АКУСТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА БРОНХИАЛЬНОЙ ОБСТРУКЦИИ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ТРАХЕАЛЬНЫХ ШУМОВ ФОРСИРОВАННОГО ВЫДОХА Коренбаум Владимир Ильич, д.т.н., проф., Почекутова Ирина Александровна, к.м.н., Костив Анатолий Евгеньевич, Тагильцев Александр Анатольевич, к.т.н. Тихоокеанский океанологический институт им. акад. В.И. Ильичева ДВО РАН,

1. ФОРСИРОВАННЫЙ ВЫДОХ Дыхательный маневр, при котором после полного вдоха выполняется максимально резкий и максимально полный выдох. Обжатие дыхательных путей при форсированном выдохе представляет собой функциональную нагрузку, на фоне которой становятся заметными даже незначительные отклонения в вентиляционной функции легких, и прежде всего, нарушения бронхиальной проходимости (НБП), являющиеся признаком таких распространенных заболеваний, как бронхиальная астма (БА) и хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ). Форсированный выдох (ФВ) используется при спирографическом исследовании вентиляционной функции легких, в ходе которого регистрируют интегральные потоковые (скоростные) и объемные характеристики выдоха.

2. АУСКУЛЬТАЦИЯ ЛЕГКИХ Субъективное выслушивание дыхательных звуков с помощью стетоскопа, устанавливаемого на поверхность грудной клетки предложено R. Laenec, Одним из вариантов аускультации является выслушивание дыхательных звуков на трахее. Аускультация вследствие простоты и эффективности получила широкое распространение в медицинской практике. Однако, аускультация дыхательных звуков пока не поддается объективизации, что создает препятствия на пути ее использования в современной доказательной медицине.

3. ОБЪЕКТИВНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ШУМОВ ФВ С 1978 г. (P. Forgacs) широко исследуются возможности обнаружения НБП, с помощью объективного акустического анализа шумов ФВ. Потенциальная простота, удобство и безопасность вдохновляли многих исследователей (Ploysongsang et al, 1983, 1988; Mori et al., 1985, 1988; Gavriely et al., 1987, 1989; King et al., 1989; Shabtai-Musih et al., 1992; Ishikawa et al., 1993; Schreur et al. 1994; Sano et al., 1999; Fitz et al., ), однако, до сих пор не удавалось разработать достоверную диагностическую процедуру, что, по мнению большинства авторов, связано с недостаточной изученностью происхождения трахеальных шумов ФВ, их связей с биомеханикой и клинической физиологией дыхания. Цель данного исследования состоит в уточнении физической картины шумообразования ФВ и поиске акустических признаков НБП.

4. АППАРАТУРА ДЛЯ ЗАПИСИ И АНАЛИЗА ШУМОВ ФВ Акустический датчик - электретный микрофон со стетоскопической насадкой. Ввод сигналов в компьютер через микрофонный вход звуковой карты (программы «ПФТ-99», «ПФТ-2007»). Обработка сигналов в программах «MatLab», «ПФТ-2007».

МЕТОДИКА ЗАПИСИ ТРАХЕАЛЬНЫХ ШУМОВ ФВ Акустический датчик устанавливается сидящему пациенту на область гортани, накладывается носовой зажим. Пациент выполняет маневр ФВ трижды. Анализируют попытку с максимальной продолжительностью шумового процесса (T).

5. ПОЛУЭМПИРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ШУМООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ФВ Клинический эксперимент на модельной выборке больных БА, ХОБ и здоровых добро- вольцев подтвердил диагно- стическую перспективность параметров: T, t, f 6, f 7 -f 6 (2001). Шумы, регистрируемые над трахеей, разделены по своему происхождению на: - аэродинамические (шумы турбулентного пограничного слоя, турбулентного потока, срыва вихрей); - автоколебательные (осцилляции смыканий тканей слизистой оболочки бронха). Выделены предположительно значимые для диагностики НБП акустические параметры: T, t, f 6, f 7 -f 6 (1997).

6. КАЧЕСТВЕННАЯ АКУСТИКО-БИОМЕХАНИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФВ Разработана на основе статистического анализа данных по встречаемости отклонений параметров T, t, f 6, f 7 -f 6 среди больных БА, ХОБ и здоровых лиц (2001). ОСНОВНЫЕ ДОПУЩЕНИЯ Трахеальные шумы представляют собой суперпозицию звуков, образующихся в обоих легких. Даже в норме легкие характеризуются некоторой механической неоднородностью, связанной с неравномерностью опорожнения легочных единиц. Структурные изменения в бронхиальной стенке при БА и ХОБЛ приводят к формированию в респираторном тракте участков с повышенным сопротивлением воздушному потоку и замедлению опорожнения легочных единиц. Интенсивные звуки ФВ продуцируются именно в этих отделах бронхиального дерева за счет турбулентности и вязкоупругих взаимодействий потока со стенками ДП.

A – область дыхательных путей от 23 до 7-6 генераций бронхиального дерева; B – область дыхательных путей от 7-6 до 0 генераций бронхиального дерева. В норме СФВ f 3 начинаются с момента установления зоны максимального сопротивления в нижней части трахеи. Под действием экспираторного стено- за область максимального сопротив- ления потоку далее смещается вглубь бронхиального дерева (зона B). Автоматически формируется единая зона максимального сопротивления респираторного тракта (механизм выравнивания эластической тяги), где и происходит шумообразование. При НБП максимумы сопротивления, а значит и дополнительные звуковые эффекты, наблюдаются во многих суженых участках зоны A. Это приводит к затягиванию СФВ f 3 (t), появлению f 6, f 7 -f 6 увеличению T.

7. СВИСТЫ ФОРСИРОВАННОГО ВЫДОХА На роль механизмов, объясняющих шумообразование узкополосных музыкальных звуков при форсированном выдохе, которые получили название свистов форсированного выдоха (СФВ), претендуют: динамический флаттер в податливых трубах (Gavriely, Grotberg, 1987) - f i 0.06 U i /d i ; срыв вихрей на бифуркациях бронхиального дерева (Коренбаум и др., 1997) - f i 0.2 U i+1 /d i+1. До сих пор не удавалось получить решающие аргументы в пользу того или иного из этих механизмов.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ СРЕДНЕЧАСТОТНЫХ СФВ (f 3 ) Срыв вихрей на ветвлениях бронхиального дерева f 3i K V/(N i+1 S i+1 d i+1 ), где К 0.2, S i+1 d i+1 2, U i+1 V/(N i+1 S i+1 ). Динамический флаттер в податливых трубах f 3i K V/(N i S i d i ), где К 0.06, S i d i 2, U i V/(N i S i ). * В предположении неизменности просвета ДП. В качестве V возьмем стандартные объемные скорости, определяемые при спирографии: MОС 25,MОС 50,MОС 75 ; предположим, что они соответствуют 25%, 50% и 75% продолжительности ФВ.

ШУМООБРАЗОВАНИЕ СРЕДНЕЧАСТОТНЫХ СФВ (f 3 )

БИОМЕХАНИЧЕСКАЯ ТРАКТОВКА ПРОИСХОЖДЕНИЯ СРЕДНЕЧАСТОТНЫХ СФВ С учетом вышеизложенных представлений о моделях обжатия ДП на разных уровнях бронхиального дерева особенности шумообразования в ДП от 0-й до 2-й генерации описываются коэффициентом K 1, а в более удаленных от центральных ДП – коэффициентом K 2. Для среднечастотных СФВ наиболее вероятным механизмом шумообразования в начале-середине маневра является срыв вихрей на выходе из главных бронхов в трахею. К середине маневра становится также возможным шумообразование за счет динамического флаттера в ДП от 3-й до 7-й генераций бронхиального дерева. Ближе к концу маневра шумообразование может вновь быть объяснено срывом вихрей на выходе из долевых бронхов в главные. Таким образом, и механизм срыва вихрей на ветвлениях и механизм динамического флаттера в податливых трубах могут обусловливать шумообразование среднечастотных СФВ, но на различных уровнях бронхиального дерева.

БИОМЕХАНИЧЕСКАЯ ТРАКТОВКА ПРОИСХОЖДЕНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ СФВ Для высокочастотных свистов, наблюдаемых на всем протяжении маневра (f 7 -f 6 ), доминирующим механизмом является срыв вихрей в ДП от 3-й до 7-й генераций. Присоединение механизма динамического флаттера возможно только ближе к концу маневра и в очень ограниченном диапазоне уровней бронхиального дерева (3-я и 4-я генерации). Для высокочастотных СФВ в конце выдоха (f 6 ) не один из рассматриваемых гидродинамических механизмов оказывается не в состоянии уверенно объяснить их происхождение. Динамический флаттер, возможный изолированно только на 3-й генерации бронхиального дерева, представляется не достаточно устойчивым для этого процессом. Вероятно, происхождение этих СФВ может быть связано с автоколебательными эффектами типа вибраций смыкания тканей слизистой мелких ДП (Forgacs, 1978).

8. ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ШУМОВ ФВ В КАЧЕСТВЕ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРА Связь увеличения продолжительности ФВ с бронхиальной обструкцией отмечалась еще Roy et al. (1955). Исследовались диагностические возможности как аускультативного времени ФВ (FETas), так и спирографического (FETs). Сходясь в том, что определение FET простой, недорогой, достаточно чувствительный тест легочной функции, исследователи, тем не менее, находили ограничения к его использованию в клинической практике. MacDonald et al. (1975) была показана слишком высокая вариабельность как FETas, так и FETs. Kern et al. (1991) выявили недостаточную специфичность FETas. Schapira et al. (1993) заключили, что FETas может использоваться для диагностики обструкции ДП у постели больного, но только у лиц старше 60 лет. Исследования проведены на разновозрастных выборках, что могло привести к смещению результатов.

T ЯВЛЯЕТСЯ ПРЕЕМНИКОМ FETas Используя объективизированную полуавтоматическую процедуру оценки акустической продолжительности трахеальных шумов ФВ, мы провели сравнительный анализ T в однородных по возрасту и полу группах здоровых некурящих лиц (52 чел.) и больных БА (45 чел.), представленных мужчинами в возрасте лет. Критериями включения в обследуемую группу больных БА являлись: - снижение ОФВ112% от должного) при нормальных исходных показателях спирометрии; - суточная вариабельность ПОС>20% при нормальных исходных показателях спирометрии.

ГРУППА БОЛЬНЫХ БА Никто из больных БА на момент обследования не получал базисную противовоспалительную терапию. Коротко действующие бета2-агонисты не применялись в пределах 8 часов перед проведением обследования.

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ T

РЕЗУЛЬТАТЫ Обследуемые группы значимо не различались по возрасту, росту и массе тела. В то же время выявлены значимые различия между группами и по акустическому параметру Т (p

ROC-анализ В качестве порога выбрано значение T=1.78 с. При этом чувствительность составила 86.7%, специфичность %. Чувствительность ОФВ1 (при пороге 80% от должного) составила 78%, а ОФВ1/ФЖЕЛ (при пороге 77% от должного у лиц моложе 18 лет, и 71% от должного - у лиц старше 18 лет) – 60%, специфичность – 100%. Чувствительность совокупности спирографических показателей ОФВ1 и ОФВ1/ФЖЕЛ составила 86.7%, специфичность -100%. Чувствительности T и совокупности ОФВ1 & ОФВ1/ФЖЕЛ значимо не различались. Специфичность спирографии оказалась выше (p=0.004). Поскольку соотношение между чувствительностью и специфичностью теста зависит от выбранного порога и может варьироваться в зависимости от поставленной задачи, целесообразно сравнить площади под ROC-кривыми.

ПЛОЩАДИ ПОД ROC-кривыми Значимых различий между площадью под кривыми T, ОФВ1%, ОФВ1/ФЖЕЛ не выявлено (p= ). Имеются значимые различия между площадями FETs с одной стороны и T, ОФВ1%, ОФВ1/ФЖЕЛ - с другой (p

ВОСПРОИЗВОДИМОСТЬ ПАРАМЕТРА Т Для использования в медицинской диагностике необходима оценка внутрииндивидуальной и межиндивидуальной воспроизводимости диагностического параметра. На отдельной выборке из 10 условно здоровых добровольцев проведена оценка краткосрочной воспроизводимости указанных параметров. Запись трахеальных шумов ФВ для каждого обследуемого производилась 5 раз (по 3 попытки) в день. Измерения повторялись в течение 10 дней, разнесенных в пределах 1 месяца. Вычислялись коэффициенты вариации параметра Т для каждого обследуемого за 1 день, которые затем осреднялись по всем дням обследования. Усредненное по всем обследуемым значение коэффициента внутрииндивидуальной вариации параметра Т составило 9.6%. При этом коэффициент межиндивидуальной вариации составил 18%.

9. ВЗАИМОСВЯЗЬ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ШУМОВ И БИОМЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ На обучающей выборке из 32 здоровых молодых мужчин регрессионным моделированием (логарифмы значений) соотношения пропорциональности (*), полученного с использованием однокомпонентной биомеханической модели ФВ и линеаризованного приближения потоко- объемной кривой, установлена зависимость между продолжительностью шумов ФВ (T) и биомеханическими параметрами в виде: T ФЖЕЛ z 2 2/3 /P 1/2, (R 2 =0.57, p

10. ОЦЕНКА ОСРЕДНЕННЫХ СПЕКТРАЛЬНО- ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ШУМОВ ФВ Объективная оценка узкополосных спектрально- временных характеристик шумов ФВ (t, f 3, f 6, f 7 ) представляет значительные сложности вследствие нестационарности СФВ. Предложен метод оценивания, связанный с определением отношения продолжительностей процесса в низкочастотной и высокочастотной областях k T = T /T

11. ТРАХЕАЛЬНЫЕ ШУМЫ ФВ В ДИАГНОСТИКЕ БА У больных с легким течением бронхиальной астмы (БА) в фазе ремиссии спирографические показатели часто не отклоняются от нормы. Более чувствительные, но дорогие и ограниченно распространенные методы (бодиплетизмография, КТ высокого разрешения, МРТ с контрастными газами) выявляют у некоторых из этих больных нарушения бронхиальной проходимости (НБП). Проведен сравнительный анализ акустических характеристик шума ФВ (T n, k T ) у больных с легким течением БА и здоровых лиц по контрольной выборке мужчин в возрасте лет. Диагностические критерии: T n > 7,7 или k T > 1,25.

РЕЗУЛЬТАТЫ ОБСЛЕДОВАНИЯ (по контрольной выборке из 72 человек) Чувствительность по группе из 22 больных БА, имеющих изменения на спирограмме, составила 95,5%, Специфичность по группе здоровых из 25 человек составила 88%, Чувствительность по группе из 25 больных БА, не имеющих изменений на спирограмме, составила 76% (группы не различаются по возрасту, полу и антропометрическим показателям). Разработанный метод перспективен для диагностики не только клинически значимого обструктивного синдрома, но и для скрининга НБП, которые не выявляются традиционной спирографией. Дополнительное преимущество метода – полное исключение опасности перекрестного воздушно- капельного инфицирования обследуемых, в том числе и в полевых условиях.

11. ВЫЯВЛЕНИЕ НАРУШЕНИЙ БРОНХИАЛЬНОЙ ПРОХОДИМОСТИ У ВОДОЛАЗОВ Пребывание под водой связано с воздействием на респираторную систему комплекса неблагоприятных факторов: перепады барометрического давления, увеличенное парциальное давление кислорода и индифферентных газов, повышенное сопротивление дыханию, температурные воздействия. Водолазы, использующие снаряжение с дыхательными смесями, обогащенными кислородом, часто испытывают острую кислородную интоксикацию. Наиболее ранним ее проявлением, как правило, выступает легочная форма. Анализировалась динамика продолжительности шумов ФВ до и после погружения (Т2-Т1)/Т1*100% в сравнении с верхним 95% пределом усредненного коэффициента вариации продолжительности шумов (17%). Для ФЖЕЛ и ОФВ1 в качестве пределов вариабельности использовали 12% динамику этих параметров.

Экспериментальные исследования

Эксперименты с водолазами

Основные результаты При сравнении в фоновом режиме группы водолазов (54 чел.), с сопоставимой контрольной группой лиц (52 чел.), не занимавшихся водолазной деятельностью, выявлено отсутствие существенных различий основных спирографических показателей, что может быть объяснено небольшим стажем подводных погружений у водолазов, однако продолжительность трахеальных шумов ФВ в группе водолазов была значимо большей, чем в контрольной группе. При сравнении спирографических показателей по группе водолазов (48 чел.) до и после одиночного погружения обнаружено значимое снижение спирографических показателей ЖЕЛ, ФЖЕЛ, ОФВ1, МОС25, что свидетельствует о преходящем снижении ФВД у водолазов, использующих обогащенные кислородом дыхательные смеси, даже после одиночного погружения.

Основные результаты После одиночного погружения у 13 водолазов из 48 (27%) отмечено значимое увеличение продолжительности трахеальных шумов ФВ, свидетельствующее о развитии НБП. У 3 из этих 13 водолазов к концу погружения появились респираторные симптомы, а у 2 – и снижение спирографических показателей. Обнаружение у части (27%) обследованных водолазов после одиночного погружения преходящих нарушений бронхиальной проходимости может быть предположительно увязано с развитием субклинического воспаления слизистой бронхов и сопутствующего ее отека вследствие совокупного токсического действия кислорода и паров регенеративного вещества.