Исследование распространения звука в дыхательной системе человека при просветном зондировании сложными сигналами Ширяев Антон Дмитриевич

Содержание к диссертации

Введение

1. Состояние вопроса и постановка задачи 10

1.1. Проведение дыхательных звуков 10

1.2. Частотные области звукопроведения в легких 18

1.3. Акустическая визуализация легких человека 20

2. Материалы и методы 25

2.1. Аппаратно-программный комплекс для многоканального исследования распространения звуковых колебаний в дыхательной системе человека 25

2.2. Метод сжатия импульса. Зондирующие сигналы 33

2.3. Алгоритмы обработки методом сжатия импульса при зондировании сложными сигналами 38

2.4. Оценка точности измерения временных интервалов методом сжатия импульса 41

2.5. Оценка временных задержек по фазе функции когерентности 48

2.6. Оценки временных набегов по каналам электронного самописца PowerLab 50

2.7. Спектральные характеристики. 53

2.8. Измерения в выборках обследуемых 54

3. Исследование акустических характеристик легких человека с помощью метода сжатия импульса 58

3.1. Оценка времен и скоростей распространения для датчиков расположенных у рта и на трахее 58

3.1.1. Оценка скорости звука в воздушном просвете ротовой полости, глотке и верхней половины трахеи 58

3.1.2. Скорость звука в просвете бронхиального дерева 63

3.2. Оценка времен задержек и скоростей распространения для датчиков, расположенных на грудной клетке. 68

3.2.1. Анализ временных задержек на датчиках, расположенных по поверхности грудной клетки 71

3.2.2. Анализ скоростей и механизмы приходов при зондировании через рот и с поверхности грудной клетки 85

3.2.3. Оценка длины хода по паренхиме лёгкого и просвету дыхательных путей для первого прихода при воздушно-структурном проведении (зондирование через рот) 98

3.3. Основные выводы по главе 3 102

4. Частотные характеристики воздушно-структурного и структурного механизмов проведения . 103

4.1. Частотные характеристики воздушно-структурного и структурного механизмов проведения 103

4.1.1. Модельные оценки 104

4.1.2. Результаты и их обсуждение 107

4.2. Частотные характеристики тракта 113

4.2.1. Анализ частотных характеристик 122

4.2.2. Сравнение диапазонов частот спектральных максимумов при зондировании через рот и с поверхности грудной клетки 1 4.3. Модельные интерпретации механизмов образования спектральных максимумов... 126

4.4. Основные выводы по главе 4 134

5. Исследование проведения высокочастотного звука 136

5.1. Экспериментальные результаты 136

5.2. Анализ полученных скоростей приходов ВЧ сигнала 143

5.3. Основные выводы по главе 5 144

6. Подходы к акустической визуализации легких 145

6.1. Картирование акустических характеристик по поверхности грудной клетки 145

6.2. Подходы к трехмерной акустической визуализации 1 6.2.1. Программные подходы к визуализации 149

6.2.2. Методы акустической визуализации. 150

6.3. Основные выводы по главе 6 153

Заключение 154

Благодарности 155

Список сокращений и условных обозначений 156

• Частотные области звукопроведения в легких
• Оценка точности измерения временных интервалов методом сжатия импульса
• Результаты и их обсуждение
• Анализ полученных скоростей приходов ВЧ сигнала

Введение к работе

Актуальность темы исследования

Простые и безвредные акустические методы являются весьма удобными для обследования легких и, несмотря на бурное развитие рентгенологических, химических, ядерно-магнитно-резонансных, позитронно-эмиссионных и оптических методов диагностики, по мнению специалистов-медиков не утратили своей высокой диагностической ценности. Акустика легких (респираторная акустика) изучена в недостаточной степени. Одной из главных нерешенных проблем является описание распространения (проведения) легочных звуков к различным участкам наружной поверхности тела, где они могут восприниматься акустическими датчиками.

Степень разработанности темы исследования

Анализ работ по распространению звука в лёгких и акустическим методам исследования системы дыхания показывает, что в этой области накоплено много экспериментальных и клинических данных. Существенный вклад в изучение проблемы распространению звука в дыхательном тракте внесли работы авторов Rice D.A., Kraman S.S., Gavriely N., Wodicka G.R., Pasterkamp H., Дьяченко А.И., Коренбаума В.И., Вовка И.В., Гринченко В.Т., Немеровского Л.И. Эти труды содержат богатый материал по экспериментальным исследованиям, описания наблюдаемых акустических явлений и их физические модели, которые в значительной мере составляют фундамент знаний, используемых современными авторами. В последние годы проблеме распространение звука в дыхательном тракте уделено внимание в работах (Коренбаум, В.И. Прохождение сложных звуковых сигналов в дыхательной системе человека в зависимости от скорости звука в используемой газовой смеси / В.И. Коренбаум, А.И. Дьяченко, А.В. Нужденко и др. // Акустический журнал. 2011. Т. 57, № 6. С. 854–861.; Ozer, M.B. Boundary element model for simulating sound propagation and source localization within the lungs / M.B. Ozer, S. Acikgoz, T.J. Royston et al. // The Journal of the Acoustical Society of America. 2007. Vol. 122, №. 1. P. 657–671.; Peng, Y. Sound transmission in the chest under surface excitation: an experimental and computational study with diagnostic applications / Y. Peng, Z. Dai, H.A. Mansy et al. // Medical & biological engineering & computing. 2014. Vol. 52, №. 8. P. 695– 706.; Lulich, S.M. Resonances and wave propagation velocity in subglottal airways / S.M. Lulich, A. Alvan, H. Arsikere et al. // J. Acoust. Soc. Am. 2011. Vol. 130, №4. P.2108–2115.;

Pantea, M.A. A physical approach to the automated classification of clinical percussion sounds / M.A. Pantea, R.Gr. Maev, E.V. Malyarenko // J. Acoust. Soc. Am. 2012. Vol. 131, №.1. P. 608–619.; Rueter, D. Low-frequency ultrasound permeates the human thorax and lung: a novel approach to non-invasive monitoring / D. Rueter, H. P. Hauber, D. Droeman et al. // Ultraschall in Med. 2010. Vol. 31. P.53–62.). При этом стоит отметить фрагментарный характер имеющихся работ, которые, как правило, посвящены изучению одного или нескольких аспектов распространения звука в дыхательном тракте. Вплоть до наших дней нет единой теории описывающей все особенности данного физического процесса.

Kompis M., Charleston-Villalobos S., Murphy R.L., Коренбаум В.И., Bartziokas K., Гринченко В.Т., Goss B.C., Mariappan Y.K., Yasar T.K. с соавторами предпринимали попытки разработки принципов и техники для визуализации акустических свойств дыхательной системы человека в интересах диагностики респираторных заболеваний. Однако разработать подобную технологию с приемлемыми техническими характеристиками пока не удается. Основная причина, затрудняющая решение задачи акустической визуализации легких - это сложность картины распространения звуковых волн в дыхательной системе человека.

Итак, на основе вышеизложенного рассмотрения нынешнего состояния дел в рассматриваемой области, цели и задачи данного исследования можно сформулировать следующим образом.

Цель работы – исследование механизмов распространения звука в дыхательной системе человека с использованием трансмиссионного зондирования сложными сигналами.

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Изучение временных характеристик распространения зондирующего звукового сигнала диапазона частот 80–1000 Гц, вводимого в дыхательную систему человека через рот и с поверхности грудной клетки.

2. Исследование частотных характеристик зондирующих сигналов, прошедших через ткани грудной клетки.

3. Модельные интерпретации полученных экспериментальных результатов.

4. Исследование характеристик «окна прозрачности» дыхательной системы человека в области частот 10–20 кГц.

5. Разработка подходов к акустической визуализации легких.

Основными результатами исследований явились новые знания о распространении звука в дыхательной системе человека, а также разработанные подходы к визуализации ее акустических характеристик. Полученные результаты в перспективе могут послужить основой для уточнения акустических моделей, а также заделом для создания перспективной диагностической акустической аппаратуры.

Научная новизна:

1. При зондировании через рот и из надключичной области грудной клетки фазоманипулированным сигналом с полосой частот 80–1000 Гц выявлено 3–4 прихода звуковых волн к поверхности грудной клетки, различающихся скоростями.

2. На расширенной выборке подтверждена гипотеза одновременного существования воздушно-структурного и структурного механизмов проведения звука при зондировании через рот, предложенная ранее (Коренбаум В.И. и др., 2011).

3. Экспериментально установлено, что скорость звука в глотке и в верхней части трахеи in vivo при зондировании фазоманипулированным сигналом с полосой частот 80–1000 Гц, составляет 272 ± 57 м/с для мужчин. Экспериментально установлено наличие отражения зондирующего сигнала от высших генераций бронхиального дерева. Согласно выполненным оценкам средняя скорость звуковой волны, распространяющейся в просвете бронхиального дерева (воздушно-структурный механизм), не превышает 150– 200 м/с, что соответсвует отражению от 11–17 генерации бронхиального дерева. Таким образом, скорость звука уменьшается по мере продвижения волны к дистальным отделам бронхиального дерева от 272 ± 57 м/с в трахее.

4. Для воздушно-структурного механизма на расширенной по сравнению с работой (Коренбаум В.И. и др., 2011) выборке обследуемых и точек обследования по поверхности грудной клетки оценены длины хода звуковой волны по просвету бронхиального дерева и паренхиме легких.

5. Для диапазона частот 80–1000 Гц впервые показано, что структурный и воздушно-структурный механизмы обладают частотной избирательностью.

6. При зондировании с поверхности грудной клетки ЛЧМ сигналом 10–19 кГц впервые выявлено низкоскоростное проведение звука со скоростями 50–300 м/с, намного более низкими, чем установлено ранее (Rueter D. et al., 2010).

7. Предложены оригинальные подходы к поверхностному картированию акустических характеристик полученных при трансмиссионном зондировании и к визуализации локализации источников свистов в дыхательной системе человека.

Новизну полученных результатов подтверждает получение патентов РФ на изобретения, сравнение с опубликованными как в России, так и за рубежом исследованиями в данной области, а также опубликование полученных результатов в авторитетных журналах и трудах ведущих мировых научных форумов.

Теоретическая значимость

Полученные результаты позволили внести уточнения в модельные представления о распространении звука в легких человека, они существенно развивают базис для разработки не созданной до сих пор единой теории акустики дыхательной системы человека.

Практическая значимость работы заключается в возможности приложения полученных результатов к медицинской диагностике заболеваний легких.

Методы и методология исследования. В работе использованы экспериментальные методы исследования. Решение поставленных задач базируется на экспериментальных данных, полученных автором с использованием методов постановки физического эксперимента и статистического анализа полученных данных, а также на модельных теоретических интерпретациях, основополагающих закономерностях акустики и известных

модельных представлениях об акустических эффектах, происходящих в дыхательной системе человека.

Положения, выносимые на защиту:

1. Зондирование через рот в полосе частот 80 – 1000 Гц характеризуется 3–4 приходами сигнала к поверхности грудной клетки с различными скоростями звука, механизмы первых трех приходов при зондировании через рот интерпретируются моделями воздушно-структурного и структурного проведения, скорость распространения звуковой волны при воздушно-структурном проведении не превышает 150–200 м/с и уменьшается по мере движения волны к дистальным отделам бронхиального дерева от 272 ± 57 м/с, наблюдаемых в трахее, для воздушно-структурного проведения длины хода звуковой волны по просвету бронхиального дерева составляют 18 – 23 см (до 11–17 генераций ветвления), а по паренхиме лёгких 1,6 – 5 см, структурный механизм наблюдается в полосе частот 100–280 Гц, а воздушно-структурный механизм – от 100 до 500–700 Гц.

2. Зондирование с поверхности грудной клетки в полосе частот 80 – 1000 Гц характеризуется 3–4 приходами сигнала к поверхности грудной клетки с различными скоростями, интерпретируемыми моделями структурного проведения; зондирование высокочастотным линейно частотно-модулированным сигналом с полосой частот 10–19 кГц характерно низкоскоростными приходами со скоростями звука 50–300 м/с.

3. Разработанные способы картирования по поверхности грудной клетки акустических характеристик, полученных при трансмиссионном зондировании (картирование спектральных откликов на зондирующий сигнал, амплитуд и фаз функций когерентности над симметричными точками правой и левой частей грудной клетки, времен задержек, скоростей и амплитуд модуля ВКФ излученного и записанного датчиком сигналов и их огибающих), а также предложенный способ визуализации локализаций источников свистов и его комбинация с картированием трансмиссионных характеристик перспективны для целей медицинской диагностики.

Объект исследований: Акустические свойства дыхательной системы человека.

Предмет исследований: Распространение звука в дыхательной системе человека.

Степень достоверности. Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием апробированных экспериментальных методов с оценкой их точности, методов теории обработки сигналов и статистического анализа данных. Достоверность подтверждается повторяемостью и устойчивостью полученных результатов в выборках обследуемых, согласованностью с результатами работ других исследователей.

Личный вклад автора. Автором были произведена большая часть записей сигналов, используемых в данной работе. Автором полностью выполнены обработка сигналов и статистический анализ данных. Наравне с руководителем автор принял участие в акустической интерпретации полученных результатов. Автором были разработаны пакеты

скриптов на языке программирования Python, реализующие необходимые методы обработки сигналов и статистического анализа.

Апробация. Основные результаты выполненных исследований доложены и обсуждены на акустическом семинаре ТОИ ДВО РАН, семинаре кафедры акустики МГУ им М.В. Ломоносова, семинаре Института общей физики им. А.М. Прохорова.

На российских конференциях: всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике, Владивосток, ДВФУ, 11-13 мая 2011; рабочем совещании «Биомеханика – 2014», Москва, Институт механики МГУ им. М.В. Ломоносова, 5-7 февраля 2014; XXVII сессии Российского акустического общества, посвященной памяти ученых-акустиков ФГУП «Крыловский государственный научный центр» А.В. Смольякова и В.И. Попкова, Санкт-Петербург,16-18 апреля 2014 г.

На международных конференциях: «Консонанс-2013», Институт гидромеханики НАНУ, Киев, 1–2 октября 2013; 26-th Congress of the European Federation of Societies for Ultrasound in Medicine and Biology, May 26–28, 2014. Tel-Aviv, Israel; 1st Russian German Conference on Biomedical Engineering 2013, October, 23rd-26th, 2013, Leibniz University, Hanover, Germany; 38th Annual Conference of International Lung Sounds Association, November 14–15, 2013, Kyoto Garden Palace, Kyoto, Japan; 169th Meeting of the Acoustical Society of America 18–22 May 2015, Pittsburgh, USA; 40th Annual Conference of International Lung Sounds, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский электротехнический университет «ЛЭТИ», 24–25 сентября 2015 г.

Результаты исследования использовались в рамках выполнения:

4. НИР «Прогнозные исследования по обоснованию путей создания акустической аппаратуры для оперативной диагностики травматических поражений легких военнослужащих в полевых условиях», выполнявшейся по номенклатуре работ СПП РАН в 2013 г.

5. НИР «Разработка принципов построения автоматизированного комплекса для комбинированной эмиссионно-трансмиссионной акустической томографии легких человека» 2013 г, поддержанной грантом РФФИ 13-08-00010а.

6. НИР «Разработка технологии низкочастотной акустической томографии дыхательной системы человека в интересах диагностики заболеваний легких» 2015–2017 г, поддержанной стипендией Президента Российской Федерации для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики, конкурс 2015–2017 г.

7. В учебном процессе на кафедре Теоретической и экспериментальной физики ШЕН ДВФУ в лекционном материале и лабораторном практикуме по предмету «Медицинская акустика» для 5 курса специализации «Медицинская физика».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи – в рецензируемых журналах (2 – из списка ВАК РФ для публикации материалов диссертаций); 2 патента РФ, 6 – материалов докладов на всероссийских и международных конференциях.

Объем и структура. Диссертация состоит из 6 глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы. Объем диссертации 166 стр., включая 55 иллюстрации и 49 таблиц. Список литературы содержит 101 наименование.

Частотные области звукопроведения в легких

Для исследования фундаментальных и прикладных аспектов акустической визуализации дыхательной системы человека в разных странах разрабатывают специализированные комплексы аппаратуры, обеспечивающие многоканальную регистрацию дыхательных и проведенных звуков на поверхности грудной клетки и излучение зондирующих сигналов в респираторный тракт [11; 28; 15; 74].

Установка, используемая нами для исследования акустических свойств дыхательного тракта, описана в работе [17], дальнейшее описание основанно на материалах данной статьи. Основой системы регистрации разработанного нами аппаратно-программного комплекса служит серийно выпускаемый 16-канальный электронный самописец PowerLab (ADInstruments). Самописец снабжен пакетом программ Chart (ADInstruments), обеспечивающим многоканальные кондиционирование (усиление, цифровая фильтрация) сигналов и их синхронную цифровую запись. Возможно преобразование записанных сигналов в форматы txt, mat и wav для дальнейшей обработки в различных универсальных программных средствах.

Канал излучения сигналов в респираторный тракт человека содержит электроакустическую систему и комплект аппаратуры, включающий формирователь сигналов на базе персонального компьютера (ПК) и усилитель мощности. Структурная схема установки разработанной Тагильцевым А.А., Коренбаумом В.И. и Костивым А.Е. показана на рисунке 2.1.

Внешний вид акустического излучателя показан на рисунке 2.2. В замкнутом корпусе 1 размером 300250250 мм заключен электродинамический громкоговоритель 2 с диффузором диаметром 90 мм, выполненным из углепластика (используется в качестве сабвуфера в акустической системе J8902 производства КНР). Тыльная сторона громкоговорителя нагружена на поглощающий материал 3 (поролон), а фронтальная создает в патрубке 4, выполненном из оргстекла (30 мм, длина 70 мм, толщина стенки 2 мм), необходимый уровень звукового давления, контролируемый датчиком 7. В качестве последнего служит рассогласованный с воздушной средой сферический пьезокерамический преобразователь 5 мм. Преобразователь конформно закреплен через акустическую развязку в стенке патрубка. При этом просвет патрубка и его механические свойства не изменяются. Малая в сравнении с микрофонами чувствительность датчика 7 по звуковому давлению компенсируется высоким уровнем сигнала при работе громкоговорителя, а запас по динамическому диапазону позволяет устранить нелинейные искажения, которые возникают при попытках использования для этих целей малогабаритных электретных микрофонов.

Патрубок 4 снабжен сменным мундштуком, который охватывается губами пациента на время подачи звуковых колебаний в респираторный тракт. Во время выполнения зондирования через рот, обследуемый делает медленный выдох в течении всего времени записи. Это делается для того чтобы открыть надгортанник обеспечив проникновение звуковых волн по дыхательным путям (ДП) бронхиального дерева. Диффузор громкоговорителя и жесткая конусная крышка 5 образуют камеру связи. Для отвода воздуха из камеры связи в процессе выдоха служит жесткая трубка 8, установленная в отверстии 6 мм, выполненном в крышке камеры. Площадь сечения трубки для отвода воздуха много меньше сечения патрубка-звукопровода, что позволяет не только удалять из камеры воздух при медленном выдохе, выравнивая давление внутри и вне камеры, но и обеспечивать эффективность работы громкоговорителя на низких частотах.

Зондирующие сигналы заданной формы формируются ПК 12 с помощью одной из программ, работающих с wav-файлами, мы используем SpectraLab (SoundTech Inc.). Через цифроаналоговый преобразователь звуковой карты и усилитель мощности 13 RB-1080 (Rotel) они подаются на электродинамический громкоговоритель.

Для того чтобы производить зондирование с поверхности грудной клетки данная установка была дооборудована виброизлучателем, на роль которого подошел стандартный малогабаритный вибростенд модель 4810 (Брюль и Къер, Дания). К виброболту вибростенда прикреплен референсный акселерометр KD-35 (RFT), который одновременно служит контактным элементом, устанавливаемым на поверхность грудной клетки человека (рисунок 2.3). Выходной сигнал референсного акселерометра подается на вход одного из каналов 16-канального самописца и используется при дальнейшей обработке.

Для приема акустических сигналов на поверхности грудной клетки человека используют набор датчиков 6 (см. рисунок 2.1), которые закрепляют на теле пациента с помощью двусторонней липкой ленты.

В качестве основных датчиков используются специально разработанные Тагильцевым А.А. легкие акселерометры массой 7 г и габаритами 3010 мм (рисунок 2.4), которые были рассчитаны на использование зондирующих сигналов в диапазоне частот от 80–1000 Гц. Рисунок 2.4 – Устройство акустического датчика акселерометрического типа: 1 – биморфный пьезоэлемент, 2 – основание, 3 – кабельный ввод, 4 – предусилитель, 5 – корпус

Активный элемент датчика – тонкий биморф 1, состоящий из металлической подложки 20 мм и наклеенной на нее пьезопластины 14 мм. В центре биморфа выполнено отверстие для его посадки на коническую опору, являющуюся частью основания датчика 2. Коническая опора, допускающая изгибные колебания биморфа, обеспечивает более высокую в сравнении со стержневыми опорами жесткость в его плоскости, чем достигается пониженная поперечная чувствительность датчика. В корпус датчика встроен сверхминиатюрный аналоговый усилитель LMV1014 (National Semiconductor) с током потребления 38 мкА, который питается по отдельной жиле коаксиального кабеля от низковольтного источника 10 (рисунок 2.1). Чувствительность датчика по ускорению в диапазоне частот 200–2000 Гц составляет 1,5–2 мВ/(мс-2) без учета коэффициента усиления микросхемы LMV1014. Резонансная частота датчика 3 кГц.

Согласно исследованиям [89] был выявлен новый ранее неизвестный диапазон частот 10–100 кГц, способный распространяться в дыхательной системе человека. Для изучения диапазона частот 10–20 кГц был разработан (см. рисунок 2.5) новый акселерометрический датчик на основе промышленно выпускаемого акселерометра 333B52 (PCB Piezotronics). Размеры этого акселерометра 11,4 17,311,4 мм, вес 7,5 грамм, чувствительность 102 мВ/(мс-2). Резонансная частота около 35 кГц. Согласно общераспространенной практике является возможным использование акселерометра в полосе частот до 2/3 от его собственного резонанса частот, что позволяет использовать 333B52 (PCB Piezotronics) в полосе частот до 20 кГц.

Преимущество датчиков акселерометрического типа по сравнению с микрофонными [16; 41; 74] заключается в слабом паразитном проникновении зондирующего акустического сигнала [18] от громкоговорителя через воздушное пространство, окружающее тело человека.

Отклики акустических датчиков усиливаются, фильтруются и регистрируются 16-канальным электронным самописцем 11 PowerLab (ADInstruments), работающим под управлением ПК (см. рисунок 2.1). Выбор каналов, пределов измерений, управление записью-воспроизведением, анализ и представление данных осуществляются с использованием программного обеспечения электронного самописца Chart (ADInstruments).

Оценка точности измерения временных интервалов методом сжатия импульса

Результаты анализа показывают наличие сильной корреляционной связи задержки dTT с ростом (r = 0,84; p = 0,00015). Данные зависимости получились как при исключении значений dTT, приводящих к превышению порога скорости звука в 330 м/с, так и без их исключения. Зависимость между ростом и временем распространения звука от верхних резцов до яремной ямки ожидаема, т.к. чем выше рост, тем длиннее путь от верхних резцов до яремной ямки, что приводит к увеличению времени dTT. Интересно отметить, что в работе [67] была даже предложена эмпирическая формула связывающая длину трахеи с ростом обследуемого. Таким образом, согласно нашим данным и dTT, и скорости звука в трахее являются индивидуальными параметрами, зависящими от анатомических параметров обследуемого. Полученные высокие корреляции косвенно подтверждают достоверность полученных значений dTT и, соответственно, рассчитанных скоростей звука в этой части респираторного тракта.

Теперь проанализируем полученные скорости звука. Для обследуемых девушек Б1, Д1 и З1 максимальные оценки превышают скорость звука в неограниченном воздухе. Для обследуемой Б1, скорее всего, имеет место артефакт записи – задержка имеет слишком малое значение и приводит к слишком высокой скорости. Стоит отметить, что все девушки были невысокими, примерно одного роста около 160 см. Учитывая взаимосвязь между ростом и временной задержкой обусловленной по результатам корреляционного анализа (см. выше) и физическим соображениям, можно предположить, что для данных девушек имеют смысл оценки только при минимальной длине трахеи. Для обследуемых Д1, П3, З1 получается задержка (0,4 – 0,5) мс и скорости (330 – 412) м/с. В работе [53] есть данные об экспериментально измеренных скоростях до 400 м/с, однако значения используемые нами для оценки пути взяты по средней статистике и, возможно, не подходят для данных обследуемых. К сожалению, провести непосредственное измерение расстояния от верхних резцов до яремной ямки для данных обследуемых не представлялось возможным. Поэтому для более точной оценки указанные измерения были произведены на обследуемой К4, которая имеет аналогичный рост 162 см и схожую комплекцию. Измерения показали, что искомое расстояние составляет 14 см, в этом случае скорости принимают значения, показанные в таблице 3.3.

Для обследуемой С1 был измерен точный путь 16 см и рассчитана точная скорость 266,6 м/с. Учитывая близкий рост девушек 160 - 172 см, оценим для них среднюю скорость 310 ± 45 м/с.

Можно также вычислить средние значения скорости для мужчин (10 чел.). Они имеют близкий рост (177 - 192) см и полученные оценки не превышают скорость звука в воздухе. Среднее значение максимальной оценки скорости распространения звука в трахее составляет для них 272 ± 57 м/с, а среднее значение минимальной оценки скорости звука 204 ± 43 м/с. Учитывая сравнительно высокий рост мужчин, принимавших участие в эксперименте в нашем случае правильнее брать оценку при максимальной длине трахеи. Это значение 272 ± 57 м/с близко к скорости 266 м/с у обследуемого Ш1 (у которого расстояние от верхних резцов до яремной ямки было измерено непосредственно). Интересно отметить, что в работе [87] было измерено время, необходимое слышимому звуку для прохождения от трахеи до плевры в 5 интактных иссеченных легких лошади и 1 легком собаки, авторы данной работы пришли к выводу, что скорость звука в ДП диаметром от 1 до 25 мм при заполнении воздухом равна 268 ± 44 м/с, что хорошо согласуется с нашими оценками скорости звука в ротовой полости, глотке и верхней половине трахеи для мужчин, полученными in vivo. Стоит отметить, что ввиду малой выборки женщин, оценки для мужчин ввиду большего размера выборки являются более надежными.

Рассмотрим вторые максимумы огибающих ВКФ 12 и 115 на рисунке 3.1. Интересно отметить, что второй максимум огибающей ВКФ 1_2 опережает второй максимум огибающей ВКФ 1 15, такая картина наблюдается у 12 из 15 обследуемых. Получается, что сигнал сначала приходит на датчик 2, расположенный на трахее, и только потом на датчик 15, расположенный у рта. Это свидетельствует о существовании звуковой волны, движущейся в обратном направлении. Возникает два предположения о возможной природе вторых приходов, которые учитывают эту особенность.

Первой гипотезой является предположение о том, что звуковая волна, распространяясь по просвету трахеи, отражается от бифуркации трахеи, после чего отраженная волна движется в обратном направлении: вначале возвращается к датчику 2 и затем к датчику 15. Для проверки данной гипотезы оценим скорость звука на примере обследуемого Ш1. Согласно рассуждениям приведенным выше, датчик 2 находится в середине трахеи, а средняя длина трахеи у мужчин составляет 12 см. При отражении от бифуркации трахеи отраженный звук проходит два расстояния от датчика 2 до бифуркации трахеи, что равно длине трахеи, т.е. 12 см. Время, понадобившееся на преодоление данного пути согласно рисунку 3.1 составляет 4,6 – 2,0 = 2,6 мс. Таким образом, скорость распространения на данном участке составляет 12 см/2,6 мс = 46 м/с, что явно не совпадает с предыдущей оценкой скорости звука в трахее равной 266 м/с. Отсюда можно сделать вывод о том, что второй приход на огибающей ВКФ 1_2 не является отражением от бифуркации трахеи.

Второе предположение основывается на предположении о наличии зоны отражения звука в просвете высших генераций бронхиального дерева. Так в работе [67] предполагается наличие стоячей звуковой волны при формировании формант гласных звуков. По очевидным акустическим соображениям для ее наличия необходимо существования отражения звука от области, лежащей где-то в высших генерациях бронхиального дерева.

Согласно нашему второму предположению звук распространяется вглубь грудной клетки по воздушному просвету бронхиального дерева до зоны отражения, затем отраженный звук распространяется в обратном направлении, возвращается к датчику 2 на трахее, а затем и к датчику 15 у рта. Таким образом, звук проходит удвоенное расстояние вглубь бронхиального дерева до зоны отражения. Если согласно данной гипотезе задать скорость в глотке-трахее, то, зная задержку между первым и вторым максимумами огибающей ВКФ 1_2, теоретически можно получить двойное расстояние от датчика 2 до зоны отражения звука в глубине бронхиального дерева. Время, понадобившееся на преодоление данного пути согласно рисунку 3.1 составляет 4,6 – 2,0 = 2,6 мс, для данного обследуемого скорость звука в трахее 266 м/с. По расчетам для обследуемого Ш1 расстояние от датчика 2 до зоны отражения составляет 266 м/с2,6мс = 34,7 см, что превышает возможные анатомические пределы размеров бронхиального дерева [1].

Для оценки адекватности последней интерпретации была проанализирована возможность наличия взаимосвязи между получаемой задержкой (dTT21) между временами первого (TT1) и второго (ТТ2) пиков на огибающей ВКФ 1_2 и физиологическими параметрами обследуемого, такими как рост, вес, объем грудной клетки измеренный при спокойном дыхании (ОГ1), глубоком вдохе (ОГ2), полном выдохе (ОГ3), ЖЕЛ измеренный на вдохе (п.п. 2.8). Наличие взаимосвязи оценивалось с помощью корреляционных коэффициентов Спирмана в программном пакете Statistica. Исходные данные представлены в таблице 3.4, результаты в таблице 3.5.

Результаты и их обсуждение

Следовательно, экспериментальные задержки интервала 2-4 мс могут быть связаны именно с этим механизмом. Воздушно-структурное распространение наблюдается в раздвоенной полосе 141-160 и 295-568 Гц, причем доминирует по амплитуде гистограмм в полосе 295-455 Гц. Модельная оценка задержки для структурного звукопроведения составляет 10 мс (рисунок 4.1), что позволяет связать с ней интервал экспериментальных задержек 8-10 мс. Структурный вариант звукопроведения наблюдается в полосе 236-290 Гц, однако не доминирует по встречаемости в сравнении с воздушно-структурным.

Также в экспериментальных данных присутствуют задержки в интервалах 4-6 и 6-8 мс, которые не вписываются в модельные оценки. С каким же вариантом звукопроведения они могут быть связаны? Значительный вклад в увеличение временной задержки воздушно-структурного проведения вносит структурная составляющая. В работе [23] предположена зависимость глубины проникновения зондирующего сигнала в бронхиальное дерево по просвету дыхательных путей до перехода в легочную ткань от частоты сигнала. Согласно этому предположению, интервал задержек 4-6 мс может быть связан с воздушно-структурным распространением зондирующего сигнала, но по другому пути - укорочение длины хода по просвету дыхательных путей 1возд и удлинение длины хода по паренхиме легких 1стр. Данный воздушно-структурный вариант звукопроведения предположительно наблюдается в полосе 141-314 Гц и доминирует по амплитуде гистограмм в полосе частот 295-314 Гц. Интересно отметить, что полосы частот, в которых наблюдается прохождение с задержками в интервалах 4-6 мс (141-314 Гц) и 2-4 мс (141-160 и 295-568 Гц) перекрываются незначительно. Это также может свидетельствовать в пользу гипотезы, что оба интервала задержек характеризуют взаимодополняющие части воздушно-структурного проведения.

Что касается интервала задержек 6-8 мс, то он, как и интервал задержек 8-10 мс, скорее всего, характеризует структурное проведение. В пользу такого вывода свидетельствуют диапазон частот 141-290 Гц, в котором эта задержка наблюдается для структурного механизма (как будет показано ниже). Об этом же свидетельствует и небольшая разница средних значений задержек между интервалами 6-8 мс, Т = 6,91 ± 0,13 мс и 8-10 мс Т = 8,12 ± 0,02 мс. Задержки интервала 6-8 мс доминируют по амплитуде гистограмм в полосе 216-234 Гц. Разница с расчетной оценкой может быть обусловлена как неточностью задания скорости звука в тканях грудной клетки, так и неточностью оценки длин хода. Таким образом, обе рассматриваемые задержки могут быть предположительно отнесены к структурному варианту звукопроведения. Вместе (Т = 7,3 ± 0,3 мс) они встречаются в полосе частот 141 - 290 Гц. Для остальных путей распространения оценки сделаны аналогичным образом. Так, для пути от трахеи до верхней области правой подмышечной линии (2-9) встречаются следующие интервалы временных задержек:0-2 мс, Т= 1,3 ± 0,1 мс; 2-4 мс, Т = 2,66 ± 0,07мс; 4-6 мс, Т = 4,89 ± 0,08 мс. Интервал задержек 0-2 мс может быть связан с паразитной помехой, модельная оценка задержки которой составляет 0,9 мс. Паразитная помеха встречается в полосе 374-391, 396-417 и 452-744 Гц и доминирует по амплитуде гистограмм в полосе 508-744 Гц. Величина Т имеет тенденцию убывать с увеличением частоты. Модельная оценка задержки для воздушно-структурного распространения составляет 2,2 мс (рисунок 4.1), что позволяет связать интервал экспериментальных задержек 2-4 мс именно с ним. Воздушно-структурный вариант проведения наблюдается в полосе 167-526 Гц и доминирует по амплитуде гистограмм в полосе 322-438 Гц. Причем в этой полосе наблюдается тенденция убывания Тс увеличением частоты. Модельная оценка задержки для структурного проведения составляет 8 мс (рис. 1). Самая большая из экспериментально наблюдаемых задержек лежит в интервале 4-6 мс. С учетом выше высказанных замечаний о точности модельных оценок и наблюдаемой для данного интервала полосы 167-276 Гц эти задержки можно предположительно связать со структурным звукопроведением. Для рассматриваемого пути распространения структурное звукопроведение доминирует по амплитуде гистограмм в полосе 188-235 Гц.

Для пути от трахеи до правой подлопаточной области (2-7) встречаются следующие интервалы временных задержек: 0-2 мс, значение Т = 1,2 ± 0,1 мс; 2-4 мс, Т = 2,95 ± 0,07 мс; 4-6 мс, Т = 5,18 ± 0,10 мс. Модельная оценка задержки паразитной помехи в данной точке регистрации составляет 1,6 мс (рисунок 4.1). Таким образом, интервал экспериментальных задержек 0-2 мс может быть связан с паразитной помехой. Она проявляется в полосе 45-625 Гц и доминирует по амплитуде гистограмм в полосе 462-625 Гц. Модельная оценка задержки для воздушно-структурного распространения составила 2 мс, поэтому экспериментальные задержки в интервале 2-4 мс можно связать с паразитной помехой. Воздушно-структурное звукопроведение наблюдается в полосе 99-460, 490-536 Гц и доминирует по амплитуде гистограмм в полосе 99-421 Гц. Модельная оценка задержки для структурного проведения составляет 6 мс (рисунок 4.1). Таким образом, экспериментальные задержки в интервале 4-6 мс можно связать со структурным распространением. Оно наблюдается в полосе частот 100-117, 212-355 Гц, однако не доминирует по амплитуде гистограмм ни в одном из диапазонов частот.

Для пути от трахеи до межлопаточной области правой околопозвоночной линии (2-5) встречаются следующие интервалы временных задержек: 0-2 мс, Т = 1,31 ± 0,05 мс; 2-4 мс, Г = 2,83 ± 0,09 мс. Для этой зоны грудной клетки модельные задержки для паразитной помехи и воздушно-структурного проведения составляют соответственно 1,5 и 1,1 мс (рисунок 4.1), т.е. могут маскировать друг друга. Заметим, однако, что данная точка регистрации находится на тыльной по отношению к излучателю поверхности тела. Это обстоятельство создает препятствие к эффективному проникновению распространяющейся по воздуху волны в образованную телом размера d зону тени для волн, длина которых не соответствует условию d« Л. Исходя из этого условия, зона тени в рассматриваемой точке регистрации может формироваться в диапазоне частот 200-1000 Гц, т.е. в большей части исследуемой полосы. Отсюда следует, что экспериментально наблюдаемая задержка!1 = 1,31 ± 0,05 мс с большей вероятностью соответствует воздушно-структурному звукопроведению. Оно присутствует в полосе 246-558 Гц, доминирует по амплитуде гистограмм в полосах 246-272, 305-471, 515-558 Гц. Модельная оценка задержки для структурного проведения здесь составляет 2,8 мс (рисунок 4.1). Таким образом, в данной точке регистрации интервал задержек 2-4 мс может быть связан со структурным проведением. Структурный вариант звукопроведения присутствует в полосе 111-323, 404-558 Гц и доминирует по амплитуде гистограмм в полосах 110-182, 473-515 Гц.

Для пути от трахеи до подключичной области правой среднеключичной линии (2-3) встречаются следующие интервалы временных задержек: 0-2 мс, Т = 1,18 ± 0,06 мс; 2-4 мс, Т = 2,49 ± 0,03 мс. Среднее значение временной задержки в интервале 0-2 мс превышает модельную оценку распространения паразитной помехи по воздуху 0,18 мс в несколько раз. В то же время эта величина согласуется с оценкой временной задержки для воздушно-структурного распространения 1 мс (рисунок 4.1). Это позволяет связать задержки интервала 0-2 мс с воздушно-структурным вариантом, который не имеет какой-либо частотной избирательности и существует, также как и доминирует по встречаемости, во всей исследуемой полосе частот 194-753 Гц. Для средних значений экспериментальных задержек воздушно-структурного проведения характерна тенденция снижения с ростом частоты, возможно связанная с дисперсией. Модельная оценка задержки для структурного проведения составляет 2,4 мс (рисунок 4.1). Поэтому экспериментально наблюдаемые задержки в интервале 2-4 мс могут быть связаны со структурным проведением. Структурный вариант распространения наблюдается в полосе частот 281-363 Гц, однако не является здесь доминирующим.

В таблице 4.1 и таблице 4.2 указаны частотные характеристики структурного и воздушно-структурного проведения. При этом в качестве экспериментальных задержек указаны усредненные по всем диапазонам частот в полосе частот проявления средние значения временных задержек. Заметим, что под полосой здесь и далее понимается объединение диапазонов частот с общими свойствами.

Анализ полученных скоростей приходов ВЧ сигнала

Сначала рассмотрим неволновой резонанс по модели АРК, рассматриваемой в работах [28] и [21]. Данная модель предполагает, что при распространении звуковой волны в просвете дыхательных путей терминальные бронхиолы и грудная стенка образуют акустический резонансный контур (АРК) в виде одномерной колебательной системы «упругость-масса». При этом роль массы играют ткани грудной стенки, а роль жёсткости выполняет воздух в терминальной части бронхиального дерева. Таким образом, резонанс АРК не должен проявляться в точке регистрации 2, где отсутствует легочная ткань. Именно это и наблюдается в экспериментальных данных для групп частот спектральных максимумов f1 и f2 (см. таблицу 4.8). Отсутствие подобного резонанса в точке 5 может быть связано с малым содержанием легочной паренхимы в данной области. Диапазоны модельных оценок резонанса АРК [28] и [21] находятся в согласии с наблюдаемыми нами группами частот спектральных максимумов f1 и f2 для всех остальных точек регистрации на поверхности грудной клетки при зондировании через рот.

С другой стороны, эти же группы спектральных максимумов наблюдаются нами и при зондировании с поверхности грудной клетки (см. таблицу 4.9), когда предполагается чисто структурное проведение. Исследования [81] также продемонстрировали существование спектрального пика с частотой около 130 Гц при зондировании с поверхности грудной клетки. Хотя какого-либо физического объяснения механизма формирования данного спектрального пика в работе [81] не приводится, он соответствует нашей группе экспериментально наблюдаемых спектральных пиков f2. Поскольку в данном случае имеет место распространение звуковой волны по структуре легких, данные спектральные пики должны быть связаны только с паренхимой легких и тканью грудной стенки, и не могут быть описаны моделями резонансов АРК [21; 28]. Тем не менее, сходство частот наблюдаемых спектральных пиков позволяет выдвинуть гипотезу, представляющую собой модификацию модели АРК. В этой модели роль массы по-прежнему играет грудная стенка, а роль упругости – прилегающий к ней слой паренхимы легкого. Упругость прилегающего слоя паренхимы легких, представляемого в виде упругой пористой прокладки, определяется преимущественно воздухом, содержащимся в бронхиолах и альвеолах терминальных отделов бронхиального дерева, и потому по порядку должна быть близка к упругости воздушного столба, используемой при оценке резонанса АРК [20; 21; 28]. Такой подход объясняет формирование резонанса при зондировании с поверхности легких, т.е. по структуре легочных тканей. Из выдвинутой гипотезы следует, что резонанс АРК в понимании [20; 21; 28] возбуждается при зондировании через рот уже после переизлучения звуковой волны из воздушного просвета дыхательных путей в паренхиму легких, т.е. далее зоны отражения, которая согласно нашим данным (п.п. 3.1.2) лежит в области 11–17 генераций ветвления бронхиального дерева. Для определенности будем называть данный гипотетический механизм «АРК паренхимы». Этим модифицированным механизмом могут быть объяснены наблюдаемые нами спектральные максимумы групп f1 и f2. В пользу данной гипотезы также свидетельствуют результаты (п.п. 4.2.2), согласно которым частоты спектральных пиков групп f1 и f2 при зондировании через рот и с поверхности грудной клетки значимо не различаются.

При рассмотрении неволновых резонансов интересно обратиться к работе [79], в которой подобный резонанс при перкуссии наблюдается на частотах около 130 Гц и связывается с собственной резонансной частотой грудной стенки. Следует заметить, что при перкуссии (точечном ударе) по грудной стенке снаружи возможно возбуждение изгибного резонанса ее участка. В нашем же случае имеет место возбуждение локально плоской волной изнутри, которое оставляет место только для продольных колебаний участка грудной стенки. Таким образом, гипотеза [79] может быть отвергнута.

Стоит также напомнить, что согласно (п.п. 4.2), группа спектральных пиков с частотами f2 может быть обусловлена и видом АЧХ приемных акселерометрических датчиков (резонанс подвеса [24]). Однако ввиду того, что резонансы подобной частоты были получены как в работе [79] при использовании датчиков другого типа, так и в работе [81] при измерении оптическим способом (с помощью лазерного виброметра), данная версия может быть отклонена.

Перейдем теперь к рассмотрению волновых резонансов в просвете бронхиального дерева. С акустической точки зрения бронхиальное дерево может быть представлено как узкая трубка. Вопрос, правда, заключается в том, какими считать боковые стенки этой трубки.

Результаты измерений [85], свидетельствуют, что в рассматриваемом диапазоне частот, по крайней мере, крупные бронхи могут быть приближенно представлены трубкой с жесткими стенками. С другой стороны, наши данные о постепенном снижении скорости звука при движении в область дистальных отделов бронхиального дерева (п.п. 3.1.2) свидетельствуют об ограниченности этого приближения.

Согласно приближенной модели, описанной в работах [20; 21; 22; 68; 97] бронхиальное дерево представляется жесткой трубкой с абсолютно мягкой и абсолютно жесткой крышками. Согласно такой модели предполагается существование 1/4 волнового резонанса. Однако по другим источникам бронхиальное дерево может быть представлено трубкой, закрытой [20] или открытой [67] с двух сторон. В этом случае следует ожидать появления 1/2 волнового резонанса.

Звуковая волна, переотраженная от динамика системы возбуждения, была зарегистрирована нами при исследовании временных характеристик сигналов над точкой регистрации 2 при зондировании через рот (п.п. 3.1.2). Оценим диапазоны частот возможных 1/4 и 1/2 волновых резонансов в нашем случае. При этом возникает вопрос о том, что считать верхней крышкой нашей трубки. Здесь возможны 2 варианта: граница трахеи с глоткой или диафрагма динамика системы возбуждения.

Вначале оценим волновые резонансы в предположении того, что верхней крышкой является граница трахеи с глоткой, именно так и рассчитывают данные резонансы ряд исследователей [54; 96]. Согласно оценкам (п.п. 3.1.2) средние значения оценок путей от яремной ямки до зоны отражения при скорости 200 м/с и 150 м/с составляют соответственно 23 ± 5 см и 18 ± 4 см. Длинна трахеи равна 12 см. Таким образом, средние значения оценок пути от соединения глотки с трахеей до зоны отражения при скоростях 200 м/с и 150 м/с, составят 23 + 6 = 29 см, 18 + 6 = 24 см. Формула, связывающая скорость, частоту и длину волны f-A = c, тогда частота будет вычислена по формуле / = с / Я, таким образом, выражения для частот fi/2 и fi/4 волновых резонансов будут получены по формулам: