Способ диагностики состояния вентиляционной функции легких человека (варианты)

Изобретение относится к медицине, а именно к пульмонологии, и может быть использовано для акустической диагностики состояния вентиляционной функции легких. Способ включает регистрацию шумов форсированного выдоха, по полученным данным определяют полную акустическую продолжительность Т_а и полную акустическую энергию А шумов в максимальной полосе частот 200-2000 Гц и полосовые параметры продолжительности t₁, …, t₉ и энергии A₁, …, А₉ шумов в 200-герцовых полосах данного интервала, рассчитывают среднечастотные полосовые параметры данных шумов в пределах диапазона 200-1000 Гц А_сч = ∑A_m/m, t_cч = ∑t_m/m, где m выбирают от 1 до 4, и высокочастотные полосовые параметры в пределах диапазона 800-2000 Гц как А_вч = ∑A_n/n, t_вч = ∑t_n/n, где n выбирают от 1 до 6. Для определения состояния вентиляционной функции легких человека используют значения высоко- и среднечастотных полосовых акустических энергий и/или их отношений к полной акустической энергии, продолжительностей и/или их отношений к полной акустической продолжительности и их отношений. Изобретение обеспечивает повышение информативности и диагностической ценности, снижение опасности перекрестного инфицирования, особенно в условиях эпидемий респираторных инфекций, а также перспективность предложенных параметров для разграничения различных вариантов нарушений вентиляционной функции легких как доступная альтернатива некоторым дорогостоящим диагностическим тестам. 2 н.п. ф-лы, 3 табл., 4 ил.

 

Изобретение относится к медицине, а именно к пульмонологии, и может быть использовано для акустической диагностики состояния вентиляционной функции легких.

Для отрасли медицины, называемой функциональной диагностикой, и развития новых отраслей медицинского приборостроения разработка новых более чувствительных и удобных методов и средств диагностики состояния вентиляционной функции легких человека актуальна.

Известны потоко-объемные способы диагностики состояния вентиляционной функции легких человека - спирография и бодиплетизмография. Однако эти методы обладают недостаточной чувствительностью к начальным патологическим изменениям состояния вентиляционной функции легких, а также существует проблема опасности перекрестного инфицирования за счет использования, устанавливаемых в рот датчиков.

Известен акустический способ определения одной из характеристик вентиляционной функции легких, а именно бронхиальной проходимости, в основе которого лежит вычисление такого физиологического параметра, как нормированная продолжительность шумового процесса (Патент РФ №2291666). Способ включает регистрацию нескольких попыток шумов форсированного выдоха над трахеей, определяют их продолжительность в полосе частот 200-2000 Гц, сравнивают результат, полученный по попытке шумов форсированного выдоха с максимальной продолжительностью в полосе частот 200-2000 Гц, с полученными по репрезентативной группе здоровых лиц пороговыми значениями и принимают решение о выявлении или отсутствии индивидуальных патологических изменений в состоянии вентиляционной функции легких.

Этот же способ был использован для контроля патологических изменений в состоянии вентиляционной функции легких в ответ на функциональных пробы или экспозиции экстремальными воздействиями внешней среды, или экспозиции профессиональными вредностями (Патент РФ №2405429; Malaeva, V.V. А technique of forced expiratory noise time evaluation provides distinguishing human pulmonary ventilation dynamics during long-term head-down and head-up tilt bed rest tests simulating micro and lunar gravity / V.V. Malaeva, V.I. Korenbaum, LA. et al. // Frontiers in Physiology. - 2018, 9). В данном способе продолжительность шумов форсированного выдоха рассчитывают до и после функциональных проб или экспозиции экстремальными воздействиями внешней среды, или экспозиции профессиональными вредностями, причем определяют индивидуальную динамику указанного параметра как его относительное приращение в попытке маневра форсированного выдоха с максимальной продолжительностью шумов в полосе частот 200-2000 Гц после упомянутых проб или экспозиций по отношению к тому же параметру в попытке маневра форсированного выдоха с максимальной продолжительностью шумов в полосе частот 200-2000 Гц до упомянутых проб или экспозиций и сравнивают полученные значения с индивидуальным пределом естественной вариабельности продолжительности шумов в полосе частот 200-2000 Гц, полученным по всем попыткам маневров форсированного выдоха до упомянутых проб или экспозиций, и принимают решение о выявлении или отсутствии индивидуальных патологических изменений в состоянии вентиляционной функции легких.

Однако применение только одного акустического параметра - продолжительности шумов форсированного выдоха в полосе частот 200-2000 Гц, ограничивает достижимые чувствительность и специфичность диагностики.

Наиболее близким к заявляемому является способ, в котором предложено рассчитывать дополнительные акустические параметры шумов форсированного выдоха (Патент РФ №2304919). Способ заключается в том, что регистрируют несколько попыток шумов форсированного выдоха, определяют продолжительность шумов в полосе частот 200-2000 Гц, и 200-Гц полосовые продолжительности и энергии шумов, сравнивают их с пороговыми значениями и принимают решение о выявлении или отсутствии патологических изменений состояния вентиляционной функции легких.

Недостатком способа является недостаточная информативность и диагностическая ценность только 200-Гц полосовых продолжительностей и энергий шумов.

Проблема состоит в поиске новых акустических параметров шумов форсированного выдоха, обладающих большей информативностью и диагностической ценностью для определения состояния вентиляционной функции легких человека.

Для этого предлагается следующие способы, являющиеся вариантами.

Первый способ. Регистрируют шумы форсированного выдоха, выбирают не менее трех попыток записи шумов с наибольшей продолжительностью маневра и по полученным данным определяют полную акустическую продолжительность Т_а и полную акустическую энергию А шумов в максимальной полосе частот 200-2000 Гц, а также полосовые параметры продолжительности t₁, …, t₉ и энергии A₁, …, А₉ шумов в 200-герцовых полосах данного интервала. Затем рассчитывают среднечастотные полосовые параметры данных шумов в пределах диапазона 200-1000 Гц как А_сч = ∑A_m/m, t_сч = ∑t_m/m, где m выбирают от 1 до 4, и высокочастотные полосовые параметры в пределах диапазона 800-2000 Гц как А_вч = ΣA_n/n, t_вч = Σt_n/n, где n выбирают от 1 до 6, а в качестве диагностических параметров используют отношение среднечастотной полосовой энергии к полной энергии Аr_сч = А_сч/А и отношение высокочастотной полосовой энергии к полной энергии Аr_вч = А_вч/А, и отношение среднечастотной полосовой продолжительности к полной продолжительности tr_сч = t_сч/T_a, и отношение высокочастотной полосовой продолжительности к полной продолжительности tr_вч = t_вч/T_a, и отношения среднечастотных полосовых энергий и продолжительностей Аr_сч/tr_сч и А_сч/t_сч, и/или Ar_сч/t_cч, и отношения высокочастотных полосовых энергий и продолжительностей Ar_вч/tr_вч и A_вч/t_вч, и Ar_вч/t_вч, и отношение средних высокочастотных и средних среднечастотных энергий Аr_вч/Аr_сч, и отношение полосовых средних высокочастотных и среднечастотных энергий, отнесенное к отношению полосовых средних высокочастотных и среднечастотных продолжительностей (Аr_вч/Аr_сч)/tr_вч/tr_сч), и отношение средней высокочастотной энергии к полной продолжительности шумов Аг_вч/Т_а, и отношение средней среднечастотной энергии к полной продолжительности шумов Аr_сч/Т_а, полученные значения акустических диагностических параметров сравнивают с предварительно полученными по репрезентативной группе здоровых лиц верхним и нижним порогами и принимают решение о выявлении или отсутствии индивидуальных патологических нарушений состояния вентиляционной функции легких по превышению величиной как минимум одного акустического диагностического параметра верхних порогов или снижению величины как минимум одного акустического диагностического параметра ниже нижних порогов.

Для выявления влияния неблагоприятных воздействия на состояние вентиляционной функции легких предлагается второй способ, в котором проводят две серии регистрации шумов форсированного выдоха человека до и после функциональных проб или экспозиции экстремальными воздействиями внешней среды, или экспозиции профессиональными вредностями, выбирают в каждой из серий не менее трех попыток записи шумов форсированного выдоха с наибольшей продолжительностью маневра и по полученным данным для каждой серии определяют те же акустические параметры, что и в первом способе, а далее определяют индивидуальную динамику акустических диагностических параметров как относительное приращение в попытке маневра форсированного выдоха по отношению к аналогичному параметру до упомянутых проб или экспозиций, сравнивают полученные значения диагностических акустических параметров с верхним индивидуальным порогом естественной вариабельности каждого из параметров, полученным по всем попыткам маневров форсированного выдоха, выполненным до упомянутых проб или экспозиций, и в случае превышения динамикой параметра или группы параметров по абсолютной величине верхнего порога (порогов), принимают решение о выявлении индивидуальных патологических изменений состояния вентиляционной функции легких в ответ на функциональные пробы или экспозицию экстремальными воздействиями внешней среды, или экспозицию профессиональными вредностями.

Заявляемые способы с использованием новых акустических параметров позволяют повысить чувствительность способа контроля состояния вентиляционной функции легких человека как в обычных условиях, так и в ответ на неблагоприятные воздействия, резко упростить и обезопасить процедуру обследования и делает его пригодным для применения в полевых и экстремальных условиях, а также в чрезвычайных ситуациях (технологические и природные катастрофы, химические отравления, боевые действия и т.д.) для контроля состояния попавших в эти условия людей с целью своевременного проведения лечебных мероприятий, исключения несчастных случаев и продления сроков профессионального долголетия у лиц, профессионально работающих в экстремальных условиях. На сегодня в условиях пандемии COVID-19, способы становятся еще более актуальны, поскольку исключается опасность перекрестного воздушно капельного инфицирования пациентов.

Способы осуществляют следующим образом.

Фиг. 1. Пример оценки полосовых 200-герцовых продолжительностей и энергий шумов ФВ для полосы частот 1400-1600 Гц.

Фиг.2. Верхний Q95 и нижний Qs квантили различных вариантов заявляемых акустических параметров и соответствующие им значения m и n по группе здоровых из 45 чел. (Табл.1).

Фиг. 3. Геометрия 3-уровневой биомеханической модели генерации среднечастотных (СЧ) и высокочастотных (ВЧ) шумов ФВ: S - совокупные сечения ветвей бронхиального дерева (БД) в диапазоне ветвлений, 1 - совокупная длина ветвей БД в диапазоне ветвлений, V - доступный объем воздуха, F - приложенное усилие, Q - объемный расход, v - линейная скорость газа.

Фиг.4. Эквивалентная электрическая схема биомеханической модели.

Записывают трахеальные шумы форсированного выдоха с помощью аппаратно-программного комплекса, состоящего из акустического датчика, выносной звуковой карты, портативного компьютера и специализированного программного обеспечения (Korenbaum, V.I., Pochekutova I.A., Kostiv А.Е. Technology of Human Pulmonary Function Testing by Means of Tracheal Forced Expiratory Noises Analysis // IFMBE Proceedings. 2013, N.39, P. 2192).

Для каждой записи шумов форсированного выдоха (ФВ) определяют продолжительность в полосе частот 200-2000 Гц (Т_а). Для анализа выбирают попытки с наибольшей продолжительностью маневра Т_а.

Дополнительно определяют 200-герцовые полосовые продолжительности в полосе частот 200-2000 Гц t1, ..t9 в виде t_200-400, t_400-600, t_600-800, t_800-1000, t_1000-1200, t_1200-1400, t_1400-1600, t_1600-1800, t_1800-2000 и 200-герцовые полосовые энергии в полосе частот 200-2000 Гц A₁, А₉ в виде А_200-400, А_400-600, A_600-800, A_800-1000, А_1000-1200, А_1200-1400, А_1400-1600, А_1600-1800, А_1800-2000.

Для определения 200-герцовых полосовых продолжительностей и энергий применяют следующий алгоритм. Полученные записи трахеальных шумов ФВ сохраняются в формате *.wav и далее проходят обработку с помощью программы, написанной в среде Matlab. Временные характеристики измеряют по огибающей записанного сигнала, взятой в 200-герцовой полосе частот, построенной методом скользящего среднего путем суммирования числа всех временных отсчетов сигнала, амплитуда которых превышает порог S (фиг. 1, t_1400-1600), умноженного на период времени между отсчетами огибающей (0,01 с). Полосовые 200-герцовые энергии, определенные по той же огибающей, представляют собой сумму амплитуд временных отсчетов сигнала, величина которых превышает порог S (Фиг. 1, A_1400-1600). Сигналы участков огибающей, лежащие ниже порога S, в расчет не принимаются. Уровень порога S принят как 0,5% от максимального значения амплитуды огибающей, взятой в общей полосе частот сигнала 200-2000 Гц.

Далее определяют среднечастотные полосовые параметры данных шумов в пределах диапазона 200-1000 Гц как А_сч = ΣА_m/m, t_cч = Σt_m/m, где m лежит от 1 до 4, и высокочастотные полосовые параметры в пределах диапазона 800-2000 Гц как А_вч = ΣА_n/n, t_вч = Σt_n/n, где n лежит от 1 до 6, например, в виде:

А_сч=(А_200-400+А_400-600+А_600-800)/3, t_сч = (t_200-400+t_400-600+t_600-800)/3, где взято m = 3, и

А_вч=(А_1200-1400+A_1400-1600+А_1600-1800+А_1800-2000)/4, t_вч=(t_1200-1400+t_1400-1600+t_1600-1800+t_1800-2000)/4, где взято n = 4.

Далее определяют:

- отношение среднечастотной полосовой энергии к полной энергии Аr_сч = А_сч/А и отношение высокочастотной полосовой энергии к полной энергии Аr_вч = А_вч/А, где, для примера, полную энергию берут как

А=А_200-400+А_400-600+A_600-800+A_800-1000+A_1000-1200+А_1200-1400+А_1400-1600+А_1600-1800+A_1800-2000.

Затем:

отношение среднечастотной полосовой продолжительности к полной продолжительности tr_сч = WT_a, и отношение высокочастотной полосовой продолжительности к полной продолжительности tr_вч = t_вч/T_a.

- отношения среднечастотных полосовых энергий и продолжительностей Аr_сч/tr_сч и А_сч/t_сч, и Ar_сч/t_cч, и отношения высокочастотных полосовых энергий и продолжительностей Ar_вч/tr_вч и/или А_вч/t_вч и/или Аr_вч/t_вч.

- отношение средних высокочастотных и средних среднечастотных энергий

Аr_вч/Аr_сч.

- отношение полосовых средних высокочастотных и среднечастотных энергий, отнесенное к отношению полосовых средних высокочастотных и среднечастотных продолжительностей (Аr_вч/Аr_сч)/(tr_вч/tr_сч).

- отношение средней высокочастотной энергии к полной продолжительности шумов Аr_вч/Т_а, и отношение средней среднечастотной энергии к полной продолжительности шумов Аr_сч/Т_а, и

полученные значения рассматривают как акустические диагностические параметры патологических нарушений состояния вентиляционной функции легких.

Для оценки специфической для конкретной патологии комбинации рассчитанных диагностических параметров обследуемого пациента сравнивают величины его диагностических параметров с порогами и принимают решение о выявлении индивидуальных патологических нарушений состояния вентиляционной функции легких по превышению величиной как минимум одного акустического диагностического параметра верхних порогов или снижению величин диагностического параметра ниже нижних порогов. В противном случае констатируют отсутствие индивидуальных патологических нарушений состояния
вентиляционной функции легких.

Определение порогов осуществляют предварительно известными способами. Например, в референтной выборке здоровых лиц, близкого с обследуемыми возраста, определяют верхний Q₉₅ и нижний Q₅ квантили рассчитанных акустических параметров и используют их, в качестве примера, для верхнего и нижнего порогов (Фиг.2). В принципе, пороги могут более точно определяться и иначе - например, путем ROC-анализа. Однако это требует большего объема исследований.

Для оценки воздействия функциональных проб или экспозиции экстремальными воздействиями внешней среды, или экспозиции профессиональными вредностями на состояние вентиляционной функции легких конкретного обследуемого, вышеописанные акустические диагностические параметры рассчитывают по не менее чем трем попыткам маневров форсированного выдоха до и после функциональных проб или экспозиции экстремальными воздействиями внешней среды, или экспозиции профессиональными вредностями. Определяют индивидуальную динамику акустического диагностического параметра или специфической группы параметров как относительное приращение в попытке маневра форсированного выдоха с максимальной продолжительностью шумов в полосе частот 200-2000 Гц Т_а после упомянутых проб или экспозиций по отношению к тому же параметру в попытке маневра форсированного выдоха с максимальной продолжительностью шумов полосе частот 200-2000 Гц Т_а до упомянутых проб или экспозиций и сравнивают полученные значения динамики рассчитываемых параметров с верхним индивидуальным порогом естественной вариабельности каждого из этих параметров, полученным по всем попыткам маневров форсированного выдоха, выполненным до упомянутых проб или экспозиций. В случае превышения динамикой параметра или группы параметров верхнего порога (порогов) принимают решение о выявлении индивидуальных патологических изменений состояния вентиляционной функции легких в ответ на функциональные пробы или экспозицию экстремальными воздействиями внешней среды, или экспозицию профессиональными вредностями. В противном случае оценивают влияние функциональных проб или экспозиций экстремальными воздействиями внешней среды, или экспозиций профессиональными вредностями как несущественное.

Использование предложенных новых акустических параметров трахеальных шумов ФВ в качестве диагностических параметров патологических изменений состояния вентиляционной функции легких обосновываются нами на теоретической акустико-биомеханической модели, предназначенной для биомеханической интерпретации, и на физиологической модели следующим образом.

Акустико-биомеханическая модель. В предположении несжимаемого турбулентного потока выдыхаемого газа, предложено разбиение уровней бронхиального дерева (БД) на зону “эмиссии” (проксимальнее 6-й - 7-й генераций) и “немую” зону (дистальнее этой области) по аэрогидродинамическим шумам ФВ (Фиг. 3) [Акустический журнал. - 2009. - Т. 55, № 4-5. - С. 516-525], в качестве которых доминирующими считаются СФВ, связываемые с отрывными течениями или флаттером [Физиология человека. - 2015, Т. 41, № 1. - С. 65-73]. Размеры БД взяты по [Swiss Med Wkly. - V. 139. Issue 27-28. - P. 375-386]. Хотя сечения и, следовательно, сопротивления фрагментов БД изменяются за счет функционального экспираторного стеноза, рассматриваются эквивалентные значения этих параметров за весь период ФВ. Согласно данным работы [Акустический журнал. - 2013, Т. 59, №. 2. - С. 268-278] зона “эмиссии” дополнительно разбита (Фиг.2) на два отрезка - первый, ответственный за генерацию среднечастотных СВФ (0-й - 2-й уровни ветвления), и второй, ответственный за генерацию высокочастотных СФВ (2-й - 6-7-й уровни ветвления).

Вследствие несжимаемого потока газа Q = const, биомеханическую модель (Фиг.3) можно представить в виде последовательной эквивалентной электрической схемы (Фиг.4).

В эквивалентной схеме (Фиг.4): ток Q - расход флюида (объемная скорость), формируемый преимущественно в “немой” зоне Q ~ V/T (где V ~ ФЖЕЛ - доступный объем, Т = T_s - продолжительность потока по данным спирометрии); R_2-7 - аэрогидродинамическое сопротивление, на котором генерируются высокочастотные шумы (область 2-7 уровней ветвления); R_0-2 - аэрогидродинамическое сопротивление, на котором генерируются среднечастотные шумы (область 0-2 уровней ветвления); вынуждающая сила F = - напряжение, приложенное к зажимам схемы (Фиг.4), где р_еxp - экспираторное статическое ротовое давление, измеряемое экспериментально; v_вч = Q/S_2-7, v_cч = Q/S_0-2 - линейные скорости потока в отрезках канала (Фиг.3), где S_0-2 - эквивалентное совокупное сечение в области 0-2 уровней ветвления БД, a S_2-7 - эквивалентное совокупное сечение в области 2-7 уровней ветвления БД.

Предполагаем дополнительно, что произведения линейных скоростей на сопротивления v_вчR_2-7, v_счR_0-2 пропорциональны звуковому давлению генерируемых шумов ФВ.

После очевидных преобразований соотношений, определяемых предложенной биомеханической моделью (Фиг. 3 и Фиг.4), звуковые давления среднечастотных (СЧ) и высокочастотных (ВЧ) шумов ФВ, генерируемых в отрезках канала (Фиг. 3) представимы в виде:

где β << 1 - постоянный коэффициент.

Соответственно полосовые энергии шумов среднечастотных (СЧ) и высокочастотных (ВЧ) шумов ФВ, генерируемых в отрезках канала (Фиг. 3) можно представить в виде:

Вычислим отношение высокочастотной и среднечастотной полосовых энергий:

Домножая числители и знаменатели на Т_а и (А_вч+А_cч) = А соответственно, запишем последнее выражение в виде:

Отсюда, с учетом того, что (Аr_вч/tr_вч)/(Аr_сч/tr_сч) = (Аr_вчТ_a/t_вч)/(Аr_счТ_a/t_сч) = (Аr_вчТ_аt_сч)/(t_вчAr_счТ_а), получаем:

Из этих соотношений (1) следует, что доступные для измерения и расчета относительные безразмерные (или частично безразмерные) высоко- и среднечастотные полосовые акустические параметры шумов ФВ, стоящие под знаками радикала, так или иначе, характеризуют индивидуальное значение отношения эквивалентных удельных сопротивлений (сопротивлений на единицу сечения) отрезков канала в зоне аэрогидродинамической "эмиссии" (Фиг. 3), стоящего в левой части выражения (1). Поскольку разделение отрезков канала БД (Фиг. 1) достаточно приближенное, то, в более общем смысле, это означает, что указанные акустические параметры характеризуют соотношение удельных сопротивлений центральных (проксимальных) и более удаленных (дистальных) уровней бронхиального дерева в зоне аэрогидродинамической "эмиссии" (Фиг. 3).

В свою очередь, для удельных относительных энергий можно записать:

Согласно уравнениям (2) можно трактовать рост или снижение относительной энергии в высокочастотной или среднечастотной областях через изменения удельных сопротивлений отрезков зоны "эмиссии" и/или перераспределение полосовых (или удельных полосовых) продолжительностей. Поскольку отношения удельных сопротивлений входят в уравнения (2) во второй степени, они, видимо, могут влиять сильнее, чем отношения продолжительностей. Так, при увеличении эквивалентного удельного сопротивления БД в зоне 2-7 уровней ветвления по сравнению с 0-2 уровнями ветвления высокочастотная энергия Аr_вч должна расти, а среднечастотная Аr_сч падать, и наоборот.

Однако, если обструкция дыхательных путей равномерна во всей зоне "эмиссии" (R_2-7/S_2-7)/(R_0-2/S_0-2) ≈ 1, то сильнее будет влиять отношение полосовых продолжительностей. В этом случае, если (tr_вч/tr_сч)=(t_вч/t_сч) мало, то среднечастотная энергия Аr_сч должна расти, а высокочастотная Аr_вч - падать.

Возникает вопрос, как трактовать с акустико-биомеханических позиций перераспределение высокочастотных и среднечастотных полосовых продолжительностей в формулах (1, 2)? В частности, рост (tr_вч/tr_сч)=(t_вч/t_сч) можно связать с появлением поздних высокочастотных СФВ (автоколебательных, а не аэрогидродинамических свистов), возникающих на "смыканиях" слизистой оболочки мелких дыхательных путей [Акустический журнал. - 1997. - Т. 43, №1. - С. 78-86] и замедленным опорожнение легких в "немой", с точки зрения аэрогидродинамики, зоне (Фиг. 3). Эти эффекты также могут быть связаны с ростом механической неоднородности легких. Таким образом, отношения t_вч/t_сч=tr_вч/tr_сч могут оказаться полезными для выявления обструкции мелких бронхов, лежащих далее 6-го - 7-го уровня ветвления БД, т.е. дистальнее зоны аэрогидродинамической "эмиссии" (Фиг. 3).

Таким образом, биомеханический смысл предложенных акустических диагностических параметров шумов форсированного выдоха в виде высоко- и среднечастотных полосовых акустических энергий, продолжительностей и их отношений заключается в описании соотношения сопротивлений проксимальных и дистальных уровней бронхиального дерева. Отсюда вытекает перспективность данных акустических параметров для диагностики, в том числе дифференциальной, различных вариантов нарушений вентиляционной функции легких, возможности которой требуют дополнительных экспериментальных исследований.

Физиологическая модель

Обследована выборка из 272 добровольцев - возраст (Me; LQ; UQ) 54;36;62 лет, рост 169;162;176 см, масса тела 74;65;84 кг. Проведено комплексное функциональное обследование, которое включало спирометрию (ЖЕЛ - жизненная емкость легких, ФЖЕЛ - форсированная жизненная емкость легких, ОФВ₁ - объем ФВ за первую секунду, ОФВ₁/ФЖЕЛ, СОС_25-75 - средняя объемная скорость выдоха), бодиплетизмографию (ФОЕ - функциональная остаточная емкость, ООЛ - остаточный объем, ОЕЛ - общая емкость легких, ООЛ/ОЕЛ, SRt - специфическое общее бронхиальное сопротивление) и определение диффузионной способности легких по окиси углерода методом одиночного вдоха (DLCO_SB) на аппарате Master Screen body, (Jaeger, Германия).

В зависимости от результатов комплексной оценки вентиляционной функции легких (ВФЛ), сформированы следующие ее паттерны.

Паттерн 1 - нормальные показатели легочной функции. Включал здоровых лиц (42 чел.), не предъявляющих жалоб, не имеющих хронических бронхолегочных и сердечно-сосудистых заболеваний, не курящих.

Паттерны 2, 3, 4, 5 представляют различные варианты бронхиальной обструкции и сформированы из больных, страдающих обструктивными заболеваниями легких.

Паттерн 2 - генерализованная обструкция дыхательных путей без легочной гиперинфляции (49 чел.). Характеризуется сниженным отношением ОФВ₁/ФЖЕЛ, нормальным или сниженным ОФВ₁, увеличенным или нормальным сопротивлением дыхательных путей. При этом ЖЕЛ, ФЖЕЛ, ФОЕ, ОЕЛ, ООЛ - в пределах нормальных значений.

Паттерн 3 - генерализованная обструкция с легочной гиперинфляцией (56 чел.). Характеризуется сниженным отношением ОФВ₁/ФЖЕЛ, увеличенным сопротивлением, нормальной или сниженной ФЖЕЛ (ЖЕЛ), увеличенными ФОЕ, ООЛ и отношением ООЛ/ОЕЛ, нормальной или увеличенной ОЕЛ и не измененной диффузионной способностью легких.

В паттерне 4 (56 чел.) сочетались изменения сопротивлений и объемов, описанных для паттерна 3 со сниженной диффузионной способностью легких, что характерно для эмфиземы легких.

Паттерн 5 (29 чел.) - изолированная обструкция мелких бронхов, «воздушные ловушки» [Respirology. - 2013. - Vol.18, No.3. - P. 501-506]. Для паттерна 5 характерно нормальное или увеличенное отношение ОФВ₁/ФЖЕЛ, нормальное или слегка увеличенное сопротивление, нормальная или сниженная ФЖЕЛ (ЖЕЛ), нормальная ОЕЛ, увеличенные ФОЕ, ООЛ и отношение ОЕЛ/ООЛ

Паттерн 6 (14 чел.) - внутрилегочная рестрикция. Характеризуется сниженными ОЕЛ и ФЖЕЛ (ЖЕЛ), нормальным или увеличенным отношением ОФВ₁/ФЖЕЛ, неизмененным сопротивлением.

Описанные выше акустические диагностические параметры рассчитаны и подвергнуты статистической обработке.

В результате сравнения (непараметрический тест Манна - Уитни) обнаружены значимые различия (р<0.05) по продолжительности трахеальных шумов ФВ (Т_а) между паттерном 1 (здоровые) и паттернами 2, 3, 4 (пациенты с генерализованной бронхиальной обструкцией), а также паттерном 6 (рестрикция). Однако по данному акустическому параметру не наблюдается значимой разницы между паттерном 1 (здоровые) и паттерном 5 (изолированная обструкция мелких бронхов), а также последним паттерном 6 (рестрикция). Кроме того, не различались паттерны 3 (генерализованная обструкция с гиперинфляцией) и 4 (генерализованная обструкция с гиперинфляцией и сниженной диффузионной способностью легких).

В то же время применение высоко- и среднечастотных полосовых акустических энергий и продолжительностей и их отношений, входящих в разработанную биомеханическую модель, позволило обнаружить значимые различия и между данными паттернами. Так, наиболее интересно, что существенные различия между паттерном 1 (здоровые) и паттерном 5 (изолированная обструкция мелких бронхов) зарегистрированы по акустическим параметрам Аr_1400-2000, tr_1000-2000/tr_200-1000, Ar_800-2000/Т_а. Значимые различия между паттерном 5 (изолированная обструкция мелких бронхов) и паттерном 6 (рестрикция) выявлены по акустическим параметрам (Ar_1000-2000/Ar_200-1000)/(tr_1000-2000/tr_200-1000) и Ar_1000-2000/tr_1000-2000. Существенные различия между вариантами генерализованной бронхиальной обструкции (паттерны 3 и 4) зарегистрированы по акустическому параметру Ar_800-2000/Т_а. Кроме того, по этому же параметру наблюдается более высокая значимость различий между паттернами 1 и 6, чем по параметру Т_а.

В качестве примера в табл. 2 представлены значимости парных различий (р) между выделенными паттернами ВФЛ (тест Манна - Уитни) по акустическим параметрам (Ar_800-2000/Т_а) / (Ar_1000-2000/tr_1000-2000)

Жирным шрифтом выделены значимые различия между паттернами, дополнительные к выявленным по параметру Т_а, курсивом - существенно превышающие выявленные по параметру Т_а, ns - не значимо.

Таким образом, применение вновь разработанных акустических параметров расширяет возможности разграничения различных паттернов ВФЛ по сравнению с изолированным использованием продолжительности шумов ФВ (Т_а).

Взаимосвязи между разработанными акустическими параметрами и показателями ВФЛ, измеряемыми с помощью спирометрии, бодиплетизмографии и исследования диффузионной способности легких оценивались с помощью коэффициентов корреляции Спирмена во всей выборке обследуемых, без разбиения на паттерны. Полученные результаты по наиболее интересным параметрам и показателям приведены в табл. 3

Выявлены значимые взаимосвязи акустических параметров с показателями спирометрии (ФЖЕЛ, ОФВ₁, СОС_25-75), при этом корреляции наибольшей силы установлены с L_400-800 и L_800-2000 (r=0,59 - 0,72), средней силы с tr_1000-2000/tr_200-1000 (r=0,23 - 0,36), слабые - с Аr_1400-1800 (г=0,14 - 0,25). Отмечаются также значимые корреляционные взаимосвязи показателей бронхиального аэродинамического сопротивления с Аr_400-800/Т_а и Аr_800-2000/Т_а, (r=- 0,51 - -0,58) и tr_1000-2000/tr_200-1000 (r=-0,24 - -0,32). Для акустических параметров Аг_400-800/Т_а и Аr_800-2000/Т_а установлены корреляционные связи средней силы (r=-0,57 - - 0,62) с отношением ООЛ/ОЕЛ. Слабые корреляционные связи найдены между показателями бодиплетизмографии и параметром tr_1000-2000/tr_200-1000. Имеются также слабые корреляционные связи акустических параметров с диффузионной способностью легких DLCOsb.

Таким образом, разработанные акустические параметры имеют значимые корреляционные связи с показателями ВФЛ, измеряемыми с помощью спирометрии, бодиплетизмографии и исследования диффузионной способности легких.

Выявленные значимые различия разработанных акустических параметров в выделенных паттернах вентиляционной функции легких, а также наличие значимых корреляционных взаимосвязей акустических параметров с показателями спирометрии, бодиплетизмографии и диффузионной способности легких в выборке могут быть расценены как валидация предложенной биомеханической модели продуцирования трахеальных шумов форсированного выдоха. Следовательно, базирующиеся на указанной модели акустические параметры шумов форсированного выдоха в виде высоко- и среднечастотных полосовых акустических энергий, продолжительностей и их отношений являются перспективными для разграничения различных вариантов нарушений вентиляционной функции легких как доступная альтернатива некоторым дорогостоящим диагностическим тестам.

1. Способ определения состояния вентиляционной функции легких человека, в котором регистрируют шумы форсированного выдоха, выбирают не менее трех попыток записи шумов с наибольшей продолжительностью маневра и по полученным данным определяют полную акустическую продолжительность Т_а и полную акустическую энергию А шумов в максимальной полосе частот 200-2000 Гц и полосовые параметры продолжительности t₁, …, t₉ и энергии A₁, …, А₉ шумов в 200-герцовых полосах данного интервала, затем рассчитывают среднечастотные полосовые параметры данных шумов в пределах диапазона 200-1000 Гц А_сч=ΣA_m/m, t_сч=Σt_m/m, где m выбирают от 1 до 4, и высокочастотные полосовые параметры в пределах диапазона 800-2000 Гц как А_вч=ΣA_n/n, t_вч=Σt_n/n, где n выбирают от 1 до 6, а в качестве акустических диагностических параметров используют отношение среднечастотной полосовой энергии к полной энергии Аr_сч=А_сч/А и отношение высокочастотной полосовой энергии к полной энергии Аr_вч=А_вч/А, и отношение среднечастотной полосовой продолжительности к полной продолжительности tr_сч=t_сч/T_a, и отношение высокочастотной полосовой продолжительности к полной продолжительности tr_вч=t_вч/T_a, и отношения среднечастотных полосовых энергий и продолжительностей Ar_сч/tr_сч, и А_сч/t_сч, и Ar_сч/t_сч, и отношения высокочастотных полосовых энергий и продолжительностей Ar_вч/tr_вч, и А_вч/t_вч, и Ar_вч/t_вч, и отношение средних высокочастотных и средних среднечастотных энергий Аr_вч/Аr_вч, и отношение полосовых средних высокочастотных и среднечастотных энергий, отнесенное к отношению полосовых средних высокочастотных и среднечастотных продолжительностей (Ar_вч/Ar_сч)/(tr_вч/tr_сч), и отношение средней высокочастотной энергии к полной продолжительности шумов Аr_вч/Т_а, и отношение средней среднечастотной энергии к полной продолжительности шумов Аr_сч/Т_а, полученные значения диагностических параметров сравнивают с предварительно полученными по репрезентативной группе здоровых лиц верхним и нижним порогами и принимают решение о выявлении или отсутствии индивидуальных патологических нарушений состояния вентиляционной функции легких по превышению величиной как минимум одного акустического диагностического параметра верхних порогов или снижению величин как минимум одного акустического диагностического параметра ниже нижних порогов.

2. Способ определения состояния вентиляционной функции легких, в котором проводят две серии регистрации шумов форсированного выдоха человека до и после функциональных проб или экспозиции экстремальными воздействиями внешней среды или экспозиции профессиональными вредностями, выбирают в каждой из серий не менее трех попыток записи шумов форсированного выдоха с наибольшей продолжительностью маневра и по полученным данным для каждой серии определяют полную акустическую продолжительность Т_а и полную акустическую энергию А шумов в максимальной полосе частот 200-2000 Гц и полосовые параметры продолжительности t₁, …, t₉ и энергии A₁, …, А₉ шумов в 200-герцовых полосах данного интервала, затем рассчитывают среднечастотные полосовые параметры данных шумов в пределах диапазона 200-1000 Гц как А_сч=ΣА_m/m, t_сч=Σt_m/m, где m выбирают от 1 до 4, и высокочастотные полосовые параметры в пределах диапазона 800-2000 Гц как А_вч=ΣA_n/n, t_вч=Σt_n/n, где n выбирают от 1 до 6, в качестве диагностических параметров используют отношение среднечастотной полосовой энергии к полной энергии Аr_сч=А_сч/А и отношение высокочастотной полосовой энергии к полной энергии Аr_вч=А_вч/А, и отношение среднечастотной полосовой продолжительности к полной продолжительности tr_сч=t_сч/T_a, и отношение высокочастотной полосовой продолжительности к полной продолжительности tr_вч=t_вч/T_a, и отношения среднечастотных полосовых энергий и продолжительностей Ar_сч/tr_сч и A_сч/t_сч и/или Аr_сч/t_сч, и отношения высокочастотных полосовых энергий и продолжительностей Ar_вч/tr_вч, и A_вч/t_вч, и Ar_вч/t_вч, и отношение средних высокочастотных и средних среднечастотных энергий Аr_вч/Аr_сч, и отношение полосовых средних высокочастотных и среднечастотных энергий, отнесенное к отношению полосовых средних высокочастотных и среднечастотных продолжительностей (Аr_вч/Аr_сч)/(tr_вч/tr_сч), и отношение средней высокочастотной энергии к полной продолжительности шумов Аr_вч/Т_а, и отношение средней среднечастотной энергии к полной продолжительности шумов Аr_сч/Т_а, определяют индивидуальную динамику акустического диагностического параметра как его относительное приращение в попытке маневра форсированного выдоха по отношению к аналогичному параметру до упомянутых проб или экспозиций, сравнивают полученные значения динамики диагностических акустических параметров с верхним индивидуальным порогом естественной вариабельности каждого из параметров, полученным по всем попыткам маневров форсированного выдоха, выполненным до упомянутых проб и экспозиций, и принимают решение о выявлении или отсутствии индивидуальных патологических изменений состояния вентиляционной функции легких по превышению динамикой как минимум одного акустического диагностического параметра по абсолютной величине верхних индивидуальных порогов их естественной вариабельности.