Диссертация

Тема магистерской диссертации: "Исследование и разработка специализированной компьютерной системы диагностики заболеваний органов дыхания"

Научный руководитель: д.т.н., профессор Скобцов Ю.А.

Развернутый реферат

1. Цель работы и решаемые в ней задачи.

Цель магистерской работы:

Разработка и исследование СКС получения, оперативной комплексной обработки спирографических показателей и анализ функций внешнего дыхания.

Цель СКС:

-         Получение и оперативная комплексная обработка спирографической информации,  представление ее в наглядном виде.

-         Анализ индивидуальных нормативов пациентов путем создания базы данных.

-         Выявление закономерностей физиологических процессов в организме пациента

Для достижения указанных целей необходимо решить следующие задачи:

-         Разработка и изготовление аппаратных средств СКС, которые включают в себя аппаратуру аналоговой обработки сигналов (усиление, фильтрация), аналогово-цифровое преобразование данных и интерфейс для вывода данных в ЭВМ.

-         Разработка программного обеспечения СКС.

-         Разработка информационного обеспечения и математических методов расчета;

2. Анализ состояния исследуемого вопроса

Детальное изучение функции дыхания невозможно без инструментальных методов исследования (спирографии, пневмотахометрии, капнографии и т.п.). Применение этих методов расширяет диагностичческие возможности, позволяя выявить скрытые нарушения дыхательной функции,  дает возможность определить патогенетические  механизмы и более обоснованно назначать лечебные мероприятия, сделать наиболее объективной оценку эффективности лечения.

Однако техническая обработка результатов спирографического исследования функции дыхания представляет значительные трудности. Полная обработка данных спирографии с расчетом остаточного объема легких, различных коэффициентов и индексов, применяемых на практике, с определением должных величин и их сопоставлением с фактическими, с обязательным использованием коэффициентов для систем BTPS и STPД занимает от 45 до 90 мин даже у квалифицированного лаборанта. Кроме того, в расчетах могут допускаться ошибки, особенно при увеличении числа призведенных исследований.

Исследование дыхания можно подразделить на три категории:

1. Исследование внешнего дыхательного ритма, для которого в качестве датчиков используется нагрудные ремни или индикаторы, располагаемые около носовых отверстий;
2. Спирометрические исследование внешнего дыхания с датчиками типа трубки Флейша, измеряющими характеристики типа время-поток;
3. Исследование легочных объемов и емкостей методами разведения газов.

Одним из важнейших исследований функции внешнего дыхания является спирометрия. Общее спирометрическое исследование дает возможность определить:

-         основные показатели, характеризующие легочные объемы и емкости,

-         показатели, характеризующие вентиляцию легких,

-         показатели, характеризующие состояние бронхиальной проходимости,

-         показатели, характеризующие эффективность легочного дыхания или газообмен.

При исследовании поверхностного дыхания исследователя в основном, интересует частота и амплитуда дыхательного ритма и соотношение времени вдоха и выдоха.

Необходимо выделить особую роль методов, используемых для оценки функции легких, в диагностике. Получаемые с их помощью данные не всегда имеют решающее значение для постановки окончательного диагноза у легочных больных, поскольку одни и те же функциональные нарушения могут встречаться при различных заболеваниях. Однако эти методы часто бывают полезны для оценки динамики состояния и эффективности лечения у больных с хроническими поражениями легких. 

Спирография предполагает измерение легочных объемов и форсированных вентиляционных потоков как в клинической, так и в исследовательской  практике в следующих процедурах:

-   диагностика предполагаемой легочной патологии, например, для выявления внутренне или внегрудного ограничения воздушного потока или рестиктивных вентиляционных нарушений;

-   лечение больных с легочными заболеваниями для  оценки терапевтического эффекта элиминации аллергенов, эффективности лекарственной терапии, тестирование бронхиальной чувствительности;

-    прогнозирование, основанное на тяжести и степени респираторных нарушений, скорости ухудшения/улучшения показателей за определенный период;

-   проведение предоперационных исследований для оценки состояния пациента;

-   оценка степени легочной недостаточности;

-   скрининговый мониторинг состояния респираторной системы у населения при профосмотрах.

Легочные объемы делятся на статические и динамические. Статические легочные объемы измеряются методами, основанными на завершенности респираторных маневров (полный вдох или выдох) без предъявления жестких требований к скорости выполнения. Проведение быстрых вентиляционных маневров (форсированный вдох или выдох) позволяет вычислить так называемые динамические легочные объемы, а также форсированные инспираторные и экспираторные потоки.

Все показатели, характеризующие состояние функции внешнего дыхания, представлены в таблице 1 и проиллюстрированы на рис.1.

Таблица 1.

Рис 1. Основные спирометрические показатели .

Количественная оценка спирографических показателей производится путем сопоставления их с нормативами, полученными при обследовании здоровых людей. Значительные индивидуальные различия, имеющиеся у здоровых людей, вынуждают, как правило, использовать не общую среднюю того или иного показателя, а учитывать пол, возраст, рост и вес обследуемых.

Индивидуальный норматив, рассчитанный с учетом влияния нескольких или всех указанных факторов, принято называть должной величиной. Для большинства спирографических показателей разработаны должные величины, для некоторых - определен диапазон индивидуальных различий здоровых людей. Для расчета должных величин многих функциональных показателей наиболее широко используются величины должного основного обмена. Должную величину в каждом конкретном случае принимают за 100%, а полученную экспериментально - выражают в процентах должной. Использование должных величин уменьшает, но не устраняет полностью индивидуальных различий здоровых людей, которые для большинства показателей находятся в пределах 80-120% должной, а для некоторых - в еще более широком диапазоне. Это создает значительные трудности в оценке спирографических показателей, особенно при диагностике начальных нарушений. Дело значительно меняется, если имеются данные повторных исследований. Даже небольшие отклонения от результатов предшествующего обследования больного могут указать на величину и направленность происшедших изменений. Правильно их оценка  может быть дана только с учетом воспроизводимости показателя. Под воспроизводимостью понимают диапазон повторных измерений с принятой надежностью различает свойственную методу погрешность от фактически происшедших сдвигов. Суммарная погрешность спирографического исследования включает случайные и систематические ошибки, связанные с конструктивными особенностями прибора, субъективные ошибки снятия отсчетов по спирограмме и физиологически обусловленные колебания, свойственные исследуемым. Мерой воспроизводимости является среднее квадратичное отклонение разброса повторных измерений. Воспроизводимость биологических параметров принято оценивать в 95% доверительном интервале. важно также иметь ввиду, что если в процессе одного исследования в ряде повторных измерений оказывается величина, превышающая предел воспроизводимости, то она должна быть отброшена, как недостоверный результат.

При этом следует отметить, что при оценке конечного результата исследования физиологически более оправдано использование наибольшей величины, а не средней  нескольких измерений, независимо от числа повторений. 

Ниже подробно будут разобраны критерии оценки отдельных спирографических показателей.

Общеизвестно, что одним из основных клинических проявлений легочной недостаточности является учащение и поверхностный характер дыхания. Однако по данным инструментального исследования эти признаки имеют весьма ограниченное диагностическое значение.

Частота дыхания у здоровых людей в условиях основного обмена составляет у мужчин 15 (9¸22), у женщин 17 (10¸23) в мин. В условиях относительного покоя границей нормы следует считать частоту дыхания 24 дыхания в мин.

Объем дыхания у здоровых людей колеблется в очень широких пределах, в условиях основного обмена у мужчин от 250 до 800, у женщин от 250 до 600, а в условиях относительного покоя соответственно от 300 до 1200 и от 250 до 800 мл, что практически лишает эти показатели диагностической ценности. Так, при хронической пневмонии ЧД более 24 в минуту обычно наблюдается всего лишь у 6¸8% больных, ОД меньше 300 мл - у 1¸3%.

Минутный объем дыхания в условиях основного обмена при спирографическом исследовании составляет от 4 до 10 л BTPS. Тесная зависимость уровня вентиляции от интенсивности газообмена позволяет выразить должную величину МОД через должный основной обмен.

Должный МОД STPD =  Должный основной обмен ккал/сутки   / 7.07´40

Поскольку МОД следует выражать в BTPS за норму следует принимать не 100, а 120% должной. В условиях относительного покоя МОД составляет 160 (100¸280)% должной, хотя потребление кислорода увеличивается всего на 10-20%. Для обеспечения нормального уровня альвеолярной вентиляции необходимо увеличить МОД, что приходится наблюдать во всех случаях, даже при гиповентиляции альвеол. Это доказывает малую ценность этого показателя. потребление кислорода в основных условиях составляет от 160 до 300 мл в минуту, или 85-125%. Расчет должного ПО₂ производится по формуле

Должное ПО₂ = Должный основной обмен  /  7.07

В условиях относительного покоя ПО₂ составляет от 115 до 150%. ПО₂  характеризует уровень энергетического обмена и ни в какой степени не отражает состояние аппарата вентиляции. Количественно газообмен в покое обеспечивается вплоть до крайних степеней нарушения внешнего дыхания. Только при физической нагрузке больные часто оказываются неспособны значительно увеличивать интенсивность газообмена.

Коэффициент использования кислорода в норме в полном покое составляет 40 (25¸55) мл/л.  КИО₂ в значительной мере дублирует МОД в % должного, так как расчет должной МОД исходит из формального КИО₂ .

К оценке КИО₂  в покое, как показателя эффективности вентиляции, следует подходить с большой осторожностью: он в равной степени может указывать на низкую эффективность вентиляции, связанную с изменением характера дыхания, так и на неадекватный, относительнео интенсивности газообмена, уровень вентиляции, обусловленный чаще всего, эмоциональным фактором.

Жизненная емкость легких у здоровых составляет от 2.5 до 7.5 л, такой разброс в значениях требует обязательного использования должных величин. Из множества предложенных формул расчета должной ЖЕЛ можно рекомендовать следующие.

Должная ЖЕЛ BTPS = Должный основной обмен ´ 3.0 (для мужчин).

Должная ЖЕЛ BTPS = Должный основной обмен ´ 2.6 (для женщин).

Для людей старше 50 лет коэффициенты должны быть уменьшены на 0.2. При определении ЖЕЛ в положении лежа коэффициенты уменьшаются на 0.1. Границы нормы находятся в диапазоне 80¸120% должной. Воспроизводимость ЖЕЛ составляет 5-7% исходной величины. Следовательно, изменение в указанных пределах при повторных исследованиях не могут рассматриваться как фактически происшедшие сдвиги.

У больных с начальной патологией ЖЕЛ ниже нормы регистрируется в 25% случаев. При второй стадии хронической пневмонии этот показатель возрастает почти вдвое и составляет 45-65%. Т.о. ЖЕЛ имеет высокую диагностическую ценность. Снижение ЖЕЛ до 65% должной следует рассматривать как умеренное, от 60 до 50 - как значительное и ниже 50% - как резкое.

Резервный объем вдоха в норме составляет сидя 50 (35¸65)% ЖЕЛ, лежа 65 (50¸80)% ЖЕЛ. Резервный объем выдоха - сидя 30 (10¸50)%, лежа - 15 (5¸25)% ЖЕЛ. При паталогии обыно имеет место снижение показателей Ро_вд, Ро_выд в % ЖЕЛ.

Форсированная ЖЕЛ у здоровых людей фактически воспроизводит ЖЕЛ и, таким образом, является ее повторением. Различия ЖЕЛ и ФЖЕЛ у мужчин составляют -200 (-600¸+300) мл, у женщин -130 (-600¸+300) мл. В случае, если  ФЖЕЛ больше ЖЕЛ, что хотя и не часто, но может наблюдаться как в норме, так и при патологии, по общим правилам она должна приниматься в расчет как наибольшая величина ЖЕЛ.

Диагностическое значение приобретают величины, выходящие за предел воспроизводимости ЖЕЛ. Для оценки кривой форсированного выдоха предложено более десятка количественных показателей. В практической работе используют обычно не более двух из общего числа. Наиболее часто - объем форсированного выдоха за 1 секунду (ОФВ₁), который часто неверно называют ФЖЕЛ₁, временной ЖЕЛ и так далее.

Общепринятой должной ОФВ₁ не существует, так как величина показателя в значительной мере зависит от типа используемой аппаратуры. Именно поэтому нормативы, представленные в зарубежной литературе, оказываются непригодными. Для большинства типов отечественных спирографов установлено, что в среднем ОФВ₁ у мужчин в положении сидя в возрасте 18-30 лет составляет 3.3 л/сек ATSP со снижением в каждом последующем десятилетии на 0.3 л/сек. В положении лежа ОФВ₁ меньше на 0.1 л. Нижней границей нормы в возрасте до 50 лет следует принять 2.2 л/сек, в возрасте 51-60 - 2.0 л/сек. У женщин ОФВ₁ составляет в положении сидя 2.35 (1.4¸3.0) л/сек. Воспроизводимость показателя составляет 10%, при резкик нарушениях - 15% исходной величины. Диагностическая значимость ОФВ₁ приблизительно равна ЖЕЛ, а при нарушениях, обусловленных ухудшением бронхиальной проходимости, превышает ЖЕЛ. К умеренному должно быть отнесено снижение ОФВ₁  у мужичин до 1.5 л/сек, у женщин - до 1 л/сек, к значительному - до 1.0 и 0.7 л/сек, к резкому - ниже указанных пределов.

Скорость форсированного выдоха находится в тесной зависиости от объема легких. поэтому ограничить ее оценку абсолютными значениями нельзя. Широко принято относить ОФВ₁ к объему ЖЕЛ и выражать это отношение в %. Этот показатель получил название теста Тиффно. Так, при ОФВ₁ 3.0 л/сек и ЖЕЛ 4.0 л отношение ОФВ₁  к ЖЕЛ составит 75%. Относительно того, к какому объему следует относить ОФВ₁: к ФЖЕЛ, ЖЕЛ или должной ЖЕЛ - единого мнения нет. ЖЕЛ в условиях патологии отражает не объем легких, а некую экспираторную позицию, при которой происходит спадение бронхов. Физиологически наиболее оправдано использование фактической ЖЕЛ, взятой в системе ATPS.

Отношение ОФВ₁/ЖЕЛ составляет во всех возрастных группах в равной мере у мужчин и женщин независимо от положения тела 70 (55¸90)%. воспроизводимость показателя 7%. За умеренное отклонение принимают ОФВ₁/ЖЕЛ до 45%, за значительное - от 45 до 35%, и ниже 35% - за резкое.

Максимальная вентиляция легких (МВЛ) у здоровых мужчин составляет 70-170 л/мин, у женщин - 45-120 л/мин BTPS. К сожалению значительное влияние на значение этого показателя методики исследования, положения тела и пр. резко затруднили выработку общепринятых должных величин. Для расчета можно рекомендовать следующую формулу

ДМВЛ BTPS = ДЖЕЛ´N,

где N=25 для мужчин и N=26 для женщин. В возрасте 50-60 лет коэффициент N уменьшается на 2. За норму принимается диапазон 70¸135 и более % должной. Т.о. убрать индивидуальные различия с помощью должных величин удается лишь частично. Большое влияние на значение МВЛ имеет частота дыхания при выполнении пробы МВЛ. Хотя методикой предусмотрена произвольная частота дыхания, она не должна быть меньше 40 в мин. Обязательный учет ЧД, при которой выполнялась МВЛ, во многом способствует правильной оценке показателя. Воспроизводимость МВЛ составляет около 15% исходной величины. Снижение МВЛ до 50% следует рассматривать как умеренное, от 50 до 35% как значительное, и ниже 35% как резкое.

Показатель скорости движения воздуха (ПСДВ) есть отношение:

МВЛ/ЖЕЛ.

ПСДВ принято выражать в л²/мин. У здоровых мужчин он составляет 25(20¸30), снижаясь в среднем до 22 в возрасте 50-60 лет. у женщин ПСДВ на 2 л²/мин больше. С его помощью удается дифференцировать ограничительные нарушения вентиляции от нарушения бронхиальной проходимости. У больных бронхиальной астмой он может быть снижен до 8-10, при ограничительном процессе - увеличен до 40 и более.

Таким образом,  для исследования и диагностики функции внешнего дыхания с помощью спирометрии необходимо получить, обработать и проанализировать следующие показатели:

-         полный вдох или выдох:

ОД    - дыхательный объем [л];

МОД  - минутный объем дыхания [л];

ЖЕЛ  - жизненная емкость легких [л];

ОЕЛ =ОО+ЖЕЛ  - общая емкость легких [л];

ОО     -  остаточный объем [л];

ФОЕ  -  функциональная остаточная емкость [л];

ОО/ОЕЛ и ФОЕ/ОЕЛ [%];

-         форсированный выдох:

ФЖЕЛ  - форсированная жизненная емкость выдоха [л];

РО_выд   - резервный объем выдоха [л];

-         форсированный вдох:

ФЖЕЛ  - форсированная жизненная емкость вдоха [л];

РО_вд   - резервный объем вдоха [л];

МВС - максимальная вентиляционная способность легких,

МВЛ - максимальная произвольная вентиляция легких,

ОВЛ - общелегочная вентиляция,

ЧД -    частота дыхания.

3. Система компьютерной диагностики

На Главную