В.В.Крижановский, В.В.Крижановский-мл.

Источник

Прослушивание звуков дыхания и тока крови — один из древнейших методов получения объективной информации о состоянии человеческого организма. Однако в настоящее время роль этой информации как диагностического фактора относительно невелика. Одна из причин этого — содержание слишком большого количества информации в звуках дыхания, которая не может быть эффективно использована при традиционных методах прослушивания с помощью стетофонендоскопа. Именно это обстоятельство послужило главным стимулом к развитию в отделе исследований, направленных на разработку новых средств регистрации информации и компьютерных методов ее обработки. Работы такого характера приобретают особую важность в свете развития в последнее время телемедицины.

Моделирование процесса генерации и распространения звуков дыхания

Респираторный тракт человека — чрезвычайно сложная физиологическая система. Процесс генерации звука при дыхании связан с работой различных механизмов преобразования кинетической энергии потока в энергию звуковых волн. Оценка роли различных механизмов важна для более глубокого понимания причин изменения характеристик звуков, регистрируемых при различных заболеваниях. Кроме того, при регистрации звуков на поверхности грудной клетки важное значение имеет понимание процесса распространения акустического сигнала в бронхиальном дереве и через паренхиму к поверхности грудной клетки. Для разработки методики измерений необходимо также изучить акустические свойства самой поверхности грудной клетки.

Попытка учесть основные особенности процесса распространения звука в грудной клетке реализована при построении ее акустической модели в виде многослойной цилиндрической структуры (В. Т. Гринченко, И. В. Вовк, В. Н. Олийнык), отражающей главную особенность структуры грудной клетки, заключающуюся в сильно выраженной неоднородности по акустическим свойствам различных участков. Имеющиеся экспериментальные данные позволяют определить значения физических параметров отдельных слоев и решить соответствующую задачу о распространении звука. Проведен анализ решения с целью определения импеданса поверхности грудной клетки. Знание этой характеристики использовано для формулировки требований к геометрическим и весовым характеристикам акселерометров, используемых для регистрации звуков дыхания.

Для определения частотных характеристик акселерометров важные данные были получены на основе рассмотрения простейшей модельной задачи о прохождении звука от внутренней к внешней поверхности бесконечного полого кругового цилиндра. Несмотря на очевидную упрощенность по отношению к сложной истинной структуре канала распространения звуков дыхания, такая модель позволила качественно отразить фильтрующие свойства грудной клетки (И. В. Вовк).

Предположительно, одним из источников звуков дыхания является участок гортани с голосовыми связками. Геометрические параметры этого участка таковы, что именно здесь наблюдается резкое изменение поперечного сечения канала для прохождения воздуха, и тем самым создаются условия для турбулизации потока. Обычно интенсивность излучения звука связывают со скоростью потока. При изучении звуков дыхания характерная скорость определяется по измерениям расхода воздуха. Проведенные измерения параметров голосовой щели (С. Л. Дахнов, И. В. Вовк) показали, что площадь поперечного сечения голосовой щели у пациентов существенно различается. Влияние этих различий также было предметом экспериментальной проверки.

Созданные физическая модель и измерительная установка позволили изучить влияние различных факторов на генерацию звуков потоком, моделирующим поток воздуха в гортани (И. В. Вовк, О. И. Вовк). Было изучено влияние площади голосовой щели, ее формы и характера закругления границ отверстия на интенсивность генерируемых звуков. В целом интегральный уровень звуков дыхания пропорционален кинетической энергии потока. Однако с уменьшением скорости потока наблюдается более быстрое снижение уровня звука в высокочастотной области. Основная энергия звуков сосредоточена на относительно низких частотах. Сопоставление полученных результатов с измерениями характеристик звуков дыхания на пациентах показывает возможность использования разработанной модели для изучения некоторых особенностей их генерации.

Понимание особенностей распространения звука в бронхиальном дереве необходимо для повышения эффективности алгоритмов обработки данных о звуках дыхания, регистрируемых на поверхности грудной клетки. При распространении звука в легких большую роль играет излучение через стенки дыхательных путей различного уровня. В отделе была построена математическая модель, учитывающая этот эффект. Рассмотрение общей задачи о распространении звука в рамках этой модели позволяет учесть эффект взаимодействия между соседними элементами бронхиального дерева. Конкретные вычисления выполнены в диапазоне частот от 20 до 2000 Гц. Основная проблема при тестировании модели заключается в отсутствии достаточно полных экспериментальных данных о свойствах тканей, образующих бронхиальное дерево. Одной из известных экспериментальных характеристик дыхательной системы является ее входной импеданс. Сравнение вычисленных значений импеданса с экспериментальными подтверждает возможность использования модели для определения влияния вязкоупругих потерь в стенках воздушных путей и потерь на излучение (И. В. Вовк, О. И. Вовк, В. Г. Басовский).

При моделировании процесса распространения звука по тканям грудной клетки важное значение имеет построение адекватной модели механизмов поглощения энергии. В основу такой модели для паренхимы положено представление о ней как о сплошной среде, имеющей определенную микроструктуру. На макроуровне процесс распространения звука в среде близок к адиабатическому. Однако различия в теплофизических свойствах компонентов обуславливают существенный рост затухания, по сравнению с соответствующими компонентами однородными средами (В. Н. Олийнык).

Средства и методика регистрации звуков дыхания.

В отделе были осуществлены разработка соответствующих сенсоров, определение их характеристик и разработка методики регистрации звуков дыхания. Изготавливаемые сенсоры специализированы в соответствии с частотным диапазоном звуков дыхания и оптимизированы по отношению к подавлению помех различных типов (А. П. Макаренков, Г. П. Виноградный). Отработка методики закрепления сенсоров на поверхности грудной клетки и регистрации звуков дыхания проводилась сотрудниками отдела (И. В. Вовк, А. П. Макаренков, А. Г. Рудницкий, В. Н. Олийнык) в совместной работе с медиками (В. Г. Майданник, Л. П. Глебова, С. Л. Дахнов). На начальном этапе было важно добиться такого положения, когда в зарегистрированной информации содержалось именно то, что врач слышал во время прямого прослушивания стетоскопом. Важным элементом системы регистрации звуков дыхания является соответствующим образом подобранный сенсор. В принципе здесь возможно использовать либо микрофон (датчик давления), либо акселерометр (датчик ускорения). В рамках исследований, проводимых в отделе, предпочтение было отдано акселерометрам. С использованием пьезокерамики было разработано несколько типов датчиков, позволивших решить проблему регистрации звуков дыхания (Г. П. Виноградный, А. П.Макаренков, И. В. Вовк). Обширная программа тестирования разработанных чувствительных элементов позволила отработать методику крепления датчиков на теле, обеспечивающую низкий уровень помех. При регистрации звуков дыхания с помощью контактного кинематического датчика оказалось, что последний, в первую очередь за счет своей инерционности, заметно изменяет поле вибраций поверхности грудной клетки в зоне приема. В результате исследования влияния механических параметров акселерометра на характер его взаимодействия с податливыми поверхностями был выработан ряд практических рекомендаций по рациональному проектированию таких датчиков и оптимизации процедуры регистрации (В. Н. Олийнык). Указанные меры способствовали повышению эффективности съема полезного сигнала с поверхности грудной клетки, что выразилось в улучшении качества получаемой информации о звуках дыхания. Проведенные исследования позволили создать компьютерный комплекс для регистрации и анализа звуков дыхания. Такой комплекс включает в себя набор датчиков для регистрации звуков, необходимые устройства для ввода информации в компьютер, набор программ для обработки сигналов и печатающее устройство для документирования измерений. Наличие высокочувствительных приемников для регистрации звуков дыхания позволило обеспечить эффективную работу компьютерного комплекса. В отделе были разработаны такие устройства как электронный стетофонендоскоп и комплекс для аудиторного обучения студентов медицинских вузов (А. П. Макаренков, Г. П. Виноградный, А. Г. Рудницкий, В. Г. Басовский). Электронный стетофонендоскоп позволяет получить информацию о звуках дыхания без искажений, вносимых традиционными стетофонендоскопами. Система для обучения позволяет осуществить одновременное прослушивание звуков дыхания группой студентов с одновременными комментариями преподавателя.