НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ГІДРОМЕХАНІКИ
Макаренкова Анастасія Анатоліївна
УДК 534.7+621.391.8
Акустичні характеристики звуків дихання
та методи їх реєстрації і обробки
01.04.06. – Акустика
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук
Київ – 2008
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Інституті гідромеханіки Національної академії наук України
Науковий керівник – доктор фізико-математичних наук, професор,
академік НАН України
Грінченко Віктор Тімофійович,
Інститут гідромеханіки НАН України,
директор.
Офіційні опоненти – доктор фізико-математичних наук, професор
Селезов Ігор Тімофійович,
Інститут гідромеханіки Національної НАН України,
зав. відділом гідродинаміки хвильових процесів.
– кандидат фізико-математичних наук, доцент
Петріщев Олег Миколайович,
доцент кафедри акустики Національного технічного
університету України “КПІ”.
Захист відбудеться “15” травня 2008 року о 14 годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради Д 26. 19
6.0
1 в Інституті гідромеханіки НАН України за адресою: 03057, Київ, вул. Желябова, 8/4.
Тел.: (044) 456 - 43 - 13, факс (044) 454-42-29.
З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту гідромеханіки НАН України.
Автореферат розіслано “9” квітня 2008 року.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
доктор технічних наук, професор Криль С.І.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Дослідження акустичних характеристик звуків дихання (аускультація) протягом сторіч залишалося мистецтвом, що базується на фізіологічних можливостях слухових органів, суб'єктивному сприйнятті звукових образів, та на практичному досвіді лікаря, що дозволяє виконувати їх якісну оцінку.
Великий обсяг інформації про функціональний стан дихальної системи, якій міститься у звуках дихання, стимулював інтерес до їх досліджень. Успіхи в розвитку акустоелектроніки та комп’ютерних технологіях, екологічна безпека аускультації, сприяли розширенню фізичних досліджень даного напрямку акустики та практичному використанню цих результатів. Необхідність рішення завдань, які ще недостатньо повно вивчені: перехід звуку з біотканин на прийомні перетворювачі, принципи побудови перетворювачів, вплив на них фізичних полів, обробка та об'єктивізація звуків дихання, обумовили актуальність теми дисертації.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження та результати, що увійшли до дисертаційної роботи, є частиною комплексних наукових програм Інституту гідромеханіки НАН України: “Розробка та впровадження нового методу автоматизованої аускультативної діагностики органів дихання“ (номер державної реєстрації 0104U010481), “Розробка та програмна реалізація алгоритмів рангової та адаптивної обробки звуків дихання, з метою формування діагностичних ознак захворювань респіраторної системи“ (номер державної реєстрації 0105U006155), “Розробка та створення дослідних зразків високочутливих електронних стетофонендоскопів для аускультації звуків життєдіяльності людини“ (номер державної реєстрації 0107U007084). Результати дисертаційної роботи увійшли у звіти по цим темам.
Мета і задачі дослідження. Мета дисертації полягає в одержанні нової якісної інформації про фізичні процеси переходу звуку з одного безперервного середовища в інше, що відрізняються хвильовими опорами, в виборі шляхів побудови ефективних перетворювачів для реєстрації звуків дихання, виявленні перешкод перетворювачів звуку, виявленні та об'єктивізації аускультативних ознак у звуках дихання хворих і розробці фізичних гіпотез генерації додаткових звуків.
Для досягнення цієї мети вирішувалися наступні завдання:
- виявлення фізичних особливостей переходу звуку з біотканин на електроакустичні перетворювачі;
- розробка принципів побудови та створення нових спеціальних високоефективних електроакустичних перетворювачів та дослідження їх акустичних характеристик;
- дослідження і класифікація перешкод перетворювачів та розробка методів зниження перешкод;
- формування електронної цифрової бази звуків дихання веріфікованних здорових і хворих на пневмоконіоз пацієнтів;
- виявлення та об'єктивізація аускультативних ознак, які містяться в звуках дихання хворих на пневмоконіоз;
- розробка фізичних гіпотез генерації додаткових звуків дихання хворих на пневмоконіоз.
Об’єктом дослідження є звуки життєдіяльності людини.
Предметом дослідження є характеристики звуків дихання здорових і хворих людей.
Методи дослідження - теоретичні, при вивченні фізичних процесів переходу звуку з одного середовища в інше, при розрахунку характеристик електроакустичних перетворювачів, при розробці фізичних гіпотез генерації звуків дихання. Експериментальні, при дослідженні акустичних характеристик перетворювачів звука, формуванні електронної цифрової бази звуків дихання, обробки звуків дихання, і виявленні та об'єктивізаціі характерних аускультативних ознак.
Наукова новизна одержаних результатів.
1. Вперше у фізичній акустиці, на основі переходу звуку, з одного безперервного середовища в інше, що відрізняються хвильовими опорами, розроблені принципи побудови ефективних засобів реєстрації звуків життєдіяльності людини.
2. Вперше дослідженні та класифіковані перешкоди електроакустичних перетворювачів: звукових, вібраційних та електромагнітних полів, запропоновані методи їх зниження.
3. Вперше сформована електрона цифрова база звуків дихання верифікованих здорових і хворих на пневмоконіоз пацієнтів, об’єктивізовані аускультативні ознаки, характерні для визначеного виду захворювання.
4. Одержали подальший розвиток фізичні гіпотези генерації додаткових звуків дихання в дихальної системи хворих на пневмоконіоз.
Достовірність одержаних результатів забезпечується використанням:
1. Відомих перевірених теоретичних методів оцінки електронних, акустичних, і механічних характеристик перетворювачів звуку.
2. Методів фізичних вимірів, з заданою точністю, а також проведенням експериментальних досліджень у контрольованих умовах фізичних полів.
3. Стандартних клінічних методик верифікації функціонального стану дихальної системи людини, звуки дихання яких досліджувалися.
Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному:
- результати фізичних досліджень процесів переходу звуків з одного середовища в інше, можуть бути використані при створенні нових високоефективних, спеціальних електроакустичних перетворювачів, призначених для реєстрації звуків життєдіяльності людини;
- розроблені, апробовані та запатентовані високоефективні електроакустичні перетворювачі, які використовуються в фоноспірографічному комп'ютерному комплексі "Кора-03М1" та електронних портативних стетофонендоскопах типу "Ефон-06","Ефон-07";
- сформована електронна цифрова база звуків дихання веріфікованих здорових і хворих людей, може бути використана при розробці нових методів обробки сигналів, об'єктивізації аускультативних ознак пневмоконіоза;
- матеріали дисертації можуть бути використані при розробці нового акустичного, екологічно безпечного, неінвазивного методу моніторингу та діагностики захворювань дихальної системи людини, альтернативного рентгенографічному методу.
Особистий внесок здобувача. Результати, висновки та рекомендації, наведені в дисертації, є наслідком власного вивчення і дослідження автора.
1. На основі фізичних закономірностей переходу звуку з одного середовища в інше, розроблені принципи побудови і запропоновані спеціальні, оригінальні високочутливі електроакустичні перетворювачі для аускультації звуків життєдіяльності людини: контактні мікрофони, контактні гідрофони і малогабаритні легкі акселерометри.
2. Запропонована нова методика фізичного градуювання електроакустичних перетворювачів.
3. Експериментально дослідженні, проаналізовані та класифіковані джерела перешкод різних фізичних полів перетворювачів. Запропоновані рекомендації щодо їх зниження.
4. У клінічних умовах сформована електронна цифрова база звуків дихання веріфікованних пацієнтів, всього 600 звукових образів. За допомогою комп’ютерної обробки звуків дихання, виявлено та об’єктивізовано аускультативні ознаки, характерні для звуків дихання хворих на пневмоконіоз.
5. Запропоновані фізичні гіпотези генерації додаткових звуків дихання у хворих на пневмоконіоз, які підтверджені результатами експериментальних досліджень.
Співавтору та науковому керівникові д. ф. – м. н.В.Т. Грінченко належить постановка розглянутих завдань, ідея проведення досліджень звуків дихання у хворих на пневмоконіоз та обговорення результатів досліджень. Разом з І.В. Вовком були виконані дослідження джерел перешкод пристроїв цифрової аускультації. Класифікація перешкод перетворювачів була виконана при участі В.Н. Олійника. Верифікація пацієнтів була виконана А.В. Басанец.
Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати досліджень по темі дисертації доповідалися і обговорювалися на:
- Акустичному симпозіумі "КОНСОНАНС - 2005" (ИГМ НАН України, Київ 2005);
- на V-ої міжнародній конференції "Інформаційні технології по охороні здоров'я" (КМАПО ім.П.Л. Шупика МОЗ України, Київ, 2005);
- 5-ом Всесвітньому конгресі по біомеханіці (Німеччина, Мюнхен 2006);
- Акустичному симпозіумі "КОНСОНАНС - 2007" (ИГМ НАН України, Київ 2007).
- на двох наукових семінарах Інституту гідромеханіки НАНУ.
Публікації. Результати дисертаційної роботи викладені у 14 працях, з них 5 опубліковані у рецензованих наукових журналах із переліку фахових видань ВАК України для здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук зі спеціальності 01.04.06 – акустика [2,4,5,11], та 5 тез доповідей наукових конференцій [6-10,12,13], отримано 3 патенти України [1,3,7].
Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, основних висновків, списку літератури. Загальний об’єм містить 148 сторінок основного тексту, в тому числі 44 рисунка та 2 таблиці. Список літератури складається зі 137 найменувань та займає 15 стор.
Автор висловлює щиру вдячність своєму науковому керівнику д. ф. -м. н., академіку НАН України Віктору Тимофійовичу Грінченко за постановку задач, постійне наукове керівництво та увагу до роботи та д. мед. наук. А.В. Басанец за допомогу при проведенні досліджень по аускультації хворих на пневмоконіоз.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність роботи, її зв'язок з науковими програмами, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення роботи, а також надано загальну характеристику виконаної роботи.
Перший розділ присвячено огляду загальної проблематики досліджень звуків дихальній системі людини при її функціонуванні. Незважаючи на створення стетоскопів (Р. Лаеннек, 1816) і стетофонендоскопів(B. Sprague, 1926), аускультація залишалася мистецтвом, яка потребувала від лікаря гарного слуху, запам'ятовування та аналіз звукових феноменів. Прогрес у комп'ютерних технологіях, і великий обсяг інформації у звуках дихання, стимулювали, в 2-ій половині 20-го сторіччя, науковий та практичний інтерес до більш глибокого вивчення процесів аускультації.
У першому підрозділі розглянуті дослідження з аеродинаміки дихальної системи (Е. Вейбель, 1970, K. Horsfіeld, G. Dart, D. Olson, G. Fіlley, G. Cummіng, 1971, Дж. Уэста, 1988, J. Grotberg, 1994). Складність аеродинамічних досліджень системи, обумовлена великою розгалуженістю, біфуркаціями повітряних шляхів системи, нестаціонарністю потоків, переходу режимів течії в її елементах.
Захворювання дихальної системи змінюють морфологічні та механічні характеристики повітряних шляхів, що істотно змінює її аеродинамічні характеристики (І.В. Вовк, В.Т. Грінченко, С.Л. Дахнов, 1999, А.А. Борисюк, 2006). У теперішній час є якісне розуміння аеродинамічних процесів, що відбуваються в дихальній системі однак, обсяг інформації, малий для оцінки акустичних характеристик звуків дихання. Джерелами звуків дихання є нестаціонарні вихрові структури, що виникають під час руху повітря в елементах дихальної системи. Ці звуки є джерелами інформації про функціональний стан дихальної системи. Їх підрозділяють на основні й додаткові. Перші - це звуки дихання здорової людини. Другі виникають при бронхолегеневих захворюваннях (A. Buller, A. Dornhorst, 1956, В.Т. Грінченко, В.Н. Олійник, 1995, І.В. Вовк, 1999, С.Л. Дахнов, 2000, Н. Kіyokawa, Н. Pasterkamp, 2002).
Взаємодія приймача звуку з біотканинами тіла людини, при аускультації, маловивчена. Встановлено, що вібраційні поля біотканин не змінюються, якщо реєстрацію звуків виконують за допомогою легких перетворювачів, масовий імпеданс яких менший масового імпедансу біотканин грудної клітки (І.В. Вовк, В.Т. Грінченко, Л.Г. Красний, А.П. Макаренков, 1994, І.В. Вовк, В.Т. Грінченко, В.Н. Олійник, 1997).
Аналіз перешкод перетворювачів, класифікація та методи боротьби з ними не виконані. Виключення становлять тільки звуки серця, для боротьби з якими використовують: електронну фільтрацію і "віднімання" їх з сигналу, за допомогою відповідних алгоритмів (V. Іyer, P. Ramamoorthy, Y. Ploysongsang, 1986, І.В. Вовк, В.Т. Грінченко, С.Л. Дахнов, В.В. Крижановський, В.Н. Олійник, 1999, А.Г. Рудницький, 2001, J. Gnіteckі, M. Zahra, Z. Moussavі, 2007).
Виявлення відповідності акустичних характеристик звуків дихання з функціональним станом дихальної системи, є практичною стороною аускультації. Для цього використовують адаптивні алгоритми, тимчасову та спектральну обробку сигналів (А. Sovіjarvі, K. Kallіo, еtс., 1996, H. Murphy, A. Vyshedskіy, еtс., 2004, І.В. Вовк, А.Я. Калюжний, 1999, В.В. Крижановський, В.В. Крижановський-мол., 2002). Основний недолік спектрального аналізу - осереднення інформації, що приводить до втрати неявно виражених звукових артефактів. Звуки, низького рівня маскуються на фоні основних звуків дихання, тому їх виявляють, кореляційним аналізом або більш складними методами обробки (В.Г. Майданник, В.Т. Грінченко, О.Г. Рудницький, Л.П. Глєбова, А.П. Макаренков, 2000, І.В. Вовк, В.Ю. Семенов, 2005).
Як видно з огляду, наукові результати, розглянуті в ньому, стали основою для подальших більш детальних досліджень фізичних процесів, що відбуваються при аускультації звуків дихання.
В другому розділі дисертаційної роботи наведені результати фізичних досліджень процесів реєстрації звуків дихання. Звуки дихання реєструють на грудній клітки, хвильовий опір біотканин якої відрізняється від хвильового опору матеріалів контактних поверхонь акустичних перетворювачів.
При переході звуку з біотканин на перетворювачі, відповідно до законів акустики, повинні виконуватися наступні умови: границя розділу вважається суцільною, на ній немає джерел звуку, дотримується безперервність коливальної швидкості та звукового тиску.
При переході звуку, з акустично м'якого середовища в акустично жорстке (<), коефіцієнт проходження по амплітуді тиску позитивний (для межі біотканина-сталь ≈ 2), звуковий тиск у другому середовищі зростає, а коливальна швидкість зменшується. Перехід звуку з акустично жорсткого середовища в акустично м'яке ( > ) супроводжується зменшенням тиску у другому середовищі і збільшенням коливальної швидкості (для межі біотканина-повітря ≈ 2).
У першому випадку, доцільно вимірювати звуковий тиск, а в другому коливальне прискорення, використовуючи для цього, відповідно, мікрофон або акселерометр. Відзначено, що ефективність перетворювача визначається не тільки умовами переходу звуку, чутливістю, завадостійкістю, способом кріплення до тіла, а для акселерометрів співвідношенням масових механічних імпедансів перетворювача і поверхнею біотканин, де реєструється звуковий сигнал.
У другому підрозділі виконаний аналіз біомеханічних пристроїв аускультації звуків дихання (стетофонендоскоп-слухові органи лікаря). Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) у всіх моделей стетофонендоскопів нелінійна, порізана й знижується з ростом частоти (A. Jones, K. Kwong, S. Sіu, 1998). Порізаність АЧХ обумовлена резонансами та антирезонансами діафрагми звукоприймальної голівки, що є механічним фільтром у системі "біотканини - стетофонендоскоп - вухо лікаря". Зниження АЧХ обумовлено нераціональним переходом звуку з біотканин на біосенсори слухових органів, що знижує в стетофонендоскопах звуковий тиск, тому що перехід звуку відбувається через акустично м'яке середовище - повітря, із хвильовим опором в 3500 разів нижче хвильового опору біотканин. Незважаючи на це, ефективність цих біомеханічних пристроїв визначається, в основному, більшими функціональними можливостями мозку лікаря, здатністю виділяти частотні і тимчасові характеристики звукових феноменів.
У підрозділі 3 розглянуті результати досліджень акустичних характеристик запропонованих для аускультації електроакустичних перетворювачів.
У теперішній час, в електронній аускультації широко використовуються перетворювачі звукового тиску - спеціальні мікрофони, у жорсткому конічному корпусі якого встановлений електретний мікрофон. АЧХ таких мікрофонів подібно АЧХ стетофонендоскопів нелінійна, так як, перехід звуку з біотканин відбувається через акустично м'яке середовище (повітря).
Запропоновано новий спеціальній електроакустичний перетворювач - контактний мікрофон, у якого реалізовано перехід звука з акустично м'якого середовища в акустично жорстке (біотканина-сталь), що сприяє істотному підвищенню його ефективності.
За принципом реєстрації звуків - це односторонній стрижневий п’єзокерамічний приймач звукового тиску, а по використанню його при аускультації, контактний мікрофон. Розроблені та досліджені дві модифікації мікрофона: на основі п’єзокераміки ЦТС-19 та п’єзокристалічного матеріалу ХГС-2. При аускультації звуків дихання, передня накладка мікрофона притискається до тіла пацієнта. Звуки дихання через накладку, передаються на чутливий елемент мікрофона, де перетворюються в змінну електричну напругу.
Розрахункова схема п’єзокерамічного мікрофона наведена на рис.1.
Метод фізичного градуювання мікрофонів по тиску, заснований на фізичній аксіомі: силовий вплив коливань поверхні тіла людини на мембрану мікрофона еквівалентно впливу на неї вібрацій на фіксованій частоті.
Градуювання реалізовано за допомогою комплекту віброакустичної апаратури фірми "Брюль та Къер" у діапазоні частот 20-6000 Гц.
Встановлено, що АЧХ мікрофонів лінійна в діапазоні частот 25-6400 Гц, чутливість першого г=2,5·10-3 В/Па, другого г = 5,2·10-3 В/Па. Відмінність чутливості обумовлена питомими параметрами п’єзоелектриків. Резонанси мікрофонів перебувають на частотах 167,3 кГц та 63,2 кГц, відповідно. Розрахунково та експериментально визначена чутливість, та частоти резонансів близькі. Загальна ймовірна похибка градуювання мікрофонів – 1,14 дБ.
Апробація контактних мікрофонів виконана в контрольованих умовах при вимірі звуків серця, звуків дихання та звуків зовнішнього фона, перевипромінених тілом. Звуки серця вимірялися в лівій області грудної клітки
(т.2Л). Звуки дихання - у правій підключичній області (т.2П). Звуки перевипромінювані тілом реєструвалися на стегні пацієнта. Виявлено, що звуки спокійного та форсованого дихання, істотно перевищують звуки серця та звуки перевипромінювані тілом. Отримані результати корелюють із подібними результатами інших дослідників (S. Kraman, G. Wodіcka, H. Pasterkamp, 1995).
Виявлений ефект підвищення рівня звуків дихання зі збільшенням питомого тиску на контактну поверхню мікрофона, рис.2. На нашу думку, це викликано ущільненням біотканин, що забезпечує кращі умови переходу звуку.
Запропованований та досліджений перетворювач, у якого чутливим елементом є гідрофон, розташований у жорсткому корпусі заповненому рідиною, із хвильовим опором близьким до хвильового опору біотканин. Контактна поверхня перетворювача виконана з тонкої еластичної гуми. В цьому перетворювачі реалізовано перехід звуку (біотканина – рідина – гідрофон). Встановлено, що АЧХ перетворювача лінійна на частотах 20 - 3600 Гц, а чутливість складає 18 мВ/Па. Контактний мікрофон та гідрофон запатентовані.
Для використання в пристроях електронної аускультації нами розроблено та досліджено спеціальний легкий, високочутливий акселерометр АД-16, гнучко-деформаційного типу, з біморфними консольними п’єзоелементами.
Механічний імпеданс акселерометра істотно нижче механічного імпедансу поверхні біотканин, на яких здійснюється реєстрація звуків дихання.
АЧХ акселерометра, у площині перпендикулярної до його основи, лінійна, у діапазоні частот 20-2000 Гц, а чутливість дорівнює 15±5 мВс2/м. Резонанс перебуває на частоті 2400 Гц.
У четвертому підрозділі наведено порівняння ефективності контактного мікрофона та акселерометр
У розділі 3 систематично досліджені і класифіковані перешкоди електроакустичних перетворювачів і цифрового електронного стетофонендоскопу. Запропоновані методи зниження перешкод.
Узагальнена схема джерел сигналу, які сприймаються перетворювачем під час аускультації (рис.4). Показано, що основними перешкодами перетворювачів, є перешкоди звукової, вібраційної і електромагнітної природи.
Для експериментального дослідження перешкод електронного стетофонендоскопу було застосовано лабораторний зразок одноканального цифрового стетофонендоскопу.
Стетофонендоскоп складався з п’єзокерамічного акселерометру (чутливість 15 мВ·c2/м, маса 14 грам та з лінійною АЧХ у діапазоні частот 20-2000 Гц), малошумного підсилювача, фільтрів Баттерворта високих та низьких частот, аттенюатора та комп'ютера зі звуковою картою на вході. Сигнали, які сприймались акселерометром підсилювалися, фільтрувалися та оцифровувалась із частотою дискретизації 10000 Гц та роздільною здатністю 16 біт. Обробка сигналів виконувалась з використанням звукового редактора Сool Edіt Pro 2.0.
Дослідження дозволили розділити всі перешкоди на перешкоди низького рівня й перешкоди високого рівня. Перешкодами високого рівня, як установлено дослідженнями, являються перешкоди вібраційних й електромагнітних полів.
Методи зниження перешкод пристроїв електронної аускультації зазначені на рис.5.
У розділі 4 наведений опис комп'ютерного фоноспірографічного комплексу "Кора – 03 М1", який призначений для цифрової аускультації звуків дихання, та створений при особистій участі автора дисертації (Рис.6).
Це 4-х канальний електронний цифровий пристрій, який дозволяє: синхронно реєструвати звуки дихання в чотирьох точках грудної клітини людини, підсилювати, фільтрувати, оцифровувати та обробляти. Акустичні характеристики звуків дихання, отримані в результаті обробки, візуалізуються на дисплеї, а якщо є необхідність – роздруковуються. Комплекс сертифікований і допущений МОЗ України для аускультації органів дихання людини.
Програмний продукт комплексу забезпечує: формування цифрової бази звуків дихання, їх прослуховування, експрес-класифікацію дихальної системи за принципом "хворий-здоровий", обчислення спектрів потужності, "миттєвих спектрів", визначення характеристик взаємного спектра сигналів двох будь-яких каналів, документацію характеристик звуків дихання в цифровій формі.
Методика застосування комплексу складається із чотирьох етапів:
- підготовка комплексу до роботи;
- підготовка пацієнта до реєстрації звуків дихання;
- реєстрація звуків дихання;
- обробка звуків дихання, візуалізація результатів та виявлення у звуках дихання артефактів.
Основною перевагою цифрової аускультації, реалізованої в комплексі, є візуалізація характеристик звуків дихання, у вигляді оптичних образів. Показано, що найбільш зручним методом візуалізації звуків дихання є метод "миттєвих спектрів", як функція часу. Це тривимірний спектр, осреднений за інтервал дt, істотно менший, ніж інтервал дТ, – час одного дихального циклу (вдих – пауза – видих – пауза), коли характерний час осереднення дt не перевищує 5,0 – 10,0% часу дихального циклу. На практиці використовують проекцію тривимірного спектру на площину, у вигляді поліхромної фоноспірограми. Градуювання кольорової гами відповідає палітрі RGB типу GET (64 градації кольору), де максимальному значенню рівня відповідає темно-червоний колір, а мінімальному (0 дБ) – темно-синій (рис.7).
У розділі 5 приведені результати досліджень акустичних характеристик звуків дихання у хворих на пневмоконіоз.
Пневмоконіоз – загальна назва групи професійних захворювань легенів, металургів і шахтарів, викликаних дією виробничого пилу,
В основі патогенезу при пневмоконіозі є процес проникнення та накопичення часток пилу в альвеолах легенів. Відповідно до Міжнародної класифікації пневмоконіоз підрозділяють на 3 форми: інтерстіціальну, вузликову, вузлову. При інтерстиціальній формі в тканинах легенів виникають лінійні, сітчасті або жорсткі фіброзні утворення. Вузликова форма пневмоконіозу, характеризується наявністю вузликів розміром від 1,0 до 10 мм у всьому об’ємі легенів. Вузлова форма – найбільш важка форма, при якій діаметр вузлів більше 10 мм. Класифікація пневмоконіоза заснована на описуванні стандартних дігіталізованих комп'ютерних рентгенограм.
За допомогою комплексу "Кора-03М1", у клініці Інституту Медицини Праці АМН України сформована цифрова електронна база звуків дихання верифікованих хворих на пневмоконіоз, здорових людей та пацієнтів контрольної групи, більш ніж 600 цифрових образів (табл.1). Верифікація дихальної системи пацієнтів виконана стандартними клінічними методами.
У третьому підрозділі розглянуті результати обробки та об'єктивізація звуків дихання у пацієнтів зазначених груп. За допомогою адаптивних алгоритмів комплексу за критерієм "хворий-здоровий" були верифіковані пацієнти всіх груп. Відмінності у верифікації адаптивними алгоритмами від стандартної клінічної верифікації, не перевищує 5%. Усереднені характеристики зовнішнього дихання досліджуваних груп пацієнтів представлені в табл.2. Тривалість дихального циклу у хворих на пневмоконіоз ~ на 13% менша ніж у здорових людей та у пацієнтів з контрольної групи. Пауза між вдихом і видихом у них коротша на 35% ніж у здорових людей, і на
30% менша ніж у пацієнтів з контрольної групи. Спектральний аналіз виявив, що у хворих на пневмоконіоз, частотний діапазон звуків дихання більш вузький, ніж у здорових людей (рис.8). Інтенсивність звуків дихання у хворих на пневмоконіоз ~ на 5 дБ нижча, ніж у здорових людей. У пацієнтів контрольної групи вона знижена на 1,5 дБ. Виявлено, що у хворих на вузелкову форму спектри звуків на вдиху і видиху близькі, що відповідає „жорсткому” диханню. Звуки правої легені, при всіх формах пневмоконіоза, завжди вище звуків лівого. У хворих з важкою формою пневмоконіоза, при дихані, у легенях виникають моно - і поліфонічні хрипи - додаткові звуки, зосереджені у вузькій смузі частот або ансамбль, що складається з основної звукової гармоніки й кратних їм (рис.9). Практично в більшості хворих на пневмоконіоз, на вдиху та видиху, виникають тріски - короткі, широкосмугасті звукові імпульси, які відсутні у звуках дихання здорових людей і пацієнтів з контрольної групи (рис.10).
У підрозділі 4 наведені фізичні гіпотези, що пояснюють виникнення додаткових звуків, аускультативних ознак, у хворих на пневмоконіоз, з урахуванням морфологічних змін структури легенів, викликаних цим захворюванням. При інтерстиціальній формі пневмоконіозу, у паренхімі легенів відбувається інтенсивне розростання дифузійної сітчатості (фіброз) – жорсткої сполучної тканини, яка знижує її рухливість. Абсорбція пилу, на внутрішній поверхні альвеол, посилене виділення та екстрадиція в’язкого ескудату назовні, захаращують прохідний перетин бронхіол, зменшують життєвий об’єм легенів та погіршують газообмін (А. Pohlman, S. Sehatі, D. Young, 2001). Реакцією організму на ці зміни в паренхімі є зменшення тривалості дихального циклу – підвищення частоти дихання. При вузликовій формі пневмоконіоза, усе легеневе поле нижніх і середніх часток покривають вузлики, що приводять до укрупнення та злиття альвеол (емфізема), що збільшує легкість паренхіми легенів, а також знижує площу газообміну. Зі збільшенням розміру альвеол, відповідно до закону Юнга-Лапласа, внутріальвеолярний тиск знижується (С.В. Антонюк, 2004). Такі морфологічні зміни знижують швидкість повітря, в елементах дихальної системи та, природно, знижують рівні звуків дихання, на високих частотах. Підвищення повітряності приводить до дисипації звуків дихання в паренхімі та зниження передачі їх на поверхню грудної клітки (С. Glady, S. Aaron, M. Lunau, J. Clіnch, R. Dales, 2003). Моно та поліфонічні хрипи (інтенсивні вихрові звуки) виникають у збуджених, стенізованих бронхіолах, та при випромінювані звуку плівками та нитками, в’язкого мігруючого ескудату при обтіканні їх повітряним потоком. Знижений внутрішньоальвеолярний тиск, захаращення регіональних і термінальних бронхіол в’язким ескудатом викликають їх зхлопування, на вдиху та видиху, за клапанним механізмом. У результаті цього виникають високоінтенсивні імпульсні звуки – тріски (T. Gemcі, V. Ponyavіn, Y. Chen, R. Collіns, 2005).
ВИСНОВКИ
Дисертаційна робота присвячена дослідженню звуків дихання, їх реєстрації, обробці, та об'єктивізації аускультативних ознак, а також подальшому розвитку гіпотез генерації звуків у дихальній системі людини. У дисертаційній роботі отримані такі нові, наукові та практичні результати:
1. Вперше на основі фізичних закономірностей переходу звуку з одного середовища в інше, що відрізняються хвильовими опорами, запропоновані принципи побудови та створені спеціальні, оригінальні високочутливі електроакустичні перетворювачі, призначенні для аускультації звуків життєдіяльності людини: контактні мікрофони, контактні гідрофони та легкі акселерометри.
2. Вперше розроблена нова оригінальна методика фізичного градуювання електроакустичних перетворювачів, що дозволяє визначати чутливості та амплітудно-частотні характеристики.
3. Експериментально досліджені та класифіковані, у контрольованих умовах, перешкоди електроакустичних перетворювачів та пристроїв цифрової аускультації, які обумовлені звуковим, вібраційним та електромагнітним полями, що знижують їх ефективність. Основними джерелами перешкод, при аускультації звуків дихання, є звуки серця, вібрації, які викликані коливаннями елементів конструкцій приміщення та перешкоди електромагнітного поля. Запропоновані рекомендації щодо зниження цих перешкод.
4. Сформована електронна, цифрова база звуків дихання верифікованих здорових людей, хворих на пневмоконіоз та пацієнтів контрольної групи, всього 600 звукових образів. За допомогою цифрової обробки виявлені та об’єктивізовані аускультативні ознаки, характерні для звуків дихания хворих на пневмоконіоз: збільшена частота дихального циклу, знижена інтенсивність звуків дихання, завужений діапазон спектральних складових, моно - та поліфонічні хрипи легенів, імпульсні звуки (тріски) під час вдиху та видиху.
5. Розроблені фізичні гіпотези генерації додаткових звуків дихання (аускультативних ознак), що виникають у хворих на пневмоконіоз, які були викликані морфологічними змінами в легенях: жорсткістю паренхіми, зменшенням життєвого об’єму, появою стенозів, збільшенням розміру альвеол і зниженням тиску в них, підвищеним виділенням в’язкого ескудату, зхлопуванням термінальних та регіональних бронхіол.
6. Розроблені конкретні рекомендації, спрямовані на подальше вдосконалення засобів електронної аускультації.
СПИСОК ОПУБЛіКОВАНИХ ПРАЦЬ за ТЕМою ДИСЕРТАЦІЇ
1. Пат.14732 Україна, МПК (2006) А61 В7/00. Акустичний сенсор / Грінченко В.Т., Виноградний Г.П., Макаренкова A. A.; заявник і патентовласник Інститут гідромеханіки НАН України. – № u200512326; заявл.21.12. 2005, опубл.15.05. 2006, Бюл. №5.
2. Гринченко В.Т. Сравнение эффективности электроакустических преобразователей устройств электронной аускультации / В.Т. Гринченко, А.А. Макаренкова // Акустичний вісник. - 2007. – Т.10, № 1. - С.17‑29.
3. Пат. №23347 Україна, МПК7 А61В 7/00. Сенсор для аускультації / Грінченко В.Т., Макаренкова A. A., Пархоменко А. М.; заявник і патентовласник Інститут гідромеханіки НАН України. - № u20061204; заявл.15.11. 2006, опубл.25.05. 2007, Бюл. №7, 2007 р.
4. Макаренкова А.А. Помехи, сенсоров - виброакселерометров используемых для аускультации дыхательных шумов / А.А. Макаренкова, В.Н. Олийнык // Акустичний вісник. - 2006. – Т.9, № 1. - С.45‑54.
5. Вовк И.В. Экспериментальное исследование помех, возникающих при регистрации дыхательных шумов электронными стетофонендоскопами / И.В. Вовк, А.А. Макаренкова // Акустичний вісник. - 2007. - Т.10, № 4. - С.28-34.
6. Датчик для аускультации на основе акустического пьезокерамического стержневого преобразователя: зб. праць акустичного симпозіуму “КОНСОНАНС‑2005”., 27-29 вересня 2005 р. / Національна Академія Наук України, Інститут гідромеханіки. - К: Інститут гідромеханіки НАНУ, 2005. - С.314.
7. Пат.72139А. Україна, МПК (2006) А61 B7/00. Пристрій для аускультативної діагностики / Грінченко В.Т., Макаренков А.П., Макаренкова А.А., Сенченко І. В.; заявник і патентовласник Інститут гідромеханіки Національної Академії Наук України. - № 20031212586; заявл.26.12. 2003, опубл.17.01. 2005, Бюл. №1.
8. Басанец А.В. Особливості аускультативної картини у хворих на пневмоконіоз від впливу вугільного пилу при застосуванні респіросонографічного методу / А.В. Басанец, А.А. Макаренкова // Український журнал з проблем медицини праці. - 2007. - № 2. - С.62‑66.
9. Сравнение эффективности средств, используемых в электронной аускультации: зб. праць акустичного симпозіуму “КОНСОНАНС‑2007”., 24-26 вересня 2007 р. / Національна Академія Наук України, Інститут гідромеханіки. - К: Інститут гідромеханіки НАНУ, 2007. - С.74-79.
10. Grinchenko V. T., Makarenkova A. A., Special contact microphone for auscultation // 5-th World Congress of Biomechanics, Munich, Germany, 29 July‑4 August 2006. Citation: Journal of Biomechanics 2006; Vol.39 Suppl.1, page S600.
11. Гринченко В.Т., Макаренкова А.А. Исследование процессов регистрации звуков жизнедеятельности организма человека // Вісник Донецького університету, Сер. А: Природничі науки. - 2007. - Вип.1. -С.159-166.
12. Помехи электронных средств аускультации: зб. праць акустичного симпозіуму “КОНСОНАНС‑2007”., 24-26 вересня 2007р. / Національна Академія Наук України, Інститут гідромеханіки. - К: Інститут гідромеханіки НАНУ, 2007. - С.40-46.
13. Компьютерный сонографический метод диагностики пневмокониоза: наукові праці за матеріалами V-ої міжнародної конференції [“Інформаційні технології в охороні здоров’я”],(Київ, 16-18 червня 2005р). / Міністерство охорони здоров’я України, Київська медична академія післядипломної освіти ім. .П.Л. Шупика. – К.: Київська медична академія післядипломної освіти ім. .П.Л. Шупика, 2005. – 116с.
14. А.А. Макаренкова. Акустические характеристики звуков дыхания у больных пневмокониозом // Акустичний вісник. - 2008. - Т.10. - № 1. – С.46-54.
АНОТАЦІЯ
Макаренкова А.А. Акустичні характеристики звуків дихання, методи їх реєстрації та обробки. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за фахом 01.04.06 – акустика. Інститут гідромеханіки НАН України, Київ, 2008.
Дисертаційна робота присвячена акустичним характеристикам звуків дихання людини, їх реєстрації та обробці. Досліджено фізичні процеси переходу звуків, генеруємих процесами життєдіяльності організму на прийомні акустичні перетворювачі. Зазначено шляхи побудови ефективних електроакустичних перетворювачів призначених для аускультації звуків дихання. Запропоновані нові ефективні електроакустичні перетворювачі, у яких перехід звуку здійснений більш раціонально. Встановлено, що запропоновані перетворювачі перевершують по ефективності закордонні. Досліджені, класифіковані та ранжирувані перешкоди перетворювачів, електронного стетофонендоскопа: звукової, вібраційної та електромагнітної природи, розроблені рекомендації з їх зниження. Сформовано електронну цифрову базу звуків дихання веріфікованних здорових і хворих на пневмоконіоз, всього 600 звукових образів. Проведено комп'ютерну обробку звуків дихання, виявлені звукові артефакти у хворих на пневмоконіоз, здійснена їх об'єктивізація. Запропоновані фізичні гіпотези генерації додаткових звуків дихання у хворих на пневмоконіоз, викликані морфологічними змінами в легенях.
Ключові слова: звуки дихання, аускультація електроакустичний перетворювач, фоноспірограма, пневмоконіоз, об'єктивізація аускультативних ознак.
АННОТАЦИЯ
Макаренкова А.А. Акустические характеристики звуков дыхания, методы их регистрации и обработки. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.06 – акустика. Институт гидромеханики НАН Украины, Киев, 2008.
Диссертационная работа посвящена акустическим характеристикам звуков дыхания человека, методам их регистрации и обработке. Исследованы физические процессы перехода звуков, генерируемых процессами жизнедеятельности организма на приемные акустические преобразователи. Указаны пути построения эффективных электроакустических преобразователей – звукового давления и колебательной скорости (микрофонов, гидрофонов и акселерометров), предназначенных для регистрации звуков дыхания. Впервые разработана новая методика физической градуировки указанных преобразователей, которая позволяет опеределять чувствительность и амлитудно-частотные характеристики преобразователей во всем диапазоне частот звуков дыхания. Апробация, предложенных преобразователей, выполненная в контролируемых условиях внешнего звукового фона, показала, что преобразователи позволяют успешно регистрировать звуки сердца, звуки дыхания и звуки переизлучаемые телом, инициируемые внешним звуковым фоном. Установлено, что эффективность данных преобразователей существенно превосходит эффективность преобразователей, используемых зарубежными исследователями. Экспериментально исследованы и классифицированы помехи звуковых, вибрационных и электромагнитных полей, воздействующих на электроакустические преобразователи и устройства электронной аускультации в процессе их работы. Выявлено, что основными источниками помех, при регистрации звуков дыхания, являются звуки сердца, вибрации, вызванные колебаниями элементов конструкций помещения, и помехи электромагнитного поля. Выявлены доминирующие помехи, разработаны рекомендации по их снижению, которые могут быть решены только при комплексном подходе с использованием ряда конструктивных, методических и организационных мероприятий. Сформирована, с помощью разработанного сертифицированного фоноспирографического комплекса, электронная цифровая база звуков дыхания верифицированных здоровых и больных пневмокониозом пациентов, всего 600 звуковых образов. Основой электронной цифровой аускультации является визуализация звуков дыхания – представления акустической информации в виде оптических образов. С помощью цифровой обработки, выявлены и объективизированы аускультативные признаки, характерные для звуков дыхания больных пневмокониозом: увеличена частота дыхательного цикла, снижена их интенсивность, диапазон спектральних составляющих более узкий, моно - и полифонические сигналы (хрипы), короткие импульсные звуки (трески) на вдохе та выдохе.
Осуществлена их объективизация. На основе полученных результатов предложены физические гипотезы генерации дополнительных звуков дыхания у больных пневмокониозом, которые вызваны морфологическими изменениями в легких – ужесточением паренхимы, уменьшением жизненного объема, появлением стенозов, укрупнением альвеол, понижением внутриальвеолярного давления, приводящим к схлопыванию терминальных и региональных бронхиол.
Ключевые слова: звуки дыхания, аускультация электроакустический преобразователь, фоноспирограмма, пневмокониоз, объективизация аускультативных признаков.
ABSTRACT
Makarenkova A.А. Auscultationdescriptions of sounds of breathing, methods of their registration and treatments - Manuscript.
Thesis for the Candidate’s Degree in Physics and Mathemetics on speciality 01.04.06 - Acoustics. Institute of Hydromechanics of the NAS of Ukraine, Kyiv, 2008.
The dissertation is devoted to the acoustic characteristics of human respiration sounds, their registration and treatment. The physical processes of transition of the sounds generated by the vital activity of an organism at receiving acoustic transformers are studied. The algorithms of construction of effective electro-acoustic transformers designed for auscultation of the respiration sounds are indicated. The new effective electro-acoustic transformers, in which transition of sound is more efficient, are offered. It is established that the offered transformers are more efficient than the foreign analogues. The obstacles of the transformers, electronic stethophonendoscope of sound, vibration and electromagnetic nature are studied, classified and ranged. The recommendations for the reduction of the obstacles are developed. The electronic digital data base of respiration sounds of verified patients healthy and ill with pneumoconiosis, totally 600 sound images, is formed. The computational treatment of the respiration sounds is performed. The sound artifacts of the patients with pneumoconiosis are discovered and objectified. The physical hypotheses for generation additional respiration sounds by patients with pneumoconiosis, caused by the morphological changes in llungs, are offered.
Keywords: respiration sounds, auscultation, electro-acoustic transformer, phonospirogramma, pneumoconiosis, objectification of auscultation signs.