800 Гц. Это указывает на то, что в бронхолего- чной системе больных генерация звуков дыхания происходит, в основном, в терминальных бронхио- лах 16-го порядка. Действительно, в силу морфо- логическх изменений на внутренней поверхности бронхиол образуются рубцы, которые и приводят к возникновению жесткого дыхания. Эти выводы коррелируют с результами клинических исследо- ваний. Обнаружено, что спектральные уровни звуков дыхания у пациентов всех обследованных групп в верхних долях легких (точки 2Л и 2П) всегда выше, чем уровни, регистрируемые в нижних до- лях (точки 7П и 7Л). Ослабленное дыхание у боль- ных ХОБЛ проявляется как в снижении интенсив- ности звуков дыхания на вдохе и выдохе, так и в сужении соответствующего диапазона частот. Тем не менее, в ряде случаев выявлено, что у боль- ных ХОБЛ с ослабленным дыханием наблюдется увеличение интенсивности респираторных звуков на низких частотах (до 200 Гц). Как мы полага- ем, это явление обусловлено тем, что приводящие к увеличению интенсивности спектральных уров- ней источники звуков находятся в бронхах 6 – 8-го порядков или в бронхиолах 9 – 12-го порядков, что А. А. Макаренкова 37 ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2010. Том 13, N 3. С. 31 – 41 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 10 20 30 40 50 60 ( ) ( ) ( ) Рис. 8. Фоноспирограмма больного ХОБЛ с сухими и влажными хрипами, дыхание ослабленное отображает степень обструктивных изменений. Как уже отмечалось выше, группа больных ХОБЛ состояла из пациентов со II стадией забо- левания в фазе обострения или затихающего обо- стрения. Поэтому только у 82 % из них были выяв- лены моно- и полифонические звуки на вдохе и выдохе – сухие и влажные хрипы. Сухие хрипы (рис. 5) отображаются в виде узкополосных сиг- налов с дополнительными гармониками, которые визуализируются в виде “лесенки” и сосредоточе- ны в диапазоне частот от 100 до 800 Гц. Их интен- сивность достаточно высока. Кроме того, у 18 % больных были обнаруже- ны дополнительные звуки, которые визуализиро- вались на фоноспирограммах в виде “облачков”. По нашему мнению, это – одна из разновидностей широкополосных сухих хрипов (рис. 6). Влажные хрипы хорошо просматриваются на спектрах мощности в виде “горбов” (рис. 7, а) и особенно четко отображаются подъемами на фун- кциях когерентности (рис. 7, б). Они представля- ют собой широкополосные импульсные сигналы, диапазон частот которых простирается от 10 до 1500 Гц и далее. На фоноспирограммах влажные хрипы отображаются в виде более или менее ярко выраженных вертикальных линий. Как правило, их уровни существенно ниже, чем у сухих хрипов, поэтому выявлять их на фоне шумов значительно сложнее (см., например, рис. 4 – 6, 8). Необходи- мо отметить, что у большинства больных ХОБЛ влажные хрипы соответствуют мелкопузырчатым хрипам – звукам низкой интенсивности, которые практически не выявляются с помощью простой аускультации. Кроме того, в звуках вдоха и выдоха у 12 % больных обнаружены кратковременные импуль- сные сигналы, при озвучивании напоминающие трески – звуки крепитации. В соответствии с Ме- ждународной классификацией их разделяют на короткие (fine crackles) длительностью не более 20 мкс и длинные трески (coarse crackles) до 100 мкс. В звуках дыхания больных ХОБЛ были обнаружены как короткие, так и длинные трески. Таким образом, исследование дополнительных звуков дыхания больных ХОБЛ с помощью но- вого неинвазивного экологически безопасного ме- тода компьютерно-электронной аускультации по- зволило эффективно классифицировать состояние бронхолегочной системы больных, а главное, с высокой степенью надежности выявлять в них и объективизировать диагностические признаки, ха- рактерные для данного заболевания. 4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ Для понимания особенностей физических про- цессов, вызывающих генерацию дополнительных звуков дыхания – аускультативных диагностиче- ских признаков в бронхолегочной системе боль- ных ХОБЛ, – необходимо рассмотреть морфоло- гические изменения, происходящие при течении данного заболевания. Как известно, при ХОБЛ обструкция воздухоносных путей респираторного тракта формируется на уровне мелких и мель- 38 А. А. Макаренкова ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2010. Том 13, N 3. С. 31 – 41 чайших бронхиол. При этом аэродинамическое со- противление бронхиол возрастает не менее, чем в два раза [29]. Основные признаки таких измене- ний проявляются в виде воспалительных процес- сов в бронхах 6 – 8 порядков и бронхиолах. Уто- лщение слизистой оболочки бронхов и усиленное выделение вязкой мокроты приводят к появлению стенозирующих участков в воздуховодных путях. Под действием потока воздуха упругие фрагменты внутрибронхиального секрета колеблются и излу- чают интенсивные звуки на одной частоте или ан- самбле частот. В зависимости от скорости воздушного потока, размеров, формы фрагментов мокроты и степе- ни стеноза, происходит генерация дополнительно- го звука в виде сухих или влажных хрипов. Ре- зультаты проведенных исследований указывают, что сухие хрипы формируются преимуществен- но в бронхах, а влажные – в бронхиолах. Этот вывод основан на результатах работы [28], в кото- рой исследовалась трансформация участков спе- ктров мощности при стенозах. При этом часто- ты, характерные для сухих хрипов, вычисляю- тся по следующим зависимостям: I гармоника – f1 =2U/D; II гармоника – f2 =2U/d; III гармони- ка – f3 =2Uc/(D−d), где U – скорость воздуха в бронхе; D – диаметр бронха; d – диаметр прохо- дного участка стеноза; Uc – конвективная скорость воздушного потока, равная (0.45 . . .0.6)U . Так как влажные хрипы представляют собой широкополо- сные импульсы с большим диапазоном частот от 10 до 2000 Гц, то, очевидно, они генерируются при обтекании фрагментов вязкого секрета в просвете мелких бронхов и бронхиол. В его процессе прои- сходит вспенивание секрета с образованием возду- шных пузырьков, которые затем лопаются, излу- чая звук в виде коротких импульсов. Практически у всех пациентов из группы боль- ных ХОБЛ был диагностирован пневмофиброз различной степени выраженности и локализации (преимущественно, перибронхиальный и перива- скулярный). При выраженной степени фиброза нарушается архитектоника паренхимы легкого и снижается ее эластичность. Деструкция паренхи- мы уменьшает эластичную тягу легких, аэродина- мическое сопротивление воздушных потоков воз- растает, вследствие чего скорость проходящих во- здушных потоков падает. Воспалительные процес- сы в мелких бронхах и бронхиолах приводят к руб- цеванию их внутренней поверхности. Воздух, на вдохе и выдохе, перемещаясь по более шерохова- тым внутренним поверхностям, турбулизируется, за счет чего интенсивность звуков дыхания воз- растает на (16 . . .20) дБ. При этом верхняя гра- ница частотного диапазона респираторных зву- ков поднимается с 600 до 1800 Гц и более. Имен- но так возникает жесткое дыхание, характерное для большинства больных ХОБЛ (см. рис. 4). До- полнительно у таких пациентов возрастает часто- та дыхания, соответственно сокращается время дыхательного цикла. В работах [30, 31] показано, что шероховатость обтекаемой поверхности (в нашем случае это на- личие рубцов в бронхах и бронхиолах) повыша- ет величины (P 2)1/2/τw =ηw и η=Cfηw. Коэффи- циент ηw определяет долю касательного напряже- ния на стенке τw, трансформируемого в псевдо- звуковую энергию пристенного слоя (P 2)1/2. Ко- эффициент η указывает на эффективность прев- ращения кинетической энергии воздушного пото- ка в энергию псевдозвука. Шломер и Рецин [31] выявили, что наличие шероховатости приводит к существенному вырождению взаимных продоль- ных и поперечных спектров, чувствительность ко- торых к состоянию обтекаемой поверхности выше, чем у спектра мощности. К сожалению, получение взаимных спектров звуков дыхания, регистрируе- мых с поверхности тела человека, в настоящее вре- мя проблематично. Результаты исследований Гре- шилова и Лямшева [30] показали, что регулярная шероховатость в трубе приводит к значительно- му увеличению уровня пневдозвуковых пульсаций давления (до 30 дБ) в достоточно узкой полосе чи- сел Струхаля St=fk/Uk – от 10−1 до 2·10−1. Здесь f – частота; k – характерный размер шероховасто- сти; Uk – скорость обтекания выступов шерохова- стости. Отсюда следует, что частота максималь- ных пульсаций пневдозвука в воздуховодных пу- тях (бронхах и бронхиолах) должна определяться только соотношением скорости воздуха в них и высотой рубцов. Таким образом, возникают опре- деленные предпосылки для локализации источни- ков дополнительных звуков дыхания в бронхоле- гочной системе человека. Наличие аускультативного признака, который проявляется на фоноспирограмме в виде “обла- чков”, на выдохе и вдохе (см. рис. 6), обусловле- но тем, что в пораженных бронхиолах возникают протяженные участки внутренней поверхности с шероховатостью одинакового размера и высоты. Поэтому энергия подобных звуков как бы “разма- зана” в определенной частотной полосе, а их ин- тенсивность примерно одна для всех лежащих в ней частот. В ряде случаев замечено, что на высоких ча- стотах (между 1200 и 1800 Гц) возникают явле- ния, напоминающие резонансные колебания сте- нок бронхов и бронхиол. По нашему мнению, этот А. А. Макаренкова 39 ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2010. Том 13, N 3. С. 31 – 41 эффект обусловлен повышением упругости сте- нок воздухоносных путей за счет их воспаления и сопутствующего насыщения тканей жидкостью. Кроме того, свой вклад вносит увеличения жес- ткости их соединительной ткани в результате ра- звития фиброза. Более подробное и обстоятельное изучение про- цессов генерации патологических дополнительных респираторных звуков требует проведения обшир- ного математического и физического моделирова- ния процессов дыхания [24 – 27], а также инстру- ментальных клинических исследований с исполь- зованием новейших методов определения физиче- ских, механических и динамических параметров бронхолегочной системы человека [29]. ВЫВОДЫ 1. Разработанный и апробированный в клини- ческих условиях новый неинвазивный эко- логически безопасный метод компьютерной электронной аускультации звуков дыхания с помощью фоноспирографического комплекса “КоРА-03М1” позволил осуществить количе- ственную и качественную, объективизацию дополнительных звуков дыхания у больных ХОБЛ. 2. Установлено, что адаптивный алгоритм обра- ботки звуков дыхания позволил с достоверно- стью не менее 96 % классифицировать состо- яние бронхолегочной системы обследованных пациентов по критериям “норма”, “патология” и “рекомендовано дополнительное обследова- ние” с учетом анализа аускультативных диа- гностических признаков. 3. С помощью спектральных, спектрально- временных и корреляционных функций звуков дыхания у больных ХОБЛ выявлены и объективизированы параметры сухих, влажных хрипов, звуков крепитации. Выпол- нены качественная и количественная оценки их характеристик. 1. Большая Советская Энциклопедия: том 1.– М.: Сов. энцикл, 1969.– С. 483. 2. McKusick V. A., Jenkins J. T., Web G. N. The acoustic basis of the chest examination: Studies by means of sound spectrography // Amer. Rev. Tuberc.– 1955.– 72.– С. 12–34. 3. Зислин Д. М., Розенблат В. В., Лихачева Е. И. Объективное исследование дыхательных шумов с помощью частотного анализа // Терапевт. арх.– 1969.– 41, № 11.– С. 108–112. 4. Sovijarvi A. R., Malmberg L. P., Paajanen E., Piiri- la P., Kallio K., Katila T. Averaged and time gated spectral analysis of respiratory sounds. Repeatability of spectral parameters in healthy men and in pati- ents with fibrosing alveolitis // Chest.– 1996.– 109.– P. 1283–1290. 5. Вовк И. В., Дахнов С. Л., Крижановский В. В., Олийнык В. Н. Изменение акустических характе- ристик шумов дыхания пневмонийных больных в процессе выздоровления // Акуст. вiсн.– 1999.– 2, № 4.– С. 3-12. 6. Oud M., Maarsingh E. J. Spirometry and forced osci- llometry assisted optimal frequency band determi- nation for the computerized analysis of tracheal lung sounds in asthma // Physiol. Meas.– 2004.– 25.– P. 595–606. 7. Murphy R. L., Vyshedskiy A., Power- Charnitsky V. A., Bana D. S., Marinelli P. M., Wong-Tse A., Paciej R. Automated lung sound analysis in patients with pneumonia // Respir. Care.– 2004.– 49.– P. 1488–1489. 8. Новый ингибитор фосфодиэстеразы-4 в лечении хронической обструктивной болезни легких // Therapia – Укр. мед. вiсн.– 2009.– № 10(40).– С. 49– 52. 9. Global initiative for Chronic Obstructive Lung Disease (GOLD) / Global strategy for the di- agnosis, management and prevention of chronic obstructive pulmonary disease.– Updated 2008 [электронный ресурс]. Режим доступа к сайту: http://www.golodcopd.com. 10. Вовк И. В., Гринченко В. Т., Красный Л. Г., Ма- каренков А. П. Проблемы регистрации и класси- фикации шумов дыхания человека // Акуст. ж.– 1994.– 40, № 1.– С. 50–56. 11. Гринченко В. Т., Макаренков А. П., Рудни- цкий А. Г. Использование активно пассивного метода аускультации для диагностики пылевых бронхитов // Акуст. ж.– 1996.– 42, № 6.– С. 773– 776. 12. Майданник В. Г., Грiнченко В. Т., Рудни- цький О. Г., Глєбова Л. П., Макаренков А. П. Но- вi пiдходи в автоматизацiї аускультативної дiагно- стики легеневих захворювань // Педiатрiя, аку- шерство та гiнекологiя.– 2000.– № 6.– С. 30–34. 13. Макаренкова А. А. Акустические характеристи- ки звуков дыхания у больных пневмокониозом // Акуст. вiсн.– 2008.– 10, № 1.– С. 46–54. 14. Комплекс фоноспирографический компьютерный “КоРА-03М1”.– Технические условия.– ТУ У33.1 05417354 001: 2006. 15. Свiдоцтво про державну реєстрацiю. “Комплекс фоноспiрографiчний комп’ютерний КоРА-03 М1”.– № 5528.– 2006 р. 16. Sovijarvi A. R., Kallio K., Paajanen E., Malmberg P., Helisto P., Lipponen P., еt al. A new versatile PC based lung sound analyzer with automatic crackle analysis (HelSa) // Abstr. 21-st Int. Conf. on Lung Sounds.– ILSA, Chester, 1996.– P. 22. 17. Yoganathan A. P, Gupta R., Corcoran W. H. Fast Fourier transform in the analysis of biomedical data // Med. Biol. Eng.– 1976.– 14.– P. 239–245. 40 А. А. Макаренкова ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2010. Том 13, N 3. С. 31 – 41 18. Вовк И. В., Калюжный А. Я. О потенциальной эф- фективности спектрально корреляционных мето- дов классификации дыхательных шумов // Акуст. вiсн.– 1999.– 2, № 1.– С. 11–21. 19. Замотаев И. П., Магазаник Н. А., Водолаз- ский Л. А., Голиков В. А., Щедрина О. И. Спектральный анализ важнейших аускультатив- ных признаков // Клин. мед.– 1974.– 52, № 5.– С. 97–101. 20. Mori M., Kinoshita K., Morinari H., Shiraishi T., Koike S., Murao S. Waveform and spectral analysis of crackles // Thorax.– 1980.– 35.– P. 843–850. 21. Pasterkamp H., Garson C., Daien D., Oh Y. Digi- tal respirosonography. New images of lung sounds // Chest.– 1989.– 96.– P. 1405–1412. 22. Грiнченко В. Т., Глєбова Л. П., Майданник В. Г., Макаренков А. П., Рудницький О. Г. Комп’ютер- нi методи обробки аускультативних даних // Пе- дiатрiя, акушерство та гiнекологiя.– 1998.– № 5.– С. 29–33. 23. Гринченко В. Т., Макаренков А. П., Рудни- цкий А. Г. Статистические характеристики дыха- тельных шумов человека при двухканальной обра- ботке // Техн. акуст.– 1995.– IV, вып. 3–4.– С. 13– 14. 24. Hogg J., Chu F., Utokaparch S. et al. The nature of small airway obstruction in chronic obstructive pulmonary disease // N. Engl. J. Med.– 2004.– 350, № 26.– P. 2645–2653. 25. Di Mango M., Lopes A., Jansen J., Melo P. Changes in respiratory mechanics with increasing degrees of airway obstruction in COPD. Detection by forced oscillation technique // Respir. Med.– 2006.– 100.– P. 399–410. 26. Koombua K., Pidaparti R., Longest P. W., Ward K. Multidisciplinary analysis of fluid dynamic characteristics in human respiratory airway // Proc. 11th AIAA/ISSMO Multidiscip. Anal. Optim. Conf.– Portsmouth, VA, 2006.– P. 343–344. 27. Ionescu C., De Keyser R. Parametric models for characterizing respiratory input impedance // J. Med. Eng. Technol.– 2008.– 32, № 4.– P. 315–324. 28. Borisyuk A. O. Experimental study of noise produced by steady flow through a simulated vascular stenosis // J. Sound Vib.– 2002.– 256, № 3.– P. 475– 498. 29. Ionescu C. M., Segers P., De Keyser R. Mechani- cal Properties of the respiratory system derived from morphologic insight // Biomed. Eng.– 2009.– 56.– P. 949–960. 30. Грешилова Е. М., Лямшев Л. М. О спектре и кор- реляции пристеночных пульсаций давления при обтекании шероховатостей стенки // Акуст. ж.– 1969.– 15, № 1.– С. 126–128. 31. Schloemer H. H., Recine E. C. Some effects of surface roughness on turbulent boundary-layer wall-pressure fluctuations in incompressible pipe flow // J. Acoust. Soc. Amer.– 1967.– 42, № 5.– P. 1160. А. А. Макаренкова 41
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-79770
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1028-7507
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T16:21:36Z
publishDate	2010
publisher	Інститут гідромеханіки НАН України
record_format	dspace
spelling	Макаренкова, А.А. 2015-04-04T17:57:06Z 2015-04-04T17:57:06Z 2010 Исследование и объективизация дополнительных звуков дыхания у больных хронической обструктивной болезнью легких / А.А. Макаренкова // Акустичний вісник — 2010. —Т. 13, № 3. — С. 31-41. — Бібліогр.: 31 назв. — рос. 1028-7507 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79770 534.7+621.391.8 Приведены результаты исследования звуков дыхания больных хронической обструктивной болезнью легких (ХОБЛ). Исследования выполнены в клинических условиях в ГУ "Институт медицины труда АМН Украины" с помощью многоканального фоноспирографического комплекса "КоРА-03М1". Компьютерная обработка и последующий анализ записей звуков дыхания более чем 500 пациентов позволили качественно и количественно объективизировать основные характерные акустические признаки, присущие ХОБЛ. На основе полученных результатов разработаны физические модели процессов генерации звуков дыхания при наличии в них артефактов, обусловленных морфологическими и физическими изменениями в легких, вызванными ХОБЛ. Наведено результати дослiдження звукiв дихання хворих хронiчним обструктивним захворюванням легенiв (ХОЗЛ). Дослiдження виконанi в клiнiчних умовах у ДУ "Iнститут медицини працi АМН України" за допомогою багатоканального фоноспiрографiчного комплексу "КОРА-03М1". Комп'ютерна обробка й подальший аналiз записiв звукiв дихання у бiльш нiж 500 пацiєнтiв дозволили якiсно й кiлькiсно об'єктивiзувати основнi характернi акустичнi ознаки, властивi ХОЗЛ. На базi отриманих результатiв розроблено фiзичнi моделi процесiв генерацiї звукiв дихання за наявностi в них артефактiв, обумовлених морфологiчними й фiзичними змiнами в легенях, викликаними ХОЗЛ. This paper deals with the results of studying of breath sounds of the patients with chronic obstructive pulmonary disease (COPD). The research has been conducted clinical conditions of the Institute for Occupational Health of AMS of Ukraine by means of multichannel phonospirographic complex "CoRA-03M1". The computer processing and subsequent analysis of breath sounds from more than 500 patients allowed the qualitative and quantitative objectifying of main characteristic acoustic symptoms of COPD. On the base of obtained results, the physical models have been developed for breath sounds generation process at presence of artifacts produced by the morphological and physical changes in the lungs due to COPD. ru Інститут гідромеханіки НАН України Акустичний вісник Исследование и объективизация дополнительных звуков дыхания у больных хронической обструктивной болезнью легких Investigation and objectifying of adventitious breath sounds in the patients with chronic obstructive pulmonary disease Дослідження й об’єктивізація додаткових звуків дихання у хворих хронічним обструктивним захворюванням легень Article published earlier
spellingShingle	Исследование и объективизация дополнительных звуков дыхания у больных хронической обструктивной болезнью легких Макаренкова, А.А.
title	Исследование и объективизация дополнительных звуков дыхания у больных хронической обструктивной болезнью легких
title_alt	Investigation and objectifying of adventitious breath sounds in the patients with chronic obstructive pulmonary disease Дослідження й об’єктивізація додаткових звуків дихання у хворих хронічним обструктивним захворюванням легень
title_full	Исследование и объективизация дополнительных звуков дыхания у больных хронической обструктивной болезнью легких
title_fullStr	Исследование и объективизация дополнительных звуков дыхания у больных хронической обструктивной болезнью легких
title_full_unstemmed	Исследование и объективизация дополнительных звуков дыхания у больных хронической обструктивной болезнью легких
title_short	Исследование и объективизация дополнительных звуков дыхания у больных хронической обструктивной болезнью легких
title_sort	исследование и объективизация дополнительных звуков дыхания у больных хронической обструктивной болезнью легких
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79770
work_keys_str_mv	AT makarenkovaaa issledovanieiobʺektivizaciâdopolnitelʹnyhzvukovdyhaniâubolʹnyhhroničeskoiobstruktivnoiboleznʹûlegkih AT makarenkovaaa investigationandobjectifyingofadventitiousbreathsoundsinthepatientswithchronicobstructivepulmonarydisease AT makarenkovaaa doslídžennâiobêktivízacíâdodatkovihzvukívdihannâuhvorihhroníčnimobstruktivnimzahvorûvannâmlegenʹ

Исследование и объективизация дополнительных звуков дыхания у больных хронической обструктивной болезнью легких

Institution

Similar Items