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 акселерометра, за критерієм перешкодозахищеності (сигнал/перешкода). Дослідження були виконані при синхронній реєстрації перетворювачами звуків вдиху пацієнтів (т.2П - сигнал) і звуків на стегні (перешкода). Контактний мікрофон більш ефективний акселерометра в діапазоні досліджуваних частот. Ефективність сенсора, на основі акселерометра "Sіemens ЕМТ 25С", який широко використовується закордонними дослідниками, значно нижче (рис.3).

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.