СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ФУНКЦИИ ВНЕШНЕГО ДЫХАНИЯ С ПОМОЩЬЮ ИМПЕДАНСНОЙ СПИРОГРАФИИ И ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС "БИА-лаб Спиро" ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DIAGNOSING RESPIRATORY FUNCTION BY MEANS OF IMPEDANCE SPIROGRAPHY AND COMPUTER APPLIANCE "BIA-lab Spiro" FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к медицине, а именно к пульмонологии и предназначено для повышения точности диагностики функции внешнего дыхания.
Наиболее близким аналогом для предлагаемого способа является метод спирографии, основанный на измерении объемных во времени и расчете скоростных показателей функции легких и дыхательных путей (Смирнов И.В. Функциональная диагностика. ЭКГ, реография, спирография / И.В.Смирнов, A.M.Старшов. - М.: Эксмо, 2008. - С.83-130). Метод спирографии выполняется путем регистрации скоростных показателей вдыхаемого и выдыхаемого воздуха и оценки времени фазы дыхания. Метод основан на применении турбины в качестве регистрирующего устройства, вращение которой регистрируется электромагнитным методом, а также воздуховода, в котором расположена турбина, и персонального компьютера, оснащенного соответствующим программным обеспечением.
Недостатки способа-прототипа: существующий метод спирографии недостаточно информативный: предназначен для исследования скоростных и объемных показателей функции внешнего дыхания, что требует выполнения трех дыхательных маневров: максимального вдоха и выдоха для регистрации жизненной емкости легких (ЖЕЛ), теста форсированного выдоха после максимального вдоха - для регистрации кривой поток-объем и определения форсированной жизненной емкости легких (ФЖЕЛ), а также теста минутной вентиляции легких. Выполнение названных тестов предъявляет повышенные требования к резервным возможностям аппарата дыхания больного человека, затруднительно у тяжелых больных, стариков и детей, что ограничивает область применения метода.
Наиболее близким аналогом для предлагаемого устройства является спирометр портативный цифровой «Минитест» (Смирнов И.В. Функциональная диагностика. ЭКГ, реография, спирография / И.В.Смирнов, A.M.Старшов. - М.: Эксмо, 2008. - С.113-114). Спирометр портативный цифровой «Минитест» состоит из блока измерительного, блока питания, мундштука. Диапазон измеряемых объемов 1,0-9,9 л. Погрешность измерений в диапазоне 1,0-4,0 л - 0,2 л, в диапазоне 4,0-9,9 л - 5,0%. Питание прибора осуществляется от выносного блока питания или от батареи «Крона», напряжением 8-9 В. Как и другие спирографы, «Минитест» оснащен преобразователем потока воздуха в электрический сигнал. Спирограф предназначен для определения дыхательных объемов путем регистрации электрического сигнала, величина которого зависит от времени движения воздуха в преобразователе, т.е. регистрируется время движения воздуха в трубке определенного диаметра и рассчитываются объем и скорость движения воздуха. Расчет форсированной жизненной емкости легких и объема форсированного выдоха за 1 секунду осуществляется программным методом.
Недостатки устройства-прототипа: существующий спирограф не позволяет регистрировать изменения, связанные с состоянием микроциркуляции легких, альвеолярно-капиллярной мембраны и оценка нарушения бронхиальной проходимости осуществляется косвенным путем по результатам изменения объема выдыхаемого воздуха. Эти особенности являются причиной недостаточной точности исследования функции внешнего дыхания.
Изобретение направлено на решение задачи: повышение информативности точности диагностики и расширение области применения способа, а также применение программно-аппаратного комплекса для измерения электрического импеданса дыхательных путей, патенхимы легких и грудной клетки и оценки функции внешнего дыхания.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы изобретения, таких как способ диагностики функции внешнего дыхания с помощью электроимпедансной спирографии, в котором используют биполярный метод поличастотной импедансометрии с определением модульного значения импеданса (|Z|) и фазового угла (φ) на частотах 20, 98, 1000, 5000, 10000, и 20000 Гц переменного электрического тока малой мощности во время ингаляции 0,9% раствора хлорида натрия с помощью программно-аппаратного комплекса «БИА-лаб Спиро», первый электрод устанавливают в мундштук ультразвукового небулайзера, второй располагается на коже грудной клетки либо в регионе исследования, либо объединяя электроды, установленные на симметричных участках грудной клетки, например, по средним подмышечным линиям на уровне VI межреберья, проводят измерение, и при отклонении модульного значения импеданса (|Z|) и/или фазового угла (φ) менее 5 или более 95 персентилей от нормальных значений диагностируют нарушение функции внешнего дыхания.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных во 2-м пункте формулы изобретения, таких как программно-аппаратный комплекс для диагностики функции внешнего дыхания, характеризующийся тем, что содержит измерительный блок, включающий ноутбук и электроды, один из которых расположен на груди пациента, а другой - в мундштуке, который подключен к ультразвуковому небулайзерному ингалятору.
Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат: увеличение информативности способа и повышение точности диагностики.
Программно-аппаратный комплекс, названный авторами «БИА-лаб Спиро», для реализации предложенного способа диагностики изображен на схемах, где на фиг.1 дана его общая блок-схема, на фиг.2 - схема измерительного блока.
Программно-аппаратный комплекс «БИА-лаб Спиро» состоит (фиг.1) из измерительного блока, в качестве которого используется ноутбук 1, электродов 2 и 3, один из которых расположен на грудной клетке пациента 4, а другой - в мундштуке 5, соединенном с ультразвуковым небулайзерным ингалятором 6.
Схема измерительного блока показана на фиг.2, где поз.7 - аккумулятор, поз.8 - оригинальная программа для ЭВМ «БИА-лаб», Свидетельство на пр. ЭВМ №2011611135 Роспатента, поз.9 - поличастотный генератор, поз.10 - регистратор электрического сигнала и поз.11 - мост Уитстона.
Программно-аппаратный комплекс «БИА-лаб Спиро» работает следующим образом (фиг.1).
Включают ноутбук 1 (фиг.1) в режиме работы от аккумулятора 7 (фиг.2) и запускают оригинальную программу «БИА-лаб» 8 (фиг.2), затем подключают генератор переменного электрического тока 9, мост Уитстона 11 и накладывают пластины первого объединенного электрода 2 на грудную клетку пациента 4 по средней подмышечной линии на уровне VI межреберья либо с какой-либо одной, либо одновременно с двух сторон. Второй объединенный электрод 3 располагается в мундштуке 5, соединенном с ингалятором 6, который предварительно заправляется 0,9% раствором хлорида натрия и используется для непрерывной ингаляции во время проведения исследования. При этом пациент осуществляет дыхание ртом через мундштук ингалятора с установленным электродом. Через 1-2 минуты от начала ингаляции 0,9% раствором хлорида натрия при непрерывном наблюдении за показателями импеданса на частоте 20000 Гц, отображаемыми на экране монитора, запускают запись измерений. В течение 18 секунд программа ЭВМ проводит поличастотное зондирование легких и дыхательных путей пациента на 20, 98, 1000, 5000, 10000 и 20000 Гц, записывая по 576000 измерений амплитуды сигнала на каждой частоте, на основе которых вычисляются анализируемые параметры (модульное значение импеданса |Z| и фазовый угол сдвига φ) на каждой из 6 частот зондирующего переменного тока. Полученные данные помещаются в 36 отдельных файлах, при этом каждой секунде проведения измерения соответствует два файла - по одному на канал, рассчитываются средние величины анализируемых параметров (медиана вариационного ряда), которые записываются в отдельный 37-й файл. Все записи полученных результатов автоматически помещаются в отдельную электронную папку, названную по фамилии пациента. Затем исследователь рассчитывает значение спирометрических показателей по формулам соответствия.
Существенное, по сравнению с ранее использовавшимися методами, повышение точности измерений (до 1%) достигается тем, что в широком диапазоне частот (от 20 Гц до 20000 Гц) производят измерение не только модуля, но и фазы биоэлектрического импеданса, что позволяет разделить его омическую и емкостную составляющие, а регистрацию сигнала осуществляют в течение времени, достаточного для получения посредством аналого-цифрового преобразования массива измеренных значений, содержащего 576000 экспериментальных точек (в течение 3 секунд), статистическая обработка которых проводится с использованием компьютера, оснащенного соответствующим оригинальным программным обеспечением. Кроме этого производится поличастотное электрическое исследование не только дыхательных путей, но и грудной стенки, плевральных листков, а также паренхимы легких в области наложения пластин первого объединенного электрода, что позволяет выявлять характеристики микроциркуляции малого круга кровообращения и состояние альвеолярно-капиллярной мембраны.
Ниже приведены примеры осуществления предлагаемого способа. Способ осуществляют следующим образом.
Тестирование проводят утром перед завтраком или через 2 часа после еды. Первый объединенный (токовый и измерительный) электрод располагают на определенном участке кожи грудной клетки или используют одновременное расположение разделенного электрода с наложением на симметричные участки грудной клетки, например, по средней подмышечной линии на уровне VI межреберья. Второй объединенный электрод располагается в мундштуке ультразвукового небулайзера. Электроды подключают к программно-аппаратному комплексу «БИА-лаб Спиро», включают прибор в режиме посекундной визуализации результатов на частоте 20000 Гц. Начинают ингаляцию 0,9% раствором хлорида натрия, на фоне которого осуществляют запись результатов исследования на частотах 20, 98, 1000, 5000, 10000 и 20000 Гц. Общая продолжительность записи 18 секунд (программа свид. №2011611135 автоматически меняет режимы регистрации биоэлектрического импеданса на 6 частотных частотах, записывая результаты измерений по 3 секунды на каждой частоте зондирующего переменного электрического тока, что соответствует 576000 измерениям регистрируемых параметров). Результат записывается автоматически в электронную папку, названную по фамилии пациента. Общее время выполнение исследования не превышает 1 минуты.
Нормальные параметры регионального биоэлектрического импеданса легких и дыхательных путей представлены в табл.1-6.
Таблица 1
Средние значения нормальных величин биоэлектрического импеданса легких и дыхательных путей при наложении электродов на уровне VI межреберья по средним подмышечным линиям (M±σ)
№ п/п
Частота зондирующего переменного электрического тока (Гц)
|Z|
φ
1
20
73822,2±14522,60
-41,2±12,11
2
98
34055,7±3888,56
-30,5±7,28
3
1000
18816,8±3410,69
-13,8±2,90
4
5000
16072,6±3586,58
-6,0±1,15
5
10000
15254,4±3837,93
-6,5±1,15
6
20000
14741,5±3848,31
-6,6±0,82
Таблица 2
Границы 5 и 95 персентилей нормальных значений биоэлектрического импеданса легких и дыхательных путей при наложении электродов на уровне VI межреберья по средним подмышечным линиям
№ п/п
Частота зондирующего переменного электрического тока (Гц)
|Z|
φ
(5%; 95%)
(5%; 95%)
1
20
58051,8; 86644,7
-55,2; -33,7
2
98
31685,8; 38543,5
-38,9; -26,1
3
1000
15567,2; 22368,5
-16,7; -10,9
4
5000
13099,6; 20056,0
-6,9; -4,7
5
10000
12219,6; 19568,6
-7,6; -5,3
6
20000
11758,3; 19085,3
-7,5; -5,9
Таблица 3
Средние значения нормальных величин биоэлектрического импеданса легкого и дыхательных путей при наложении электродов на уровне VI межреберья по левой средней подмышечной линии (M±σ)
№ п/п
Частота зондирующего переменного электрического тока (Гц)
|Z|
φ
1
20
83669,9±57652,89
-40,2±3,68
2
98
35692,1±19465,80
-35,3±12,73
3
1000
16599,0±2659,29
-17,1±11,67
4
5000
12745,3±107,90
-8,0±3,54
5
10000
11732,7±43,63
-8,5±2,97
6
20000
10959,9±41,07
-7,7±1,63
Таблица 4
Границы 5 и 95 персентилей нормальных значений биоэлектрического импеданса легкого и дыхательных путей при наложении электродов на уровне VI межреберья по левой средней подмышечной линии
№ п/п
Частота зондирующего переменного электрического тока (Гц)
|Z|
φ
1
20
42903,1; 124436,6
-42,8; -37,6
2
98
21927,7; 49456,5
-44,3; -26,3
3
1000
14718,6; 18479,4
-25,3; -8,8
4
5000
12669,0; 12821,6
-10,5; -5,5
5
10000
11701,9; 11763,6
-10,6; -6,4
6
20000
10860,2; 11059,7
-8,9; -6.6
Таблица 5
Средние значения нормальных величин биоэлектрического импеданса легкого и дыхательных путей при наложении электродов на уровне VI межреберья по правой средней подмышечной линии (M±σ)
№ п/п
Частота зондирующего переменного электрического тока (Гц)
|Z|
φ
1
20
91611,2±53460,60
-40,4±15,12
2
98
40704,4±20713,04
-38,6±15,06
3
1000
16785,4±5209,25
-21,6±16,58
4
5000
13120,2±6361,01
-9,3±6,32
5
10000
12096,7±6737,50
-10,7±7,69
6
20000
11451,8±6961,60
-9,2±4,64
Таблица 6
Границы 5 и 95 персентилей нормальных значений биоэлектрического импеданса легкого и дыхательных путей при наложении электродов на уровне VI межреберья по правой средней подмышечной линии
№ п/п
Частота зондирующего переменного электрического тока (Гц)
|Z|
φ
1
20
40807,1; 147381,7
-56,3; -26,2
2
98
21394,8; 62581,5
-55,7; -27,2
3
1000
12055,3; 22368,5
-40,7; -10,9
4
5000
8467,1; 20368,5
-16,5; -4,7
5
10000
6484,1; 19568,6
-19,5; -5,3
6
20000
5453,0; 19085,3
-14,5; -5,9
Диагностика нарушений функции внешнего дыхания осуществляется при отклонении измеренных параметров менее 5 или более 95 персентилей. Увеличение |Z| установлено у больных бронхообструктивными заболеваниями. Воспаление легочной ткани вызывает снижение модуля угла фазового сдвига зондирующего переменного электрического тока на стороне поражения. Примеры апробации предлагаемого способа диагностики.
Пример 1.
Пациент Я., 22 лет, практически здоров. Показатели спирограммы:
Таблица 7
Показатель ФВД
Значение (%)
Показатель ФВД
Значение (%)
ЖЕЛ
89
ПОС
87
ФЖЕЛ
98
МОС<sub>25</sub>
89
ОФВ<sub>1</sub>
91
МОС<sub>50</sub>
84
ОФВ<sub>1</sub>/ЖЕЛ
82
МОС<sub>75</sub>
75
ОФВ<sub>1</sub>/ФЖЕЛ
80,5
МВЛ
96
СОС<sub>25-75</sub>
78
При измерении параметров биоэлектрического импеданса легких и дыхательных путей получены следующие значения:
1. Симметричное расположение 2-го электрода по средним подмышечным линиям на уровне VI межреберья (1-й электрод расположен в мундштуке ингалятора).
Таблица 8
№ п/п
Частота зондирующего переменного электрического тока (Гц)
|Z|
φ
1
20
58051,8
-33,7
2
98
31658,8
-26,5
3
1000
18514,8
-13,8
4
5000
15062,2
-6,9
5
10000
13974,9
-7,6
6
20000
13381,0
-7,5
2. Расположение 2-го электрода по средней подмышечной линии слева на уровне VI межреберья (1-й электрод расположен в мундштуке ингалятора).
Таблица 9
№ п/п
Частота зондирующего переменного электрического тока (Гц)
|Z|
φ
1
20
42903,1
-37,6
2
98
21927,7
-26,3
3
1000
14718,6
-8,8
4
5000
12821,6
-5,5
5
10000
11763,6
-6,4
6
20000
10860,2
-6,6
3. Расположение 2-го электрода по средней подмышечной линии слева на уровне VI межреберья (1-й электрод расположен в мундштуке ингалятора).
Таблица 10
№ п/п
Частота зондирующего переменного электрического тока (Гц)
|Z|
φ
1
20
40807,1
-26,2
2
98
21394,8
-27,2
3
1000
12055,3
-13,2
4
5000
10524,9
-6,7
5
10000
10237,3
-7,3
6
20000
9817,2
-7,2
Представленный пример демонстрирует основные характеристики биоэлектрического импеданса легких и дыхательных путей у практически здорового молодого человека, имеющего нормальные величины спирографических показателей.
Пример 2.
Пациент К., 20 лет. Диагноз: Бронхиальная астма, легкое неконтролируемое течение заболевания. ДН I ст. Показатели спирограммы:
Таблица 11
Показатель ФВД
Значение (%)
Показатель ФВД
Значение (%)
ЖЕЛ
86
ПОС
82
ФЖЕЛ
81
МОС<sub>25</sub>
85
ОФВ<sub>1</sub>
77
МОС<sub>50</sub>
78
ОФВ<sub>1</sub>/ЖЕЛ
89
МОС<sub>75</sub>
69
ОФВ<sub>1</sub>/ФЖЕЛ
88
МВЛ
83
СОС<sub>25-75</sub>
67
При измерении параметров биоэлектрического импеданса легких и дыхательных путей получены следующие значения:
1. Симметричное расположение 2-го электрода по средним подмышечным линиям на уровне VI межреберья (1-й электрод расположен в мундштуке ингалятора).
Таблица 12
№ п/п
Частота зондирующего переменного электрического тока (Гц)
|Z|
φ
1
20
64184,6
-33,1
2
98
41268,0
-19,6
3
1000
29197,7
-7,7
4
5000
25426,2
-5,0
5
10000
24838,0
-6,2
6
20000
22259,7
-8,2
2. Расположение 2-го электрода по средней подмышечной линии слева на уровне VI межреберья (1-й электрод расположен в мундштуке ингалятора).
Таблица 13
№ п/п
Частота зондирующего переменного электрического тока (Гц)
|Z|
φ
1
20
86547,4
-36,8
2
98
45262,0
-26,6
3
1000
30577,3
-9,2
4
5000
26384,9
-5,3
5
10000
26931,9
-6,5
6
20000
25306,1
-8,5
3. Расположение 2-го электрода по средней подмышечной линии справа на уровне VI межреберья (1-й электрод расположен в мундштуке ингалятора).
Таблица 14
№ п/п
Частота зондирующего переменного электрического тока (Гц)
|Z|
φ
1
20
116983,6
-43,5
2
98
56992,0
-31,0
3
1000
32794,3
-13,2
4
5000
28265,9
-6,3
5
10000
28522,9
-7,1
6
20000
26383,7
-9,4
Представленный пример демонстрирует основные характеристики биоэлектрического импеданса легких и дыхательных путей у больного легким течением бронхиальной астмы, имеющего умеренное снижение вентиляционных показателей по обструктивному типу.
Пример 3.
Пациентка К., 29 лет. Диагноз: Пневмония, очаговая, в нижних долях справа и слева, не тяжелое течение. ОДН. Показатели спирограммы:
Таблица 15
Показатель ФВД
Значение (%)
Показатель ФВД
Значение (%)
ЖЕЛ
78
ПОС
76
ФЖЕЛ
71
МОС<sub>25</sub>
81
ОФВ<sub>1</sub>
65
МОС<sub>50</sub>
75
ОФВ<sub>1</sub>/ЖЕЛ
91
МОС<sub>75</sub>
54
ОФВ<sub>1</sub>/ФЖЕЛ
89
МВЛ
71
СОС<sub>25-75</sub>
69
При измерении параметров биоэлектрического импеданса легких и дыхательных путей получены следующие значения:
4. Симметричное расположение 2-го электрода по средним подмышечным линиям на уровне VI межреберья (1-й электрод расположен в мундштуке ингалятора).
Таблица 16
№ п/п
Частота зондирующего переменного электрического тока (Гц)
|Z|
φ
1
20
92564,1
-18,5
2
98
61599,7
-15,7
3
1000
40299,5
-13,4
4
5000
32745,7
-9,1
5
10000
32311,5
-11,4
6
20000
30072,4
-14,3
5. Расположение 2-го электрода по средней подмышечной линии слева на уровне VI межреберья (1-й электрод расположен в мундштуке ингалятора).
Таблица 17
№ п/п
Частота зондирующего переменного электрического тока (Гц)
|Z|
φ
1
20
77410,1
-7,6
2
98
59998,0
-17,8
3
1000
39616,8
-12,8
4
5000
33411,7
-8,7
5
10000
33291,4
-11,6
6
20000
24009,1
-12,5
6. Расположение 2-го электрода по средней подмышечной линии справа на уровне VI межреберья (1-й электрод расположен в мундштуке ингалятора).
Таблица 18
№ п/п
Частота зондирующего переменного электрического тока (Гц)
|Z|
φ
1
20
91263,5
-6,2
2
98
66967,5
-20,4
3
1000
39934,3
-16,9
4
5000
29676,4
-10,1
5
10000
28289,2
-11,5
6
20000
25739,6
-13,3
Представленный пример демонстрирует основные характеристики биоэлектрического импеданса легких и дыхательных путей у больной очаговой двухсторонней нижнедолевой пневмонией, имеющей умеренное снижение вентиляционных показателей по смешанному типу. Выявлено увеличение модуля импеданса и уменьшение угла фазового сдвига на частотах зондирующего переменного электрического тока 20, 98 и 1000 Гц.
Предлагаемый способ отличается от известного следующими особенностями. В предлагаемом способе используется определение биоэлектрического импеданса легочной ткани и дыхательных путей, имеется возможность оценить как общий импеданс органов дыхания, так и региональные изменения, осуществляется исследование в режиме поличастотного анализа, что позволяет оценить компоненты кровотока, альвеолярно-капиллярного барьера и различного калибра дыхательных путей.
Данное описание и примеры рассматриваются как материал, иллюстрирующий изобретение, сущность которого и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле изобретения, совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.