Одноканальная электронная аускультативная дифференциация звуков вдоха при хронической обструктивной болезни легких и бронхиальной астме

УДК 616-057/616.24-008.4:616-071:001.5

А. Ю. Глазова, Е. Ю. Тур, А. А. Макаренкова, М. А. Похазникова

Одноканальная электронная аускультативная дифференциация звуков вдоха

при хронической обструктивной болезни легких и бронхиальной астме

Ключевые слова: ХОБЛ, БА, электронная аускультация, среднеквадратичное значение СПМ, звуки вдоха, длительность вдоха.

Keywords: chronic obstructive pulmonary disease, asthma, electronic stethoscope, total spectral power in terms of root mean square, inspiratory sounds, inspiratory duration.

Приведены результаты исследований звуков вдоха у больных хронической обструктивной болезнью легких и бронхиальной астмой. С помощью одноканальной регистрации звуков дыхания электронным, стетоскопом и последующей компьютерной обработки данных выявлены и дифференцированы объективные аускультативные признаки, характеризующие каждую из указанных патологий. Предложены физические модели генерации звуков дыхания при наличии морфологических изменений в легких, обусловленных указанными заболеваниями.

Введение

К главным задачам дифференциальной диагностики бронхиальной астмы (БА) и хронической обструктивной болезни легких (ХОБЛ) относится выявление признаков, характерных для каждого заболевания. Исследования по установлению корреляционных связей между субъективными вербальными моделями звуков дыхания и объективными акустическими характеристиками были начаты еще в середине прошлого века [1]. Компьютерный анализ звуков дыхания позволил определить диапазоны дополнительных звуков дыхания (сухие и влажные хрипы, свисты, крепитация и т. д.), классифицировать звуковые паттерны, источниками которых являются морфологические и физические изменения в бронхолегочной системе человека при возникновении в ней патологических процессов. В последние годы разрабатываются методы количественной оценки аускультативных признаков, содержащихся в фазах дыхательного цикла (вдоха и выдоха), их

интенсивности, спектрального состава. В этих целях созданы специализированные многоканальные фоноспирографические комплексы [2]. Вместе с тем одноканальная регистрация звуков дыхания благодаря удобству использования врачами (в том числе в полевых условиях) остается наиболее распространенным методом аускультации.

Хроническая обструктивная болезнь легких и бронхиальная астма характеризуются собственными факторами риска, патогенетическими механизмами, диагностическими критериями, но в некоторых случаях сложно различить ХОБЛ и БА в клинической практике, особенно в первичном звене здравоохранения. Идея, что компьютерный анализ звуков дыхания может улучшить дифференциальную диагностику хронической обструктивной болезни легких и бронхиальной астмы, была рассмотрена в ряде работ. Так, Malmberg и коллеги [3] сообщали, что при стандартизированном расходе вдыхаемого воздуха медианная частота спектра звуков вдоха выше у пациентов с астмой, чем у пациентов с ХОБЛ и здоровых людей, а общая спектральная мощность с точки зрения среднеквадратичного значения выше у пациентов с астмой, чем у пациентов с ХОБЛ. А. А. Гусейнов [4] выявил разницу в площади под кривой спектрограммы в высокочастотном диапазоне (5—12,6 кГц) у пациентов с ХОБЛ и астмой.

Цель исследования

Изучение акустических характеристик звуков вдоха у больных ХОБЛ и БА и выявление в них отличительных характерных аускультативных признаков при регистрации звуков электронным одноканальным стетоскопом с последующей компьютерной обработкой.

Методика исследований

Исследования проводились по методике, разработанной авторами [5] в клинических условиях на базе кафедры семейной медицины Северо-Западного государственного университета им. И. И. Мечникова (Санкт-Петербург). Пациенты были полностью осведомлены о процедуре и подписали информационные согласия. Звуки дыхания регистрировались стетоскопом Littmann 3200, который отвечает всем требованиям по электрической, экологический и гигиенической безопасности и разрешен Росздравнад-зором к продаже и применению на территории РФ.

Запись данных осуществлялась в малошумном помещении клиники, в котором уровни звукового фона были на 30 дБ ниже полезного сигнала (звуков дыхания). Регистрация звуков дыхания и их первичная обработка выполнялись с помощью стетоскопа Littmann 3200 в режиме «Расширенный», что согласно документации [3] соответствует цифровой регистрации на частотах 20—2000 Гц с линейной частотной характеристикой от 50 до 500 Гц, затем сигналы были дополнительно программно отфильтрованы в диапазоне 100—1500 Гц.

Аускультация звуков дыхания проводилась последовательно в четырех симметричных точках грудной клетки: слева и справа на уровне 2-го ребра по средней подключичной линии (далее 2Л и 2П) и на уровне 7-го ребра под углом лопатки (справа и слева) в точках 7П и 7Л (рис. 1). Обследуемый находился в положении сидя, продолжительность каждой записи 18 с. Звуки дыхания регистрировались при спокойном, глубоком дыхании пациента, при отсутствии кашля или одышки, что позволило обеспечить сравнение звуков дыхания во всех группах обследуемых пациентов.

Были обследованы следующие группы пациентов (диагнозы были предварительно верифицированы стандартными клиническими методами функциональной диагностики, включая спирометрию):

1) пациенты с хронической обструктивной болезнью легких (легкая и средняя тяжесть заболевания, возраст от 48 до 69 лет, средний возраст 57 лет, активные и бывшие курильщики, всего 17 человек), рентген легких не выявил патологий;

2) пациенты с бронхиальной астмой (легкая стадия, интермитирующее течение, легкая, среднетя-желая стадии, персистирующее течение, возраст от 59 до 78 лет, средний возраст 67,1 года, некурящие, всего 20 человек);

3) контрольная группа — здоровые лица (некурящие, возраст от 29 до 71 года, средний возраст 40,2 года, всего 19 человек).

Было записано 220 звуковых «портретов» больных и здоровых пациентов, все больные находились в стадии ремиссии.

Зарегистрированные данные предварительно оценивались визуальным анализом спектрограмм звуков дыхания, которые представляют собой распределение «мгновенных» спектров как функции времени. Под «мгновенным» спектром понимается спектр, осредненный за интервал времени §£, существенно меньший, чем интервал времени 8Т, характерный для изучаемого процесса. Для звуков дыхания в качестве интервала 8T выбирают время одного дыхательного цикла (вдох-пауза-выдох-пауза). В этом случае характерное время осреднения 8t не превышает 5—10 % дыхательного цикла. В физической акустике подобное представление данных называют «фоноспирограмма» (фоно — звук, спиро — дыхание, грамма — рисунок). Пример характерной фоноспирограммы пациента с БА с наличием сухих хрипов на выдохе приведен на рис. 2.

Предварительные исследования показали, что временная обработка сигналов эффективна только для высокоинтенсивных паттернов, содержащихся в звуках дыхания (хрипов, свистов и др.). В связи с этим для сравнения данных использовались спектральные методы исследования, а именно одноточечные параметры спектральной плотности мощно-

Рис. 1 \ Точки регистрации звуков дыхания

i -

0,5 -0

-0,5 -

-1 L

0

1000 900 800 700 600 М 500 400 300 200

10

Spectrogramma

12

14

16

18

100

10

12

14

16

18

-10

-20

-30

-40

-50

-60

Рис. 2 | Сигналограмма и фоноспирограмма больного БА с сухими хрипами на выдохе

сти (СПМ): среднеквадратичное значение отсчетов (СКЗ), частотные пределы СПМ (медианная частота), F75, Fgo. Среднеквадратичное значение отсчетов СКЗ рассчитывалось по следующей формуле:

= . IT f

X_

V N

X„

1

где Хп — амплитуда отсчетов СМП.

Выбор указанных критериев был также обусловлен удобством сопоставления наших результатов с результатами других исследователей.

К сожалению, не все записанные данные были использованы в исследовании. Предварительный анализ показал, что стетоскоп Ыйтапп 3200 хорошо защищен от внешнего звукового фона, но сильно чувствителен к воздействию структурных помех, источниками которых может являться касание зву-копроводов тела пациента, дрожание руки исследователя (естественный тремор мышц руки при нагрузке в процессе прижатия головки стетоскопа к поверхности грудной клетки пациента) и даже незначительное трение оливы оголовья стетоскопа в ушной раковине. Указанные причины приводят к появлению широкополосных кратковременных помех, которые вносят существенные искажения в полезный сигнал, поэтому такие записи или их фрагменты были удалены из исследования. В ряде случаев были обнаружены высокоинтенсивные звуки сердца на протяжении всей записи. Звуки выдохов не рассматривались, поскольку их характеристики сильно зависят от степени бронхиальной обструкции. Кроме того, не во всех сигналах можно было выявить начало и конец выдоха акустиче-

ским методом. Таким образом, количество обследуемых в рассматриваемых группах было следующим: ХОБЛ — 8 пациентов, бронхиальная астма — 11 пациентов, контрольная группа — 13 пациентов.

Фазы вдоха извлекались с помощью звукового и визуального анализа спектрограммы. Формальным критерием для определения начала и конца фазы вдоха являлся уровень собственных шумов стетоскопа (—40 дБ относительно максимального спектрального отсчета). Фазы вдоха от 3 до 8 циклов дыхания усреднялись, после чего выполнялся спектральный анализ осредненного сигнала методом Велча (512-точечное быстрое преобразование Фурье, 50 % перекрытия соседних окон, сглаживающее окно Хеннинга). Определялась средняя продолжительность вдоха для каждой записи. Статистическая значимость полученных различий анализировалась с помощью непараметрического критерия Манна—Уитни, уровень статистической значимости p < 0,05 был принят как достаточный.

Результаты исследования и их обсуждение

В результате проведенных исследований было установлено, что частотный диапазон звуков вдоха независимо от групп обследуемых пациентов сосредоточен в диапазоне низких звуковых частот от 50 до 350 Гц. Это, по нашему мнению, объясняется тем, что регистрация звуков дыхания проводилась стетоскопом Littmann 3200 в режиме «Расширенный», при котором АЧХ линейна (акцентируется) в полосе частот 50-500 Гц.

Анализ рассчитанных значений параметров с по-

2

4

6

8

0

2

4

6

8

21

Клиническая медицина

Таблица Значения и доверительные интервалы (р = 0,05) рассчитанных параметров для различных исследуемых групп

Параметр ХОБЛ Астма Контроль

СКЗ, дБ 2,34 ± 1,47 5,46 ± 2,57 5,34 ± 2,85

Р50, Гц 107,6 ± 9,4 110,1 ± 5,5 106,3 ± 3,9

^75, Гц 158,7 ± 10,7 141,0 ± 10,6 133,9 ± 10,2

^90, Гц 319,11 ± 60,2 350,49 ± 25,2 275,6 ± 26,3

Продолжительность вдоха, с 1,17 ± 0,06 1,07 ± 0,06 0,85 ± 0,03

мощью и-критерия Манна—Уитни показал, что статистически значимыми признаками являются среднеквадратичное значение (СКЗ) звуков вдоха и его продолжительность. Как видно из таблицы и рис. 3, минимальное значение СКЗ звуков фаз вдоха было выявлено у больных ХОБЛ, максимальное у пациентов с БА. У здоровых людей СКЗ близко к значению больных астмой. Развитие ХОБЛ у пациентов приводит к ряду морфологических изменений в бронхолегочной системе: гиперсекреции слизи, фиброзированию и структурной перестройке бронхиол, альвеол, разрушению связей между альвеолярными стенками с мелкими бронхами, формированию «воздушных ловушек» — ремоделированию дыхательных путей. Все эти изменения являются причинами возникновения в бронхолегочной системе дополнительных высокочастотных, интенсивных звуков. Известно, что ХОБЛ характеризуется нарушением архитектоники паренхимы легкого и снижению ее эластичности, поэтому при данном состоянии она представляет собой мелкопористую биоткань и является естественным фильтром, поглощающим высокочастотные составляющие звука.

Генерация звуков дыхания у больных БА происходит в более крупных воздуховодных путях (бронхи 6—8-го порядка), и поэтому частотный диапазон звуков более низкий, чем при ХОБЛ. Вместе с тем

они более энергоемкие за счет предрасположенности к свистам, к тому же звукопоглощающие свойства паренхимы оказывают меньшее влияние на звуки низких частот. Именно поэтому СКЗ отсчетов СПМ вдоха у пациентов с астмой выше, чем у звуков вдоха больных ХОБЛ.

Как было установлено, аускультативная продолжительность вдоха у больных ХОБЛ на 9 % выше продолжительности у больных БА, а по сравнению с продолжительностью вдоха здоровых людей — на 27 % (рис. 4). Эти результаты коррелируют с результатами работы [7] и могут быть объяснены наличием у больных ХОБЛ одышки, обструкции бронхиол (16—18-го порядка), увеличивающих время вдоха. По нашему мнению, эти эффекты должны изучаться на большой выборке групп пациентов, потому что, как правило, пациенты с ХОБЛ характеризуются одышкой и увеличенной продолжительностью выдоха. Возможно, полученные нами результаты могут быть объяснены психологическим контролем своего дыхания (больные ХОБЛ могли дышать глубже обычного в ходе обследования) или наличием различной степени бронхиальной обструкции среди обследуемых групп.

В отличие от исследования Ма1тЬе^ и коллег [3] статистически значимых различий между значениями медианной частоты СПМ в исследуемых

25 -

20 -

* ХОБЛ о БА

х контрольная группа

М

* 15 м К О

10

5

+

о° О

+ о о О

о

+ О о о

+ О о

±Л_

_Д2_

Ою

_1_

х * Xх X

•• • | X '•' х хх?

10

20

30 40

Номер записи

50

60

0

Рис. 3

Полученное в результате эксперимента распределение среднеквадратичного отклонения отсчетов спектральной мощности звуков дыхания у пациентов с ХОБЛ, астмой и у здоровых людей

1,4

1,2

о н

л

Ц

щ &

S й ч о чд о а К

+ ХОБЛ О БА

х Контрольная группа

++ + + + ++о0 о0

О

1,0

О О О

о

о о-

0,6

О X

ххх

X ххх

X „ X х

х хх.

х х

0,4 0

J_

10

20

30

Номер записи

40

50

60

Рис. 4

Полученное в результате эксперимента распределение длительности вдоха у пациентов с ХОБЛ, астмой и у здоровых людей

группах нами не найдено. Скорее всего, это связано с тем, что стетоскоп ЪШтапп 3200 имеет узкую частотную полосу — 100—500 Гц, его АЧХ на частотах ниже 100 Гц и выше 500 Гц нелинейна, а значение медианной частоты существенно зависит от симметричности распределения частотных составляющих.

Таким образом, в результате проведенных исследований можно утверждать, что выявленные различия в СКЗ отсчетов СПМ звуков вдохов являются отличительными характерными аускуль-тативными признаками, присущими только каждому из хронических заболеваний бронхолегочной системы. Для более детального изучения рассмотренных аускультативных признаков необходимо использовать электронные стетоскопы, у которых АЧХ линейна в широком диапазоне частот, а также разрабатывать новые программные продукты обработки сигналов, базирующих на моделировании физических и математических процессов функционирования бронхолегочной системы человека. Исследования следует проводить при значительно большем объеме электронной базы звуков дыхания.

Заключение

Результаты выполненных исследований позволяют сделать следующие выводы.

1. Разработан акустический метод выявления характерных звуковых признаков, возникающих при вдохе у больных ХОБЛ и больных БА.

2. Обнаружено, что интенсивность звуков вдоха у больных ХОБЛ существенно ниже, чем у пациентов с БА, при этом осредненная продолжительность вдоха у больных ХОБЛ выше.

3. Для более эффективной дифференциации различных бронхолегочных патологий необходимо улучшать качество регистрации сигналов: использовать

электронные стетоскопы с более широким линейным диапазоном АЧХ, лучшей помехозащищенностью и более совершенные программные продукты для обработки звуков дыхания. Кроме того, регистрация объемов вдоха и выдоха позволит в большей степени стандартизировать условия эксперимента, повысить качество обработки сигнала. Наконец, необходимы увеличение электронной базы звуков дыхания при ХОБЛ и БА и более широкомасштабное изучение особенностей звуков дыхания при этих заболеваниях.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 16-0700599 «Модели, методы и система интеллектуального телемедицинского мониторинга состояния здоровья человека и прогнозирования обострения заболеваний».

Литература

1. Зислин Д. М., Розенблат В. В., Лихачева Е. И. Объективное исследование дыхательных шумов с помощью частотного анализа // Терапевтический архив. 1969. № 11. С. 108—112.

2. Технические условия. Комплекс фоноспирографический компьютерный «КоРА-03М1». ТУ У33.105417354 001:2006.

3. Malmberg L. P., Pessu L., Sovijarvi A. R. Significant differences in flow standardized breath sound spectra in patients with chronic obstructive pulmonary disease, stable asthma and healthy lungs // Thorax. 1995. N 50. P 1285-1291.

4. Гусейнов А. А. Акустический анализ дыхательных звуков в дифференциальной диагностике бронхиальной астмы и хронической обструктивной болезни легких: сб. материалов III Нац. конгресса терапевтов. М.: 2008. С. 63-64.

5. Comparison of inspiratory chest lung sounds in patients with asthma, COPD and healthy lungs / А. Y. Glazova, E. Y. Tur, A. A. Makarenkova [et al.] // Proceedings of the 40th Annual Conference of the International Lung Sounds Association. St. Petersburg, Russia. 24-25 Sept. 2015. P. 25-26.

6. Остроносова Н. С. Хроническая обструктивная болезнь легких. М.: Академия естествознания, 2009. 47 с.

7. Акустическая объективизация звуков дыхания больных ХОБЛ / А. В. Басанец, О. В. Ермакова, А. П. Макаренков, А. А. Макаренкова // Укр. журн. з проблем медицини пращ. 2010. № 3 (23). С. 47-55.