Помехи сенсоров-виброакселерометров, используемых для аускультации дыхательных шумов
Электронная аускультация (выслушивание) звуков жизнедеятельности человека в последние годы успешно используется в практической медицине, что существенно повышает эффективность диагностики и расширяет область ее применения. В статье рассмотрены источники помех, характерных для сенсоров, которые испол...
Gespeichert in:
| Datum: | 2006 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут гідромеханіки НАН України
2006
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/966 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Помехи сенсоров-виброакселерометров, используемых для аускультации дыхательных шумов / А.А. Макаренкова, В.Н. Олийнык // Акуст. вісн. — 2006. — Т. 9, N 1. — С. 45-54. — Бібліогр.: 33 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-966 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Макаренкова, А.А. Олийнык, В.Н. 2008-07-09T13:53:39Z 2008-07-09T13:53:39Z 2006 Помехи сенсоров-виброакселерометров, используемых для аускультации дыхательных шумов / А.А. Макаренкова, В.Н. Олийнык // Акуст. вісн. — 2006. — Т. 9, N 1. — С. 45-54. — Бібліогр.: 33 назв. — рос. 1028-7507 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/966 534+621.391.8 Электронная аускультация (выслушивание) звуков жизнедеятельности человека в последние годы успешно используется в практической медицине, что существенно повышает эффективность диагностики и расширяет область ее применения. В статье рассмотрены источники помех, характерных для сенсоров, которые используются для регистрации шумов дыхания в компьютерных аудиовидеодиагностических комплексах. Осуществлена классификация помех в зависимости от порождающих их процессов и характера взаимодействия с полезным сигналом. Предложены методы повышения соотношения сигнал/помеха при регистрации дыхательных шумов с помощью пьезокерамических сенсоров-виброакселерометров. Електронна аускультація (вислуховування) звуків життєдіяльності людини в останні роки успішно використовується у практичній медицині, що істотно підвищує ефективність діагностики та розширює область її застосування. У статті розглянуті джерела перешкод, характерних для сенсорів, які використовуються для реєстрації шумів дихання у комп'ютерних аудіовідеодіагностичних комплексах. Здійснено класифікацію перешкод у залежності від породжуючих їх процесів і характеру взаємодії з корисним сигналом. Запропоновані методи, які дозволяють підвищити співвідношення сигнал/перешкода при реєстрації шумів дихання за допомогою сенсорів-віброакселерометрів. In recent years, an electronic auscultation (hearing) of human life sounds is successfully used in practical medicine, that increases sufficiently the diagnostic efficiency and widens its application field. In this paper the sources of interferences are considered, that are typical of the sensors used for recording the respiratory sounds in the computer audiovideodiagnostic complexes. The interferecnces are classified, depending on the processes generating them and character of interaction with a useful signal. The methods for increasing the signal-to-noise ratio, when recording the respiratory sounds by piezoceramic sensors-vibroaccelerometers, are proposed. ru Інститут гідромеханіки НАН України Помехи сенсоров-виброакселерометров, используемых для аускультации дыхательных шумов The interferences of sensors-vibroaccelerometers used for auscultation of respiratory noises Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Помехи сенсоров-виброакселерометров, используемых для аускультации дыхательных шумов |
| spellingShingle |
Помехи сенсоров-виброакселерометров, используемых для аускультации дыхательных шумов Макаренкова, А.А. Олийнык, В.Н. |
| title_short |
Помехи сенсоров-виброакселерометров, используемых для аускультации дыхательных шумов |
| title_full |
Помехи сенсоров-виброакселерометров, используемых для аускультации дыхательных шумов |
| title_fullStr |
Помехи сенсоров-виброакселерометров, используемых для аускультации дыхательных шумов |
| title_full_unstemmed |
Помехи сенсоров-виброакселерометров, используемых для аускультации дыхательных шумов |
| title_sort |
помехи сенсоров-виброакселерометров, используемых для аускультации дыхательных шумов |
| author |
Макаренкова, А.А. Олийнык, В.Н. |
| author_facet |
Макаренкова, А.А. Олийнык, В.Н. |
| publishDate |
2006 |
| language |
Russian |
| publisher |
Інститут гідромеханіки НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
The interferences of sensors-vibroaccelerometers used for auscultation of respiratory noises |
| description |
Электронная аускультация (выслушивание) звуков жизнедеятельности человека в последние годы успешно используется в практической медицине, что существенно повышает эффективность диагностики и расширяет область ее применения. В статье рассмотрены источники помех, характерных для сенсоров, которые используются для регистрации шумов дыхания в компьютерных аудиовидеодиагностических комплексах. Осуществлена классификация помех в зависимости от порождающих их процессов и характера взаимодействия с полезным сигналом. Предложены методы повышения соотношения сигнал/помеха при регистрации дыхательных шумов с помощью пьезокерамических сенсоров-виброакселерометров.
Електронна аускультація (вислуховування) звуків життєдіяльності людини в останні роки успішно використовується у практичній медицині, що істотно підвищує ефективність діагностики та розширює область її застосування. У статті розглянуті джерела перешкод, характерних для сенсорів, які використовуються для реєстрації шумів дихання у комп'ютерних аудіовідеодіагностичних комплексах. Здійснено класифікацію перешкод у залежності від породжуючих їх процесів і характеру взаємодії з корисним сигналом. Запропоновані методи, які дозволяють підвищити співвідношення сигнал/перешкода при реєстрації шумів дихання за допомогою сенсорів-віброакселерометрів.
In recent years, an electronic auscultation (hearing) of human life sounds is successfully used in practical medicine, that increases sufficiently the diagnostic efficiency and widens its application field. In this paper the sources of interferences are considered, that are typical of the sensors used for recording the respiratory sounds in the computer audiovideodiagnostic complexes. The interferecnces are classified, depending on the processes generating them and character of interaction with a useful signal. The methods for increasing the signal-to-noise ratio, when recording the respiratory sounds by piezoceramic sensors-vibroaccelerometers, are proposed.
|
| issn |
1028-7507 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/966 |
| citation_txt |
Помехи сенсоров-виброакселерометров, используемых для аускультации дыхательных шумов / А.А. Макаренкова, В.Н. Олийнык // Акуст. вісн. — 2006. — Т. 9, N 1. — С. 45-54. — Бібліогр.: 33 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT makarenkovaaa pomehisensorovvibroakselerometrovispolʹzuemyhdlâauskulʹtaciidyhatelʹnyhšumov AT oliinykvn pomehisensorovvibroakselerometrovispolʹzuemyhdlâauskulʹtaciidyhatelʹnyhšumov AT makarenkovaaa theinterferencesofsensorsvibroaccelerometersusedforauscultationofrespiratorynoises AT oliinykvn theinterferencesofsensorsvibroaccelerometersusedforauscultationofrespiratorynoises |
| first_indexed |
2025-11-26T20:14:51Z |
| last_indexed |
2025-11-26T20:14:51Z |
| _version_ |
1850772880586964992 |
| fulltext |
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2006. Том 9, N 1. С. 45 – 54
УДК 534.7+621.391.8
ПОМЕХИ СЕНСОРОВ-ВИБРОАКСЕЛЕРОМЕТРОВ,
ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ АУСКУЛЬТАЦИИ
ДЫХАТЕЛЬНЫХ ШУМОВ
А. А. МА К А РЕ Н К ОВ А, В. Н. О Л И Й Н ЫК
Институт гидромеханики НАН Украины, Киев
Получено 20.02.2006
Электронная аускультация (выслушивание) звуков жизнедеятельности человека в последние годы успешно исполь-
зуется в практической медицине, что существенно повышает эффективность диагностики и расширяет область ее
применения. В статье рассмотрены источники помех, характерных для сенсоров, которые используются для реги-
страции шумов дыхания в компьютерных аудиовидеодиагностических комплексах. Осуществлена классификация
помех в зависимости от порождающих их процессов и характера взаимодействия с полезным сигналом. Предложены
методы повышения соотношения сигнал/помеха при регистрации дыхательных шумов с помощью пьезокерамиче-
ских сенсоров-виброакселерометров.
Електронна аускультацiя (вислуховування) звукiв життєдiяльностi людини в останнi роки успiшно використовує-
ться у практичнiй медицинi, що iстотно пiдвищує ефективнiсть дiагностики та розширює область її застосування. У
статтi розглянутi джерела перешкод, характерних для сенсорiв, якi використовуються для реєстрацiї шумiв дихання
у комп’ютерних аудiовiдеодiагностичних комплексах. Здiйснено класифiкацiю перешкод у залежностi вiд породжу-
ючих їх процесiв i характеру взаємодiї з корисним сигналом. Запропонованi методи, якi дозволяють пiдвищити
спiввiдношення сигнал/перешкода при реєстрацiї шумiв дихання за допомогою сенсорiв-вiброакселерометрiв.
In recent years, an electronic auscultation (hearing) of human life sounds is successfully used in practical medicine, that
increases sufficiently the diagnostic efficiency and widens its application field. In this paper the sources of interferences are
considered, that are typical of the sensors used for recording the respiratory sounds in the computer audiovideodiagnostic
complexes. The interferecnces are classified, depending on the processes generating them and character of interaction with
a useful signal. The methods for increasing the signal-to-noise ratio, when recording the respiratory sounds by piezoceramic
sensors-vibroaccelerometers, are proposed.
ВВЕДЕНИЕ
Аускультация – медицинский неинвазивный ме-
тод исследования внутренних органов человека и
животных путем выслушивания возникающих в
этих органах звуковых явлений: тонов и шумов
сердца, звуков дыхания, шумов трения поверх-
ностей плевры и перикарда. Аускультация серд-
ца была введена в медицинскую практику во 2
году до н. э. греческим врачом Аритеем, задолго
до того, как Лаэннек в 1818 году предложил для
этой цели использовать деревянную трубку – сте-
тоскоп [1]. В дальнейшем на протяжении почти
190 лет был создан ряд акустических пневмати-
ческих приспособлений, предназначенных для ау-
скультации звуков сердца, дыхательных шумов,
шумов кровотока, звуков желудочно-кишечного
тракта – стетофонендоскопов. Естественно, с те-
чением времени их конструкция совершенствова-
лась. Изменялись размеры и форма головок, мате-
риал, из которого изготавливались мембраны, во-
здуховодные трубки и элементы оголовья. Однако
невозможность усиления сигнала и количествен-
ной его оценки, наряду с большой неравномерно-
стью амплитудно-частотной характеристики (до
20 ÷ 30 дБ в рабочем диапазоне частот) были
и остаются основными недостатками пневматиче-
ских стетофонендоскопов [2].
Первые попытки создания устройств для объе-
ктивной аускультации были предприняты в сере-
дине 30-ых годов прошлого столетия, когда были
разработаны опытные образцы электронных сте-
тофонендоскопов [3]. Это знаменовало начало пе-
рехода от искусства аускультации, которым вла-
дел врач, к появлению измерительных средств ме-
дицинской акустики. Широкое внедрение в пра-
ктическую медицину компьютерных информаци-
онных технологий на рубеже XX и XXI веков
привело к зарождению электронной цифровой
аускультации, позволяющей сравнивать, количе-
ственно оценивать и стандартизировать звуковые
явления, вызываемые работой организма челове-
ка [4, 5]
В процессе регистрации шумов дыхания, наряду
с полезными сигналами, на вход первичных сен-
соров поступают нежелательные шумы – помехи,
усложняющие последующую обработку полезного
сигнала и снижающие достоверность и эффектив-
ность диагностики. Целью данной работы являе-
тся определение и классификация источников по-
мех сенсоров-виброакселерометров, используемых
при аускультации дыхательных шумов, и вырабо-
c© А. А. Макаренкова, В. Н. Олийнык, 2006 45
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2006. Том 9, N 1. С. 45 – 54
1 2 3 4 5
6
7
8
9
10
11
12
Рис. 1. Типовая схема комплекса для респираторной диагностики:
1 – сенсоры, 2 – консоли, 3 – сигнальный кабель, 4 – технологическая стойка, 5 – электронный блок, 6 – монитор,
7 – звуковые колонки, 8 – принтер, 9 – клавиатура, 10 – головные телефоны, 11 – процессор, 12 – тележка
тка способов их подавления. Актуальность этой
задачи обусловлена тем, что определяющие ау-
скультативные диагностические признаки, содер-
жащиеся в звуках дыхания, могут маскироваться
на фоне высокоуровневых помех. Наиболее кри-
тично это в тех случаях, когда респираторные ди-
агностические признаки появляются бессистемно
или при низком уровне полезного сигнала, что ха-
рактерно для ослабленного дыхании, сопутствую-
щего ряду бронхо-легочных патологий.
Статья написана на базе опыта практической
работы авторов с компьютерными комплексами
для цифровой аускультации и диагностики респи-
раторных заболеваний, созданными в Институте
гидромеханики НАН Украины.
1. МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ ДЫХАТЕЛЬ-
НЫХ ШУМОВ
Развитие акустоэлектроники и компьютерной
техники способствовало созданию эффективно ра-
ботающих одноканальных и многоканальных ау-
диовидеодиагностических комплексов, предназна-
ченных для выявления респираторных заболева-
ний человека. Основная техническая идея, ре-
ализованная в них, включает в себя регистра-
цию дыхательных шумов, преобразование их в
электрический сигнал, его усиление, частотную
фильтрацию, преобразование в цифровую форму
и компьютерную обработку с последующей визуа-
лизацией. При этом появилась возможность сохра-
нения акустических портретов сигнала в компью-
терном банке данных и, при необходимости, ра-
спечатки их “твердых” копий [6, 7]. Типовая блок-
схема такого комплекса представлена на рис. 1.
Использование описанных устройств в медицин-
ской практике позволяет рассматривать цифро-
вую аускультацию как новое направление кли-
нической медицины – неинвазивной экологически
чистой диагностики заболеваний бронхо-легочной
системы человека [7,8]. Особенно ценно то, что воз-
можности рассматриваемой методики дополняю-
тся возможностью передачи аускультативной ин-
формации по компьютерным сетям, включая Ин-
тернет [9]. Это способствует установлению быстро-
го, квалифицированного и объективного диагноза.
В различных компьютерных диагностических
комплексах для регистрации звуков жизнедея-
тельности используются как приемники пульса-
ций звукового давления (микрофоны), так и да-
тчики колебательного ускорения (виброакселеро-
метры) [10, 11]. На практике наибольшее распро-
странение получили специальные сенсоры – вибро-
акселерометры пьезокерамического типа, основ-
ным достоинством которых является высокая чув-
ствительность и линейная амплитудно-частотная
характеристика в рабочем диапазоне частот. Для
съема акустической информации с тела челове-
ка они крепятся к поверхности грудной клетки с
помощью медицинских клеев (типа Клеол, БФ-6)
46 А. А. Макаренкова, В. Н. Олийнык
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2006. Том 9, N 1. С. 45 – 54
или двухстороннего медицинского лейкопластыря.
В израильском комплексе Pulmotrack для крепле-
ния использованы специальные чехлы из пенопо-
лиуретана, одеваемые на сенсор и приклеиваемые
липким слоем к телу.
Конструктивная схема пьезокерамического ви-
броакселерометра изображена на рис. 2. Его прин-
цип работы заключается в следующем. Колеба-
ния поверхности грудной клетки 1, вызванные
процессом дыхания, передаются через клеевой
слой 2 на основание сенсора 3, а затем, через опо-
ру 4 – на консольно-закрепленные пьезокерами-
ческие биморфы 5, совершающие изгибные дви-
жения. Возникающий вследствие этого электриче-
ский сигнал поступает на повторитель напряже-
ния 6, с выхода которого по кабелю 7 он передается
на вход электронного усилителя, где он усиливае-
тся, фильтруется, а затем после оцифровки посту-
пает на компьютер. Результаты обработки зареги-
стрированных сигналов отображаются в виде спе-
ктров мощности, временных разверток мгновен-
ных спектров (респиросонограмм), функций ко-
герентности, огибающих временных зависимостей
дыхательных циклов и их отдельных фаз при спо-
койном и форсированном дыхании. Они, а также
статистическое перекрестное сравнение характе-
ристик взаимных спектров между каналами дают
врачу возможность выявлять характерные пато-
логические признаки, присущие тому или иному
виду бронхо-легочного заболевания [12 – 14].
Существует несколько предположений о воз-
можных механизмах возникновения респиратор-
ных звуков. По нашему мнению, наиболее аде-
кватной является гипотеза, предложенная в рабо-
тах [15, 16], в которых было показано, что дыха-
тельные шумы возникают за счет турбулентного
вихреобразования в трахее, бронхах, на элемен-
тах разделения потоков воздуха (бифуркациях) и
даже в мелких воздуховодных путях с диаметра-
ми порядка 2÷3 мм. Эти акустические сигналы
достаточно слабы, но их источники располагаю-
тся вблизи внешней поверхности грудной клетки
и могут быть зарегистрированы на ней. Дыхатель-
ные шумы являются нестационарным случайным
сложным процессом, модулированным по частоте
и периодически изменяющим свою интенсивность.
Их динамический диапазон у здоровых людей до-
стигает 60 дБ, а частотный спектр простирается
от 5 до 2000 Гц. При отдельных видах заболева-
ний наблюдается расширение значимого частотно-
го диапазона вплоть до 4000 Гц [14]. Отличитель-
ной особенностью респираторных сигналов являе-
тся то, что их спектры изменяются в зависимости
от точки регистрации, интенсивности дыхания и
1 2 3 4 5 6 7
Рис. 2. Конструктивная схема
пьезокерамического виброакселерометра
конституции пациента.
При болезни респираторной системы челове-
ка наблюдается значительная трансформация спе-
ктров, что зачастую усложняет процесс обработ-
ки и интерпретации сигналов. Это наглядно видно
из сопоставления респиросонограмм дыхательных
шумов здорового человека (рис. 3, а) и пациента,
больного правосторонней пневмонией (рис. 3, б).
Как видно из этих графиков, у больного интенсив-
ность спектральных уровней дыхательных шумов
значительно выше. Кроме того, у него хорошо про-
сматриваются возникающие время от времени сви-
стящие хрипы, представленные горизонтальными
линиями в окрестности частоты ∼ 130 Гц.
2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСТОЧНИКОВ ПО-
МЕХ СЕНСОРОВ
Следует подчеркнуть, что сенсор, прикреплен-
ный к поверхности грудной клетки пациента, все-
гда регистрирует сигнал, содержащий сумму не-
коррелированных составляющих: звуки жизнедея-
тельности организма, фоновые шумы, вибрацион-
ные и электромагнитные помехи. Каждую из них
можно разделить на отдельные компоненты, в за-
висимости от порождающего источника. Обобщен-
ная схема таких источников отображена на рис. 4.
Естественно, при регистрации дыхательных шу-
мов все другие составляющие сигнала являются
помехами по отношению к ним. Рассмотрим более
подробно каждую составляющую помех и ее исто-
чники.
А. А. Макаренкова, В. Н. Олийнык 47
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2006. Том 9, N 1. С. 45 – 54
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
time t (s)
fr
eq
u
en
cy
f
(H
z)
0
10
20
30
40
50
60
(dB)
а
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
time t (s)
fr
eq
u
en
cy
f
(H
z)
0
10
20
30
40
50
60
(dB)
б
Рис. 3. Респиросонограммы дыхательных шумов:
а – здорового человека, б – больного правосторонней пневмонией
2.1. Звуки жизнедеятельности, не связанные с
дыханием
В процессе жизнедеятельности человека внутри
его тела, кроме дыхательных шумов, генерируют-
ся звуки, источниками которых являются сокра-
щение сердечной мышцы (звуки и шумы сердца),
турбулентное течение крови в сердце и крупных
кровеносных сосудах (шумы кровотока), переме-
щение пищи в желудочно-кишечном тракте (зву-
ки перистальтики). У рожениц в брюшной полости
также появляются дополнительные звуки, связан-
ные с работой сердца ребенка.
Во время работы сердца в результате колеба-
тельных движений сердечной мышцы (миокарда)
и внутрисердечного течения крови возникают зву-
48 А. А. Макаренкова, В. Н. Олийнык
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2006. Том 9, N 1. С. 45 – 54
СИГНАЛ СЕНСОРА
Звуки жизнедеятельности'
&
$
%
со
к
р
а
щ
ен
и
е
м
и
о
к
а
р
д
а
т
у
р
б
у
л
ен
т
н
о
е
т
еч
ен
и
е
к
р
о
в
и
д
ы
ха
т
ел
ь
н
ы
й
п
р
о
ц
есс
п
ер
и
ста
л
ьт
и
к
а
ж
/
к
т
р
а
к
та
со
к
р
а
щ
ен
и
е
м
и
о
к
а
р
д
а
п
л
од
а
Вибрационные помехи'
&
$
%
в
и
б
р
а
ц
и
и
а
п
п
а
р
а
т
у
р
ы
т
р
ем
о
р
м
ы
ш
ц
т
ел
а
о
т
р
ы
в
к
л
еев
о
го
сл
оя
т
р
а
н
сф
о
р
м
а
ц
и
я
в
ол
н
т
р
ен
и
е
к
а
б
ел
я
о
т
ел
о
Звуковой фон'
&
$
%
ш
у
м
ы
а
п
п
а
р
а
т
у
р
ы
в
н
еш
н
и
е
зв
у
к
и
Электромагнитные помехи'
&
$
%
м
еха
н
о
т
ер
м
и
ч
еск
и
е
п
р
о
ц
ессы
эл
ек
т
р
о
т
ер
м
и
ч
еск
и
е
п
р
о
ц
ессы
т
р
и
б
о
эл
ек
т
р
и
ч
еск
и
е
эф
ф
ек
т
ы
эл
ек
т
р
о
м
а
гн
и
т
н
ы
е
п
ол
я
Рис. 4. Составляющие сигнала, принимаемого сенсором при аускультации
ки, которые делятся на тоны и шумы. Частотный
спектр сердечных звуков простирается от 10 ÷ 20
до 800 ÷ 1000 Гц. Так, I тон обычно представлен
частотной полосой 30 ÷ 120 Гц, а II – 70÷ 150 Гц.
Значительно реже можно наблюдать III и IV то-
ны, уровни, которых на порядок ниже уровней I
и II тонов. Вариации амплитуды и спектрального
состава сердечных звуков, обусловленные патоло-
гией, обширны и разнообразны. Они связаны с ге-
модинамикой течения крови, аномальными изме-
нениями клапанов, стенозами артерий, пороками
сердца, нарушениями ритма, дефектами внутри
сердечных перегородок [17]. Систолические шумы
проявляются на частотах 50 ÷ 600 Гц, а диасто-
лические – на 120 ÷ 800 Гц [18]. Интенсивность
сердечных звуков сопоставима с интенсивностью
дыхательных шумов, а в диапазоне низких частот
10÷80 Гц может превосходить их. Поэтому пробле-
ма уменьшения влияния этого фактора не столь
проста. Тем не менее, она разрешима не на ста-
дии регистрации дыхательных шумов, а при после-
дующей обработке сигналов [19, 20]. Что касается
других помех, порождаемых процессами жизнеде-
ятельности организма, то их спектральные уров-
ни лежат значительно ниже уровней дыхательных
шумов. Это относится к шумам кровотока и зву-
кам сердца плода (у рожениц). Уровни звуков пе-
ристальтики желудочно-кишечного тракта могут
быть достаточно большими, но они возникают спо-
радически. Поэтому следует проводить регистра-
цию дыхательных шумов при их отсутствии (заме-
тим, что на практике типичное время записи си-
гнала составляет до 20 секунд).
2.2. Вибрационные помехи
Обратимся к источникам вибрационных помех,
искажающих полезный сигнал при регистрации
дыхательных шумов. В первую очередь, к ним
относятся механические колебания пола помеще-
ния, на котором установлен комплекс. Источника-
ми вибрационных помех, передающихся через пол,
могут быть вентиляторы, электромоторы, уста-
новленные в блоках регистрирующей аппаратуры,
и медицинские приборы, работающих в этом или
соседних помещениях. Колебания от пола по те-
хнологической стойке и далее по сигнальным ка-
белям поступают на корпус сенсора, а через не-
го – на чувствительные пьезокерамические эле-
менты. Другой путь распространения вибраций от
пола проходит через кресло пациента по его телу
и основание сенсора. В результате с выхода аксе-
лерометра снимается сигнал, содержащий нежела-
тельные дополнительные составляющие, уровень
которых не может быть спрогнозирован заранее.
Однако, как показала практика, на отдельных дис-
кретных частотах он может значительно превосхо-
дить уровень полезного сигнала.
А. А. Макаренкова, В. Н. Олийнык 49
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2006. Том 9, N 1. С. 45 – 54
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
time t (s)
fr
eq
u
en
cy
f
(H
z)
0
10
20
30
40
50
60
(dB)
Рис. 5. Респиросонограмма с вибрационной помехой, вызванной некачественной приклейкой датчика
Наряду с указанными внешними источниками
вибрационных помех, существует ряд специфиче-
ских механизмов их генерации: тремор мышц тела,
трение сигнального кабеля по телу, отрыв (прили-
пание) клеевого слоя при расширении и сжатии
грудной клетки в процессе дыхания, интерферен-
ция поверхностных волн при близком расположе-
нии сенсоров.
Тремор мышц – это непроизвольное дрожание
участков тела, причиной которого являются забо-
левания нервной системы пациента. По интенсив-
ности тремор превосходит I и II тоны сердца, а по-
лоса частот, в которой он наблюдается, простирае-
тся от долей до десятков герц. Трение сигнальных
кабелей по телу пациента приводит к появлению
в них продольных волн, которые передаются на
чувствительные элементы и вызывают появление
в сигнале случайных импульсов [21, 22].
Еще более серьезным источником вибрацион-
ной помехи является отрыв отдельных участков
клеевого слоя от тела или от основания сенсора
и прилипание к ним. Этот процесс сопровождае-
тся возникновением импульса силы, воздействую-
щего непосредственно на сенсор, и появлением в
сигнале короткопериодных составляющих (потре-
скивания), см. респиросонограмму, приведенную
на рис. 5. Частотная полоса такой импульсной по-
мехи значительно шире частотной полосы дыха-
тельных шумов, а их уровни превышают уровень
фона на 12÷15 дБ.
Третьей специфической помехой можно считать
нелинейные искажения полезного сигнала, возни-
кающие в том случае, когда удельный механи-
ческий импеданс сенсоров существенно превыша-
ет импеданс грудной клетки. В результате это-
го изменяется спектральный состав принимаемо-
го акселерометром сигнала [22, 23]. Кроме того,
при этом происходит преобразование продольной
волны в поверхностную, что еще более усложня-
ет физическую картину. В работах [25, 26] показа-
но, что это явление становится особенно заметным
при близком расположении двух и более сенсоров
друг к другу, когда в окрестности приема возника-
ет интерференция поверхностных волн от несколь-
ких источников.
2.3. Звуковой фон
Виброакселерометры, используемые при реги-
страции дыхательных шумов, наряду с высокой
чувствительностью к колебательному ускорению
(что крайне необходимо при выслушивании паци-
ентов с ослабленным дыханием), восприимчивы к
звуковому давлению. Звуковое поле или фон фор-
мируется источниками звука, находящимися в са-
мом помещении и вне его. Сюда можно отнести
собственные шумы агрегатов комплекса, транс-
форматоров и переключателей, излучение, поро-
ждаемое колеблющимися поверхностями корпусов
компьютеров и оконных стекол, общением персо-
нала, движением пациентов и т. п. Внешние звуки
проникают из соседних помещений и улицы. Их
интенсивность меняется по величине и времени,
искажая полезный сигнал.
50 А. А. Макаренкова, В. Н. Олийнык
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2006. Том 9, N 1. С. 45 – 54
2.4. Электромагнитные помехи
Остановимся на помехах, имеющих электриче-
скую природу. Как мы знаем, в практике ме-
дицинской акустики наибольшее распростране-
ние получили пьезокерамические виброакселеро-
метры. Собственные шумы чувствительных эле-
ментов, как показано в статье [27], подразделя-
ются на два вида: механотермические, источни-
ком которых является броуновское движение ато-
мов в пьезоматериале, и электротермические – шу-
мы, появляющиеся из-за наличия у пьезоматери-
алов активного сопротивления. Суммарный уро-
вень механотермических и электротермических
шумов сравним с уровнем собственных шумов сов-
ременных малошумных усилителей [27], поэтому
их следует принимать во внимание при регистра-
ции дыхательных шумов.
Следует также упомянуть трибоэлектрические
широкополосные помехи, обусловленные трением
изоляции по проводнику в токопроводящих си-
гнальных кабелях. Их уровни на высоких частотах
(1000÷2000 Гц) сопоставимы с уровнями полезно-
го сигнала.
Источниками внешних электромагнитных по-
мех и наводок обычно являются мощные электро-
генерирующие установки, телерадиоцентры, эле-
ктрические трансформаторные подстанции. В ря-
де случаев такие составляющие бывают настоль-
ко мощными и широкополосными, что могут пе-
рекрывать весь спектр полезного сигнала как по
уровню, так и по частоте. В подобных случаях ре-
гистрация дыхательных шумов становится прак-
тически невозможной.
2.5. Статистическая структура помех
По характеру взаимодействия с полезным сигна-
лом все помехи делятся на аддитивные и мульти-
пликативные. В свою очередь, аддитивные поме-
хи по своей статистической структуре подразде-
ляются на три группы: флуктуационные (распре-
деленные по частоте и времени), импульсные (со-
средоточенные по времени) и гармонические (со-
средоточенные по спектру).
Флуктуационная помеха представляет собой
бесконечную сумму колебаний от многочисленных
источников, которые накладываются одно на дру-
гое, образуя случайный непрерывный процесс. В
нашем случае к флуктуационным нежелательным
составляющим следует отнести шумы сердца и
кровотока, интерференционную помеху, шумы ап-
паратуры, электромагнитные наводки, внешние,
механотермические, электротермические и трибо-
электрические шумы.
Импульсные помехи, по сути дела, представля-
ют собой дискретный случайный процесс, состо-
ящий из случайно распределенных по времени и
амплитуде отдельных импульсов. Статистические
свойства подобных помех хорошо описываются те-
орией импульсных случайных потоков [28]. При
регистрации дыхательных шумов в этом качестве
выступают тоны сердца пациента и плода (у ро-
жениц), вибрация аппаратуры, трески при нару-
шении сплошности клеевого слоя под сенсором.
На респиросонограммах импульсные помехи име-
ют вид достаточно узких (порядка десятых до-
лей секунды и меньше) вертикальных полос, пе-
рекрывающих, как правило, весь частотный диа-
пазон измерений (см. рис. 3, б и 5).
Гармонической помехой называют аддитивную
помеху, энергетический спектр которой сосредо-
точен в относительно узкой полосе частот, сопо-
ставимой с полосой полезного сигнала или бо-
лее узкой, чем она. Такие составляющие могут
возникать, например, при вибрации плохо сба-
лансированных моторов (бытовые вентиляторы,
вентиляторы компьютеров и др.). Например, на
рис. 3, б заметна гармоническая помеха от венти-
лятора компьютерного процессора, представлен-
ная горизонтальной полосой на частоте ∼ 460 Гц,
проходящей через всю запись. Кроме того, к этому
типу следует отнести речь (оператора комплекса
или пациента) и другие тональные звуки, прони-
кающие в помещение.
Мультипликативную помеху при аускультации
дыхательных шумов вызывает изменчивость пара-
метров звукового поля, генерируемого дыханием,
и каналов его распространения во времени. Кро-
ме того, мультипликативными будут помехи, во-
зникающие за счет нагружения поверхности тела
сенсором и интерференции.
3. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ПОМЕХ СЕНСО-
РОВ
Как видно из вышеизложенного, процесс реги-
страции дыхательных шумов осуществляется в до-
статочно сложной помеховой обстановке. Поэтому
борьба с нежелательными составляющими сигна-
ла требует в ряде случаев нетривиальных реше-
ний. Эффективное снижение помех виброакселе-
рометров – не самоцель, оно направлено на уве-
личение соотношения сигнал/помеха, являющего-
ся основным критерием оценки эффективности
приемных преобразователей и определяющего по-
мехозащищенность первичного звена комплекса –
сенсоров. Конечно, современная теория передачи
А. А. Макаренкова, В. Н. Олийнык 51
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2006. Том 9, N 1. С. 45 – 54
МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ПОМЕХ СЕНСОРА
Рациональное
конструирование сенсора'
&
$
%
в
ы
б
о
р
р
а
б
о
ч
его
д
и
а
п
а
зо
н
а
ч
а
ст
о
т
в
ы
б
о
р
т
и
п
а
п
ь
езо
м
а
т
ер
и
а
л
а
в
ы
б
о
р
сх
ем
ы
н
а
гр
у
ж
ен
и
я
к
ол
еб
а
т
ел
ь
н
о
й
си
ст
ем
ы
в
ы
б
о
р
м
а
ссы
и
га
б
а
р
и
т
о
в
в
ы
б
о
р
в
и
б
р
о
ст
о
й
к
о
го
к
а
б
ел
я
Оптимизация
методики'
&
$
%
н
а
д
еж
н
о
е
к
р
еп
л
ен
и
е
сен
со
р
а
и
ск
л
ю
ч
ен
и
е
со
п
р
и
к
о
сн
о
в
ен
и
я
к
а
б
ел
я
с
т
ел
о
м
в
ы
б
о
р
р
а
зд
ел
ен
и
я
м
еж
д
у
сен
со
р
а
м
и
м
ед
и
к
а
м
ен
т
о
зн
а
я
т
ер
а
п
и
я
Звуко-
виброзащита'
&
$
%
зв
у
к
о
и
зол
я
ц
и
я
п
о
м
ещ
ен
и
я
зв
у
к
о
и
зол
я
ц
и
я
а
п
п
а
р
а
т
у
р
ы
в
и
б
р
о
за
щ
и
та
эл
ем
ен
т
о
в
к
о
м
п
л
ек
са
Экранирование
и заземление'
&
$
%
эк
р
а
н
и
р
о
в
а
н
и
е
ч
у
в
ст
в
и
т
ел
ь
н
ы
х
эл
ем
ен
т
о
в
эк
р
а
н
и
р
о
в
а
н
и
е
к
а
б
ел
ей
за
зем
л
ен
и
е
а
п
п
а
р
а
т
у
р
ы
Рис. 6. Классификация методов снижения помех сенсора
сигналов не ограничена энергетическим соотно-
шением сигнал/помеха, а использует для выделе-
ния полезной составляющей данные многомерных
функций распределения характеристик сигнала, а
также некоторые априорные сведения о нем. Тем
не менее, при решении проблемы помехозащищен-
ности виброакселерометров диагностических ком-
плексов этот критерий является определяющим.
Чем выше отношение сигнала к помехе, тем бо-
лее совершенным можно считать сенсор. Нетрудно
представить, что значение этого параметра может
быть увеличено как за счет повышения полезного
сигнала, так и благодаря уменьшению помехи.
Методы повышения энергетического критерия
помехозащищенности виброакселерометров в на-
шем случае можно подразделить на пять видов:
1) рациональное целенаправленное конструиро-
вание сенсоров;
2) выбор методики регистрации дыхательных
шумов, при которой исключаются источники
помех или минимизируются их уровни;
3) звуковиброизоляция помещения и использо-
вание звуковибропоглащающих элементов в
конструкции самого комплекса;
4) электромагнитное экранирование чувстви-
тельных элементов сенсоров и их заземление;
5) активный способ повышения соотношения
сигнал/помеха за счет искусственного увели-
чения полезного сигнала.
На рис. 6 представлена более детальная классифи-
кация возможных методов снижения помех сенсо-
ра.
Рациональное целенаправленное конструирова-
ние сенсоров предусматривает выбор схемы на-
гружения чувствительных элементов, определение
оптимальной полосы частот перекрывающей зву-
ки, генерируемые в процессе дыхания в норме и
при патологии. Это позволяет выбрать тип пьезо-
материала сенсора, его размеры и массу. Благода-
ря этому можно минимизировать уровни механо-
термических и электротермических помех. Обяза-
52 А. А. Макаренкова, В. Н. Олийнык
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2006. Том 9, N 1. С. 45 – 54
тельными условиями, которые должны неукосни-
тельно выполняться при создании сенсоров, являе-
тся использование вибростойких сигнальных кабе-
лей [22], предотвращающих возникновения трибо-
электрических шумов, и установка электромагни-
тных экранов, предотвращающих электромагни-
тные наводки.
В качестве примера укажем удачные, с на-
шей точки зрения, малогабаритные, высокочув-
ствительные виброакселерометры, разработанные
в Институте гидромеханики НАН Украины и
используемые в аудиовидеодиагностическом ком-
плексе “КоРА-03М1”. При их создании были учте-
ны рекомендации, перечисленные выше. В этих
сенсорах приемные элементы выполнены в ви-
де консольно закрепленных пьезокерамических
многоэлементных биморфов (см. рис. 2). Чув-
ствительность сенсоров к ускорению составляет
15.2 мВ/(м · с−2), линейный диапазон рабочих ча-
стот простирается от 2 до 2000 Гц при резонан-
сной частоте ∼ 2600 Гц. Масса сенсора не пре-
вышает 12 г при диаметре 30 мм, что обеспечи-
вает удельное нагружение поверхности тела, при-
емлемое для качественного съема сигнала [22, 25].
С целью уменьшения паразитных шумов и наво-
док от внешних электромагнитных полей внутри
корпуса сенсора размещены повторители напря-
жения, преобразующие высокоомное сопротивле-
ние пьезокерамических чувствительных элементов
в выходное низкоомное.
Уменьшения помех можно добиться, используя
тщательно разработанную методику регистрации
дыхательных шумов, которая исключает влияние
ряда нежелательных факторов, а интенсивность
других снижает. Такая методика включает в се-
бя более надежное крепление сенсоров к телу па-
циентов, предотвращающее отрыв клеевого слоя,
рациональное расположение отходящих от сенсо-
ра сигнальных кабелей и удачный выбор времени
регистрации дыхательных шумов. Трение кабеля
по телу пациента можно исключить, подобрав его
длину и натяжение.
Для исключения нелинейных искажений, вы-
званных нагружением поверхности тела сенсором,
можно использовать априорные данные о характе-
ре такого контактного взаимодействия [24]. Тогда
при обработке сигнала его частотный спектр до-
статочно пронормировать на известную корректи-
рующую функцию [10,22].
Как отмечается в работе [25], уровень интерфе-
ренционной помехи при многоканальной регистра-
ции шумов дыхания будет незначительным, если
разнести акселерометры на расстояние, превыша-
ющее четыре их диаметра.
Нарушение клеевого слоя, приводящее к отрыву
сенсора от тела пациента, можно предотвратить
использованием более прочного клея, тщатель-
ным обезжириванием поверхностей тела и основа-
ния сенсора. Уменьшения момента, вызывающего
отрыв сенсора от тела, можно достичь при кон-
структивном расположении выходного сигнально-
го кабеля сверху по центру акселерометра.
Для исключения тремора мышц и звуков
желудочно-кишечного тракта пациента во время
процедуры регистрации дыхательных шумов ме-
дикаментозная терапия должна проводиться зара-
нее.
Как указывалось выше, соотношение сиг-
нал/помеха может быть увеличено за счет по-
вышения уровня полезного сигнала при его актив-
ной стимуляции [29]. В практике традиционной ау-
скультации используют следующие типы стимуля-
ции звукового сигнала в грудной клетке:
1) с помощью интенсивного дыхания (при этом
уровень сигнала P возрастает за счет увели-
чения скорости потока U в воздуховодных пу-
тях: P ∼Un, n≈2÷2.5 [16, 30]);
2) подачу голосового сигнала – звука, генери-
руемого вокальным трактом человека, и ре-
гистрируемого на поверхности грудной кле-
тки [7, 31];
3) перкуссию – метод, основанный на различии
звуковых феноменов при выстукивании здо-
ровых и пораженных тканей [31, 32];
4) генерацию звука с помощью динамиков ауди-
осистем, что позволяет достаточно надежно
контролировать характеристики входного си-
гнала [12, 33].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Рассмотрены, проанализированы и классифи-
цированы источники помех виброакселероме-
тров, используемых в качестве сенсоров в ком-
пьютерных аудиовидеодиагностических ком-
плексах, предназначенных для аускультации
дыхательных шумов человека.
2. Указаны способы повышения критерия поме-
хозащищенности сенсоров от источников по-
мех различной природы и разработаны пра-
ктические рекомендации. Показано, что дан-
ная задача может быть решена только при
комплексном подходе с использованием ряда
А. А. Макаренкова, В. Н. Олийнык 53
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2006. Том 9, N 1. С. 45 – 54
конструктивных, методических и организаци-
онных мероприятий.
1. Geddes L. A. Birth of the stehoscope // IEEE Engng
Med. Biol. Mag.– 2005.– 24.– P. 84–86.
2. Albella M., Formolo J., Penney D. G. Compari-
son of the acoustic properties of six stethoscopes //
J. Acoust. Soc. Amer.– 1992.– 91.– P. 2224–2228.
3. Sprague H. B. A new combined stetoscope chest pi-
ece // JAMA.– 1926.– 86.– P. 1909–1913.
4. Замотаев И. П., Магазаник Н. А., Водолаз-
ский Л. А., Толинов В. А., Щедрина О. И.
Спектральный анализ важнейших аускультатив-
ных признаков // Клин. мед.– 1974.– 52, N 5.–
С. 97–101.
5. Mussel M. J. The need for standards in recording
and analysing respiratory sounds // Med. Biol. Engng
Comput.– 1992.– 30.– P. 129–139.
6. Pasterkamp H., Carson C., Daien D., Oh Y. Digi-
tal respirosonography. New images of lung sounds //
Chest.– 1989.– 96, N 6.– P. 1405–1412.
7. Вовк И. В., Дахнов С. Л., Крижановский В. В.,
Олийнык В. Н. Возможности и перспективы ди-
агностики легочных патологий с помощью ком-
пьютерной регистрации и обработки шумов дыха-
ния // Акуст. вiсн.– 1998.– 1, N 2.– С. 21–33.
8. Dowell L. A., Fant G. E., Watkins W. D. Techni-
cal note: Design and construction of an electronic
stethoscope // Clin. Engng.– 1988.– 13.– P. 355–357.
9. Телемедицина. Новые информационные техноло-
гии на пороге XXI века / Под ред. Р. М. Юсупова,
Р. И. Полонникова.– СПб.: СПИИА РАН, 1998.–
489 с.
10. Verburg J., van Vollenhoven E. The record-
ing of heart vibrations: A problem of vibration
measurement on soft tissue // Med. Biol. Engng
Comput.– 1984.– 22.– P. 168–178.
11. Гринченко В. Т., Макаренков А. П. Устройство
для аускультации // Патент РФ на изобретение.–
1996.– N 2062047.– С. 1–3.
12. Wodichka G. R., Stevens K. N., Golub H. L.,
Shannon D. C. Spectral characteristics of transmissi-
on in the human respiratory system // IEEE Trans.
Biomed. Engng.– 1989.– 36, N 9.– P. 925–933.
13. 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, N 1.– С. 50–56.
14. Вовк И. В., Гринченко В. Т., Дахнов С. Л., Крижа-
новский В. В., Олийнык В. Н. Шумы дыхания че-
ловека: объективизация аускультативных призна-
ков // Акуст. вiсн.– 1999.– 2, N 3.– С. 11–32.
15. Grotberg J. B. Pulmonary flow and transport
phenomena // Ann. Rev. Fluid Mech.– 1994.– 26.–
P. 529–571.
16. Вовк И. В., Гринченко В. Т., Дахнов С. Л. Влияние
физиологических особенностей верхних дыхатель-
ных путей на характеристики шумов дыхания //
Акуст. вiсн.– 1998.– 1, N 3.– С. 14–23.
17. Витрук С. К. Пособие по функциональным мето-
дам исследования сердечно-сосудистой системы.–
К.: Здоровье, 1990.– 500 с.
18. Verburg J., van Vollenhoven E. Phonocardiography:
Physical and technical aspects and clinical uses //
Non invasive physiological measurements.– London:
Academic press, 1979.– P. 213–259.
19. Iyer V. K., Ramamoorthy P. A., Fan H.,
Ploysongsang Y. Reduction of heart sounds from
lung sounds by adaptive filtering // IEEE Trans.
Biomed. Engng.– 1986.– BME-33, N 12.– P. 1141–
1148.
20. Gnitecki J., Hossain I., Pasterkamp H., Moussavi Z.
Qualitative and quantitative evaluation of heart
sound reduction from lung sound recording // IEEE
Trans. Biomed. Engng.– 2005.– 52, N 10.– P. 1788–
1792.
21. Левшина Е. Н., Новицкий П. В. Электрические
измерения физических величин.– Л.: Энергоато-
миздат, 1983.– 170 с.
22. Олiйник В. Н Рацiональне проектування п’єзо-
акселерометрiв для вимiрювань на пiддатливих
поверхнях // Акуст. вiсн.– 1998.– 1, N 3.– С. 54–63.
23. Verburg J., Van Vollenhoven E. The record-
ing of heart vibrations: A problem of vibration
measurement on soft tissue // Med Biol. Engng
Comput.– 1984.– 22.– P. 168-178.
24. Грiнченко В. Т., Олiйник В. Н. Динамiчнi влас-
тивостi в’язко-пружного шару при гармонiчному
навантаженнi круговим штампом // Акуст. вiсн.–
2005.– 8, N 1-2.– P. 42–50.
25. Олийнык В. Н. Частотные искажения, вно-
симые контактными датчиками при одно- и
двухканальной регистрации шумов дыхания //
Гидромеханика.– 1997.– 71.– С. 89–97.
26. Levinzon F. A Fundamental limit noise of pi-
ezoelectric accelerometer // IEEE Sensors J.– 2004.–
4.– P. 108–111.
27. Levinzon F. A. Noise of the JFET amplifier // IEEE
Trans. Circuits Syst. I.– 2000.– 47.– P. 981–985.
28. Седякин Н. М. Элементы теории случайных им-
пульсных потоков.– М.: Cов. радио, 1967.– 470 с.
29. Гринченко В. Т., Макаренкова А. А. Устрой-
ство для аускультационной диагностики // Патент
Украины на изобретение.– 2005.– N 72139.– С. 1–3.
30. Ross D. Mechanics of underwater noise.– New York:
Pergamon press, 1976.– 375 p.
31. Гринченко В. Т., Макаренков А. П., Рудни-
цкий А. Г. Активно-пассивный метод аускульта-
ции при диагностике пневмоторакса // Акуст. ж.–
1996.– 42.– С. 773–776.
32. Ковалевский А. А. Перкуссия и аускультация.–
Томск: Изд. Томск. ун-та, 1961.– 170 с.
33. Paciej R., Vyshedskiy A., Shane J., Murphy R.
Transpulmonary speed of sound input into the
supraclavicular space // J. Appl. Physiol.– 2003.– 94,
N 2.– P. 604–611.
54 А. А. Макаренкова, В. Н. Олийнык
|