АКУСТИЧЕСКАЯ ИНТРАСКОПИЯ ЛЕГКИХ НА ОСНОВЕ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ПЕРКУТОРНЫХ
ЗВУКОВ
Э.М. Батищев***, И.А. Бойко***,
В.И. Коренбаум*, А.Е. Костив*,
Ю.В. Кулаков***,
Д.Н. Мокеев**, И.А. Почекутова*, А.А. Тагильцев**
Введение. Перкуссия - традиционный диагностический метод
выявления локальных патологий легких со времен Р. Лаэнека
[1]. Перкуссия легких пока не поддается объективизации, т.е. замене
аппаратурными акустическими методами обследования [2-5], что препятствует ее
использованию в современной медицине. Это связано с недостаточной изученностью
акустических свойств грудной клетки человека и закономерностей распространения
в ней естественных и искусственных звуков [6-8].
В работе [9] предложена 2-резонансная
модель дыхательной системы человека как акустического тракта, сочетающая в себе
резонанс т.н. акустического резонансного контура (АРК) [10], образованного
упругостью объема воздуха в респираторных отделах легкого - ацинусах
и массой стенки грудной клетки, а также 1/4-волновой резонанс бронхиального
дерева как узкой акустической трубы [11]. Экспериментально показано, что в
акустическом отклике на перкуторный удар по стенке
грудной клетки присутствуют спектральные максимумы: A1 - с частотой f1
в диапазоне 100-150 Гц, A2 - с частотой f2 в диапазоне 200-250
Гц. Эти частоты [9] характерны именно для указанных резонансных механизмов. На
основании физиологической / патофизиологической интерпретации акустических
резонансов и экспериментально наблюдавшихся индивидуальных различий отношения A2/A1,
видимо, последнее может характеризовать локальное состояние легких, связанное
со снижением/увеличением пневматизации легочной
ткани. Цель данной работы - проверка этой гипотезы на клинической модели
очаговой пневмонии.
Материалы и методы. Для
опыта были отобраны 7 пациентов (мужчины в возрасте 26-48 лет) с
рентгенологически подтвержденной пневмонией (5 человек - с односторонней, 2 -
двусторонней) и 17 здоровых добровольцев (мужчины в возрасте 19-24 г.), давших
информированное согласие на обследование.
Перкуссия выполнялась
врачом (Э.М.Б.) ударом концевой фаланги среднего пальца правой кисти по средней
фаланге лежащего в межреберье среднего пальца левой
кисти. Удар повторялся трижды. Перкуссия велась в одних и тех же условиях в
стандартных точках по всем топографическим линиям грудной клетки справа и
слева. Пациентов, находившихся при этом в положении стоя, просили поверхностно
дышать через открытый рот. Акустический датчик в виде электретного микрофона
(диаметр 7 мм) со стетоскопической насадкой (сферическая камера с Æ основания 18 мм, высотой 6 мм) удерживался врачом
на стенке грудной клетки вблизи от точки перкуторного
удара концевыми фалангами среднего и указательного пальцев левой кисти.
Рис. 1. Временная диаграмма
отклика акустического датчика на три
последовательных перкуторных удара.
Акустический датчик
подключался непосредственно к микрофонному входу звуковой карты персонального
компьютера. Отклик микрофона в каждой точке обследования оцифровывался с
частотой дискретизации 6 кГц и записывался (рис.1) в виде цифровых файлов
стандартного формата *.wav. Дальнейшая обработка выполнялась в пакете программ SpectraLab (Sound Tech. Inc.) и включала в себя
спектральный анализ методом БПФ (амплитудный спектр, масштаб логарифмический, подвыборки длиной 1024 временных отсчета, перекрытие 95%,
окно Хэннинга). Для всех файлов сначала
анализировался каждый из трех ударов, а их спектры накладывались друг на друга.
При этом визуально определялись частотные области совпадения спектральных
максимумов в диапазонах, характерных для f1 и f2.
Те файлы, где такого совпадения не наблюдалось, отбраковывали, как имеющие
повышенную вариабельность (всего было отбраковано до 20% файлов). Для
оставшихся спектральный анализ повторяли по выборке, включавшей все 3 удара.
Курсором (рис. 2, 3) измерялись значения f1, f2 (Гц) и A1, A2 (дБ), считалась
разность A2-A1 (дБ), соответствующая
отношению амплитуд 2-го и 1-го резонансов, выраженных в линейном масштабе [9].
Рис. 2. Типичный спектр 3 перкуторных ударов у здорового
(маркировано положение анализируемых спектральных максимумов): f1 = 123.16 Гц;
A1 = -
26.3 дБ; f2 = 221.86 Гц; A2 = - 34.63 дБ; A2 - A1 = - 8.33 дБ.
Рис. 3. Типичный спектр трех перкуторных ударов у
больного в зоне пневмонии (маркировано положение анализируемых спектральных
максимумов): f1 = 139.24 Гц; A1 = - 38.22 дБ; f2 = 228.52 Гц;
A2 = - 34.8 дБ; A2 - A1 = + 3.42 дБ.
При статанализе
(Statistica 5,0) акустических
параметров определяли нормальность распределения выборок по W-критерию Шапиро - Уилка. Т.к. распределение было отлично от нормального,
выборки характеризовались медианой (Me) и 5%, 95% персентилями
(Q5; Q95), а для оценки достоверности
различий применялся U-тест Манна - Уитни.
Полученный в каждой точке обследования параметр A2-A1
(дБ) отображался на карте проекций легких (рис.4, 5), выполненной по аналогии с
[12].
Результаты. Статистический анализ частот спектральных максимумов
f1, f2 (Гц) и разности их
амплитуд A2-A1 (дБ) в группе здоровых
не выявил достоверной разницы между величинами этих параметров над верхними и
нижними отделами легких, различными вертикальными топографическими линиями
одного легкого, а также над правым и левым легкими. Поэтому в табл. приведена
статистика этих параметров, полученная по всей выборке обследованных точек у
здоровых. Соотношение между медианами частот f2 и f1
очень близко к 2. Это может говорить как о нелинейности возбуждающего сигнала
(вторая гармоника), так и о наличии двух мод одного фундаментального резонанса
самой респираторной системы как акустического тракта.
Таблица
Медиана (Me), персентили
(Q5; Q95) частот и разности
амплитуд спектральных максимумов в группе здоровых
|
Параметры |
Me |
Q5 |
Q95 |
|
f1, Гц |
129 |
120 |
140 |
|
f2, Гц |
258 |
240 |
281 |
|
А2-А1, дБ |
- 5 |
1 |
- 13 |
У больных (в точках
предположительной патологии) наблюдалось значительное изменение соотношения исследуемых
спектральных максимумов (рис. 3). В качестве диагностических порогов для
характеризующей соотношение анализируемых амплитуд величины A2-A1 (дБ) использовались персентили Q5, Q95 (p<0.05), полученные в
группе здоровых. На картах проекций легких больных (рис. 4, 5) результаты
обследования в каждой точке отображены в кодировке тональностей серого цвета:
серому соответствовало условие (A2-A1) принадлежности
интервалу (Q5; Q95), белому - (A2-A1)<Q95; черному - (A2-A1)>Q5. В соответствии с
модельной интерпретацией [9] черному цвету соответствует относительное
ослабление резонанса АРК либо усиление 1/4-волнового резонанса бронхиального
дерева, что может быть признаком снижения пневматизации
легких. Напротив, белому цвету соответствует относительное усиление резонанса
АРК либо ослабление 1/4-волнового резонанса бронхиального дерева, что может
быть расценено как усиление пневматизации легких.
Серый цвет определяет пределы вариации нормы.
Рис. 4. Карта объективной
перкуссии больного Ш. (правосторонняя тотальная пневмония в верхней и нижней
долях):
1 - окологрудинная линия, 2 - среднеключичная
линия, 3 - переднеподмышечная линия, 4 - подмышечная
линия, 5 - заднеподмышечная линия,
6 - лопаточная линия, 7 - околопозвоночная линия
Рис. 5. Карта объективной
перкуссии больного Ч. (правосторонняя нижнедолевая пневмония, хронический
катаральный бронхит). Обозначение те же, что и на рис.4.
На приведенных картах
объективной перкуссии (рис.4, 5) представлены пациенты с правосторонней
пневмонией. Области легких, окрашенные на картах черным цветом, примерно
соответствуют локализации пневмоний, определенной по результатам ренгенологического обследования. Обозначенное черным цветом
снижение пневматизации, несомненно, может быть
связано с типичной для пневмонии консолидацией легочных тканей. Белый цвет
встречается гораздо реже (рис. 5) и может быть согласно акустическим
представлениям [9] признаком адаптивной гипервентиляции незатронутых пневмонией
областей легкого.
Точки обследования с
отклонениями от нормы у больных (например, рис. 4, 5) сгруппированы в скопления
в количестве не менее 3 рядом лежащих точек. У здоровых точки с отклонениями от
нормы также встречаются, но гораздо реже (4.5% точек от всей выборки), чем у
больных, и расположены они всегда разрозненно (не более 2 рядом лежащих точек).
Если использовать в качестве диагностического критерия очага пневмонии условие
о не менее чем 3 рядом лежащих точках с отклонениями от нормы [12], то у
здоровых нами не выявлено ни одного очага (специфичность 100%), тогда как среди
больных из 9 очагов выявляется 8 (соответствует чувствительности 88.9%). Столь
высокие операционные характеристики говорят о перспективности предлагаемого
метода акустической интраскопии легких для
медицинской диагностики. Диагностическая ценность предложенного метода могла бы
быть еще более увеличена за счет повышения стабильности самого перкуторного удара (уменьшение количества отбракованных
точек) и при выполнении его не пальцами, а специальным электромеханическим
приспособлением.
Заметим, что выявление
областей с патологическими отклонениями при анализе соотношения амплитуд
спектральных максимумов f1, f2 (с удвоенными
частотами) свидетельствует скорее в пользу существования в респираторном тракте
не двух отдельных резонансов, а двух мод одного фундаментального резонанса
(связанная колебательная система [9]) и, видимо, исключает вероятность
объяснения вышеуказанного удвоения частот нелинейностью самого удара как
источника звука.
Выводы. Предложенный метод акустической интраскопии
легких на основе спектрального анализа перкуторных
звуков позволяет выявлять зоны со сниженной пневматизацией
с чувствительностью 88.9% и специфичностью 100%. Полученные экспериментальные
результаты свидетельствуют в пользу адекватности акустических модельных представлений
[9].
Литература
1. Болезни органов дыхания: Руководство для врачей: в 4 т. / Под
ред. Н.Р. Палеева.- Т.1.- Общая пульмонология / Н.И.
Александрова и др.; под ред. Н.В. Путова.- М.:
Медицина, 1989.- C.
9-256.
2. Ishikawa S. et al.
Auscultatory percussion of emphysema // ILSA Proceedings 1984;
3.
Bohadana A.B. et al. // Respiration.-
1986.- Vol.50.- P. 218-225.
4.
Bohadana A.B. et al. // Lung.- 1989.- Vol.167.- P. 359-372.
5. Свет В.Д. и др. Локафония
- новый акустический метод быстрой медицинской функциональной диагностики // Сб. трудов ХI сессии Рос. акуст.
общ-ва.- Т3.- М.: ГЕОС, 2001.- С. 154-157.
6.
Yernault J.C., Bohadana
A.B. // Eur. Respir. J.-
1995.- Vol. 8.- P. 1756-1760.
7. Вовк И.В. и др. // Акуст. журн.- 1995.- Т. 41, N5.-
С. 758-768.
8. Pasterkamp H.
et al. pes // Am. J. Respir. Crit. Care Med.- 1997.- Vol.
156.- P. 974-987.
9. Коренбаум В.И. Защита
акустических устройств от ближних полей собственных помех: Дис-.
д-ра техн. наук.- Владивосток, 1999.- 356 с.
10. Немеровский Л.И. Пульмофонография.- М.: Медицина, 1981.- С.29-73.
11. Wodicka G. et al. // IEEE Trans. Biomed.
12. Коренбаум В.И. и др. // ВНМТ.- 1997.- Т. 4, N 3.- С.79-81.
Acoustic Introscopy of Lungs on the Base of
Spectral AnalYsis of Percussion Notes
E.M. Batishchev, I.A.Boyko, V.I. Korenbaum, A.E.
Kostiv,Yu.V.Kulakov, D.N. Mokeev, I.A. Pochekutova, A.A. Tagiltsev
Summary
The hypothesis on an opportunity to
estimate local reducing/rising of pulmonary tissue pneumatization
by means of analysis a relation of resonance peaks (frequency ranges 100-150
and 200-250 Hz) in the spectrum of acoustic response to percussion (near
sensor) is tested in a clinical model of pneumonia. 7 patients with pneumonia
being radiographically confirmed and 17 healthy
volunteers were inspected. The percussion was made in standard points of
thorax. Signals were received by electronic microphone (with stethoscopic head), connected to PC sound card. Signal
processing included spectral analysis (FFT, 1024-point time samples) and
evaluation of the parameter - difference of logarithms of the 2-nd and the 1-st resonances
amplitudes. The parameter' s percentiles Q5, Q95 (p <
0.05) were calculated in healthy group. Values of the parameter were mapped on
patients' lung projections chart. The sensitivity of revealing of pathological
areas (not less than 3 near laying points with a diversion of the parameter
more than Q5), and interpreted acoustically as reduced pneumatization, has made 88.9% with 100% specificity.
Key words: of pulmonary tissue, percussion,
resonances amplitudes
|
|
Тагильцев Александр Анатольевич - снс
лаборатории гидроакустики Института физики и информационных технологий
Дальневосточного государственного университета. Автор более 40 научных
публикаций.
|
|
Кулаков Юрий Вячеславович - доктор медицинских
наук, профессор, проректор по научной работе Владивостокского государственного медуниверситета. Кандидатскую диссертацию защитил в 1985г.,
докторскую - в 1996 г. Автор более 70 трудов
|
|
Батищев Эдуард Михайлович - аспирант кафедры
внутренних болезней N3 ВГМУ. Автор 3 научных публикаций.
|
|
Бойко Ирина Александровна - ассистент кафедры
внутренних болезней N3 ВГМУ. Автор 5 научных публикаций.
|
|
Мокеев Денис Николаевич - студент-дипломник
кафедры гидрофизики Института физики и информационных технологий
Дальневосточного государственного университета. Окончил университет в 2002 г.
|
|
Почекутова Ирина Александровна - кандидат медицинских
наук, старший научный сотрудник Тихоокеанского океанологического института им.
В.И. Ильичева Дальневосточного отделения РАН. Врач высшей категории.
Кандидатскую диссертацию защитила в 2001 г. Автор 23 научных публикаций.
|
|
Костив Анатолий Евгеньевич - ведущий инженер
Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичева Дальневосточного
отделения РАН. Автор 2 научных публикаций.