НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГІДРОМЕХАНІКИ

Макаренкова Анастасія Анатоліївна

УДК 534.7+621.391.8

Акустичні характеристики звуків дихання

та методи їх реєстрації і обробки

01.04.06. – Акустика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті гідромеханіки Національної академії наук України

Науковий керівник – доктор фізико-математичних наук, професор,

академік НАН України

Грінченко Віктор Тімофійович,

Інститут гідромеханіки НАН України,

директор.

Офіційні опоненти – доктор фізико-математичних наук, професор

Селезов Ігор Тімофійович,

Інститут гідромеханіки Національної НАН України,

зав. відділом гідродинаміки хвильових процесів.

– кандидат фізико-математичних наук, доцент

Петріщев Олег Миколайович,

доцент кафедри акустики Національного технічного

університету України “КПІ”.

Захист відбудеться “15” травня 2008 року о 14 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 26. 19 6.0 1 в Інституті гідромеханіки НАН України за адресою: 03057, Київ, вул. Желябова, 8/4.

Тел.: (044) 456 - 43 - 13, факс (044) 454-42-29.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту гідромеханіки НАН України.

Автореферат розіслано “9” квітня 2008 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор Криль С.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дослідження акустичних характеристик звуків дихання (аускультація) протягом сторіч залишалося мистецтвом, що базується на фізіологічних можливостях слухових органів, суб'єктивному сприйнятті звукових образів, та на практичному досвіді лікаря, що дозволяє виконувати їх якісну оцінку.

Великий обсяг інформації про функціональний стан дихальної системи, якій міститься у звуках дихання, стимулював інтерес до їх досліджень. Успіхи в розвитку акустоелектроніки та комп’ютерних технологіях, екологічна безпека аускультації, сприяли розширенню фізичних досліджень даного напрямку акустики та практичному використанню цих результатів. Необхідність рішення завдань, які ще недостатньо повно вивчені: перехід звуку з біотканин на прийомні перетворювачі, принципи побудови перетворювачів, вплив на них фізичних полів, обробка та об'єктивізація звуків дихання, обумовили актуальність теми дисертації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження та результати, що увійшли до дисертаційної роботи, є частиною комплексних наукових програм Інституту гідромеханіки НАН України: “Розробка та впровадження нового методу автоматизованої аускультативної діагностики органів дихання“ (номер державної реєстрації 0104U010481), “Розробка та програмна реалізація алгоритмів рангової та адаптивної обробки звуків дихання, з метою формування діагностичних ознак захворювань респіраторної системи“ (номер державної реєстрації 0105U006155), “Розробка та створення дослідних зразків високочутливих електронних стетофонендоскопів для аускультації звуків життєдіяльності людини“ (номер державної реєстрації 0107U007084). Результати дисертаційної роботи увійшли у звіти по цим темам.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертації полягає в одержанні нової якісної інформації про фізичні процеси переходу звуку з одного безперервного середовища в інше, що відрізняються хвильовими опорами, в виборі шляхів побудови ефективних перетворювачів для реєстрації звуків дихання, виявленні перешкод перетворювачів звуку, виявленні та об'єктивізації аускультативних ознак у звуках дихання хворих і розробці фізичних гіпотез генерації додаткових звуків.

Для досягнення цієї мети вирішувалися наступні завдання:

- виявлення фізичних особливостей переходу звуку з біотканин на електроакустичні перетворювачі;

- розробка принципів побудови та створення нових спеціальних високоефективних електроакустичних перетворювачів та дослідження їх акустичних характеристик;

- дослідження і класифікація перешкод перетворювачів та розробка методів зниження перешкод;

- формування електронної цифрової бази звуків дихання веріфікованних здорових і хворих на пневмоконіоз пацієнтів;

- виявлення та об'єктивізація аускультативних ознак, які містяться в звуках дихання хворих на пневмоконіоз;

- розробка фізичних гіпотез генерації додаткових звуків дихання хворих на пневмоконіоз.

Об’єктом дослідження є звуки життєдіяльності людини.

Предметом дослідження є характеристики звуків дихання здорових і хворих людей.

Методи дослідження - теоретичні, при вивченні фізичних процесів переходу звуку з одного середовища в інше, при розрахунку характеристик електроакустичних перетворювачів, при розробці фізичних гіпотез генерації звуків дихання. Експериментальні, при дослідженні акустичних характеристик перетворювачів звука, формуванні електронної цифрової бази звуків дихання, обробки звуків дихання, і виявленні та об'єктивізаціі характерних аускультативних ознак.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше у фізичній акустиці, на основі переходу звуку, з одного безперервного середовища в інше, що відрізняються хвильовими опорами, розроблені принципи побудови ефективних засобів реєстрації звуків життєдіяльності людини.

2. Вперше дослідженні та класифіковані перешкоди електроакустичних перетворювачів: звукових, вібраційних та електромагнітних полів, запропоновані методи їх зниження.

3. Вперше сформована електрона цифрова база звуків дихання верифікованих здорових і хворих на пневмоконіоз пацієнтів, об’єктивізовані аускультативні ознаки, характерні для визначеного виду захворювання.

4. Одержали подальший розвиток фізичні гіпотези генерації додаткових звуків дихання в дихальної системи хворих на пневмоконіоз.

Достовірність одержаних результатів забезпечується використанням:

1. Відомих перевірених теоретичних методів оцінки електронних, акустичних, і механічних характеристик перетворювачів звуку.

2. Методів фізичних вимірів, з заданою точністю, а також проведенням експериментальних досліджень у контрольованих умовах фізичних полів.

3. Стандартних клінічних методик верифікації функціонального стану дихальної системи людини, звуки дихання яких досліджувалися.

Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному:

- результати фізичних досліджень процесів переходу звуків з одного середовища в інше, можуть бути використані при створенні нових високоефективних, спеціальних електроакустичних перетворювачів, призначених для реєстрації звуків життєдіяльності людини;

- розроблені, апробовані та запатентовані високоефективні електроакустичні перетворювачі, які використовуються в фоноспірографічному комп'ютерному комплексі "Кора-03М1" та електронних портативних стетофонендоскопах типу "Ефон-06","Ефон-07";

- сформована електронна цифрова база звуків дихання веріфікованих здорових і хворих людей, може бути використана при розробці нових методів обробки сигналів, об'єктивізації аускультативних ознак пневмоконіоза;

- матеріали дисертації можуть бути використані при розробці нового акустичного, екологічно безпечного, неінвазивного методу моніторингу та діагностики захворювань дихальної системи людини, альтернативного рентгенографічному методу.

Особистий внесок здобувача. Результати, висновки та рекомендації, наведені в дисертації, є наслідком власного вивчення і дослідження автора.

1. На основі фізичних закономірностей переходу звуку з одного середовища в інше, розроблені принципи побудови і запропоновані спеціальні, оригінальні високочутливі електроакустичні перетворювачі для аускультації звуків життєдіяльності людини: контактні мікрофони, контактні гідрофони і малогабаритні легкі акселерометри.

2. Запропонована нова методика фізичного градуювання електроакустичних перетворювачів.

3. Експериментально дослідженні, проаналізовані та класифіковані джерела перешкод різних фізичних полів перетворювачів. Запропоновані рекомендації щодо їх зниження.

4. У клінічних умовах сформована електронна цифрова база звуків дихання веріфікованних пацієнтів, всього 600 звукових образів. За допомогою комп’ютерної обробки звуків дихання, виявлено та об’єктивізовано аускультативні ознаки, характерні для звуків дихання хворих на пневмоконіоз.

5. Запропоновані фізичні гіпотези генерації додаткових звуків дихання у хворих на пневмоконіоз, які підтверджені результатами експериментальних досліджень.

Співавтору та науковому керівникові д. ф. – м. н.В.Т. Грінченко належить постановка розглянутих завдань, ідея проведення досліджень звуків дихання у хворих на пневмоконіоз та обговорення результатів досліджень. Разом з І.В. Вовком були виконані дослідження джерел перешкод пристроїв цифрової аускультації. Класифікація перешкод перетворювачів була виконана при участі В.Н. Олійника. Верифікація пацієнтів була виконана А.В. Басанец.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати досліджень по темі дисертації доповідалися і обговорювалися на:

- Акустичному симпозіумі "КОНСОНАНС - 2005" (ИГМ НАН України, Київ 2005);

- на V-ої міжнародній конференції "Інформаційні технології по охороні здоров'я" (КМАПО ім.П.Л. Шупика МОЗ України, Київ, 2005);

- 5-ом Всесвітньому конгресі по біомеханіці (Німеччина, Мюнхен 2006);

- Акустичному симпозіумі "КОНСОНАНС - 2007" (ИГМ НАН України, Київ 2007).

- на двох наукових семінарах Інституту гідромеханіки НАНУ.

Публікації. Результати дисертаційної роботи викладені у 14 працях, з них 5 опубліковані у рецензованих наукових журналах із переліку фахових видань ВАК України для здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук зі спеціальності 01.04.06 – акустика [2,4,5,11], та 5 тез доповідей наукових конференцій [6-10,12,13], отримано 3 патенти України [1,3,7].

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, основних висновків, списку літератури. Загальний об’єм містить 148 сторінок основного тексту, в тому числі 44 рисунка та 2 таблиці. Список літератури складається зі 137 найменувань та займає 15 стор.

Автор висловлює щиру вдячність своєму науковому керівнику д. ф. -м. н., академіку НАН України Віктору Тимофійовичу Грінченко за постановку задач, постійне наукове керівництво та увагу до роботи та д. мед. наук. А.В. Басанец за допомогу при проведенні досліджень по аускультації хворих на пневмоконіоз.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, її зв'язок з науковими програмами, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення роботи, а також надано загальну характеристику виконаної роботи.

Перший розділ присвячено огляду загальної проблематики досліджень звуків дихальній системі людини при її функціонуванні. Незважаючи на створення стетоскопів (Р. Лаеннек, 1816) і стетофонендоскопів(B. Sprague, 1926), аускультація залишалася мистецтвом, яка потребувала від лікаря гарного слуху, запам'ятовування та аналіз звукових феноменів. Прогрес у комп'ютерних технологіях, і великий обсяг інформації у звуках дихання, стимулювали, в 2-ій половині 20-го сторіччя, науковий та практичний інтерес до більш глибокого вивчення процесів аускультації.

У першому підрозділі розглянуті дослідження з аеродинаміки дихальної системи (Е. Вейбель, 1970, K. Horsfіeld, G. Dart, D. Olson, G. Fіlley, G. Cummіng, 1971, Дж. Уэста, 1988, J. Grotberg, 1994). Складність аеродинамічних досліджень системи, обумовлена великою розгалуженістю, біфуркаціями повітряних шляхів системи, нестаціонарністю потоків, переходу режимів течії в її елементах.

Захворювання дихальної системи змінюють морфологічні та механічні характеристики повітряних шляхів, що істотно змінює її аеродинамічні характеристики (І.В. Вовк, В.Т. Грінченко, С.Л. Дахнов, 1999, А.А. Борисюк, 2006). У теперішній час є якісне розуміння аеродинамічних процесів, що відбуваються в дихальній системі однак, обсяг інформації, малий для оцінки акустичних характеристик звуків дихання. Джерелами звуків дихання є нестаціонарні вихрові структури, що виникають під час руху повітря в елементах дихальної системи. Ці звуки є джерелами інформації про функціональний стан дихальної системи. Їх підрозділяють на основні й додаткові. Перші - це звуки дихання здорової людини. Другі виникають при бронхолегеневих захворюваннях (A. Buller, A. Dornhorst, 1956, В.Т. Грінченко, В.Н. Олійник, 1995, І.В. Вовк, 1999, С.Л. Дахнов, 2000, Н. Kіyokawa, Н. Pasterkamp, 2002).

Взаємодія приймача звуку з біотканинами тіла людини, при аускультації, маловивчена. Встановлено, що вібраційні поля біотканин не змінюються, якщо реєстрацію звуків виконують за допомогою легких перетворювачів, масовий імпеданс яких менший масового імпедансу біотканин грудної клітки (І.В. Вовк, В.Т. Грінченко, Л.Г. Красний, А.П. Макаренков, 1994, І.В. Вовк, В.Т. Грінченко, В.Н. Олійник, 1997).

Аналіз перешкод перетворювачів, класифікація та методи боротьби з ними не виконані. Виключення становлять тільки звуки серця, для боротьби з якими використовують: електронну фільтрацію і "віднімання" їх з сигналу, за допомогою відповідних алгоритмів (V. Іyer, P. Ramamoorthy, Y. Ploysongsang, 1986, І.В. Вовк, В.Т. Грінченко, С.Л. Дахнов, В.В. Крижановський, В.Н. Олійник, 1999, А.Г. Рудницький, 2001, J. Gnіteckі, M. Zahra, Z. Moussavі, 2007).

Виявлення відповідності акустичних характеристик звуків дихання з функціональним станом дихальної системи, є практичною стороною аускультації. Для цього використовують адаптивні алгоритми, тимчасову та спектральну обробку сигналів (А. Sovіjarvі, K. Kallіo, еtс., 1996, H. Murphy, A. Vyshedskіy, еtс., 2004, І.В. Вовк, А.Я. Калюжний, 1999, В.В. Крижановський, В.В. Крижановський-мол., 2002). Основний недолік спектрального аналізу - осереднення інформації, що приводить до втрати неявно виражених звукових артефактів. Звуки, низького рівня маскуються на фоні основних звуків дихання, тому їх виявляють, кореляційним аналізом або більш складними методами обробки (В.Г. Майданник, В.Т. Грінченко, О.Г. Рудницький, Л.П. Глєбова, А.П. Макаренков, 2000, І.В. Вовк, В.Ю. Семенов, 2005).

Як видно з огляду, наукові результати, розглянуті в ньому, стали основою для подальших більш детальних досліджень фізичних процесів, що відбуваються при аускультації звуків дихання.

В другому розділі дисертаційної роботи наведені результати фізичних досліджень процесів реєстрації звуків дихання. Звуки дихання реєструють на грудній клітки, хвильовий опір біотканин якої відрізняється від хвильового опору матеріалів контактних поверхонь акустичних перетворювачів.

При переході звуку з біотканин на перетворювачі, відповідно до законів акустики, повинні виконуватися наступні умови: границя розділу вважається суцільною, на ній немає джерел звуку, дотримується безперервність коливальної швидкості та звукового тиску.

При переході звуку, з акустично м'якого середовища в акустично жорстке (<), коефіцієнт проходження по амплітуді тиску позитивний (для межі біотканина-сталь ≈ 2), звуковий тиск у другому середовищі зростає, а коливальна швидкість зменшується. Перехід звуку з акустично жорсткого середовища в акустично м'яке ( > ) супроводжується зменшенням тиску у другому середовищі і збільшенням коливальної швидкості (для межі біотканина-повітря ≈ 2).

У першому випадку, доцільно вимірювати звуковий тиск, а в другому коливальне прискорення, використовуючи для цього, відповідно, мікрофон або акселерометр. Відзначено, що ефективність перетворювача визначається не тільки умовами переходу звуку, чутливістю, завадостійкістю, способом кріплення до тіла, а для акселерометрів співвідношенням масових механічних імпедансів перетворювача і поверхнею біотканин, де реєструється звуковий сигнал.

У другому підрозділі виконаний аналіз біомеханічних пристроїв аускультації звуків дихання (стетофонендоскоп-слухові органи лікаря). Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) у всіх моделей стетофонендоскопів нелінійна, порізана й знижується з ростом частоти (A. Jones, K. Kwong, S. Sіu, 1998). Порізаність АЧХ обумовлена резонансами та антирезонансами діафрагми звукоприймальної голівки, що є механічним фільтром у системі "біотканини - стетофонендоскоп - вухо лікаря". Зниження АЧХ обумовлено нераціональним переходом звуку з біотканин на біосенсори слухових органів, що знижує в стетофонендоскопах звуковий тиск, тому що перехід звуку відбувається через акустично м'яке середовище - повітря, із хвильовим опором в 3500 разів нижче хвильового опору біотканин. Незважаючи на це, ефективність цих біомеханічних пристроїв визначається, в основному, більшими функціональними можливостями мозку лікаря, здатністю виділяти частотні і тимчасові характеристики звукових феноменів.

У підрозділі 3 розглянуті результати досліджень акустичних характеристик запропонованих для аускультації електроакустичних перетворювачів.

У теперішній час, в електронній аускультації широко використовуються перетворювачі звукового тиску - спеціальні мікрофони, у жорсткому конічному корпусі якого встановлений електретний мікрофон. АЧХ таких мікрофонів подібно АЧХ стетофонендоскопів нелінійна, так як, перехід звуку з біотканин відбувається через акустично м'яке середовище (повітря).

Запропоновано новий спеціальній електроакустичний перетворювач - контактний мікрофон, у якого реалізовано перехід звука з акустично м'якого середовища в акустично жорстке (біотканина-сталь), що сприяє істотному підвищенню його ефективності.

За принципом реєстрації звуків - це односторонній стрижневий п’єзокерамічний приймач звукового тиску, а по використанню його при аускультації, контактний мікрофон. Розроблені та досліджені дві модифікації мікрофона: на основі п’єзокераміки ЦТС-19 та п’єзокристалічного матеріалу ХГС-2. При аускультації звуків дихання, передня накладка мікрофона притискається до тіла пацієнта. Звуки дихання через накладку, передаються на чутливий елемент мікрофона, де перетворюються в змінну електричну напругу.

Розрахункова схема п’єзокерамічного мікрофона наведена на рис.1.

Метод фізичного градуювання мікрофонів по тиску, заснований на фізичній аксіомі: силовий вплив коливань поверхні тіла людини на мембрану мікрофона еквівалентно впливу на неї вібрацій на фіксованій частоті.

Градуювання реалізовано за допомогою комплекту віброакустичної апаратури фірми "Брюль та Къер" у діапазоні частот 20-6000 Гц.

Встановлено, що АЧХ мікрофонів лінійна в діапазоні частот 25-6400 Гц, чутливість першого г=2,5·10-3 В/Па, другого г = 5,2·10-3 В/Па. Відмінність чутливості обумовлена питомими параметрами п’єзоелектриків. Резонанси мікрофонів перебувають на частотах 167,3 кГц та 63,2 кГц, відповідно. Розрахунково та експериментально визначена чутливість, та частоти резонансів близькі. Загальна ймовірна похибка градуювання мікрофонів – 1,14 дБ.

Апробація контактних мікрофонів виконана в контрольованих умовах при вимірі звуків серця, звуків дихання та звуків зовнішнього фона, перевипромінених тілом. Звуки серця вимірялися в лівій області грудної клітки

(т.2Л). Звуки дихання - у правій підключичній області (т.2П). Звуки перевипромінювані тілом реєструвалися на стегні пацієнта. Виявлено, що звуки спокійного та форсованого дихання, істотно перевищують звуки серця та звуки перевипромінювані тілом. Отримані результати корелюють із подібними результатами інших дослідників (S. Kraman, G. Wodіcka, H. Pasterkamp, 1995).

Виявлений ефект підвищення рівня звуків дихання зі збільшенням питомого тиску на контактну поверхню мікрофона, рис.2. На нашу думку, це викликано ущільненням біотканин, що забезпечує кращі умови переходу звуку.

Запропованований та досліджений перетворювач, у якого чутливим елементом є гідрофон, розташований у жорсткому корпусі заповненому рідиною, із хвильовим опором близьким до хвильового опору біотканин. Контактна поверхня перетворювача виконана з тонкої еластичної гуми. В цьому перетворювачі реалізовано перехід звуку (біотканина – рідина – гідрофон). Встановлено, що АЧХ перетворювача лінійна на частотах 20 - 3600 Гц, а чутливість складає 18 мВ/Па. Контактний мікрофон та гідрофон запатентовані.

Для використання в пристроях електронної аускультації нами розроблено та досліджено спеціальний легкий, високочутливий акселерометр АД-16, гнучко-деформаційного типу, з біморфними консольними п’єзоелементами.

Механічний імпеданс акселерометра істотно нижче механічного імпедансу поверхні біотканин, на яких здійснюється реєстрація звуків дихання.

АЧХ акселерометра, у площині перпендикулярної до його основи, лінійна, у діапазоні частот 20-2000 Гц, а чутливість дорівнює 15±5 мВс2/м. Резонанс перебуває на частоті 2400 Гц.

У четвертому підрозділі наведено порівняння ефективності контактного мікрофона та акселерометра, за критерієм перешкодозахищеності (сигнал/перешкода). Дослідження були виконані при синхронній реєстрації перетворювачами звуків вдиху пацієнтів (т.2П - сигнал) і звуків на стегні (перешкода). Контактний мікрофон більш ефективний акселерометра в діапазоні досліджуваних частот. Ефективність сенсора, на основі акселерометра "Sіemens ЕМТ 25С", який широко використовується закордонними дослідниками, значно


8-09-2015, 21:47