СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ ФУНКЦИИ ЛЕГКИХ ЧЕЛОВЕКА ПРИ НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
METHOD OF CONTROLLING STATE OF VENTILATION FUNCTION OF HUMAN LUNGS UNDER UNFAVOURABLE IMPACT

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для неинвазивного оперативного контроля состояния вентиляционной функции легких при неблагоприятных воздействиях на дыхательную систему человека.
Известны и широко применяются в клинической практике субъективные акустические способы диагностики нарушений вентиляционной функции легких, основанные на выслушивании врачом возникающих в легких звуковых явлений - аускультация легких. Аускультация легких осуществляется путем прикладывания к поверхности грудной клетки инструмента для выслушивания дыхательных звуков (Аускультация. БМЭ, Т.2. М.: 1957, C.1155-1158; Пропедевтика внутренних болезней. Под ред. В.Х.Василенко и А.Л.Гребнева. М.: Медицина, 1983, С.54-57 и 132-143; Пропедевтика детских болезней: Практикум / Под ред. В.В.Юрьева. - СПб.: Питер, 2002. - С.262-266).
Способом объективной акустической диагностики является способ определения одной из характеристик вентиляционной функции легких, а именно бронхиальной проходимости, в основе которого лежит вычисление такого физиологического параметра, как нормированная продолжительность шумового процесса (п. РФ №2291666).
Недостатком способов-аналогов является невозможность их непосредственного использования для оперативного контроля состояния вентиляционной функции легких человека при неблагоприятных воздействиях.
В качестве прототипа рассмотрен способ контроля состояния вентиляционной функции легких человека при бронхопровокационных пробах с метахолином (Восприимчивость дыхательных путей. Стандартизированные провокационные тесты с фармакологическими физическими и сенсибилизирующими раздражителями у взрослых. Доклад рабочей группы «Стандартизация легочных функциональных тестов» европейского сообщества стали и угля» // Приложение к журналу Пульмонология, 1993 С.64-68), при котором в качестве значимого физиологического параметра вентиляционной функции легких измеряют объем форсированного выдоха за первую секунду (ОФВ1) до и после воздействия. Вычисляют динамику данного параметра в процентах после воздействия относительно его значения до воздействия, сравнивают величину динамики параметра в процентах с ранее полученным пороговым значением и путем сравнения полученных значений принимают решение о наличии изменений вентиляционной функции легких в ответ на данное неблагоприятное воздействие.
Недостатками прототипа являются недостаточная чувствительность к начальным минимальным изменениям вентиляционной функции легких, а также опасность перекрестного воздушно-капельного инфицирования обследуемых, поскольку измерения проводятся во вдыхаемых/выдыхаемых человеком потоках воздуха. Для борьбы с последним недостатком необходима стерилизация оборудования либо запас одноразовых расходных материалов (мундштуки, фильтры). Однако эти решения затрудняют использование способа-прототипа в полевых условиях.
Задача заявляемого способа - повышение чувствительности способа к начальным минимальным изменениям вентиляционной функции легких и исключение опасности перекрестного воздушно-капельного инфицирования обследуемых в полевых условиях.
Поставленная задача достигается тем, что для контроля состояния вентиляционной функции легких человека используют способ, основанный на измерении нового физиологического параметра, характеризующего вентиляционную функцию легких - динамики продолжительности шумов форсированного выдоха, зарегистрированных на трахее в полосе частот 200-2000 Гц до и после воздействия, при этом продолжительность шумов форсированного выдоха определяют по огибающей шумового процесса, вычисление динамики данного параметра осуществляют в процентах относительно его значения до воздействия, сравнивают величины динамики параметра в процентах с ранее определенным пороговым значением данного параметра и при превышении полученной величиной порогового значения фиксируют наличие негативных изменений в вентиляционной функции легких в ответ на неблагоприятное воздействие.
Диапазон основных шумов форсированного выдоха лежит в полосе частот сигнала от 200 до 2000 Гц, чем и определяется выбор данного интервала частот в заявляемом способе (Коренбаум В.И. и др. Акустические эффекты в системе дыхания человека при форсированном выдохе // Акустический журнал, 1997. Т.43. №1. С.78-86).
Вычисление пороговых значений основывается на известных методических подходах вычисления пороговых значений физиологических параметров, например, R.Pellegrino, G.Viegi, V.Brusasco, et al. Interpretative strategies for lung function tests // Eur Respir J 2005; 26. P.949, заключающихся в определении границы 95% доверительного интервала нормальных значений. Так, пороговое значение динамики продолжительности шумов форсированного выдоха можно определить предварительно на репрезентативной выборке здоровых лиц, одного с обследуемым пола и возрастной группы, подвергая их конкретному неблагоприятному воздействию и вычисляя 95% перцентиль динамики продолжительности шумов форсированного выдоха в процентах после воздействия относительно ее значения до воздействия по данной группе. Или более точно пороговое значение динамики продолжительности шумов форсированного выдоха можно определить для каждого обследуемого индивидуально, вычисляя величину, равную 1,65 коэффициента вариации, по результатам трех воспроизводимых измерений продолжительности шумов форсированного выдоха, выполненных до неблагоприятного воздействия.
Заявляемый способ с использованием данного акустического параметра позволяет повысить чувствительность способа контроля состояния вентиляционной функции легких человека в ответ на неблагоприятные воздействия, резко упростить и обезопасить процедуру обследования и делает его пригодным для применения в полевых и экстремальных условиях (водолазные погружения, космические полеты, автономное подводное плавание и т.д.), а также в чрезвычайных ситуациях (технологические и природные катастрофы, химические отравления, боевые действия и т.д.) для контроля состояния попавших в эти условия людей с целью своевременного проведения лечебных мероприятий (сортировки пострадавших), исключения несчастных случаев и продления сроков профессионального долголетия у лиц, профессионально работающих в экстремальных условиях.
Способ осуществляют следующим образом.
Обследуемому на область трахеи (боковая стенка гортани или яремная впадина) устанавливают акустический датчик. Обследуемый выполняет маневр форсированного выдоха (максимально полное и быстрое опорожнение легких после полного вдоха). Сигнал с акустического датчика записывается в компьютер и обрабатывается с использованием разработанной программы. Определяется продолжительность трахеальных шумов форсированного выдоха в полосе частот сигнала 200-2000 Гц путем вычисления огибающей шумового сигнала форсированного выдоха методом скользящего среднего с периодом осреднения 0,01 с и вычисления максимума амплитуды огибающей. По уровню 0,5% от максимального значения полученного значения амплитуды измеряют моменты начала и окончания шумового процесса. По разности моментов окончания и начала определяют продолжительность трахеальных шумов форсированного выдоха. Фиксируют результаты трех воспроизводимых попыток маневра форсированного выдоха, но в качестве оценки величины параметра до воздействия берется максимальная продолжительность, как характеризующая наилучшим образом выполненный маневр форсированного выдоха. Затем обследование повторяется после (или в процессе) неблагоприятного воздействия. Тело обследуемого должно находиться в том же положении, что и при измерениях до начала неблагоприятного воздействия. Обследуемый вновь выполняет три воспроизводимых маневра форсированного выдоха, продолжительности которых определяют так же, как и раньше. В качестве оценки величины параметра после неблагоприятного воздействия также берется максимальная полученная продолжительность, которая характеризует наилучшим образом выполненный маневр форсированного выдоха. Затем определяют динамику продолжительности трахеальных шумов форсированного выдоха в процентах, вычисляя разность значения после воздействия и значения до воздействия, деля ее на значение до воздействия и умножая на 100. Полученную величину динамики в процентах сравнивают с пороговым значением и при превышении полученной величиной порогового значения фиксируют наличие негативных изменений в вентиляционной функции легких в ответ на неблагоприятное воздействие.
Конкретное пороговое значение может быть получено двумя способами. Первый - более грубый способ - заключается в определении порогового значения по ансамблю здоровых лиц одного с обследуемым пола и той же возрастной группы, которых подвергают модельному неблагоприятному воздействию. В этом случае в качестве порогового значения определяют 95% перцентиль динамики продолжительности трахеальных шумов форсированного выдоха до и после модельного воздействия по исследуемому ансамблю лиц. Второй - более точный способ - заключается в индивидуальном определении порогового значения для конкретного индивидуума. В этом случае пороговое значение динамики продолжительности шумов форсированного выдоха определяют для каждого обследуемого индивидуально, вычисляя величину, равную 1,65 коэффициента вариации, по результатам трех воспроизводимых измерений продолжительности шумов форсированного выдоха, выполненных до неблагоприятного воздействия.
Первый способ задания порогового значения удобен в применении к лицам незапланированно попавшим в неблагоприятные для дыхательной системы условия, когда конкретно для них не имеется готовых нормативов пороговых значений. Второй способ задания порогового значения более удобен и точен для контроля состояния лиц, профессионально работающих в неблагоприятных условиях, для каждого из которых норматив порогового значения может быть определен в нормальных условиях заранее.
Сравнение предлагаемого способа с известными способами контроля состояния вентиляционной функции легких показывает, что он является новым и обладает изобретательским уровнем, поскольку для контроля вентиляционной функции легких предлагается использовать новый ранее для решения поставленной задачи не применяемый акустический параметр - относительную динамику продолжительности трахеальных шумов форсированного выдоха до и после неблагоприятного воздействия и сравнение его с определенными ранее для данного параметра пороговыми значениями. Именно это существенное отличие обеспечивает повышение чувствительности заявляемого способа, особенно к минимальным реакциям дыхательной системы человека на неблагоприятные воздействия по сравнению с прототипом, а также полностью исключает опасность перекрестного воздушно-капельного инфицирования обследуемых, характерную для прототипа.
Проиллюстрируем применение предлагаемого способа на конкретном примере. Способ был использован для контроля состояния вентиляционной функции легких в ответ на неблагоприятное воздействие - погружение под воду в кислородном дыхательном аппарате. До и после погружения обследовано 48 мужчин, которые совершили одиночные погружения в кислородных аппаратах ИДА-71. Водолазы, участвовавшие в погружениях, были сравнительно молодого возраста (18-29 лет) и имели преимущественно небольшой стаж подводных работ. Глубина погружений составила 3-10 м, время экспозиции - 15-90 мин. По группе в целом спирографический параметр (ОФВ1) до и после погружения находился в пределах нормальных значений. В то же время после погружения обнаружено его статистически значимое снижение, что свидетельствует о тенденции к ухудшению вентиляционной функции легких и согласуется с известными ранее результатами о неблагоприятном влиянии водолазных погружений на дыхательную систему.
Затем был выполнен анализ индивидуальной динамики продолжительности трахеальных шумов форсированного выдоха до и после погружения (Таблица).
Для записи трахеальных шумов форсированного выдоха использовали акустический датчик, чувствительным элементом которого служил универсальный электретный микрофон. Датчики подключают к стандартной 16-разрядной звуковой карте компьютера. Для ввода сигналов использовали специализированный пакет прикладных программ ПФТ-99 (Коренбаум В.И., Тагильцев А.А., Шубин С.Б. и др. Сб. Резюме 12-го Национального конгресса по болезням органов дыхания. (11-15 ноября 2002). L012. М.: НИИ Пульмонологии МЗ РФ, 2002), а для обработки сигналов - программные продукты SpectraLab (Sound Technology Inc.), MatLab (MathWorks Inc.).
Для оценки порогового значения динамики продолжительности трахеальных шумов использовался подход, связанный с определением 95% перцентиля динамики продолжительности трахеальных шумов форсированного выдоха по группе лиц, подвергнутых модельному воздействию. Группа состояла из 33 мужчин той же возрастной группы (18-29 лет). Модельное воздействие представляло из себя физическую нагрузку (степ-тест) в водолазном снаряжении, но на суше. При этом не у кого из обследуемых не было выявлено респираторных симптомов, динамика спирографического показателя ОФВ1 также оставалась у все нормальной. 95% перцентиль динамики продолжительности трахеальных шумов форсированного выдоха по группе составил 19,6%. Именно эта величина и была использована далее в качестве порогового значения для анализа результатов погружения.
В Таблице приведены результаты проведенного исследования динамики продолжительности трахеальных шумов форсированного выдоха после погружения и наличие респираторных симптомов, вызванных погружением.
Как мы видим из таблицы, у 10 человек №1, 5, 9, 16, 22, 23, 27, 35, 42, 46 (20,8% всей группы водолазов) отмечено значимое увеличение продолжительности трахеальных шумов форсированного выдоха на величину более 19,6%.
Таблица
№ водолаза
Динамика продолжительности трахеальных шумов форсированного выдоха, %
Наличие респираторных симптомов, вызванных погружением
1
46.9
+
2
5.8
-
3
-9.9
-
4
1.1
-
5
32.3
-
6
1.2
-
7
-7.4
-
8
-18.7
-
9
45.4
-
10
-10.8
-
11
6.0
-
12
16.3
-
13
-7.9
-
14
-11.1
-
15
10.5
-
16
27.5
-
17
-34.4
-
18
-16.7
-
19
-32.6
-
20
5.3
-
21
-16.5
-
22
22.9
-
23
134.4
+
24
-35.3
-
25
-11.2
-
26
3.8
-
27
128.0
+
28
-12.7
-
29
11.6
-
30
12.3
-
31
5.8
-
32
-4.5
-
33
4.6
-
34
5.9
-
35
26.6
-
36
17.9
-
37
-1.8
-
38
-5.9
-
39
12.3
-
40
-14.8
-
41
-16.4
-
42
30.2
-
43
1.6
-
44
-13.4
-
45
6.5
-
46
40.8
-
47
-18.1
-
48
18.7
-
Из 10 человек с существенной динамикой продолжительности трахеальных шумов форсированного выдоха у 2 водолазов (№1 и №23) наблюдалось одновременное ухудшение как акустических, так и спирографических параметров, при этом у них появилось першение за грудиной и малопродуктивный кашель, которых не было до погружения. Еще у одного водолаза (№27) со значимым увеличением продолжительности трахеальных шумов форсированного выдоха, но без спирографических изменений, в процессе погружения возникли позывы на кашель. У остальных обследуемых явных респираторных симптомов во время погружения и после него не наблюдалось.
Как мы видим, у 3 водолазов из 10, отреагировавших на погружение существенной динамикой продолжительности трахеальных шумов форсированного выдоха, после погружения имели место симптомы, характерные для начальных проявлений легочной формы отравления кислородом: першение за грудиной, позывы на кашель (Правила водолазной службы военно-морского флота. Часть II. Медицинское обеспечение водолазов военно-морского флота / Под наблюдением С.В.Никонова. - Москва: Воениздат, 2004. - С.122-137). С учетом модельных данных (Korenbaum VI, Pochekutova IA. Regression simulation of the dependence of forced expiratory tracheal noises duration on human respiratory system biomechanical parameters. J Biomechanics 2008. 41:63-68) полученные результаты свидетельствуют о появлении нарушений вентиляционной функции легких. Данный вывод подтверждается и наблюдаемыми у этих трех водолазов респираторными симптомами. В этом свете бессимптомное увеличение продолжительности трахеального шума форсированного выдоха после погружения у остальных 7 водолазов характеризует скрытую доклиническую фазу токсического воздействия кислорода на легкие, то есть свидетельствует о начальном минимальном изменении вентиляционной функции легких.
Токсическое воздействие высоких концентрации кислорода на бронхолегочную систему подтверждено многочисленными исследованиями, проведенными как на животных, так и с участием людей. В зависимости от величины парциального давления кислорода, экспозиции, индивидуальной чувствительности, сочетанного воздействия других неблагоприятных факторов (избыток углекислого газа, низкая и высокая температура, тяжелая физическая нагрузка) характер, выраженность, продолжительность нарушений функционального состояния респираторной системы могут быть различными. Механизмы возникновения и развития токсического эффекта кислорода на респираторную систему являются предметом интенсивного изучения. Неблагоприятные факторы, сопровождающие погружения, такие как увеличенное сопротивление дыханию, гипероксия, примесь в дыхательной смеси частичек натронной извести (поглотитель) или паров щелочи (регенеративное вещество) могут вызывать сужение просвета дыхательных путей, за счет утолщения их стенки вследствие воспаления. Так же одним из возможных механизмов уменьшения просвета дыхательных путей является наличие гиперреактивности бронхов, которая может быть результатом как врожденного биологического дефекта, либо быть приобретенной, в том числе и вследствие влияния хронической гипероксии.
Обращает на себя внимание, что признаки токсического поражения бронхолегочной системы развились у обследованных нами водолазов в сроки, которые не превышали допустимое время водолазных работ (Правила водолазной службы военно-морского флота. Часть II. Медицинское обеспечение водолазов военно-морского флота / Под наблюдением С.В.Никонова. - Москва: Воениздат, 2004. - С.122-137). Хотя следует заметить, что существующие на сегодняшний день лимиты экспозиции гипероксией разрабатывались произвольно, с ориентацией на более тяжелые системные токсические поражения (судорожная и сосудистая формы). До настоящего времени риски развития токсического повреждения легких плохо охарактеризованы, а значит, и нет возможности прогнозирования развития легочной формы отравления кислородом у конкретного водолаза. С учетом этого осуществление контроля состояния вентиляционной функции легких во время погружения, направленное на оперативное выявление ранних, желательно доклинических признаков вентиляционных нарушений, представляется весьма актуальным. Полученные нами результаты свидетельствуют о перспективности использования предлагаемого акустического способа в этих целях. Применение заявляемого способа в данном назначении позволит избежать несчастных случаев при погружениях и продлить сроки профессионального долголетия водолазов.
Назначение предлагаемого способа не исчерпывается рассмотренным примером водолазных погружений. Он может быть аналогично применен для оценки динамики вентиляционной функции легких и в других задачах специальной физиологии и медицины катастроф.