Способ диагностики нарушений бронхиальной проходимости

 

Изобретение относится к медицине и предназначено для диагностики нарушений бронхиальной проходимости. Регистрируют и анализируют дыхательный шум на трахее во время выполнения маневра форсированного выдоха, при котором шумовой процесс отображают в виде зависимости спектра от времени. Выявляют свист форсированного выдоха в полосе частот 400 - 600 Гц и высокочастотные свисты форсированного выдоха в конце маневра или на всей его протяженности. Определяют продолжительность свиста форсированного выдоха в полосе частот 400-600 Гц и сравнивают его с пороговым значением. Дополнительно определяют общую продолжительность шумового процесса, а нарушение бронхиальной проходимости обнаруживают по превышению общей продолжительностью шумового процесса индивидуальной пороговой величины 2,4•ФЖЕЛдолжн./ПОСвыд.должн. либо по превышению продолжительностью свиста форсированного выдоха в полосе частот 400-600 Гц индивидуальной пороговой величины 1,0•ФЖЕЛдолжн./МОС50должн. При наличии в конце маневра или на всей его протяженности высокочастотного свиста форсированного выдоха в полосе частот выше 600 Гц - по превышению общей продолжительностью шумового процесса индивидуальной пороговой величины 2,1•ФЖЕЛдолжн. /ПОСвыд. должн. либо по превышению продолжительностью свиста форсированного выдоха в полосе частот 400-600 Гц индивидуальной пороговой величины 0,9•ФЖЕЛдолжн. /МОС50должн. , где ФЖЕЛдолжн. , ПОСвыд. должн., МОС50должн. - должные значения форсированной жизненной емкости легких, пиковой объемной скорости форсированного выдоха и объемной скорости форсированного выдоха на уровне 50% ФЖЕЛ по Клементу Р.Ф. Способ позволяет выявить нарушения бронхиальной проходимости до клинической манифестации заболевания. 8 ил.

Изобретение относится к медицине и медицинской технике и предназначено для неинвазивной диагностики нарушений бронхиальной проходимости.

Известны и широко применяются в клинической практике потокообъемные (спирографические) методы выявления нарушений бронхиальной проходимости (в кн. Болезни органов дыхания: Руководство для врачей: в 4 т. Под общей редакцией Н. Р. Палеева. T.1. Общая пульмонология. / Н.И. Александрова, А.Г. Бобков, Н.А. Богданов и др.: под ред. Н.В. Путова. - М.: Медицина, 1989, с. 302-329). Недостатком указанных способов является низкая эффективность выявления нарушений бронхиальной проходимости.

Известен способ диагностики нарушений бронхиальной проходимости, заключающийся в измерении шумов форсированного выдоха (ФВ) и определении нарушений бронхиальной проходимости по превышению длительностью шума или отношением длительности и амплитуды абсолютных пороговых значений (патент РФ 2082316). Недостатком данного способа является низкая эффективность выявления нарушений из-за использования для анализа малого количества акустических параметров.

Наиболее близким к заявляемому является способ диагностики нарушений бронхиальной проходимости (патент РФ 2173536), заключающийся в регистрации и анализе трахеальных шумов форсированного выдоха и определении нарушений бронхиальной проходимости по превышению длительностью свиста ФВ в полосе частот 400-600 Гц абсолютного порогового значения или наличию высокочастотных свистов ФВ в полосе свыше 600 Гц в конце ФВ. Причем пороговая величина временного акустического параметра определяется по абсолютному среднему значению данного параметра в группе здоровых лиц. Недостатком данного способа является ограниченная эффективность выявления нарушении, связанная с отсутствием учета индивидуальной вариации пороговых значений акустических временных показателей в зависимости от возраста, пола и роста.

Техническая задача - повышение эффективности определения нарушений бронхиальной проходимости за счет учета индивидуальной вариации пороговых значений акустических параметров в зависимости от возраста, пола и роста, путем расчета пороговых значений временных акустических параметров на основе индивидуальных должных.

Поставленная задача достигается тем, что в способе диагностики нарушений бронхиальной проходимости, заключающемся в регистрации и анализе дыхательного шума на трахее во время выполнения маневра форсированного выдоха, при котором шумовой процесс отображают в виде зависимости спектра от времени, выявляют свист форсированного выдоха в полосе частот 400-600 Гц и высокочастотные свисты форсированного выдоха в конце маневра или на всей его протяженности, определяют продолжительность свиста форсированного выдоха в полосе частот 400-600 Гц и сравнивают его с пороговым значением, дополнительно определяют общую продолжительность шумового процесса, а нарушение бронхиальной проходимости обнаруживают по превышению общей продолжительностью шумового процесса индивидуальной пороговой величины 2,4•ФЖЕЛдолжн./ПОСвыд.должн. либо по превышению продолжительностью свиста форсированного выдоха в полосе частот 400-600 Гц индивидуальной пороговой величины 1,0•ФЖЕЛдолжн./МОС50должн., а при наличии в конце маневра или на всей его протяженности высокочастотного свиста форсированного выдоха в полосе частот выше 600 Гц - по превышению общей продолжительностью шумового процесса индивидуальной пороговой величины 2,1•ФЖЕЛдолжн. /ПОСвыд. должн. либо по превышению продолжительностью свиста форсированного выдоха в полосе частот 400-600 Гц индивидуальной пороговой величины 0,9•ФЖЕЛдолжн. /МОС50должн. , где ФЖЕЛдолжн. , ПОСвыд. должн., МОС50должн. - должные значения форсированной жизненной емкости легких, пиковой объемной скорости форсированного выдоха и объемной скорости форсированного выдоха на уровне 50% ФЖЕЛ по Клементу Р.Ф.

Существует целый ряд систем расчета должных спирографических показателей, например по Knudson R. J. , Morris/Polgar, ECCS и пр. Выбор системы расчета должных спирографических показателей по Клементу Р.Ф. продиктован адаптированностью этой системы к российской популяции.

Использование предлагаемого способа позволяет существенно повысить эффективность выявления нарушений бронхиальной проходимости за счет учета индивидуальной вариации пороговых значений временных акустических показателей в зависимости от возраста, пола и роста и будет способствовать ранней диагностике синдрома бронхиальной обструкции.

Для пояснения сущности предлагаемого изобретения на фиг.1 показан пример записанной сигналограммы трахеальных шумов. На фиг.2 представлен пример сигналограммы после обрезки неинформативной части записи. На фиг.3 показаны временные и частотные характеристики значимых для диагностики нарушений бронхиальной проходимости акустических эффектов, регистрируемых при форсированном выдохе (ФВ), где Т - общая продолжительность шумового процесса ФВ; 1 - свист ФВ в диапазоне частот 400-600 Гц; t - продолжительность свиста ФВ в диапазоне частот 400-600 Гц; 2 - узкополосная высокочастотная спектральная составляющая в конце ФВ; 3 - узкополосная высокочастотная спектральная составляющая на всем протяжении ФВ. На фиг.4 показана спектрограмма здорового человека. На фиг.5 представлена спектрограмма больной бронхиальной астмой. На фиг.6 и 7 представлены спектрограммы обследуемых, у которых акустические отклонения были зафиксированы до клинической манифестации бронхиальной астмы. Маркерами в виде кружков и прямоугольников на представленных фигурах выделены диагностические признаки трахеальных шумов ФВ.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Сидящему обследуемому устанавливают акустический датчик (например, микрофон МКЭ-3 со стетоскопической насадкой) справа на область гортани внутрь от переднего края грудиноключичнососцевидной мышцы, и просят удерживать его на протяжении всего маневра. На крылья носа накладывают зажим. Перед выполнением форсированного выдоха подробно разъясняют характер и особенности требуемого маневра, который может быть продемонстрирован. При этом особое внимание обращают на полноту вдоха и наиболее быстрое развитие максимального усилия выдоха, и поддержание его на протяжении всего маневра (требование и процедура, аналогичные используемым при спирографии). Дыхательные шумы, возникающие при форсированном выдохе обследуемого, воспринимаются акустическим датчиком и предварительно записываются на портативный магнитофон, либо вводят в компьютер. В связи с проблемой правильного выполнения ФВ, аналогичной существующей в спирографии, из сделанных для каждого пациента записей 2-3 маневров ФВ для анализа выбирается попытка с максимальным значением общей продолжительности шумового процесса (Т). По нашим наблюдениям общая продолжительность шумового процесса не может быть увеличена обследуемым произвольно, тогда как ее умышленное сокращение возможно при форсированном выдохе с недостаточным усилием.

Анализ записанных трахеальных шумов осуществляют на аппаратно-программном комплексе, содержащем плату интерфейса типов L-152 (L-153, L-154), устанавливаемую в системный блок компьютера, и обеспечивающее его работу специализированное программное обеспечение (пакет прикладных программ "TFGTEST"), включающее программы-драйверы для управления платой, а также основной пакет программ, работающий в диалоговом режиме и осуществляющий ввод и спектральный анализ данных. Для анализа могут использоваться и другие доступные технические средства - современный персональный компьютер, снабженный звуковой картой, специализированные программные средства, в частности пакет SpectraLab (Sound Technology Inc.). Введенный первичный акустический сигнал (шум ФВ) записан в памяти компьютера в виде сигналограммы (фиг.1). Для качественной обработки последней выделяют участок записи, содержащий основной шумовой процесс. Начало шума ФВ, как правило, распознается без труда по характерной картине резко нарастающего над уровнем фона сигнала. Конец ФВ имеет вид плавно спадающего шумового процесса. Таким образом, конец участка записи шумового процесса определяют по снижению высокочастотного шума (заполнения) до уровня фона. Программными средствами устанавливают курсор на выбранных границах и обрезают остальную часть записи (фиг.2). С учетом недостаточной стационарности дыхательных шумов в качестве основного средства спектрального оценивания сигнала используют трехмерный (3D) спектр шумового процесса (зависимость спектра от времени), который позволяет разбить всю реализацию на квазистационарные участки - временные выборки. Для спектрального преобразования сигналов на каждом из участков выбран алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ). Спектрально-временные характеристики шума ФВ определяют по трехмерному (3D) спектру, например рельефному (водопадному) спектру (фиг. 3) или спектрограмме. В качестве значимых для диагностики характеристик ФВ используют: общую продолжительность шумового процесса - Т, продолжительность свиста ФВ в полосе частот 400 - 600 Гц - t, наличие или отсутствие высокочастотных (выше 600 Гц) свистов в конце выдоха и/или на всем его протяжении. Общую продолжительность шумового процесса определяют по показаниям курсора. Свист ФВ в диапазоне частот 400 - 600 Гц представлен в виде узкополосной "дорожки" (возможны некоторые отклонения, как в сторону уменьшения, так и увеличения частот). Его продолжительность вычисляют либо по показаниям курсора, либо как произведение частного от деления величины Т на общее количество временных выборок и количества временных выборок, на которых определяются компоненты этой "дорожки". В некоторых случаях свист ФВ в полосе 400 - 600 Гц отсутствует, что еще, как показали наши исследования, не свидетельствует о патологии.

Значения индивидуальных пороговых величин временных акустических параметров были определены следующим образом. Из работы (Korenbaum V.I., Tagiltsev A.A., Kulakov Ju.V., Kilin A.S., Avdeeva H.V., Pochekutova I.A., 1998. Acoustic model of noise producing in human bronchial tree under forced expiration. J. Sound and Vibration. 213, 377-382) известна зависимость фактических временных акустических параметров от фактических спирографических показателей (ФЖЕЛ, ПОСвыд. , МОС50). С учетом этих зависимостей нами предложено определять индивидуальные должные величины временных акустических параметров (Т_д, t_д) на основе должных спирографических показателей по следующим формулам. Общая продолжительность шумового процесса: T_д ≈ k1•ФЖЕЛдолжн./ПОСвыд.должн., (1) продолжительность свиста ФВ в полосе 400-600 Гц: t_д ≈ k2•ФЖЕЛдолжн./МОС50должн. (2) Значения коэффициентов пропорциональности k1, k2 в формулах (1, 2) были рассчитаны нами на основе анализа группы здоровых лиц (29 чел. в возрасте от 18 до 46 лет). Для каждого обследованного по формулам Клемента Р.Ф. и др. были вычислены должные значения ФЖЕЛ, ПОСвыд., МОС50 и отношения ФЖЕЛдолжн. /ПОСвыд. должн. и ФЖЕЛдолжн./МОС50должн. Затем определены коэффициенты k1 = Т/(ФЖЕЛдолжн. /ПОСвыд.должн.) и k2 = t/(ФЖЕЛдолжн./МОС50должн.). Результаты, полученные по группе здоровых лиц, обработаны пакетом прикладных статистических программ Statistica 5,0. Поскольку распределение значений полученных переменных k1 и k2 оказалось гауссовским, они описаны в виде М±σ (М - средняя арифметическая, σ - стандартное отклонение). В результате коэффициенты пропорциональности составили: k1 = 1,61±0,47; k2 = 0,64±0,21. А индивидуальные должные значения временных акустических параметров Т и t равны соответственно 1,61•ФЖЕЛдолжн./ПОСвыд.должн. и 0,64•ФЖЕЛдолжн./МОС50должн.

Верхние (предельные) границы нормы для коэффициентов k1, k2 определены как М + 1,65 σ (р < 0,05). Используя подходы, принятые в спирографии мы выделили в пределах нормальных значений зоны "норма" - М+1σ и "условная норма" в диапазоне между М+1σ и М+1,65σ. В результате коэффициенты пропорциональности для расчета величин, обозначающих верхнюю границу зоны "норма", составляют: k1 = 2,1; k2 = 0,9. Коэффициенты пропорциональности для расчета величин, обозначающих верхнюю (предельную) границу зоны "условная норма", составляют: k1 = 2,4; k2 = 1,0. Эти значения и подставлены в формулы (3-6).

Итак, выход за пределы нормы определяется при условиях: Т>2,1•(ФЖЕЛдолжн./ПОСвыд.должн.), (3) t>0,9•(ФЖЕЛдолжн./МОС50должн.). (4) Выход за пределы условной нормы определяется при условиях: Т>2,4•(ФЖЕЛдолжн./ПоСвыд.должн.); (5) t>1,0•(ФЖЕЛдолжн./МОС50должн.). (6)
Таким образом, согласно формулам (5, 6) обследуемые, у которых временные акустические параметры превышают индивидуальные пороговые величины -
Т=2,4•(ФЖЕЛдолжн./ПОСвыд.должн.); (7)
t=1,0•(ФЖЕЛдолжн./МОС50должн.) (8)
считаются имеющими нарушения бронхиальной проходимости (НБП). К категории имеющих НБП относят также лиц, у которых определяются высокочастотные свисты в конце ФВ и/или на всем его протяжении, если их временные акустические параметры превышают индивидуальные пороговые величины -
Т=2,1•(ФЖЕЛдолжн./ПОСвыд.должн.); (9)
t=0,9•(ФЖЕЛдолжн./МОС50должн.). (10)
Сравнение предлагаемого способа с известными показывает, что он является новым, поскольку заключается в определении нарушений бронхиальной проходимости путем сопоставления фактических временных характеристик шумов ФВ с индивидуальными пороговыми временными акустическими показателями, рассчитываемыми с учетом пола, возраста и роста, что ранее не применялось.

Возможность повышения эффективности диагностики нарушений бронхиальной проходимости за счет такого существенного отличительного признака, как определение индивидуальных пороговых значений временных акустических параметров трахеальных шумов ФВ на основе должных величин спирографических показателей, не вытекает явным образом из известного уровня техники, что свидетельствует о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Проиллюстрируем применение предлагаемого способа на конкретных примерах.

Пример 1. Рельефный спектр (фиг.4) здорового человека (обследуемый К., 27 лет). Общая продолжительность шумового процесса Т=0,76 с. Количество временных выборок - 12. Свист ФВ определяется на частоте 500 Гц со 2-й временной выборки по 8-ю, следовательно, его продолжительность составляет t= 0,76/12•7= 0,44 с. Теперь рассчитаем индивидуальные пороговые значения временных акустических параметров. Должные величины спирографических показателей данного обследуемого составляют: ФЖЕЛ - 3,86 л, ПОСвыд. - 7,19 л, МОС50 - 4,92 л. Поскольку у обследуемого отсутствуют высокочастотные свисты в конце или на всем протяжении ФВ, пороговое значение параметра Т рассчитываем по формуле (7) и получаем 1,29 с, а пороговое значение параметра t рассчитываем по формуле (8) и получаем 0,78 с. Таким образом, мы видим, что фактические значения временных акустических параметров не превышают пороговых значений. Вынесено решение об отсутствии НБП.

Пример 2. Рельефный спектр (фиг.5) б-й С., 48 лет, диагноз: бронхиальная астма средней степени тяжести, фаза ремиссии. Общая продолжительность шумового процесса Т=1,61 с. Количество временных выборок - 12. Свист ФВ определяется на частоте 500 Гц с 1-й временной выборки по 10-ю, следовательно, его продолжительность составляет t=1,61/12•10=1,34 с. Рассчитаем индивидуальные пороговые значения временных параметров трахеального шума ФВ. Должные величины спирографических показателей составили: ФЖЕЛ - 3,23 л, ПОСвыд. - 6,47 л, МОС50 - 4,02 л. Поскольку у больной отсутствуют высокочастотные свисты в конце или на всем протяжении ФВ, пороговое значение параметра Т рассчитывается по формуле (7) и составляет 1,2 с. Пороговое значение параметра t рассчитывается по формуле (8) и составляет 0,8 с. Поскольку фактические величины временных акустических параметров превышают индивидуальные пороговые значения (формулы 7, 8), выносится заключение о наличии у данной обследуемой нарушений бронхиальной проходимости, что подтверждено спирографией.

Пример 3. Рельефный спектр (фиг.6) б-го П., 23 лет, диагноз: бронхиальная астма, легкое персистирующее течение, фаза ремиссии. Общая продолжительность шумового процесса Т= 1,05 с. Количество временных выборок - 12. Свист ФВ определяется на частоте 670 Гц с 1-й временной выборки по 9-ю, следовательно, его продолжительность составляет t=1,05/12•9=0,79 с. Определяется высокочастотный свист на всем протяжении ФВ. Рассчитаем пороговые величины временных акустических параметров. Должные спирографические показатели составили: ФЖЕЛ - 4,7 л, ПОСвыд. - 9,07 л, МОС50 - 5,7 л. Поскольку у больного определяется высокочастотный свист на всем протяжении ФВ, пороговое значение параметра Т рассчитывается по формуле (9) и составляет 1,09 с. Пороговое значение параметра t рассчитывается по формуле (10) и составляет 0,74 с. Как мы видим, фактическая величина параметра t превышает индивидуальную пороговую величину (по формуле 10), и, поскольку у больного определяется высокочастотный свист на всем протяжении ФВ (1 на фиг.6), вынесено заключение о наличии НБП.

Эффективность предлагаемого способа была проверена на группе из 83 человек (больные с обструктивными заболеваниями легких: бронхиальная астма - 34, хронический обструктивный бронхит - 21 (всего 55); здоровые - 29). Чувствительность составила 89%, специфичность - 86%.

Предлагаемый способ оказался эффективнее спирографии для выявления нарушений бронхиальной проходимости у больных с легким течением бронхиальной астмы в фазе ремиссии заболевания. Известно, что у этих больных даже при клинически стабильном состоянии может иметь место скрытая бронхиальная обструкция, которая не всегда выявляется спирографией. При обследовании 14 больных бронхиальной астмой легкого течения в фазе ремиссии чувствительность предлагаемого способа составила 79%, в то время как спирографии - 29%.

В качестве подтверждения полезности использования предлагаемого способа для выявления скрытых нарушений бронхиальной проходимости могут служить следующие клинические примеры.

Пример 4. У обследуемой И., 38 лет при акустическом исследовании были выявлены нарушения бронхиальной проходимости (фиг.7). Временные акустические параметры - Т=1,26 с; t=0,74 с; высокочастотный свист в конце ФВ (1 на фиг. 7). Диагностическое заключение о наличии НБП вынесено нами на основании превышения акустическим параметром Т порогового значения, равного 1,25 с (формула 9). У И. имели место факторы риска развития бронхиальной астмы, но клинических проявлений заболевания не было, спирографические показатели также не отклонялись от нормы. Через 2 года после акустического исследования у И. появились типичные симптомы бронхиальной астмы.

Пример 5. У обследуемой М., 38 л., при акустическом исследовании были выявлены нарушения бронхиальной проходимости (фиг.8) без клинических симптомов заболеваний органов дыхания и при нормальной спирограмме. Временные акустические параметры - Т=1,15, t=0,86; высокочастотные свисты в конце ФВ (1 на фиг.8) и на всем его протяжении (2 на фиг.8). Диагностическое заключение о наличии НБП вынесено на основании превышения параметром t порогового значения, равного 0,80 с (формула 10). Спустя полгода после обследования у М. развились типичные проявления бронхиальной астмы.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет выявлять нарушения бронхиальной проходимости до клинической манифестации заболевания, что делает перспективным его применение для диагностики не только клинически значимого обструктивного синдрома, но и скрытых и ранних нарушений бронхиальной проходимости, которые не выявляются традиционной спирометрией.

Формула изобретения

Способ диагностики нарушений бронхиальной проходимости, заключающийся в регистрации и анализе дыхательного шума на трахее во время выполнения маневра форсированного выдоха, при котором шумовой процесс отображают в виде зависимости спектра от времени, выявляют свист форсированного выдоха в полосе частот 400-600 Гц и высокочастотные свисты форсированного выдоха в конце маневра или на всей его протяженности, определяют продолжительность свиста форсированного выдоха в полосе частот 400-600 Гц и сравнивают его с пороговым значением, отличающийся тем, что дополнительно определяют общую продолжительность шумового процесса, а нарушение бронхиальной проходимости обнаруживают по превышению общей продолжительностью шумового процесса индивидуальной пороговой величины 2,4•ФЖЕЛдолжн. /ПОСвыд. должн. либо по превышению продолжительностью свиста форсированного выдоха в полосе частот 400-600 Гц индивидуальной пороговой величины 1,0•ФЖЕЛдолжн. /МОС50должн. , а при наличии в конце маневра или на всей его протяженности высокочастотного свиста форсированного выдоха в полосе частот выше 600 Гц - по превышению общей продолжительностью шумового процесса индивидуальной пороговой величины 2,1•ФЖЕЛдолжн. /ПОСвыд. должн. либо по превышению продолжительностью свиста форсированного выдоха в полосе частот 400-600 Гц индивидуальной пороговой величины 0,9•ФЖЕЛдолжн. /МОС50должн. , где ФЖЕЛдолжн. , ПОСвыд. должн. , МОС50должн. - должные значения форсированной жизненной емкости легких, пиковой объемной скорости форсированного выдоха и объемной скорости форсированного выдоха на уровне 50% ФЖЕЛ по Клементу Р. Ф.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8