СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ОЧАГОВЫХ ОБРАЗОВАНИЙ В ЛЕГКИХ ЧЕЛОВЕКА
ACOUSTIC DIAGNOSTIC TECHNIQUE FOR INDIVIDUAL'S PULMONARY FOCAL LESIONS

Изобретение относится к медицине, в частности к пульмонологии, а также к устройствам медицинского назначения, и может быть использовано для акустической диагностики очаговых образований в легких человека.
В клинической практике известны и широко применяются акустические способы диагностики очаговых образований в легких человека, основанные на субъективном выслушивании возникающих в легких звуковых явлений - аускультации.
Аускультация легких осуществляется путем прикладывания к поверхности грудной клетки инструментов для выслушивания-фонендоскопа (стетоскопа) (Р.Лаэннек, 1817).
Недостатком известного способа аускультации легких является субъективность оценки полученных данных, вариабельность акустических параметров прибора, зависимость оценки дыхательных шумов от опыта врача и свойств его слухового аппарата. В настоящее время описанные недостатки превращают аускультацию легких во вспомогательный метод по отношению к современным объективным неакустическим способам диагностики очаговых образований в легких человека: рентгеновским, магниторезонансным, радиографическим и другим. («Болезни органов дыхания: Руководство для врачей»: в 4 т. под общей ред. Н.Р.Палеева. Т.1 «Общая пульмонология» / Н.И.Александрова, А.Г.Бобков, Н.А.Богданов и др.; под ред. Н.В.Путова. - М.: Медицина, 1989, с.253).
Известна фонопневмография - способ объективного исследования дыхательных шумов с определением амплитуды и частоты спектра на основе использования компьютера посредством прибора. (Murphy R.L. // Thorax. - 1981 - Vol.36, р.99-104. Banaszak, E.F, R.C.Kory and G.L.Snider. Phonopneumpgraphy. Am. Rev. Respir. Dis. 1973 - 107: 449-455. Kraman S.S. Determination of the site of production of respiratory sounds by subtraction phonopneumography. Am. Rev. Respir. Dis. - 1980. - 122:303-309. Underner M., F. Boita, D. Tete and F. Patte. Auscultation of pulmonary rales, from Laennec to phonopneumography.Rev.Pneumol.Clin. - 1985 - 41:331-335. Tinkelman D.G, C.Lutz, B.Conner. Analysis of breath sounds in normal and asthmatic children and adults using computer digitized airway phonopneumography (CDAP). Respir. Med. - 1991 - 85: 125-131).
Недостаток фонопневмографии в том, что не учитывается разность скоростей выполнения дыхательных маневров обследуемыми на вдохе, что ухудшает качество диагностики и не позволяет стандартизировать поток форсированного воздуха.
Известен также способ стандартизации дыхательных потоков при фонопневмографии - (N.Gavriely, Palty Y., Alroy G. Spectral characteristics of normal breath sounds. J. Appl. Physiol. 1981, 50, p.307-14), заключающийся в том, что потоки стандартизированы по объемной скорости 1-2 л/с в фазу вдоха, измеряется частота дыхательных шумов в полосе частот 75-2000 Гц. Определенные таким образом максимальные частоты ОДШ вдоха составили в среднем 434-475 Гц. Недостатком указанного способа является низкая эффективность выявления очаговых образований в легких человека.
Известен способ акустической диагностики очаговых образований в легком человека, (патент RU №2314751, кл. A61B 5/08, 2008, бюл. №2), взятый за прототип, сущность которого заключается в регистрации основных дыхательных шумов на поверхности грудной клетки, вычислении их спектров, измерении акустических параметров, характеризующих дыхательные шумы, картировании акустических параметров дыхательных шумов по поверхности грудной клетки, сравнении акустических параметров дыхательных шумов с порогом, отделяющим норму от патологии, выявлении локальных патологических участков. Способ-прототип реализован в работе многоканальной измерительной системы VRI-XP (Deep Breeze Ltd, Or Akiva, Israel). Для регистрации основных дыхательных шумов в прототипе используется узкая полоса частот 100-200 Гц.
Недостаток прототипа - низкая эффективность выявления очаговых образований в легких человека.
Задача заявляемого способа заключается в повышении эффективности выявления очаговых образований в легких человека.
Поставленная задача достигается способом акустической диагностики очаговых образований в легких человека, сущность которого заключается в регистрации и анализе амплитудно-частотных характеристик основных дыхательных шумов при целевых скоростях дыхательного потока отдельно в фазу вдоха.
Технический результат заявляемого способа заключается в повышении эффективности диагностики очаговых заболеваний легких в клинических условиях, межрентгеновский мониторинг очаговых образований в легких в амбулаторных условиях.
18
17
16
15
14
13
12
11
Сопоставительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что в заявляемом способе при регистрации основные дыхательные шумы вдоха фильтруют в режиме «A», для акустической характеристики дыхательных шумов определяют верхнюю частоту среза спектра по уровню -3 дБ от уровня нижней частоты 10 дБ превышения исследуемого спектра над фоном, измеряемым на задержке дыхания, и верхнюю частоту среза по уровню -20 дБ от среднего значения амплитуды шумов в диапазоне между нижней частотой 10 дБ превышения исследуемого спектра над фоном и частотой среза спектра по уровню -3 дБ, а локальные патологические участки диагностируют: ЗП при превышении частотой среза «-3» дБ порога 443,6 и/или частотой среза «-20» дБ порога 631,1, ЗП при превышении частотой среза «-3» дБ порога 463,1 и/или частотой среза «-20» дБ порога 713,1, ЗП при превышении частотой среза «-3» дБ порога 451,4 и/или частотой среза «-20» дБ порога 631,1, ЗП при превышении частотой среза «-3» дБ порога 459,2 и/или частотой среза «-20» дБ порога 650,6, ЗП при превышении частотой среза «-3» дБ порога 428,0 и/или частотой среза и «-20» дБ порога 658,4, ЗП при превышении частотой среза «-3» дБ порога 392,8 и/или частотой среза «-20» дБ порога 664,3, ЗП при превышении частотой среза «-3» дБ порога 396,7 и/или частотой среза «-20» дБ порога 619,4, ЗП при превышении частотой среза «-3» дБ порога 482,7 и/или частотой среза «-20» дБ порога 662,3.
Способ осуществляют следующим образом.
Обследуемый пациент находится в положении сидя, нос закрыт носовой клипсой, производится 4-6 дыхательных циклов спокойного дыхания, одновременно врач устанавливает акустический датчик в виде микрофона со стетоскопической насадкой в классических точках аускультации, дополнительно фиксируя его с помощью перемещаемого резинового жгута (бинт Мартенса), охватывающего грудную клетку обследуемого (Коренбаум В.И., Тагильцев А.А., Костив А.Е., Горовой С.В., Почекутова И.А., Бондарь Г.Н. Акустическая аппаратура для исследования дыхательных звуков человека // Приборы и техника эксперимента, 2008. Т.51, №2, с.147-154; Гельцер Б.И., Семисотова Е.Ф. Пропедевтика внутренних болезней. Владивосток, Дальнаука, 2001).
В акустическом датчике используется высокочувствительный 1-дюймовый конденсаторный микрофон типа МК102 (RFT). Стетоскопическая насадка акустического датчика имеет форму усеченного конуса с диаметром основания 40 мм и глубиной 6 мм. Сигнал с акустического датчика подается на шумомер 00023 (RFT), на котором устанавливается частотная характеристика типа «A» (Справочник по технической акустике / под ред. М. Хекла, Х.А. Мюллера. Л.: Судостроение. 1980. с.64), резко понижающая уровень регистрируемых сигналов в области низких частот. Данная частотная характеристика соответствует восприятию слухом человека звуков малой громкости, т.е. соответствует слуховому восприятию врача при аускультации. Ее использование для заявляемого способа принципиально, т.к. позволяет подавить низкочастотные псевдозвуковые помехи, связанные с движением дыхательных мышц. Сигналы с микрофона, пропущенные через шумомер, подавались на один из каналов электронного самописца PowerLab (ADInstruments). На другой вход электронного самописца подключен спирометр (ADInstruments), к входу которого присоединена трубка Лили. Спирометр с трубкой Лили позволяет в режиме пневмотахографа регистрировать объемную скорость проходящего потока воздуха. Трубка Лили выдает сигнал, пропорциональный градиенту давления на ее решетке, далее программно производится калибровка устройства спирометра с помощью 3 литрового калибровочного шприца в единицах л/с.
Сигналы обрабатывались в программе Chart (ADInstruments). При анализе шумов из общего потока акустических данных с помощью пневмотахометра выделяли вдох и фон (задержка дыхания). Для этого путем визуальной настройки курсора выделяли горизонтальные участки с объемной скоростью около 1 л/с для вдоха и около 0 л/с - для фона. В результате получили совокупность фрагментов записи шумов с постоянной объемной скоростью потока для вдоха и фона. Полученные вырезанные совокупности фрагментов акустического сигнала (вдох, фон) сохраняются затем в wave формате. Для каждого сигнала определяются соответствующие ему среднее значение и стандартная девиация объемной скорости потока, которая рассчитывается в расширении DataPad пакета Chart.
Затем, wave файл обрабатывался в пакете программ SpectraLab (SoundTech). Для сглаживания разрывов, образовавшихся при вырезании фрагментов, с постоянной скоростью потока сигнал пропускается через фильтр высоких частот с частотой среза 10 Гц. Затем вычислили амплитудный спектр сигнала (масштаб по амплитуде логарифмический, число отсчетов 1024, перекрытие 50%, окно Хэнинга). Полученный спектр (Фиг.1) сохранили в виде текстового файла как текст и занесли в таблицу MS Excel.
-3dB
-3dB
-20dB
Затем из спектральных значений шумов вдоха вычли спектральные значения фона. Для разностного спектра определили нижнее и верхнее значения частот, на которых наблюдается превышение исследуемого спектра над фоном 10 дБ. Далее проанализировали спектр основных дыхательных шумов в этих частотных пределах. От уровня спектра на нижней частоте превышения исследуемого спектра над фоном 10 дБ отложили уровень «-3» дБ и нашли частоту среза f. В диапазоне от нижней частоты превышения исследуемого спектра над фоном 10 дБ до частоты среза f определили среднее значение амплитуды шумов. От среднего значения амплитуды отложили уровень «-20» дБ и нашли частоту среза f. Анализ данных выполнялся в лабораторных условиях и занял 12-16 минут для одного пациента.
11
12
13
14
15
16
17
18
Запись дыхательных шумов и скорости потока вдыхаемого воздуха производилась синхронно в 8 точках, соответствующих топографическим точкам классической аускультации (ЗП - правая надлопаточная линия, ЗП - левая надлопаточная область, ЗП - правая межлопаточная область на уровне V-VI грудных позвонков, околопозвоночная линия, ЗП - левая межлопаточная область на уровне V-VI грудных позвонков, околопозвоночная линия, ЗП - правая межлопаточная область на уровне VI грудного позвонка, околопозвоночная линия, ЗП - левая межлопаточная область на уровне VI грудного позвонка, околопозвоночная линия, ЗП - правая подлопаточная область, ЗП - левая подлопаточная область), по всем топографическим линиям грудной клетки.
При записи обследуемый дышит через трубку Лили и самостоятельно отслеживает (регулирует) скорость потока в реальном времени на экране компьютера, стремясь дышать так, чтобы кривая скорости не выходила за пределы целевого значения потока.
-3dB
-20dB
Полученные по точкам обследования значения акустических параметров f, f сравнили с пороговыми значениями (Табл.1).
Таблица 1
Пороговые значения по точкам
Акустические параметры
f<sub>-3dB</sub>
f<sub>-20dB</sub>
ЗП 11
482,7
662,3
ЗП 12
396,7
619,4
ЗП 13
392,8
664,3
ЗП 14
428,0
658,4
ЗП 15
459,2
650,6
ЗП 16
451,4
631,1
ЗП 17
463,1
713,1
ЗП 18
443,6
631,1
Пороговые значения предложенных параметров для различных типов очаговой легочной патологии могут быть определены различным способом, например, при сопоставлении представленных выборок здоровых и больных лиц, репрезентативных по полу и возрасту (О.Ю. Реброва. Статистический анализ медицинских данных. М.: Издательство Медиа Сфера, 2006, с.305).
Полученные пороговые значения определяют при сравнении показателей по группам больных пневмонией и здоровых лиц методом ROC-анализа (оптимизации чувствительности и специфичности).
В заявляемом способе пороговые значения определяли по обучающей выборке, которая состояла из 36 здоровых мужчин в возрасте от 18 до 74 лет и 36 больных того же возраста, которым был выставлен диагноз внебольничной пневмонии: у 11 больных процесс был левосторонним, у 16 - правосторонним, и у 9 - двусторонним. Диагноз установлен на основании клинико-лабораторных данных и подтвержден рентгенологическим методом (рентгенография, компьютерная томография). Обследуемым определяли вышеперечисленные параметры в каждой точке обследования. Пороговые значения определялись путем максимизации показателей чувствительности и специфичности по обследуемой выборке (метод ROC - анализа) (Власов В.В. Эффективность диагностических исследований. М.: Медицина, 1988, с.104-127). Максимальная специфичность достигается по группе здоровых 80,5% и максимальная чувствительность выявления у больного хотя бы одного очага пневмонии по группе больных 83,3% при выбранных порогах (табл.1).
-3дБ
-20дБ
Для случая выявления пневмонии экспериментально определено, что акустическим признаком нарушений, связанных с наличием очага пневмонии, является условие превышения параметров f и/или f вышеприведенных пороговых значений.
-3дБ
-20дБ
Согласно полученным акустическим параметрам на исследуемой обучающей выборке больных пневмонией и здоровых лиц использование предлагаемого способа позволяет существенно повысить эффективность акустического выявления очаговых образований в легких человека за счет обнаружения авторами новых, надежных, объективно и автоматически оцениваемых акустических характеристик дыхательных шумов f и/или f и их пороговых значений.
Расчетная чувствительность заявляемого способа 83% намного превышает чувствительность субъективной аускультации 45% (Блауэрт И. Пространственный слух. Пер. с нем. И.Д. Гудвица. М.: Энергия, 1978. - 222 с.; Вотчал Б.Е. с соавт. Акустические характеристики стетофонендоскопов и их измерение // Мед. Техника. - 1972 - №2. - с.16-20).
Достигнутые значения чувствительности и специфичности предлагаемого способа являются достаточно высокими и позволяют использовать его не только для межрентгеновского мониторинга пневмонического очага, что является ценным, но и для их первичного дорентгеновского выявления.
Предлагаемый способ позволяет повысить эффективность диагностики очаговых заболеваний легких в клинических условиях, дает возможность применять дистанционно в современных цифровых технологиях (телемедицина), быть дополнительным методом в диагностике долевого и очагового уплотнения легочной ткани, в ряде случае быть альтернативным методом диагностики при многократных исследованиях в силу своей безопасности и отсутствия какого-либо облучения, достаточно доступный в экономическом плане для практического здравоохранения.
Пример осуществления способа.
Больной С., 32 лет, поступил в стационар с жалобами на частый кашель с трудноотделяемой мокротой, повышение температуры до фебрильных цифр, вялость, общую слабость. Из анамнеза заболевания: болен 4-е сутки, заболевание началось с повышения температуры до 39°, сухого кашля. Больной был осмотрен терапевтом и направлен в стационар с диагнозом: Внебольничная пневмония, неуточненной этиологии, в нижней доле справа (9, 8 сегмент). Дыхательная недостаточность 1 степени. При поступлении: состояние средней тяжести. Частота дыхания 22 в минуту. Перкуторно: укорочение перкуторного звука в нижних отделах по задней подмышечной и лопаточной линии. По данным компьютерной томографии: При исследовании грудной полости в легких инфильтративные изменения в 8, 9. Заключение: правосторонняя нижнедолевая пневмония (S8, S9).
-3дБ
-20дБ
-3дБ
-20дБ
В каждой точке обследования пациенту в соответствии с заявляемым способом определены параметры f, f (Табл.1). Величины параметров f, f сравнены с соответствующими порогами по описанной выше процедуре. В результате в таблице рассчитанных параметров выделены курсивом значения, превышающие пороговые (Табл.2).
Таблица 2
Акустические параметры по точкам обследования больного С. 32 лет с диагнозом: правосторонняя нижнедолевая пневмония (S8, S9)
Точка ЗП
f<sub>-3дБ</sub>
f<sub>-20дБ</sub>
11
234,4
464,8
12
296,9
539,1
13
359,4
550,8
14
289,1
519,5
15
500,0
707,0
16
277,3
582,0
17
472,7
715,1
18
343,8
589,8
Примечание: ЗП - задняя поверхность; f<sub>-3дБ</sub> - частота среза «-3» дБ; f<sub>-20дБ</sub> - частота среза «-20» дБ.
В точках 15 и 17 (Табл.2) обнаруживаются акустические отклонения. С учетом проекции этих точек обследования пациента очевидно, что справа в проекции 8-го, 9-го сегментов имеется зона акустических нарушений. Это согласуется с очагом пневмонии, выявленным в 8, 9 сегментах правого легкого по рентгенологическим данным.
Заявляемый способ при довольно высокой чувствительности (83%) и специфичности (80,5%) совершенно безопасен для обследуемых, не связан с вредными облучениями и весьма прост в реализации. Его основное назначение межрентгеновский мониторинг очаговых образований в легких в амбулаторных условиях. При уточнении пороговых значений заявляемый способ может быть использован при иных скоростях потока вдоха и применении других типов акустических датчиков, в том числе стандартных электронных стетоскопов.