АКУСТИКА ЖИВЫХ СИСТЕМ. БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКУСТИКА
УДК 534.222
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОХОЖДЕНИЯ СЛОЖНЫХ ЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ В ДЫХАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ ЧЕЛОВЕКА © 2010 г. В. И. Коренбаум, А. В. Нужденко, А. А. Тагильцев, А. Е. Костив
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения РАН. Научно-образовательный центр "Медицинская физика" Дальневосточного государственного университета
E-mail: v-kor@poi.dvo.ru Поступила в редакцию 29.03.09 г.
Путем просветного зондирования легких человека сложными акустическими сигналами в полосе частот от 100 до 1000 Гц впервые удалось явно подтвердить наличие двух одновременно существующих механизмов прохождения звуковых колебаний из полости рта на поверхность грудной клетки, отличающихся результирующей скоростью распространения. Численные значения задержек времени распространения позволяют связать первый из этих механизмов с комбинированным воздушно-структурным прохождением, а второй — с чисто структурным.
ВВЕДЕНИЕ
Распространение звука в дыхательной системе человека представляет собой один из наиболее сложных вопросов респираторной акустики. Сложность строения респираторного тракта уже давно вызывала предположения о существовании нескольких путей проведения звуковых колебаний на стенку грудной клетки. Впервые существование 2 основных путей проведения звуков голоса на грудную стенку: по просвету дыхательных путей (воздушный) и по тканям легкого (структурный) — было постулировано в работе [1]. Аналогичные идеи позднее высказывались в [2], где была сделана попытка обоснования механизма воздушного проведения на основе феномена акустического резонансного контура (податливость воздуха в терминальных частях бронхиального дерева и масса грудной стенки), обеспечивающего передачу плоских звуковых волн, распространяющихся по воздушному просвету дыхательных путей (ДП), на стенку грудной клетки. Напротив, в работах [3, 4] получил акустическое обоснование механизм структурного проведения, в качестве источника которого были идентифицированы цилиндрические пульсации крупных ДП, передаваемые через ткани и паренхиму легких на стенку грудной клетки.
Авторы [5] с помощью метода структурной ин-тенсимметрии зафиксировали спектральные различия проведенных звуков голоса над верхними и нижними отделами легких и предложили акустические модели [5, 6], интерпретирующие этот эффект с позиций взаимного наложения воздушного и структурного проведения. Более того, клинический эксперимент [7] выявил высокие диагностические характеристики метода [5] в выявлении очаговой пневмонии, что косвенно под-
тверждает адекватность предложенных акустических моделей [5, 6]. Однако теоретическими работами [8, 9] было показано, что чисто воздушное проведение из полости рта до самой стенки грудной клетки, по крайней мере, в диапазоне частот 100—500 Гц невозможно. Речь должна, скорее, идти о комбинированном воздушно-структурном механизме, когда звуковые колебания часть пути проходят по просвету ДП, а часть — по тканям паренхимы легких. На эту же мысль наводят результаты экспериментального определения скорости распространения звука в респираторном тракте, полученные ранее в статьях [10, 11], которые продемонстрировали, что средняя скорость звука оказывается в этом случае примерно на порядок меньше чем в неограниченной воздушной среде. Наконец, недавно с помощью кросскорреляци-онной обработки было экспериментально показано, что скорости распространения механических колебаний с частотами около 100 Гц при их введении в полость рта (предположительно воздушно-структурное проведение) [12] почти вдвое больше, чем при их введении в надключичную область грудной клетки (предположительно чисто структурное проведение) [13]. При этом задержки распространения зондирующих сигналов к акустическим датчикам, расположенным на поверхности грудной клетки, составляли 1—6 мс для эксперимента [12] и 4—13 мс — для эксперимента [13].
В свете изложенного для уточнения механизмов проведения звуковых колебаний в дыхательной системе человека оказывается необходимым оценивать временные задержки порядка нескольких миллисекунд. Известно (см., например, [14]), что использование свертки излученного и принятого сложных сигналов позволяет обеспечить вы-
сокое разрешение во временной области, обратно пропорциональное полосе частот зондирующего сигнала, и выделять приходы сигнала, соответствующие различным путям его распространения.
Цель исследования — экспериментальная оценка возможностей просветного зондирования сложными акустическими сигналами для выявления различных механизмов проведения звуковых колебаний в дыхательной системе человека, отличающихся скоростью распространения.
МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ
Использовано два вида сложных зондирующих сигналов:
1) линейно частотно-модулированный (ЛЧМ) сигнал с частотами от 80 до 1000 Гц, перестраиваемыми за время 20 с;
2) фазоманипулированный (ФМ) сигнал на основе последовательно генерируемых трех 511 символьных ^-кодированных последовательностей с различающимися несущими частотами (200, 300, 750 Гц), общая продолжительность сигнала 2.5 с.
Автокорреляционная функция обоих сигналов, в принципе, обеспечивает временное разрешение порядка 1 мс. Однако искажения спектров откликов сигналов с акустических датчиков, размещенных на поверхности грудной клетки, по сравнению с математической моделью сигнала, приводят к ухудшению временного разрешения, особенно в нижних областях легких.
Разработана лабораторная установка для акустического зондирования легких человека искусственными сигналами, включающая в себя динамик системы возбуждения с маской, запи-тываемый через усилитель с линейного выхода звуковой карты ПК, систему акустических датчиков акселлерометрического типа, подключаемых к аналоговым входам электронного самописца компьютерной лаборатории PowerLab (ADInstru-ments). Разработанные акустические датчики ак-селерометрического типа, в отличие от обычных микрофонных [15], устойчивы к паразитному проникновению полезного сигнала по воздуху (подавление помехи не менее 60 дБ). Чувствительность акустических датчиков по виброускорению составляет 3—4 мВ/мс-2 с неравномерностью частотной характеристики не хуже 3 дБ в диапазоне частот от 80 до 1000 Гц. Масса — не более 20 г.
В ходе пилотного эксперимента каждому из троих его участников (№ 1, № 2, № 3) выполнено несколько последовательных попыток зондирования дыхательной системы обоими типами сигналов. Зондирующие сигналы подавались в полость рта через сменный мундштук, фиксируе-
мый в маске динамика системы возбуждения. Обследуемый делал глубокий вдох, плотно обхватывал губами мундштук и начинал маневр медленного выдоха, после чего по его знаку включалось излучение зондирующего сигнала. Во избежание закрытия надгортанника маневр медленного выдоха продолжался до полного окончания зондирующего сигнала. Прошедшие на поверхность тела сигналы, т.е. отклики, регистрировались тремя акустическими датчиками. Они были приклеены с помощью двусторонней липкой ленты в яремной ямке над нижней частью трахеи, в средней и в нижней областях правого легкого по околопозвоночной линии. Запись проведенных сигналов с акустических датчиков осуществлялась на электронный самописец. Частота дискретизации 10 кГц. Синхронно с откликами датчиков записывалась электрическая копия зондирующего сигнала с входа динамика системы возбуждения.
Операция свертки осуществлялась вычислением взаимного спектра синхронных фрагментов электрической копии зондирующего сигнала с откликами акустических датчиков, с последующим обратным преобразованием Фурье и взятием модуля.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Характерный вид полученных сверток откликов и зондирующего сигнала для различных областей легкого показан на рис. 1—3. Разметка отражает следующее: 1 — первый приход зондирующего сигнала, прошедшего через дыхательную систему человека; 2 — второй приход зондирующего сигнала, прошедшего через дыхательную систему человека; А — время задержки электромагнитной наводки от зондирующего сигнала; В — время задержки распространения зондирующего сигнала от динамика по воздуху, окружающему грудную клетку; С — время задержки первого максимума 1 прихода зондирующего сигнала, прошедшего через дыхательную систему человека; D — время задержки первого максимума 2 прихода. По полученным сверткам определены задержки времени между излучением зондирующего сигнала и приемом первого максимума откликов (С) первого прихода (табл. 1). В нижних областях легких выявлено два прихода зондирующего сигнала (рис. 3), задержка между которыми (C—D) представлена в табл. 2. В средних областях легких (рис. 2) для ЛЧМ сигнала, который имеет более выраженные низкочастотные составляющие, чем ФМ сигнал, также выявлено два прихода зондирующего сигнала, задержка между которыми (C—D) представлена в табл. 3. Для ФМ сигнала здесь второй приход выделялся, за исключением отдельных случаев, недостоверно (н/д).
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОХОЖДЕНИЯ СЛОЖНЫХ ЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ
539
1.2 1
X н о
я
к ^
я ч
Л Л О
X
-0.2
0
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
0.030
0.035
Я н о
я
к ^
я ч
Л Л
£
16
14 -
12
10
0.005
0.010
0.015 0.020 Время, с
0.025
0.030
0.035
Рис. 1. Свертка зондирующего сигнала и отклика над нижней частью трахеи: (а) ЛЧМ сигнал, 3 попытки, (б) ФМ сигнал, 1 попытка.
1 — первый приход зондирующего сигнала, прошедшего через дыхательную систему человека; А — время задержки электромагнитной наводки от зондирующего сигнала; В — время задержки распространения зондирующего сигнала от динамика по воздуху, окружающему грудную клетку; С — время задержки первого максимума 1 прихода зондирующего сигнала, прошедшего через дыхательную систему человека.
0
X н о
я
и ^
я
ч р
р
О
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
0.030
0.035
д
X н о
я
и ^
я
ч р
р &
-0.5
0.005 0.010 0.015 0.020
Время, с
0.025
0.030
0.035
0
0
Рис. 2. Свертка зондирующего сигнала и отклика над средней областью правого легкого: (а) ЛЧМ сигнал, 3 попытки, (б) ФМ сигнал, 1 попытка.
1 — первый приход зондирующего сигнала, прошедшего через дыхательную систему человека; 2 — второй прих
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.