Акустичні характеристики звуків дихання та методи їх реєстрації і обробки (стр. 2 из 5)

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, основних висновків, списку літератури. Загальний об’єм містить 148 сторінок основного тексту, в тому числі 44 рисунка та 2 таблиці. Список літератури складається зі 137 найменувань та займає 15 стор.

Автор висловлює щиру вдячність своєму науковому керівнику д. ф. -м. н., академіку НАН України Віктору Тимофійовичу Грінченко за постановку задач, постійне наукове керівництво та увагу до роботи та д. мед. наук. А.В. Басанец за допомогу при проведенні досліджень по аускультації хворих на пневмоконіоз.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, її зв'язок з науковими програмами, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення роботи, а також надано загальну характеристику виконаної роботи.

Перший розділ присвячено огляду загальної проблематики досліджень звуків дихальній системі людини при її функціонуванні. Незважаючи на створення стетоскопів (Р. Лаеннек, 1816) і стетофонендоскопів(B. Sprague, 1926), аускультація залишалася мистецтвом, яка потребувала від лікаря гарного слуху, запам'ятовування та аналіз звукових феноменів. Прогрес у комп'ютерних технологіях, і великий обсяг інформації у звуках дихання, стимулювали, в 2-ій половині 20-го сторіччя, науковий та практичний інтерес до більш глибокого вивчення процесів аускультації.

У першому підрозділі розглянуті дослідження з аеродинаміки дихальної системи (Е. Вейбель, 1970, K. Horsfіeld, G. Dart, D. Olson, G. Fіlley, G. Cummіng, 1971, Дж. Уэста, 1988, J. Grotberg, 1994). Складність аеродинамічних досліджень системи, обумовлена великою розгалуженістю, біфуркаціями повітряних шляхів системи, нестаціонарністю потоків, переходу режимів течії в її елементах.

Захворювання дихальної системи змінюють морфологічні та механічні характеристики повітряних шляхів, що істотно змінює її аеродинамічні характеристики (І.В. Вовк, В.Т. Грінченко, С.Л. Дахнов, 1999, А.А. Борисюк, 2006). У теперішній час є якісне розуміння аеродинамічних процесів, що відбуваються в дихальній системі однак, обсяг інформації, малий для оцінки акустичних характеристик звуків дихання. Джерелами звуків дихання є нестаціонарні вихрові структури, що виникають під час руху повітря в елементах дихальної системи. Ці звуки є джерелами інформації про функціональний стан дихальної системи. Їх підрозділяють на основні й додаткові. Перші - це звуки дихання здорової людини. Другі виникають при бронхолегеневих захворюваннях (A. Buller, A. Dornhorst, 1956, В.Т. Грінченко, В.Н. Олійник, 1995, І.В. Вовк, 1999, С.Л. Дахнов, 2000, Н. Kіyokawa, Н. Pasterkamp, 2002).

Взаємодія приймача звуку з біотканинами тіла людини, при аускультації, маловивчена. Встановлено, що вібраційні поля біотканин не змінюються, якщо реєстрацію звуків виконують за допомогою легких перетворювачів, масовий імпеданс яких менший масового імпедансу біотканин грудної клітки (І.В. Вовк, В.Т. Грінченко, Л.Г. Красний, А.П. Макаренков, 1994, І.В. Вовк, В.Т. Грінченко, В.Н. Олійник, 1997).

Аналіз перешкод перетворювачів, класифікація та методи боротьби з ними не виконані. Виключення становлять тільки звуки серця, для боротьби з якими використовують: електронну фільтрацію і "віднімання" їх з сигналу, за допомогою відповідних алгоритмів (V. Іyer, P. Ramamoorthy, Y. Ploysongsang, 1986, І.В. Вовк, В.Т. Грінченко, С.Л. Дахнов, В.В. Крижановський, В.Н. Олійник, 1999, А.Г. Рудницький, 2001, J. Gnіteckі, M. Zahra, Z. Moussavі, 2007).

Виявлення відповідності акустичних характеристик звуків дихання з функціональним станом дихальної системи, є практичною стороною аускультації. Для цього використовують адаптивні алгоритми, тимчасову та спектральну обробку сигналів (А. Sovіjarvі, K. Kallіo, еtс., 1996, H. Murphy, A. Vyshedskіy, еtс., 2004, І.В. Вовк, А.Я. Калюжний, 1999, В.В. Крижановський, В.В. Крижановський-мол., 2002). Основний недолік спектрального аналізу - осереднення інформації, що приводить до втрати неявно виражених звукових артефактів. Звуки, низького рівня маскуються на фоні основних звуків дихання, тому їх виявляють, кореляційним аналізом або більш складними методами обробки (В.Г. Майданник, В.Т. Грінченко, О.Г. Рудницький, Л.П. Глєбова, А.П. Макаренков, 2000, І.В. Вовк, В.Ю. Семенов, 2005).

Як видно з огляду, наукові результати, розглянуті в ньому, стали основою для подальших більш детальних досліджень фізичних процесів, що відбуваються при аускультації звуків дихання.

В другому розділі дисертаційної роботи наведені результати фізичних досліджень процесів реєстрації звуків дихання. Звуки дихання реєструють на грудній клітки, хвильовий опір біотканин якої відрізняється від хвильового опору матеріалів контактних поверхонь акустичних перетворювачів.

При переході звуку з біотканин на перетворювачі, відповідно до законів акустики, повинні виконуватися наступні умови: границя розділу вважається суцільною, на ній немає джерел звуку, дотримується безперервність коливальної швидкості та звукового тиску.

При переході звуку, з акустично м'якого середовища в акустично жорстке (

< ), коефіцієнт проходження по амплітуді тиску позитивний (для межі біотканина-сталь ≈ 2), звуковий тиск у другому середовищі зростає, а коливальна швидкість зменшується. Перехід звуку з акустично жорсткого середовища в акустично м'яке ( > ) супроводжується зменшенням тиску у другому середовищі і збільшенням коливальної швидкості (для межі біотканина-повітря ≈ 2).

У першому випадку, доцільно вимірювати звуковий тиск, а в другому коливальне прискорення, використовуючи для цього, відповідно, мікрофон або акселерометр. Відзначено, що ефективність перетворювача визначається не тільки умовами переходу звуку, чутливістю, завадостійкістю, способом кріплення до тіла, а для акселерометрів співвідношенням масових механічних імпедансів перетворювача і поверхнею біотканин, де реєструється звуковий сигнал.

У другому підрозділі виконаний аналіз біомеханічних пристроїв аускультації звуків дихання (стетофонендоскоп-слухові органи лікаря). Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) у всіх моделей стетофонендоскопів нелінійна, порізана й знижується з ростом частоти (A. Jones, K. Kwong, S. Sіu, 1998). Порізаність АЧХ обумовлена резонансами та антирезонансами діафрагми звукоприймальної голівки, що є механічним фільтром у системі "біотканини - стетофонендоскоп - вухо лікаря". Зниження АЧХ обумовлено нераціональним переходом звуку з біотканин на біосенсори слухових органів, що знижує в стетофонендоскопах звуковий тиск, тому що перехід звуку відбувається через акустично м'яке середовище - повітря, із хвильовим опором в 3500 разів нижче хвильового опору біотканин. Незважаючи на це, ефективність цих біомеханічних пристроїв визначається, в основному, більшими функціональними можливостями мозку лікаря, здатністю виділяти частотні і тимчасові характеристики звукових феноменів.

У підрозділі 3 розглянуті результати досліджень акустичних характеристик запропонованих для аускультації електроакустичних перетворювачів.

У теперішній час, в електронній аускультації широко використовуються перетворювачі звукового тиску - спеціальні мікрофони, у жорсткому конічному корпусі якого встановлений електретний мікрофон. АЧХ таких мікрофонів подібно АЧХ стетофонендоскопів нелінійна, так як, перехід звуку з біотканин відбувається через акустично м'яке середовище (повітря).

Запропоновано новий спеціальній електроакустичний перетворювач - контактний мікрофон, у якого реалізовано перехід звука з акустично м'якого середовища в акустично жорстке (біотканина-сталь), що сприяє істотному підвищенню його ефективності.

За принципом реєстрації звуків - це односторонній стрижневий п’єзокерамічний приймач звукового тиску, а по використанню його при аускультації, контактний мікрофон. Розроблені та досліджені дві модифікації мікрофона: на основі п’єзокераміки ЦТС-19 та п’єзокристалічного матеріалу ХГС-2. При аускультації звуків дихання, передня накладка мікрофона притискається до тіла пацієнта. Звуки дихання через накладку, передаються на чутливий елемент мікрофона, де перетворюються в змінну електричну напругу.

Розрахункова схема п’єзокерамічного мікрофона наведена на рис.1.

Метод фізичного градуювання мікрофонів по тиску, заснований на фізичній аксіомі: силовий вплив коливань поверхні тіла людини на мембрану мікрофона еквівалентно впливу на неї вібрацій на фіксованій частоті.

Градуювання реалізовано за допомогою комплекту віброакустичної апаратури фірми "Брюль та Къер" у діапазоні частот 20-6000 Гц.

Встановлено, що АЧХ мікрофонів лінійна в діапазоні частот 25-6400 Гц, чутливість першого г=2,5·10-3 В/Па, другого г = 5,2·10-3 В/Па. Відмінність чутливості обумовлена питомими параметрами п’єзоелектриків. Резонанси мікрофонів перебувають на частотах 167,3 кГц та 63,2 кГц, відповідно. Розрахунково та експериментально визначена чутливість, та частоти резонансів близькі. Загальна ймовірна похибка градуювання мікрофонів – 1,14 дБ.

Апробація контактних мікрофонів виконана в контрольованих умовах при вимірі звуків серця, звуків дихання та звуків зовнішнього фона, перевипромінених тілом. Звуки серця вимірялися в лівій області грудної клітки

(т.2Л). Звуки дихання - у правій підключичній області (т.2П). Звуки перевипромінювані тілом реєструвалися на стегні пацієнта. Виявлено, що звуки спокійного та форсованого дихання, істотно перевищують звуки серця та звуки перевипромінювані тілом. Отримані результати корелюють із подібними результатами інших дослідників (S. Kraman, G. Wodіcka, H. Pasterkamp, 1995).