Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ АППАРАТНОЙ ПЕРКУССИИ

Предлагается способ аппаратной перкуссии, который предназначен для расширения диагостических возможностей перкуссионных исследований, упрощения проведения перкуссии и может быть использован при изучении звуковой картины работы органов и выявления патологических изменений в звуке.

Известны случаи выполнения аппаратной перкуссии [1, 2, 3], в которых в качестве элемента, осуществляющего удар, используют либо палец или 2-3 пальца правой руки, либо перкуссионный молоточек. В качестве плессиметра, по которому производят удар, используют либо пальцы левой руки, либо пластины различной формы из упругих материалов. Плессиметр располагают непосредственно на коже над исследуемым органом.

Название «аппаратная перкуссия» связано с использованием в качестве приемника акустического отклика от исследуемого органа микрофона (нов) и последующую обработку электрических сигналов с визуализацией результатов в удобной для специалиста форме.

В известном способе [3], по мнению авторов, наиболее полно решены многие проблемы аппаратной перкуссии в диагностике пневмонии. Однако даже в заключении выполненной работы автор заявляет: «усредненные спектры здоровых людей не могут использоваться для определия порога в связи с высокой межиндивидуальной выриабельностью».

В качестве научных положений автор вынес утверждение (по нашему мнению, вытекающее из приведенного заключения), что: «индивидуальные спектральные и топографические особенности перкуторных акустических сигналов по поверхности грудной клетки состоят в различии форм спектров и положений спектральных пиков».

Как достоинство работы [3], следует отметить создание компьютерного архива, включающего перкуторные аудиограммы в цифровом формате, спектрограммы, банк отработанных спектров аппаратной перкуссии легких у здоровых и больных пневмонией лиц.

По своим техническим характеристикам известный способ [3] может рассматриваться как прототип (аналог) предлагаемого способа. К недостаткам прототипа следует отнести:

- наличие достаточно сильного влияния плессиметра, по которому производят удар, на открытый микрофон и на изменение акустического отклика, если микрофон вставлен в стетоскопичекую насадку, основание которой лежит на теле,

- отсутствие формирования удара с заданными и регулируемыми параметрами,

- наличие сложного алгоритма оценки перкуссионной диагностики больного органа в процессе его лечения.

Предлагаемый способ проведения аппаратной перкуссии предполагает устранение перечисленных недостатков прототипа.

Способ формирования аппаратной перкуссии включает в себя операции выполнения коротких ударов по плессиметру, который располагают на теле человека, и регистрации акустического отклика на удар микрофоном, выходной сигнал которого обрабатывают системой с быстрым преобразованием Фурье и визуализацией в координатах амплитуда-частота. В соответствии с предложением в качестве удара используют импульное ультразвуковое (УЗ) излучение, которое направляют на плессиметр в виде пластины, внешнюю сторону которого, обращенную к УЗ-излучателю, выполняют с неровностями для рассеивания излучения, а импульсное радиационное давление УЗ на плессиметр эквивалентно направленному ударному давлению, длительность которого регулируют от минимального значения 0,5 с, акустический отклик на удар регистрируют микрофоном, который располагают бесконтактно у тела, а нижняя граница регистрируемых частот микрофоном 20 Гц, причем электрический отклик после преобразования представляют в линейной системе координат амплитуда-частота в виде спектральной резонансной кривой, на которой фиксируют добротность резонанса, а затем график спектральной кривой дифференцируют и результат представляют в той же системе координат, при этом положение резонансной частоты f_рез определяют при прохождении дифференциальной кривой через ноль на частотной шкале, а величина добротности спектральной кривой, смещение резонансной частоты f_рез по частотной шкале и изменения формы дифференциальной кривой слева и справа от резонансной частоты f_рез текущих перкуссионных измерений сравнивают с предыдущими и используют для оценки состояния исследуемого органа.

Сущность преложенного способа поясняется следующими схемами и фигурами:

фиг.1 - функциональная схема, реализующая предложенный способ, где 1 - тело человека, 2 - плессиметр, 3 - насадка, 4 - УЗ-излучатель, 5 - микрофон, 6, 7 - корпус излучателя и микрофона, 8 - схема импульсного включения излучателя и микрофона, 9 - усилитель микрофонного сигнала, 10 - УЗ-генератор, 11 - блок управления, 12 - блок быстрого преобразования Фурье (БПФ) и представления спектральной кривой в линейных координатах амплитуда-частота, 13 - блок дифференцирования графика спектральной кривой и представления дифференциальной кривой в линейных координатах амплитуда-частота;

фиг.2 - временные диаграммы работ отдельных блоков из фиг.1, где «а» - иллюстрация работы блока 4, «б» - иллюстрация формирования радиационного давления на плессиметре 2, «в» - выходной электрический сигнал микрофона 5 из работы [3], «г» - резонансная спектральная кривая после БПФ, «д» - дифференциальная кривая и определение резонансной частоты;

фиг.3 - иллюстрация рассеивания УЗ-излучения плессиметром;

фиг.4 - спектральные кривые легочной зоны 12 у больного «Б» и здорового «З» человека из [3];

фиг.5 - иллюстрация дифференциальной кривой после графического дифференцирования кривой «Б» из фиг.4.

Предложенный способ может быть реализован схемой, изображенной на фиг.1. УЗ-колебания от излучателя 4 направляют на плессиметр 2. Насадку 3 на корпусе 6 излучателя 4 располагают по возможности близко к поверхности тела человека 1 для уменьшения рассеивания УЗ-излучения до попадания его на плессиметр. Поверхность плессиметра 2, обращенную к излучателю, выполняют ребристой с целью максимального рассеивания УЗ-излучения. Блок 8 обеспечивает импульсное подключение генератора УЗ-колебаний 10 к излучателю УЗ-блока 4 и импульсное включение усилителя 9 микрофона 7 на заданное время от момента включения УЗ-излучателя. Блок управления 11 формирует сигналы управления для блока 8. Выходной электрический сигнал микрофона 7 усиливают усилителем 9 и обрабатывают в блоке 12 методом БПФ и представляют в виде спектральной кривой в линейной системе координат амплитуда - частота составляющих спектра. В блоке 13 осуществляют графическое дифференцирование спектральной кривой, результат которого воспроизводят в той же системе координат амплитуда-частота (при дифференцировании используют частотный интервал в 5 Гц).

Работа во времени основных блоков функцианальной схемы на фиг.1 приведена на фиг.2. На графике «а» показана работа УЗ-излучателя блока 4 в импульсном режиме при непрерывной работе УЗ-генератора 10, причем длительность импульса t_им регулируют сигналами блока 8 от минимальной длительности равной 0,5 с. На графике «б» показано импульсное радиационное давление на плессиметре 2 от УЗ-излучения блока 4. На графике «в» изображен типичный выходной сигнал микрофона 7 (вид аналогового сигнала на выходе микрофона от акустического отклика на перкуторный удар). Спектральная кривая выходного сигнала на графике «г» после его усиления блоком 9, БПФ и воспроизведения в линейной системе координат в блоке 12. На графике «д» изображена кривая результата дифференцирования графической спектральной кривой, на которой положение резонансного пика на частотной оси зафиксировано прохождением кривой через ноль, а импульсы слева и справа от f_рез по амплитуде, длительности и форме характеризуют нарастание низкочастотных составляющих спектра и спада высокочастотных составляющих.

Для решения задачи автоматизации перкуторного удара определим примерную величину силу этого удара в прототипе, которую определим из выражения

F_уд=m·a,

где m - масса пальца-молоточка, которую примем равной 100 г, a - ускорение, связанное с изменением скорости пальца от нуля до удара по плессиметру за время 1 с. Если расстояние от отведенного пальца-молоточка до плессиметра принять равным 3 см, то a=3 см/с². Таким образом, величина силы удара оказывается равной 3·10² г·см/с².

Давление на плессиметр ΔР_уд=F_уд/S_пл, где S_пл - площадь плессиметра и, приняв ее равной ~8 см² (площадь пальца-плессиметра), величина давления составляет

или ΔР_уд=3,75 Па.

При различных значениях площади плессиметра S_пр и значениях ударной массы m можно принять величину давления перкуторного удара в диапазоне 2-5 Па.

В работах [4, 5] показано, что радиационное давление звука является эффектом 2-го порядка малости по сравнению с амплитудой переменного звука. Так в воде при интенсивности звука 10 Вт/см² давление звука составляет 3·10⁵ Па, а радиационное давление звука составляет ~10² Па. В воздухе при интенсивности звука 1 Вт/см² (соответствует интенсивности звука ~3·10³ Па) радиационное давление составляет 10 Па.

Авторы согласны с изложенной в работах [4, 5] версией, что появление радиационного давления связано с уменьшением сопротивления движению частиц воздуха, когда частицы движутся из области сжатия в область разряжения. При движении частиц воздуха из области разряжения в область сжатия сопротивление увеличивается. Именно это изменение сопротивления и является причиной возникновения постоянного давления звука в направлении его распространения.

В соответствии с изложенным авторы предлагают формировать механический удар в аппаратурной перкуссии, используя радиационное давление звука. В качестве «несущей частоты» радиационного давления предложено использовать УЗ-излучение в частотном диапазоне 30-70 кГц. Выбор частотного диапазона обосновывается тем, что на частотах выше 70 кГц значительно увеличиваются потери в воздушной среде и также в этом случае отсутствует наводка на микрофон, так как эти частоты лежат за пределами частотного диапазона чуствительности микрофонов.

При мощности УЗ-излучения 1-5 Вт/см² в указанном частотном диапазоне [4] величину этого давления можно расчитать, используя известную зависимость [6]

, где I_уз - интенсивность УЗ-излучения (в нашем случае, например, 5 Вт/см), Z_ак - акустическое сопротивление воздуха, равное 418 кг/м²·с и оказывается равным (2,04-4,60)·10 Па. При этом величина радиационного давления составит ~2 Па.

Таким образом, радиационное давление звука, сопровождающее УЗ-излучение, позволяет произвести механический удар по плессиметру с возможностью регулировки как силы удара (изменением интенсивности излучения), так и его длительности от минимального значения 0,5 с. Ограничение удара по длительности связано с данными из работы [3], в соответствии с которыми длительность акустического отклика составляет 0,1-0,2 с, а предлагаемая минимальная длительность удара 0,5 с превышает время отклика и так как радиационное давление формируется каждой волной УЗ, то на частоте 60 кГц число формирующих удар периодов 10⁵.

Особенностью УЗ-излучателей является реализация в механических колебательных элементах явления резонанса, что позволяет существенно увеличить амплитуду колебаний на резонансной частоте. В области УЗ в указанном диапазоне частот используют материалы, обладающие пьезоэффектом. Пластины из таких материалов поляризуют по толщине h, а максимальная эффективность излучения достигается при равенстве толщины h полуволновой длине излучения (на частоте 60 кГц длина волны составляет 5,6 мм).

В качестве материалов с пьезоэффектом в настоящее время используют цирконат-титонат свинца (ЦТС-1, ЦТС-23, ЦТБС-2, ЦТСС-1), ниобат лития НБС-1 и др., обладающие высоким допустимым значением рабочих температур (выше +300°С). УЗ-излучатели с мощностью излучения 5 Вт/см имеют КПД 30%, что практически на порядок выше КПД излучателей в звуковом и инфразвуковом диапазоне частот. Для задач аппаратной перкуссии УЗ-излучатель может состоять из четырех пластин площадью 6×6 мм и при толщине 3 мм каждой, собранных в квадрат на частоте 60 кГц.

По мнению авторов указанная в прототипе характеристика использованного микрофона как «электретного» не корректна для аппаратной перкуссии. При расположении резонансного пика на частотах 50-90 Гц использование электретного микрофона с нижней частотной границей, равной 50 Гц, недопустимо. Нижняя граничная частота микрофона в этом случае должна быть не выше 20 Гц. Используемый при регистрации акустического отклика микрофон, с одной стороны, не должен соприкасаться с телом человека, но быть к нему максимально приближенным. С другой стороны, наличие насадки на микрофоне защищает чувствительную поверхность от прямого попадания как посторонних шумов, так и УЗ-излучения.

Корпус УЗ-излучателя и корпус микрофона могут быть объединены жесткой механической связью через эластичные прокладки в местах соединения.

Плессиметр выполняют в виде пластины с формой, близкой к форме исследуемого органа. Однако для исследования легких человека плессиметр следует выполнять в виде полоски, чтобы перкуторный удар пришелся в межреберье. В этом случае и насадка на излучателе должна соответствовать размеру и форме плессиметра. Поэтому аппаратурную перкуссию предлагается снабдить насадками на УЗ-излучатель, размеры и формы которых соответствуют размерам и формам плессиметров.

Сторона плессиметра, прикладываемая к телу, является гладкой, а обратная сторона выполняется с неровностями для рассеивания УЗ-излучения и противофазного радиационного давления. Эффективным рассеивание осуществляется при условии, когда неровности отражательной поверхности больше или равны λ_уз, где λ_уз - длина волны УЗ-излучения, и при f_уз=50-70 кГц составляет 4,8-6,8 мм. Плессиметр может быть выполнен из плотной резины или пластичных полимерных материалов. Такие пластины при толщине 3-5 мм могут изготавливаться методом литья в форме или штамповкой.

На фиг.3 показано рассеивание УЗ-излучения плессиметром, из которого следует, что в микрофон попадает незначительная часть излучения. Следует отметить, что радиационное давление отраженного УЗ-излучения в зоне микрофона находится в противофазе с прямым радиационным давлением от принявшего удар плессиметра.

Эти два давления можно рассматривать как компенсирующие друг друга в зоне микрофона и, следовательно, общий шум микрофона уменьшается.

Авторы считают целесообразным использование при регистрации и обработке электрического выходного сигнала программы SpectraLab (Sound Tech.lng.2003) на базе БПФ при количестве спектральных отчетов - 512 и взвешивании окном Хемминга, примененной в [3].

На фиг.4 изображены спектральные кривые в координатах линейная амплитуда-частота (логарифмическая шкала) легочной зоны 12 из работы [3] у больного «Б» и здорового «З» человека. К сожалению в работе не указано относятся ли эти кривые к одному человеку. Рассматривая резонансные формы этих кривых, следует выделить основные характеристики любого резонанса как явления. Такой существенной характеристикой является добротность резонансной системы Q, равная , где Δf - ширина резонансной кривой на уровне убывания амплитуды в раз, т.е. по уровню 0,7 от максимального значения. Добротности спектральных кривых «Б» и «З» на фиг.4 соответственно составляют Q_Б=0,06 и Q_З=1,25.

Анализируя приведенные в [3] спектральные кривые, можно сделать однозначный вывод о том, что у всех легочных больных добротности резонансов уменьшаются и во многих случаев становятся меньше 1. Эта характеристика акустического резонансного отклика органа в работе [3] вообще не отмечена.

Положение резонансной частоты на спектральных кривых у здоровых и больных людей также должно быть различным. Так, в случае легочных заболеваний (появления в легких жидкости, мокроты) увеличивается плотность легочной ткани, что увеличивает скорость распространения звука [7], что приводит к смещению резонансной частоты в сторону ее увеличения. Этот вывод подтверждается спектральными кривыми из работы [3], но не был отмечен в данной работе.

Обращает на себя внимание асимметричность резонансных спектральных кривых, что не было отмечено в работе [3], но может являться дополнительной характеристикой для оценки исследуемого органа.

Точное определение резонансной частоты f_рез и ее смещения у одного и того же человека в случае заболевания также является важной характеристикой при проведении аппаратной перкуссии. Поэтому авторы предлагают производить графическое дифференцирование спектральных резонансных кривых. В этом случае, как показано на фиг.5, левая часть резонансной кривой от f_рез преобразуется в положительный импульс, а спад резонансной кривой преобразуется в отрицательный импульс. Место пересечения частотной шкалы при переходе положительного импульса в отрицательный и дает значение f_рез. Дифференциальную кривую следует строить в линейном масштабе координат амплитуда-частота. Несимметричность резонансных кривых также наиболее ярко проявляется на дифференциальной кривой как разница длительностей упомянутых положительного и отрицательного импульсов относительно f_рез. Появляется также возможность обнаружить незначительные локальные неоднородности(зарождающиеся или залечивающиеся) в виде коротких выбросов на импульсах подъема и спада резонанса. Дифференцирование целесообразно проводить на частотном интервале в 5 Гц.

Таким образом, по мнению авторов, при оценке состояния исследуемых органов методом аппаратной перкуссии предлагается производить сравнение измерений например, у одного человека в течение недели по следующим признакам:

- по измерению добротности акустического резонанса и ее изменения по спектральной кривой,

- по измерению резонансной частоты, направлению ее смещения по частотной шкале по спектральной кривой,

- по измерению асимметрии резонанса по дифференциальной кривой.

В сочетании с управляемостью и контролем за перкуторным ударом и использованием уже разработанных систем обработки по программе БПФ авторы уверены, что предложенный способ аппаратной перкуссии найдет применение в лечебной практике при контроле за процессом выздоровления. Также предложенный способ может быть рекомендован и для ранней диагностики заболеваний в педиатрии, в которой периодичность обследований обязательна с исключением при этом нежелательной рентгенографии.

Литература

1. Адамов С.А., Ковалевский А.А. Перкуссия и аускультация. Кр.курс д/студентов и врачей. - Томск, 1988 г.

2. Тетенев Ф.Ф. Физические методы исследования в клинике внутренних органов. - Томск.: ТГУ, 2001 г.

3. Ковалева И.Н. Аппаратная перкуссия легких в диагностике пневмонии, диссертация, ВАК 14.00.05. - Владивосток, 2006 г.

4. Красильников В.А., Крылов В.В. Введение в физическую акустику. - М.: Изд. ф/м лит., 1984 г.

5. Розенберг Л.Д. Применение УЗ. - М.: АН СССР, 1957 г.

6. Алдошин И.А., Ковалгин Э.И., Ефимов А.П. и др. Электроакустика и звуковое вещание. - М.: Гор.линия-телеком, Радио и связь, 2007 г.

7. Акустика. Справочник под ред. Сапожкова М.А. - М.: Радио и связь, 1989 г.