Способ акустического спектрального анализа обструктивных заболеваний легких

Способ акустического спектрального анализа обструктивных заболеваний легких

Реферат

Изобретение относится к медицине, а именно к пульмонологии.

В литературе встречаются описания различных методов исследования дыхательных шумов. Например, пневмофонография - исследование дыхательных шумов с определением амплитуды и частоты спектра параллельно тяжести бронхолегочного процесса (Kraman S. et al., 1995, Schreur H. et al., 1994), где используется компьютерный спектральный анализ параметров звуков с помощью сенсорных датчиков на трахее и грудной стенке (Gavriely N., 1995). Туссофонобарография - анализ звука кашлевого толчка (Провоторов В.М. и др. 2003), трахеофонография - анализ шума над трахеей, возникающий при выполнении маневра форсированного выдоха (Pasterkamp H. et al., 1996, Aeries J. et al., 2000). В Европе осуществляется проект исследований по стандартизации компьютерного анализа легочных звуков (CORSA - Computerized Respiratory Sound Analysis). Чилийскими учеными (Sanchez J., Vizcaya С. 2003) получены спектры паттернов трахеальных и легочных звуков, которые, по мнению авторов, позволят сравнивать нормальные паттерны с паттернами больных рестриктивными и обструктивными заболеваниями. Cavriely N., Nissan M. и др. (1995) произвели запись звуков дыхания у 353 здоровых субъектов с поверхности грудной клетки для сравнения с патологическими звуками при различных заболеваниях.

Критика аналогов

1. Большинство исследований ведется в диапазоне 1-2 кГц, что необоснованно, на наш взгляд, сужает диапазон частот, используемых для акустического анализа. Предложена следующая классификация частотного диапазона дыхательных звуков: низкие - до 100 Гц, средние - 200-600 Гц, высокие 600-1200 Гц. При этом отмечено, что в низком звуковом диапазоне шумы сердца наслаиваются и поэтому этот спектр диапазона должен быть отфильтрован для оценки легочных звуков (Pasterkamp H., Gavriely N.).

2. Используемая аппаратура (например, контактные акселерометры) отличается дороговизной и хрупкостью. Кроме того, они дают внутренний резонанс в диапазоне, близком к частотам легочных звуков (Pasterkamp H.).

3. В ряде работ паттерны трахеальных и легочных звуков получены при обследовании небольших групп пациентов (17 человек в работе чилийских ученых) либо производилась однократная запись звуков дыхания с поверхности грудной клетки (Gavriely N. и др.). При этом «шум» работающего сердца, различная толщина грудной стенки у различных пациентов существенно влияют, по мнению самих авторов, на результаты исследований.

4. Отсутствует количественная оценка акустических феноменов. Результаты исследований носят описательный характер.

Прототип изобретения

Анализ временных и частотных характеристик спектра дыхательных шумов, возникающих при изменении диаметра воздухоносных путей (ВП), и лег в основу метода бронхофонографии (БФГ). Метод основан на регистрации (сканировании) респираторного цикла с целью обнаружения специфических акустических признаков изменений в дыхательных путях. Метод был разработан для использования его при диагностике легочных заболеваний (Малышев B.C. и соавт. Способ регистрации дыхательных шумов, обусловленных бронхолегочной патологией у детей. Патент РФ №5062396, А61В 5/08. Опуб. 27.06.95. Бюл. N 18) - прототип.

Параметры, оцениваемые с помощью БФГ:

1. Длительность вдоха и выдоха.

2. Длительность респираторного цикла.

3. Мгновенный спектр процесса дыхания с интеграцией в трех частотных диапазонах (0,2-12,6 кГц, 1,2-5,0 кГц, 5,0-12,6 кГц).

4. Акустический эквивалент работы дыхания (АРД), являющийся итоговой интегральной характеристикой, представляющей собой количественную оценку энергетических затрат бронхолегочной системы на возбуждение специфического акустического феномена в течение всего респираторного цикла или отдельной его фазы, рассчитывается как площадь под кривой на БФГ во временной области, единица измерения - миллиджоуль (мДж).

Компьютерно-диагностический комплекс (КДК) «Паттерн» состоит из датчика и аналого-цифрового преобразователя (встраиваемая плата для персонального компьютера).

Принцип работы «Паттерна» основан на фиксировании и последующей оценке амплитудно-частотных характеристик дыхательных шумов и позволяет визуализировать и объективно оценивать звуковые характеристики дыхания, часто не выявляемые при физикальном обследовании.

Датчик, снабженный специальным загубником, помещается в ротовую полость пациента (носовое дыхание перекрывается с помощью зажима), чувствительный элемент датчика направлен в сторону гортани. Процедура записи дыхательных шумов производится в положении сидя при спокойном дыхании в течение короткого промежутка времени 5-7 секунд трехкратно. Непосредственная регистрация дыхательных шумов осуществляется с помощью датчика, обладающего высокой чувствительностью в широкой полосе воспринимающих частот (включая те частоты, которые не фиксируются при выслушивании традиционным фонендоскопом) 0,2-12,6 кГц. В аппаратную часть комплекса входит набор специальных фильтров, предназначенных для формирования частотного спектра, который содержит информацию о специфических акустических феноменах, возникающих во время респираторного цикла. С целью исключения маскирующего влияния кардиальных шумов, обусловленных работой сердца, применяются специальные отсекающие низкочастотные фильтры и сканирование респираторного цикла производится в частотном диапазоне от 200 до 12600 Гц. Результаты компьютерной обработки данных сканирования отображаются на экране компьютера в виде множества эквидистантных мгновенных спектров, образующих трехмерную «поверхность состояний», которая отображает специфические акустические феномены. Полученное таким образом графическое изображение бронхофонограммы получило название «паттерн дыхания» (ПД) (Малышев B.C. «Научный метод обработки информации при акустической диагностике влияния производственной среды на здоровье человека». Автореф. дисс.… д-ра биол. наук. - Тула, 2002).

Для акустического контроля дыхания пациента в конфигурацию включен канал индивидуального сканирования (через наушники врач может слышать дыхание пациента и сравнивать с результатами компьютерной обработки). В состав диагностического комплекса наряду с аппаратной частью, предназначенной для регистрации специфического акустического эффекта, возникающего при прохождении воздушного потока по ВП, входит пакет прикладных программ:

- Pattern - обработка и визуализация результатов регистрации специфических акустических сигналов;

- Pattern Analyzer - обработка данных для расчета количественных показателей, характеризующих респираторный цикл: АРД - акустический эквивалент работы дыхательных мышц в различных частотных диапазонах (АРД0 - 0,2-1,2 кГц - «нулевой» или базовый диапазон, АРД1 - 1,2-12,6 кГц - общий диапазон, АРД2 - 5,0-12,6 кГц - высокочастотный диапазон, АРД3 - 1,2-5,0 кГц - низкочастотный диапазон), выраженный в мДж. К - коэффициент, отражающий те же параметры в относительных единицах: К1=АРД1/АРД0×100 - отражает весь спектр частот, К2=АРД2/АРД0×100 - высокочастотный диапазон, К3=АРД3/АРД0×100 - низкочастотный диапазон.

Комитетом по новой медицинской технике МЗ РФ (протокол №4 заседания комиссии по аппаратам, приборам и инструментам от 28.04.2000 г.) компьютерный диагностический комплекс рекомендован к постановке на производство и применению в медицинской практике.

Критика прототипа

1. Исследования проводились среди детей от 2 до 14 лет.

2. Отсутствуют образцы дыхания («усредненные» паттерны) здоровых и больных различными заболеваниями легких.

3. Разработанная модель для проведения дифференциальной диагностики и отнесения паттерна дыхания к конкретной нозологической форме бронхолегочного заболевания построена на основе критерия близости центроидов в форме обобщенной меры расстояния.

Цель изобретения: создание способа акустического анализа обструктивных заболеваний легких. Поставленная цель реализуется путем формирования образцов дыхания здоровых лиц и больных обструктивными заболеваниями легких для проведения сравнительного акустически-спектрального анализа дыхательных звуков.

Сущность изобретения

Сущность изобретения заключается в следующем.

Разработанный способ акустического анализа обструктивных заболеваний легких основан на формировании образцов (паттернов) дыхания здоровых лиц и больных обструктивными заболеваниями легких для проведения сравнительного акустически-спектрального анализа дыхательных звуков. Термин «паттерн» упоминается нами для удобства проведения сравнительного анализа с прототипом. В прототипе используют термин «паттерн». В предлагаемом изобретении мы используем термин «образец». Разработанные образцы сравниваются с индивидуальными акустическими образцами пациентов, или паттернами, как их могут называть в медицинской специальной литературе.

Образцы индивидуальных акустических дыхательных звуков (так называемый акустический портрет дыхания) формировали следующим образом.

Нами обследовано 108 здоровых лиц (50 мужчин и 58 женщин без жалоб со стороны органов дыхания, имевших нормальные показатели функции внешнего дыхания), 166 больных (85 мужчин и 81 женщина) хроническими обструктивными заболеваниями легких (ХОЗЛ): из них 91 больной бронхиальной астмой (БА), 62 - хроническим обструктивным бронхитом (ХОБЛ) и 13 больных с сочетанием симптомов этих заболеваний. У всех больных отмечались нарушения функции внешнего дыхания по обструктивному типу. Проведена бронхофонография на компьютерно-диагностическом комплексе «Паттерн» (запись дыхательных звуков в режиме спокойного и форсированного дыхания и последующая математическая обработка, основанная на аппарате быстрого преобразования Фурье с получением в результате этого количественной оценки акустической работы дыхания). Проанализировано более 1000 бронхофонограмм спокойного и форсированного дыхания.

Оценивались следующие параметры:

- АРД в различных частотных диапазонах (АРД0 - 200-1200 Гц - «нулевой» или базовый диапазон, АРД1 - 1200-12600 Гц общий, АРД2 - 5000-12600 Гц - высокочастотный, АРД3 - 1200-3000 Гц - низкочастотный диапазоны соответственно, выраженные в миллиджоулях),

- К - коэффициент, отражающий эти же параметры в относительных единицах (К1=АРД1/АРД0×100 отражает весь спектр частот, К2=АРД2/АРД0×100 - высокочастотный диапазон, К3=АРД3/АРД0×100 - низкочастотный диапазон),

- ΔК - прирост показателей коэффициентов К (определялся как К форс - К спок/К спок × 100),

- ИПК - индекс прироста К, т.е. отношение ΔК2/ΔК1.

При статистической обработке материала применяли непараметрические критерии, так как распределение показателей АРД и К отличалось от нормального. Для характеристик вариации вычисляли медиану (Me), ее доверительные границы (25 и 75 процентили). Статистическую значимость различия между показателями БФГ в сравниваемых группах оценивали по критериям Манна-Уитни (М-У).

Полученные результаты отражены в таблицах 1, 2.

Как мы видим (таблица 1), показатели АРД1, АРД3, К1, К3 (т.е. по всему спектру в целом и его низкочастотной части) у здоровых лиц и больных ХОЗЛ существенно (р<0,05) отличаются в режиме спокойного дыхания. В режиме форсированного выдоха эти различия еще более выражены и отмечаются уже по всем диапазонам АРД и К. Это не противоречит и клинической практике (вспомним, как при скудных аускультативных данных мы просим больного дышать глубоко и форсированно и часто выслушиваем хрипы там, где их не было при спокойном дыхании).

ΔК (таблица 2) здоровых лиц во всех диапазонах практически одинаков и превышает 400% (по медиане), а у больных ХОЗЛ в высокочастотном диапазоне (К2) отмечается значительный прирост, сопоставимый с показателями здоровых лиц. Но в низкочастотном диапазоне и по всему спектру показатели значительно ниже (164,9% и 185,9% по медиане соответственно), то есть имеет место т.н. «срыв турбулентности». Это позволяет ввести т.н. «индекс прироста» К (ИПК), т.е. отношение ΔК2/ΔК1, который достоверно отличается в исследуемых группах (см. табл.2): доверительный интервал в границах 25 и 75 процентили составил в группе здоровых лиц 0,35-1,76 (Me=0,86). У больных ХОЗЛ 1,16-5,04 (Me=2,58). To есть показатель ИПК менее 2, с высокой степенью достоверности, может указывать на отсутствие обструктивных нарушений функции внешнего дыхания. Точность диагноза повышается при комплексном учете показателей АРД и К. Суммируя все вышеизложенное, мы предлагаем следующий алгоритм диагностики обструктивных заболеваний легких:

1. Показатели АРД1 и АРД3 более 100 мДж (в режиме спокойного дыхания). При возможности выполнения форсированного выдоха в качестве дополнительных критериев можно применить эти же показатели (более 900 мДж).

2. Показатели К1, К3 более 15 при спокойном дыхании и дополнительный критерий более 50 при форсированном.

3. ΔК1 и ΔК3 менее 200%.

4. ИПК 2 и более.

Таким образом, на основе вышеизложенного предлагается новый метод диагностики обструктивных заболеваний легких, основанный на сравнительном анализе образцов (паттернов) дыхания (акустически-спектральный анализ легочных звуков) по разработанным критериям: АРД, К, ΔК, ИПК.

Пример конкретного выполнения способа

1. Больная О (История болезни №218). Поступила с жалобами на одышку, кашель, иногда «свисты» в грудной клетке по ночам. В 2003 году лечилась стационарно с диагнозом «хронический обструктивный бронхит». В январе 2006 г. после простуды поднялась температура до 39 градусов, сильный кашель. Амбулаторно лечилась антибиотиками по поводу обострения ХОБ, направлена на стационарное обследование с этим же диагнозом. При обследовании: в крови лейкоцитов

- 5,0×10⁹/л, СОЭ - 10 мм/час, абсолютное количество эозинофилов крови - 0,250×10⁹/л, мокрота слизистая, белая, L - единичные в поле зрения, ВК(-), рентгеноскопия грудной клетки - очагово-инфильтративных изменений не выявлено. Сосудистый рисунок усилен. Консультация ЛОР - аллергический риносинусит. ФВД - ЖЕЛ 2,92 л (99,26% от должной), ФЖЕЛ 2,85 л (102,08%), ОФВ1 - 1,82 л (76,43%), ОФВ1/ФЖЕЛ 63,76% (74,9%). После пробы с сальбутамолом отмечается прирост ОФВ1 на 25%. Заключение ФВД: бронхиальная обструкция умеренно выражена. Положительная проба с сальбутамолом. Больной выставлен предварительный диагноз: Бронхиальная астма, впервые выявленная. Кашлевой вариант течения? Анамнестических и объективных данных за ХОБ не выявлено. Больной проведена БФГ. Получены следующие показатели: АРД1 - 46,6/685,1 мДж, АРД2 - 3,7/58,2 мДж, АРД3 - 42,9/626,9 мДж, K1 - 6,45/30,26 (ΔK1 - 369%), K2 - 0,52/2,57 (ΔК2 - 394,2%), К3 - 5,93/27,69 (ΔК3 - 367%). ИПК=1,1.

Т.о., показатели БФГ не соответствовали данным группы больных ХОЗЛ, что соотносилось с минимальными изменениями показателей ФВД данной больной, аускультативной симптоматикой (везикулярное дыхание, единичные сухие хрипы). Эти данные также не подтверждали диагноз направившего учреждения (ХОБ) и отличались от показателей, характерных для клинически выраженной БА (не исключая, возможно, легкую степень БА).

2. Больной И. (История болезни №199). Клинический диагноз - БА тяжелой степени, фаза обострения. В легких при аускультации множество рассеянных сухих свистящих хрипов, преимущественно на выдохе. Данные обследования: общий анализ крови L - 4,9×10⁹/л, СОЭ - 11 мм/час, эоз. - 3% (абсолютное количество - 0,149×10⁹/л), флюорография грудной клетки - усиление корневого рисунка, очагово-инфильтративных изменений не выявлено. ФВД: ЖЕЛ 3,2 л (64,7% от должной), ФЖЕЛ 2,88 л (60,2%), ОФВ1 - 1,59 л (40,53%), ОФВ1/ФЖЕЛ 55,23% (67,33%). После пробы с беротеком отмечается прирост ОФВ1 на 66,7%. Заключение ФВД: Значительное снижение вентиляционной способности легких вследствие вентиляционных нарушений обструктивно-рестриктивного типа. Бронхиальная обструкция резко выражена. Положительная проба с беротеком.

Больному проведена БФГ. Получены следующие показатели: АРД1 - 133,5/1328,8 мДж, АРД2 - 9,2/172 мДж, АРД3 - 124,3/1156,7 мДж, K1 - 17,47/53,66 (ΔK1 - 207,2%), K2 - 1,2/6,95 (ΔK2 - 479,2%), К3 - 16,27/46,71 (ΔК3 - 187,1%). ИПК=2,3.

Таким образом, показатели БФГ свидетельствовали об обструктивной патологии легких.

Признаки изобретения, отличительные от прототипа

1. Исследования проводились среди взрослого населения (от 18 лет и старше).

2. Созданы образцы дыхания («акустические портреты») здоровых лиц и больных обструктивными заболеваниями легких (БА, ХОБЛ).

3. Разработан алгоритм для проведения диагностики обструктивных заболеваний легких на основе сравнительного анализа образцов обследуемого и созданных образцов по разработанным критериям: АРД, К, ΔК, ИПК.

Положительный эффект изобретения

Полученные результаты позволяют надеяться, что объективная характеристика дыхательных звуков улучшит понимание патологических процессов в легких. Компьютерный анализ легочных звуков поможет практическим врачам в диагностике заболеваний легких. Формирование образцов дыхания здоровых лиц и больных обструктивными заболеваниями легких позволяет проводить сравнительный акустический спектральный анализ дыхательных звуков. Анализ респираторных звуков, используемый как критерий эффективности проводимой терапии, повышает качество лечения.

Источники информации

1. Kraman SS., Wodicka GR, Oh Y et al. Measurement of respiratory acoustic signals. Effect of microphone air cavity width, shape and venting Chest 1995; 108; 1004-1008.

2. Schreur HJ., Vanderchoot J., Zwinderman AN et al. Abnormal lung sounds in patient with asthma during episodes with normal lung function. 1994; Chest 106, 91-99.

3. Gavriely N., Nissan M., Rubin AE et al. Spectral characteristics of chest wall breath sounds in normal subjects. Thorax 1995; 50: 1292-1300.

4. Провоторов В.М., Семенкова Г.Г. Исследование бронхиальной обструкции при бронхиальной астме с помощью туссофонобарографии. В кн. 13 Национальный конгресс по болезням органов дыхания, СПб., 2003, с.307.

5. Pasterkamp H., Powell, RE, Sanchez I. Lung sounds spectra at standardized air flow in normal infants, children and adults. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 1996; 154: (2, p1): 424-430.

6. Aeries JE., Cheethman BM. Current methods used for computerized respiratory sound analysis. Eur. Respir. Rev. 2000; 10(77):586-590.

7. Sanchez J., Vizcaya C. Tracheal and lung sounds repeatability in normal adults. Resp. Med. 2003; 97: 1257-1260.

8. Патент РФ №5062396. Способ регистрации дыхательных шумов. /Малышев B.C., Ардашникова С.Н., Каганов С.Ю. и др. Бюл. изобрет. 1995; №18 - прототип.

9. Малышев B.C. Научный метод обработки информации при акустической диагностике влияния производственной среды на здоровье человека: Автореф. дисс. … д-ра биол. наук. - Тула, 2002. - 45 с.

Таблица 1
Показатели акустической работы дыхания (мДж)Спокойное дыхание
Показатели	АРД0	АРД1	АРД2	АРД3	К1	К2	К3
Зд	Об	Зд	Об	Зд	Об	Зд	Об	Зд	Об	Зд	Об	Зд	Об
n	108	166	108	166	108	166	108	166	108	166	108	166	108	166
Me	676,1	594,01	45,77	95,48	4,69	3,7	38,73	89,47	7,17	15,73	0,61	0,56	6,43	15,1
25 процентили	247,68	305,27	18,88	37,52	2,01	1,44	16,43	33,90	5,00	9,56	0,43	0,40	4,35	8,54
75 процентили	1221,8	1327,5	117,0	218,6	8,6	11,6	110,3	209,5	11,3	25,4	1,00	1,10	10,3	23,3
Крит М-У	0,384	0,000	0,855	0,000	0,000	0,429	0,000
* Крит М-У - статистическая значимость различия между показателями БФГ в сравниваемых группах по критериям Манна-Уитни
Форсированное дыхание
Показатели	АРД0	АРД1	АРД2	АРД3	К1	К2	К3
Зд	Об	Зд	Об	Зд	Об	Зд	Об	Зд	Об	Зд	Об	Зд	Об
n	108	154	108	154	108	154	108	154	108	154	108	154	108	154
Me	1626,6	1789,9	706,4	874,6	53,7	78,5	641,7	793,5	42,1	49,8	3,59	4,30	38,9	46,9
25 процентили	1223,66	1391,9	456,7	631,3	31,0	47,3	418,9	563,6	29,6	32,0	2,01	2,78	26,9	29,8
75 процентили	1865,7	2246,0	956,0	1247	97,0	130	860,7	1100	56,7	68,7	5,27	6,80	52,2	63,7
Крит М-У	0,001	0,000	0,001	0,000	0,018	0,017	0,021
• - количество больных меньше, чем при спокойном дыхании (см. табл.1), т.к. не все больные могли выполнять форсированный маневр

Таблица 2
Прирост показателей «работы дыхания» при выполнении форсированного выдоха (в %) и определение ИПК
Показатели	ΔК1	ΔК2	ΔК3	ИПК
Зд	Об	Зд	Об	Зд	Об	Зд	Об
n	108	154	108	154	108	155	108	154
Me	406,84	185,9	411,46	515,67	430,01	164,9	0,86	2,58
25 процентили	227,14	73,42	147,57	241,08	239,18	64,36	0,35	1,16
75 процентили	830,9	432,0	825,57	1033,8	853,29	401,6	1,76	5,04
Крит М-У	0,000	0,017	0,021	0,000

1. Способ диагностики обструктивных нарушений функций внешнего дыхания путем проведения бронхофонографии и регистрации респираторного цикла, отличающийся тем, что оценивают следующие параметры: акустический эквивалент работы дыхательных мышц (АРД) в различных частотных диапазонах: АРД0 - 200-1200 Гц, АРД1 - 1200-12600 Гц, АРД2 - 5000-12600 Гц, АРД3 - 1200-5000 Гц; вычисляют коэффициенты К1, К2, К3: К1=АРД1/АРД0×100, К2=АРД2/АРД0×100, К3=АРД3/АРД0×100; ΔК, соответствующий приросту показателей коэффициентов К, а именно ΔК=К форсированного выдоха - К спокойного дыхания/К спокойного дыхания × 100; индекс прироста коэффициента (ИПК)=ΔК2/ΔК3 и при значениях в режиме спокойного дыхания: АРД1 и АРД3 более 100 мДж; К1 и К3 более 15; ΔК1 и ΔК3 менее 200% и ИПК 2 и более диагностируют обструктивные нарушения функций внешнего дыхания.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно определяют показатели АРД1 и АРД3, К1 и К3 при форсированном выдохе и при значении АРД1 и АРД3 более 900 мДж.; К1 и К3 более 50 диагностируются обструктивные нарушения функций внешнего дыхания.