Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ДЫХАТЕЛЬНОГО ТРАКТА

Заявляемое изобретение относится к способам пульмонологических исследований, более конкретно - к способам исследования функции внешнего дыхания.

Показатели функции внешнего дыхания являются основными показателями («золотым стандартом») в диагностике бронхообструктивных заболеваний. Наиболее объективную информацию о таких показателях позволяет получить импедансная осциллометрия, позволяющая неинвазивно измерить сопротивление дыхательных путей воздушному потоку (дыхательный импеданс) и оценить характер и тяжесть нарушений газообмена и легочной вентиляции задолго до появления первых клинических симптомов дыхательной и вентиляционной недостаточности.

Из уровня техники известна аппаратура импульсно-осциллометрической диагностики дыхательного тракта (http.//www.medsystems.ru/jaeger.ms_ios/index.shtml), состоящая из волновода, соединенного через загубник с ротовой полостью пациента; в волноводе создают звуковое поле, и при свободном дыхании пациента в заданном диапазоне частот при помощи датчика звукового давления и колебательной скорости определяют импеданс дыхательного тракта в диапазоне частот от 5 Гц до 35 Гц, характеризуемый резонансной частотой, резистансом и реактансом дыхательного тракта. Критерии диагностики состояния дыхательного тракта основаны на величинах резонансной частоты и резистанса на частотах 5 Гц и 20 Гц. Недостатки способа диагностики дыхательного тракта, реализованного в описанной аппаратуре, обусловлены использованием одного измерительного микрофона и технологией формирования звукового поля:

- невозможность регулирования шага (дискретности) измерения импеданса дыхательного тракта;

- жестко ограниченный частотный диапазон исследования (от 5 Гц до 35 Гц), что не позволяет осуществлять диагностику дыхательного тракта у пациентов, если резонансная частота дыхательного тракта находится за пределами указанного диапазона (доля таких пациентов разными исследователями оценивается от 0,05 до 0,15). Недостатком является и то, что процедура измерения резонансных частот предусматривает дыхание только через рот, что предполагает использование носового зажима, и, соответственно, создает определенные неудобства пациенту.

Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение перечня определяемых показателей для дифференциальной диагностики, объективности диагностики состояния дыхательного тракта и повышение комфортности пациента при проведении процедуры.

Решение технической задачи достигается тем, что в ротовую полость человека через загубник, герметично сочлененный с концом волновода, другой конец которого оборудован громкоговорителем, соединенным с генератором полигармонического сигнала, обеспечивающим регулировку шага частот тональных сигналов, причем в двух точках боковой поверхности волновода установлены измерительные микрофоны так, что расстояние от любого микрофона до конца волновода превышает пяти диаметров волновода, а расстояние между микрофонами L удовлетворяет соотношению:

где с - скорость звука в воздухе, f_min и f_max - минимальная и максимальная частота диапазона обследования, подают полигармонический звуковой сигнал, при этом сигнал с двух микрофонов через аналого-цифровой преобразователь передают в компьютер, определяют резонансную частоту (f₀), на которой реактивная компонента комплексного импеданса дыхательного тракта равна нулю, значения коэффициента поглощения (α₀) и резистанса (R₀) на резонансной частоте, затем рассчитывают оценку состояния дыхательного тракта (К)

и при К>3 диагностируют патологию дыхательного тракта.

Диапазон частот полигармонического звукового сигнала, как правило, составляет от 5 Гц до 100 Гц.

Полигармонический звуковой сигнал, как правило, образуют набором тональных сигналов с регулируемым шагом по частоте, составляющим 4 Гц.

Время диагностики состояния дыхательного тракта, как правило, составляет не более 15 секунд.

При проведении диагностики носовой зажим, как правило, не используют.

Для расширения диагностических возможностей в качестве диагностического критерия используют значения резистанса на частотах 5, 20, 40, 60 и 80 Гц, для каждой из которых определяют значения коэффициента поглощения (α₀) и резистанса (R₀) с последующим расчетом интегральной оценки состояния дыхательного тракта как средней арифметической величины оценок К, полученных для каждой используемой частоты.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является регистрация значений резистанса и резонансной частоты дыхательного тракта в расширенном частотном диапазоне, возможность регулировки шага и сокращение времени диагностики.

Базой заявляемого способа является метод двух микрофонов, теоретические основы которого изложены в публикациях:

Лебедева И.В., Драган С.П. Определение акустических характеристик в трубах с помощью двух микрофонов // Измерительная техника. 1988. №8. С. 52.

Драган С.П., Лебедева И.В. Определение интенсивности плоской звуковой волны // Акустический журнал. 1992. Т. 38. №2. С. 174-178.

Драган С.П., Лебедева И.В. Нелинейное звукопоглощение // Вестник Московского университета. Серия 3: Физика. Астрономия. 1994. Т. 35. №6. С 104-113.

Способ диагностики дыхательного тракта состоит в следующем.

1) Пациента усаживают на стул (на табурет, в кресло и т.п.), в его ротовую полость устанавливают загубник, контролируя при этом положение языка так, чтобы он не перекрывал сечение загубника и надгортанник. При проведении диагностики пациент свободно дышит носом.

2) Загубник герметично сочленен с концом волновода, другой конец которого оборудован громкоговорителем, соединенным с генератором полигармонических сигналов звуковой частоты. В двух точках боковой поверхности волновода установлены измерительные микрофоны так, чтобы:

расстояние от любого микрофона до конца волновода превышало 5 диаметров волновода;

расстояние между микрофонами L удовлетворяло соотношению:

где с - скорость звука в воздухе, f_min и f_max - минимальная и максимальная частота диапазона обследования в Гц. Соотношение ограничения между частотой и расстоянием между микрофонами определяется условиями стабильности амплитудно-фазочастотных характеристик используемых микрофонных трактов и необходимостью формирования в волноводе плоской звуковой волны. Все расстояния отсчитывают от первого (ближнего к громкоговорителю) микрофона, ось абсцисс направлена «от источника».

3) Через громкоговоритель в волновод подают полигармонический звуковой сигнал, образованный набором тональных сигналов, одновременно в компьютер через аналого-цифровой преобразователь передают информацию с двух измерительных микрофонов.

4) Обрабатывая зарегистрированную информацию, в компьютере для каждой частоты полигармонического сигнала определяют:

- уровни звукового давления в двух точках волновода (P₁ и Р₂) и разность фаз сигналов, регистрируемых измерительными микрофонами на каждой частоте (φ);

- модуль комплексного коэффициента отражения (r) звуковых колебаний для каждой частоты:

где N=Р₁/Р₂ - соотношение уровней звукового давления в измерительных микрофонах на каждой частоте, k=2π/λ - волновое число (пространственная частота), L - расстояние между измерительными микрофонами;

- коэффициент поглощения для каждой частоты

α=1-r²;

- комплексный импеданс дыхательного тракта для каждой частоты

Z=R+jY,

где R - резистанс (активная компонента импеданса), Y - реактанс (реактивная компонента импеданса):

где θ - угол отражения звуковых колебаний

5) Обрабатывая массив значений, полученных в п. 4 (все величины определены для каждой частоты полигармонического сигнала), определяют резонансную частоту (f₀), на которой реактанс (Y) изменяет знак с отрицательного на положительный, а при ее отсутствии - среднее арифметическое двух смежных частот звукового сигнала, на меньшей из которых знак реактанса отрицательный, а на большей - положительный.

Невозможность определения резонансной частоты свидетельствует о негерметичности сочленения загубника с концом волновода. В этом случае необходимо повторить измерения, устранив нарушения условий их проведения.

6) Для резонансной частоты f₀ определяют значения коэффициента поглощения (α₀) и резистанса (Ro), и с учетом того, что в норме f₀=20…30 Гц, а соответствующие им значения α₀=0,7…0,9, R₀=2,0…3,0, рассчитывают оценку состояния дыхательного тракта (К) как

Большему значению К соответствует худшее состояние дыхательного тракта: при К>3 диагностируют патологию дыхательного тракта.

7) Реализация двухмикрофонного метода измерения импедансных характеристик дыхательного тракта с помощью полигармонического звукового сигнала (вместо используемого в ближайшем аналоге датчика звукового давления и колебательной скорости) обеспечивает возможность расширения частотного диапазона исследования от 5 Гц до 100 Гц, регулировки шага измерений, снижение времени обследования до 15 секунд и повышение комфортности пациентам при проведении диагностики (использование носового зажима не требуется).

Указанное в п. 6 соотношение получено на выборке из 94 обследуемых, разделенных врачами-пульмонологами на две группы: имеющие патологию дыхательного тракта (52 чел.) и не имеющие такой патологии (42 чел.). Большему значению К соответствует худшее состояние дыхательного тракта, а при К>3 диагностируют патологию дыхательного тракта, требующую углубленного обследования (такая диагностика необходима в интересах скрининговых и диспансерных обследований). При верификации на контрольной выборке, объединяющей 136 чел., показана 100% чувствительность критерия.

Расширение частотного диапазона, обеспечиваемое использованием двух микрофонов, достигается за счет следующего. Арифметическое суммирование большого числа гармоник неизбежно приводит к так называемому «явлению биения», когда уровень сигнала звукового давления изменяется непрерывно и циклически (поэтому при использовании одного регистрирующего микрофона верхняя граница частоты навязанных осцилляций составляет 35 Гц). Использование двух микрофонов обеспечивает получение информации о характеристиках звукового поля, позволяет учесть фазы каждой гармоники в формируемом звуковом поле и сгладить спектр воздействия, за счет чего удается устранить явление биения на частотах до 100 Гц.

Примеры реализации способа.

Пример 1. Пациент З-н, 62 года. Плановое диспансерное обследование. В результате выполнения шагов 1-6 получены следующие значения показателей f₀=23 Гц, α₀=0,8, R₀=1,5, на основании которых рассчитана оценка состояния дыхательного тракта (К)

Полученное значение К<3, на основании чего сделано заключение об отсутствии патологии дыхательного тракта.

Пример 2. Пациент С-в, 54 года. Плановое диспансерное обследование. В результате выполнения шагов 1-6 получены следующие значения показателей f₀=20 Гц, α₀=0,9, R₀=2,9, на основании которых рассчитана оценка состояния дыхательного тракта (К)

Полученное значение К>3, пациент был направлен на обследование к пульмонологу, поставлен диагноз «бронхиальная астма», последующее обследование выявило аллергенную природу заболевания (аллергическая реакция на моющее средство). Исключение аллергена и повторное (через два месяца) обследование показало положительную динамику: f₀=23 Гц, α₀=0,8, R₀=2,3, на основании которых рассчитана оценка состояния дыхательного тракта(К)

Полученное значение К<3, на основании чего сделано заключение о положительной динамике, состояние интерпретируется как «отсутствие патологии дыхательного тракта».

Предложенный способ следует использовать в пульмонологии для исследования и динамического контроля состояния дыхательного тракта, что позволит оптимизировать лечение и реабилитацию пациентов. Способ может быть реализован предприятиями (организациями) медицинской промышленности при производстве и модернизации пульмонологической аппаратуры.