Виявлений ефект підвищення рівня звуків дихання зі збільшенням питомого тиску на контактну поверхню мікрофона, рис.2. На нашу думку, це викликано ущільненням біотканин, що забезпечує кращі умови переходу звуку.
Запропованований та досліджений перетворювач, у якого чутливим елементом є гідрофон, розташований у жорсткому корпусі заповненому рідиною, із хвильовим опором близьким до хвильового опору біотканин. Контактна поверхня перетворювача виконана з тонкої еластичної гуми. В цьому перетворювачі реалізовано перехід звуку (біотканина – рідина – гідрофон). Встановлено, що АЧХ перетворювача лінійна на частотах 20 - 3600 Гц, а чутливість складає 18 мВ/Па. Контактний мікрофон та гідрофон запатентовані.
Для використання в пристроях електронної аускультації нами розроблено та досліджено спеціальний легкий, високочутливий акселерометр АД-16, гнучко-деформаційного типу, з біморфними консольними п’єзоелементами.
Механічний імпеданс акселерометра істотно нижче механічного імпедансу поверхні біотканин, на яких здійснюється реєстрація звуків дихання.
АЧХ акселерометра, у площині перпендикулярної до його основи, лінійна, у діапазоні частот 20-2000 Гц, а чутливість дорівнює 15±5 мВс2/м. Резонанс перебуває на частоті 2400 Гц.
У четвертому підрозділі наведено порівняння ефективності контактного мікрофона та акселерометра, за критерієм перешкодозахищеності (сигнал/перешкода). Дослідження були виконані при синхронній реєстрації перетворювачами звуків вдиху пацієнтів (т.2П - сигнал) і звуків на стегні (перешкода). Контактний мікрофон більш ефективний акселерометра в діапазоні досліджуваних частот. Ефективність сенсора, на основі акселерометра "Sіemens ЕМТ 25С", який широко використовується закордонними дослідниками, значно нижче (рис.3).
У розділі 3 систематично досліджені і класифіковані перешкоди електроакустичних перетворювачів і цифрового електронного стетофонендоскопу. Запропоновані методи зниження перешкод.
Узагальнена схема джерел сигналу, які сприймаються перетворювачем під час аускультації (рис.4). Показано, що основними перешкодами перетворювачів, є перешкоди звукової, вібраційної і електромагнітної природи.
Для експериментального дослідження перешкод електронного стетофонендоскопу було застосовано лабораторний зразок одноканального цифрового стетофонендоскопу.
Стетофонендоскоп складався з п’єзокерамічного акселерометру (чутливість 15 мВ·c2/м, маса 14 грам та з лінійною АЧХ у діапазоні частот 20-2000 Гц), малошумного підсилювача, фільтрів Баттерворта високих та низьких частот, аттенюатора та комп'ютера зі звуковою картою на вході. Сигнали, які сприймались акселерометром підсилювалися, фільтрувалися та оцифровувалась із частотою дискретизації 10000 Гц та роздільною здатністю 16 біт. Обробка сигналів виконувалась з використанням звукового редактора Сool Edіt Pro 2.0.
Дослідження дозволили розділити всі перешкоди на перешкоди низького рівня й перешкоди високого рівня. Перешкодами високого рівня, як установлено дослідженнями, являються перешкоди вібраційних й електромагнітних полів.
Методи зниження перешкод пристроїв електронної аускультації зазначені на рис.5.
У розділі 4 наведений опис комп'ютерного фоноспірографічного комплексу "Кора – 03 М1", який призначений для цифрової аускультації звуків дихання, та створений при особистій участі автора дисертації (Рис.6).
Це 4-х канальний електронний цифровий пристрій, який дозволяє: синхронно реєструвати звуки дихання в чотирьох точках грудної клітини людини, підсилювати, фільтрувати, оцифровувати та обробляти. Акустичні характеристики звуків дихання, отримані в результаті обробки, візуалізуються на дисплеї, а якщо є необхідність – роздруковуються. Комплекс сертифікований і допущений МОЗ України для аускультації органів дихання людини.
Програмний продукт комплексу забезпечує: формування цифрової бази звуків дихання, їх прослуховування, експрес-класифікацію дихальної системи за принципом "хворий-здоровий", обчислення спектрів потужності, "миттєвих спектрів", визначення характеристик взаємного спектра сигналів двох будь-яких каналів, документацію характеристик звуків дихання в цифровій формі.
Методика застосування комплексу складається із чотирьох етапів:
- підготовка комплексу до роботи;
- підготовка пацієнта до реєстрації звуків дихання;
- реєстрація звуків дихання;
- обробка звуків дихання, візуалізація результатів та виявлення у звуках дихання артефактів.
Основною перевагою цифрової аускультації, реалізованої в комплексі, є візуалізація характеристик звуків дихання, у вигляді оптичних образів. Показано, що найбільш зручним методом візуалізації звуків дихання є метод "миттєвих спектрів", як функція часу. Це тривимірний спектр, осреднений за інтервал дt, істотно менший, ніж інтервал дТ, – час одного дихального циклу (вдих – пауза – видих – пауза), коли характерний час осереднення дt не перевищує 5,0 – 10,0% часу дихального циклу. На практиці використовують проекцію тривимірного спектру на площину, у вигляді поліхромної фоноспірограми. Градуювання кольорової гами відповідає палітрі RGB типу GET (64 градації кольору), де максимальному значенню рівня відповідає темно-червоний колір, а мінімальному (0 дБ) – темно-синій (рис.7).
У розділі 5 приведені результати досліджень акустичних характеристик звуків дихання у хворих на пневмоконіоз.
Пневмоконіоз – загальна назва групи професійних захворювань легенів, металургів і шахтарів, викликаних дією виробничого пилу,
В основі патогенезу при пневмоконіозі є процес проникнення та накопичення часток пилу в альвеолах легенів. Відповідно до Міжнародної класифікації пневмоконіоз підрозділяють на 3 форми: інтерстіціальну, вузликову, вузлову. При інтерстиціальній формі в тканинах легенів виникають лінійні, сітчасті або жорсткі фіброзні утворення. Вузликова форма пневмоконіозу, характеризується наявністю вузликів розміром від 1,0 до 10 мм у всьому об’ємі легенів. Вузлова форма – найбільш важка форма, при якій діаметр вузлів більше 10 мм. Класифікація пневмоконіоза заснована на описуванні стандартних дігіталізованих комп'ютерних рентгенограм.
За допомогою комплексу "Кора-03М1", у клініці Інституту Медицини Праці АМН України сформована цифрова електронна база звуків дихання верифікованих хворих на пневмоконіоз, здорових людей та пацієнтів контрольної групи, більш ніж 600 цифрових образів (табл.1). Верифікація дихальної системи пацієнтів виконана стандартними клінічними методами.
У третьому підрозділі розглянуті результати обробки та об'єктивізація звуків дихання у пацієнтів зазначених груп. За допомогою адаптивних алгоритмів комплексу за критерієм "хворий-здоровий" були верифіковані пацієнти всіх груп. Відмінності у верифікації адаптивними алгоритмами від стандартної клінічної верифікації, не перевищує 5%. Усереднені характеристики зовнішнього дихання досліджуваних груп пацієнтів представлені в табл.2. Тривалість дихального циклу у хворих на пневмоконіоз ~ на 13% менша ніж у здорових людей та у пацієнтів з контрольної групи. Пауза між вдихом і видихом у них коротша на 35% ніж у здорових людей, і на
30% менша ніж у пацієнтів з контрольної групи. Спектральний аналіз виявив, що у хворих на пневмоконіоз, частотний діапазон звуків дихання більш вузький, ніж у здорових людей (рис.8). Інтенсивність звуків дихання у хворих на пневмоконіоз ~ на 5 дБ нижча, ніж у здорових людей. У пацієнтів контрольної групи вона знижена на 1,5 дБ. Виявлено, що у хворих на вузелкову форму спектри звуків на вдиху і видиху близькі, що відповідає „жорсткому” диханню. Звуки правої легені, при всіх формах пневмоконіоза, завжди вище звуків лівого. У хворих з важкою формою пневмоконіоза, при дихані, у легенях виникають моно - і поліфонічні хрипи - додаткові звуки, зосереджені у вузькій смузі частот або ансамбль, що складається з основної звукової гармоніки й кратних їм (рис.9). Практично в більшості хворих на пневмоконіоз, на вдиху та видиху, виникають тріски - короткі, широкосмугасті звукові імпульси, які відсутні у звуках дихання здорових людей і пацієнтів з контрольної групи (рис.10).
У підрозділі 4 наведені фізичні гіпотези, що пояснюють виникнення додаткових звуків, аускультативних ознак, у хворих на пневмоконіоз, з урахуванням морфологічних змін структури легенів, викликаних цим захворюванням. При інтерстиціальній формі пневмоконіозу, у паренхімі легенів відбувається інтенсивне розростання дифузійної сітчатості (фіброз) – жорсткої сполучної тканини, яка знижує її рухливість. Абсорбція пилу, на внутрішній поверхні альвеол, посилене виділення та екстрадиція в’язкого ескудату назовні, захаращують прохідний перетин бронхіол, зменшують життєвий об’єм легенів та погіршують газообмін (А. Pohlman, S. Sehatі, D. Young, 2001). Реакцією організму на ці зміни в паренхімі є зменшення тривалості дихального циклу – підвищення частоти дихання. При вузликовій формі пневмоконіоза, усе легеневе поле нижніх і середніх часток покривають вузлики, що приводять до укрупнення та злиття альвеол (емфізема), що збільшує легкість паренхіми легенів, а також знижує площу газообміну. Зі збільшенням розміру альвеол, відповідно до закону Юнга-Лапласа, внутріальвеолярний тиск знижується (С.В. Антонюк, 2004). Такі морфологічні зміни знижують швидкість повітря, в елементах дихальної системи та, природно, знижують рівні звуків дихання, на високих частотах. Підвищення повітряності приводить до дисипації звуків дихання в паренхімі та зниження передачі їх на поверхню грудної клітки (С. Glady, S. Aaron, M. Lunau, J. Clіnch, R. Dales, 2003). Моно та поліфонічні хрипи (інтенсивні вихрові звуки) виникають у збуджених, стенізованих бронхіолах, та при випромінювані звуку плівками та нитками, в’язкого мігруючого ескудату при обтіканні їх повітряним потоком. Знижений внутрішньоальвеолярний тиск, захаращення регіональних і термінальних бронхіол в’язким ескудатом викликають їх зхлопування, на вдиху та видиху, за клапанним механізмом. У результаті цього виникають високоінтенсивні імпульсні звуки – тріски (T. Gemcі, V. Ponyavіn, Y. Chen, R. Collіns, 2005).