СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ НАРУШЕНИЙ БРОНХИАЛЬНОЙ ПРОХОДИМОСТИ Российский патент 2007 года по МПК A61B5/08 

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 в особенности на ранних этапах заболевания.

Известен способ диагностики нарушений бронхиальной проходимости, заключающийся в измерении шумов форсированного выдоха (ФВ) и определении нарушений бронхиальной проходимости по превышению продолжительностью шумового процесса порогового значения (патент РФ №2082316, опубл. 27.06.97). Недостатком данного способа является недостаточная эффективность выявления нарушений бронхиальной проходимости из-за высокой межиндивидуальной вариации нормальной продолжительности трахеальных шумов ФВ.

Наиболее близкий к заявляемому способ диагностики нарушений бронхиальной проходимости описан в патенте РФ №2212186 (опубл. 20.09.03). Он заключается в регистрации и анализе дыхательного шума на трахее во время выполнения маневра форсированного выдоха, при котором определяют общую продолжительность шумового процесса, а нарушение бронхиальной проходимости обнаруживают по превышению общей продолжительностью шумового процесса индивидуальной пороговой величины 2,4·ФЖЕЛдолжн./ПОСвыд.должн. Недостатком этого способа является ограниченная эффективность выявления нарушений бронхиальной проходимости, связанная с недостаточным учетом влияния вложения и физического развития обследуемых на величину индивидуальной вариации продолжительности шумового процесса. В известном решении при расчете должных спирографических показателей учитываются только рост и возраст обследуемых. Это, в частности, проявляется в недостаточно высокой чувствительности выявления нарушений бронхиальной проходимости у больных с подтвержденной на основе снижения спирографических показателей бронхиальной обструкцией, составившей на модельной выборке из 55 человек не более 89% (описание к патенту РФ №2212186).

Техническая задача - повышение эффективности выявления нарушений бронхиальной проходимости за счет учета индивидуальной вариации продолжительности трахеальных шумов ФВ в зависимости от сложения и физического развития обследуемых путем нормирования продолжительности трахеальных шумов ФВ на индивидуальные антропометрические параметры.

Поставленная задача достигается тем, что в способе диагностики нарушений бронхиальной проходимости, заключающемся в регистрации и анализе дыхательного шума на трахее во время выполнения обследуемым маневра форсированного выдоха, при котором определяют общую продолжительность шумового процесса (Т), дополнительно измеряют окружности грудной клетки обследуемого при спокойном дыхании (ОГ₁) и максимальном вдохе (ОГ₂), вычисляют нормированную продолжительность шумового процесса Т_n=(a·Т·ОГ₁ ^b/ОГ₂ ^c)^d, где а, b, с, d - коэффициенты, рассчитанные путем регрессионного моделирования по представительной выборке здоровых лиц одного с обследуемым пола и той же возрастной группы, Т - общая продолжительность шумового процесса, а решение о наличии нарушений бронхиальной проходимости принимают при превышении величиной Т_n порогового значения, при этом величину порогового значения определяют как 82% персентиль распределения Т_n в выборке здоровых лиц, используемой для регрессионного моделирования.

Использование предлагаемого способа позволяет существенно повысить эффективность выявления нарушений бронхиальной проходимости за счет учета индивидуальной вариации продолжительности трахеальных шумов ФВ от сложения и физического развития обследуемых и способствует более надежной ранней диагностике синдрома бронхиальной обструкции.

Для пояснения сущности предлагаемого изобретения на фиг.1 показан пример записанной сигналограммы трахеальных шумов ФВ. На фиг.2 представлен пример сигналограммы после частотной фильтрации.

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 записываются через стандартную звуковую карту на персональный 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 достигнутым значением продолжительности шумового процесса (Т), поскольку по нашим наблюдениям 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 в пакете программ SpectraLab (Sound Technology Inc.). Введенный первичный акустический сигнал (шум ФВ) записан в памяти компьютера в виде сигналограммы (фиг.1). С целью удаления помех (сетевых наводок, вибраций мышц) производится фильтрация сигнала в полосе частот 200-2000 Гц (фиг.2). 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. В связи с этим конец участка записи шумового процесса определяют по снижению высокочастотного шума (заполнения) до уровня фона. Программными средствами устанавливают курсор на выбранных границах и измеряют разность времен между ними, вычисляя таким образом общую продолжительность шумового процесса (Т).

Окружности грудной клетки измеряют сантиметровой лентой, которая накладывается сзади на уровне нижних углов лопаток, спереди у мужчин прикрывает нижние сегменты околососковых кружков, а у женщин накладывается выше молочных желез. Измеряют окружность грудной клетки при спокойном дыхании (ОГ₁) и на максимальном вдохе (СГ₂).

На основе измеренных величин вычисляют параметр Т_n=(a·Т·ОГ₁ ^b/ОГ₂ ^c), где а, b, с, d - коэффициенты, которые выбирают согласно возрасту и полу обследуемого, рассчитывая предварительно путем регрессионного моделирования по представительной выборке здоровых лиц одного с обследуемым пола и той же возрастной группы. При превышении параметром Т_n порогового значения, величина которого составляет 82% персентиля распределения параметра Т_n представительной выборки здоровых лиц данной возрастно-половой группы, принимают решение о наличии у обследуемого нарушений бронхиальной проходимости.

Способ осуществляют следующим образом.

В соответствии с анатомо-физиологическими особенностями взрослого человека предлагается использовать, например, следующие возрастные группы: 17-22 лет, 23-30 лет, 31-40 лет, 41-50 лет, 51-60 лет и старше 60 лет.

Использована обучающая выборка, которая состояла из 32 здоровых некурящих молодых мужчин в возрасте 17-22 лет (Me; Q₂₅; Q₇₅ -18,0; 17,5; 19,5).

Обследуемым измеряли окружности грудной клетки ОГ₁ и ОГ₂.

Регистрация трахеальных шумов ФВ проводилась по методике, описанной выше. Маневр ФВ выполнялся трехкратно. Обработка трахеальных шумов ФВ проводилась в стандартном пакете SpectraLAB 4.0. Шумовой сигнал предварительно фильтровали в полосе 200-2000 Гц (Band Pass, Steep, Center Fr.=1100 Hz; Width=1800 Hz). Затем определяли продолжительность шумов ФВ (Т) и выбирали попытку с максимальным значением этого показателя.

Всем обследуемым выполнялась спирография на компьютерном спирографе (USB, MicroMedical) с определением форсированной жизненной емкости легких (ФЖЕЛ), объема форсированного выдоха за первую секунду (ОФВО, максимальных объемных скоростей на уровнях 25, 50, 75% ФЖЕЛ (МОС₂₅, МОС₅₀, МОС₇₅), средней объемной скорости (СОС_25-75) на уровнях 25-75% ФЖЕЛ.

Всем обследуемым измерялось максимальное статическое экспираторное давление (Р_Emax). Для этого использовался манометр анероидного типа, соединенный с фиксируемым во рту загубником с помощью системы жестких трубок. Для обеспечения стабилизация показаний манометра путем создания малой утечки воздуха (American Thoracic Soc. / European Respiratory Soc. Statement on respiratory muscle testing. P.532 www.thoracic.org.statements) использовались 2 обрезка инъекционных игл с диаметром внутреннего отверстия по 1 мм, длиной 30 мм. Измерение Р_Emax выполнялось в положении сидя с отключенным с помощью зажима носовым дыханием. Во время маневра обследуемые сдавливали одной рукой свои щеки. Максимальное экспираторное усилие развивалось из положения максимального вдоха и поддерживалось в течение 1-2 сек. Обследуемые выполняли 3-4 попытки с 1 мин интервалами между ними, регистрировались максимальные значения показателя Р_Emax.

В соответствии с однокомпонентной моделью дыхательной системы при ФВ (Zach M.S. The physiology of forced expiration // Pediatric Resp.Rev. 2000. V.1 P.36-39) под воздействием дыхательной мускулатуры и эластической отдачи легких в области периферических дыхательных путей (ДП) бронхиального дерева (диапазон от 23 до 8-7 генераций) создается так называемое альвеолярное давление. В то же время основное сопротивление респираторного тракта при форсированном выдохе в норме приходится на область крупных и средних ДП бронхиального дерева в диапазоне от 7-6 до 0 генераций (Коренбаум В.И., Почекутова И.А., Тагильцев А.А. Регрессионное моделирование акустико-биомеханических характеристик свистов форсированного выдоха человека // Изв. РАН. МЖГ. 2003. Т.38. №6. С.64-71). Максимальное статическое экспираторное давление Р_Emax вследствие выравнивания давления по всей дыхательной системе является с точностью до упругих потерь на деформацию податливых стенок ДП оценкой альвеолярного давления.

С другой стороны, согласно (Korenbaum V.I., Tagiltsev А.А., Kulakov Ju. V. et al. Acoustic model of noise producing in human bronchial tree under forced expiration // J.Sound and Vibr. 1998. V.213. №2. P.377-382) продолжительность трахеальных шумов ФВ может быть представлена в виде: , где символ ˜ имеет смысл пропорциональности. Если умножить обе части выражения (1) на Р_Emax, получим , где P_Emax/COC_25-75˜|z| - оценка модуля эквивалентного экспираторного сопротивления ДП бронхиального дерева (Кузнецова В.К., Любимов Г.А. Оценка физических свойств легких человека на основе исследования сопротивления дыхательных путей // Физиология человека. 1985. Т.11, №1, С.55-68) в диапазоне от 7-6 до 0 генераций, осредненного преимущественно по времени действия функционального экспираторного стеноза. Таким образом, выражение (2) может быть переписано в виде:

Из теоретического выражения (3) следует прямая зависимость продолжительности шумов форсированного выдоха (Т) от ФЖЕЛ, |z| и обратная - от Р_Emax.

При кореляционном анализе (корреляционный коэффициент Пирсона) экспериментальных данных по обучающей выборке выявлены: сильная корреляционная связь между параметрами ФЖЕЛ и ОГ₂-r=0,77 (р<0,001), корреляционная связь средней силы между параметрами |z| и Т-r=0,65 (р<0,001), Р_emax и ОГ₁-r=0,41, (р=0,02). Значимой корреляции Р_emax со спирографическими параметрами, а также |z| с антропометрическими параметрами не выявлено. Для моделирования теоретического выражения (3) была применена множественная линейная регрессия логарифмов. При этом в целях нормирования продолжительности шумового процесса (Т) авторы заменили спирографические/биомеханические параметры их антропометрическими коррелятами: ФЖЕЛ на ОГ₂, Р_Emax на ОГ₁. Для |z| антропометрических коррелятов обнаружено не было. В результате получено следующее регрессионное соотношение для логарифмов указанных параметров:

где R²=0,66, р<0,001, первое слагаемое определено со значимостью р=0,0014, второе и третье - р<0,001, четвертое - р=0,0024, которое характеризуется весьма высокой прогностической ценностью.

Регрессионный анализ такого типа (множественная линейная регрессия) является стандартной процедурой, осуществляемой, например, в пакете программ STATISTICA, и подробно описан в книге Ребровой О.Ю. Статистический анализ медицинских данных. Применение пакета прикладных программ STATISTICA. M.: МедиаСфера. 2002, С.213-221. Цель регрессионного анализа получить (по критерию наименьшего квадрата отклонений) численные коэффициенты, стоящие в регрессионном уравнении (4) перед постоянным членом (А0) и каждым из параметров ОГ₂ (Al), |z| (A2), ОГ₁ (A3). В соответствии с изложенным регрессионное уравнение (4) с очевидностью может быть представлено в виде:

lgT=А0+A1 lg ОГ₂+A2 lg |z|+A3 lg ОГ₁,

где А0=-4,816; А1=11,476; А2=0,554; А3=-9,465.

Выполнив потенцирование правой части (4) и приравняв выражения под логарифмами, получим

Или с учетом вышеприведенных значений регрессионных коэффициентов А0, A1, A2, A3:

Выразим |z| из (5) в виде соотношения пропорциональности:

Или с учетом вышеприведенных значений регрессионных коэффициентов А0, A1, A2, A3:

|z|˜(Т/10^A0ОГ₁ ^A3/ОГ₂ ^A1)^1/A2.

Выражение в правой части (6), так же как и последнего соотношения, представляет собой нормированную на индивидуальные антропометрические характеристики обследуемых продолжительность шумов форсированного выдоха Т_n=(a·Т·ОГ₁ ^b/ОГ₂ ^c), где а=T/10^A0=65445; b=A3=9,465; с=A1=11,476; d=1/A2=1,805.

Значения Т_n по обучающей выборке мужчин возрастной группы 17-22 лет составили (Me; Q₂₅; Q₇₅ - 27,913; 22,742; 37,65). Пороговое значение параметра Т_n определено в обучающей выборке с помощью ROC анализа (Власов В.В. Эффективность диагностических исследований. М.: Медицина, 1988. С.104-127) путем максимизации чувствительности и специфичности способа диагностики. Это значение в данной выборке составляет 40, что соответствует 82% персентилю распределения величин Т_n по обучающей выборке.

При определении порогового значения Т_n для обследуемых другого возраста и пола сразу определяем 82% персентиль распределения величин Т_n по представительной обучающей выборке для данной возрастно-половой группы.

Таким образом, для мужчин возрастной группы 17-22 лет экспериментально установленные значения коэффициентов составляют а=65445; b=9,465; с=11,476; d=1,805, а пороговое значение составляет 40.

Величины коэффициентов а, b, с, d и пороговых значений Т_n для других возрастно-половых групп должны быть предварительно определены по вышеописанной процедуре.

Сравнение предлагаемого способа с известными показывает, что он является новым, поскольку заключается в выявлении нарушений бронхиальной проходимости путем измерения окружностей грудной клетки и определения нормированной продолжительности шумового процесса как индивидуального параметра Т_n=(a·Т·ОГ₁ ^b/ОГ₂ ^c)^d, величина которого сравнивается с пороговым значением.

Возможность повышения эффективности диагностики нарушений бронхиальной проходимости за счет такого существенного отличительного признака, как определение и сравнение с порогом параметра Т_n, слабо зависящего от телосложения и развития обследуемых, не вытекает явным образом из известного уровня техники, что свидетельствует о соответствии критерию "Изобретательский уровень".

Пример применения заявляемого способа.

Обследуемый Т., 21 год. Сигналограмма трахеальных шумов ФВ показана на фиг.1 (после фильтрации на фиг.2). Продолжительность шумового процесса Т=4,32 с. ОГ₁=85 см, ОГ₂=92 см. Рассчитываем параметр Т_n при условии что для данной возрастно-половой группы а=65445; b=9,465; с=11,476; d=1,805, Т_n=133,15. Сравниваем эту величину с пороговым значением, которое для данной возрастно-половой группы составляет 40. Т_п>40, следовательно, у обследуемого выявлены нарушения бронхиальной проходимости. Этот вывод подтверждается независимо поставленным медицинским диагнозом: бронхиальная астма, течение средней тяжести.

Эффективность предлагаемого способа была проверена на непересекающейся с обучающей контрольной выборке обследуемых в составе 77 человек, в которую вошли: 25 здоровых мужчин в возрасте 17-22 лет, 25 больных бронхиальной астмой легкого/среднего течения, имеющих спирографические отклонения (мужчины, по возрасту, росту и весу не отличающиеся от группы здоровых), 27 больных бронхиальной астмой легкого течения, не имеющих спирографических отклонений (мужчины, по возрасту, росту и весу не отличающиеся от группы здоровых и группы больных со спирографическими отклонениями).

При этом специфичность предлагаемого способа диагностики по контрольной выборке составила 88%. Чувствительность предлагаемого способа по группе больных с подтвержденной спирографически бронхиальной обструкцией составила 96%, что существенно выше, чем у прототипа и статистически неразличимо с чувствительностью спирографии (96% vs. 100%, р=0.16).

Предлагаемый способ оказался намного эффективнее спирографии для выявления нарушений бронхиальной проходимости у больных с легким течением бронхиальной астмы. Известно, что у этих больных даже при клинически стабильном состоянии может иметь место скрытая бронхиальная обструкция, которая не всегда выявляется спирографией. В группе больных, не имеющих спирографических отклонений (чувствительность спирографии 0%), предлагаемым способом нарушения бронхиальной проходимости выявлены у 41%, что сопоставимо с чувствительностью бронхопровокационных проб с гистамином - 48% по данным (Metso Т., Kilpiö К., Bjorksten F., Kiviranta К. et al. Detection and treatment of early asthma // Allergy. - 2000. - V.55, №5. - Р.505-509). Бронхопровокационные пробы с гистамином являются диагностическим методом «золотого стандарта» для данной категории больных бронхиальной астмой, хотя и небезопасным (возможность анафилактического шока). Предлагаемый способ при сравнимой чувствительности в отличие от бронхопровокационных проб совершенно безопасен для обследуемых. Таким образом, предлагаемый способ является перспективным не только для достоверной диагностики клинически значимого обструктивного синдрома, но и для скрининга скрытых (ранних) нарушений бронхиальной проходимости, которые не выявляются традиционной спирометрией. Достоинствами предлагаемого способа являются также простота его реализации и полное исключение возможности перекрестного инфицирования обследуемых, что является фактором риска для всех потокообъемных (спирография, бодиплетизмография) методов.

Изобретение относится к медицине и медицинской технике и предназначено для неинвазивной диагностики нарушений бронхиальной проходимости. Осуществляют регистрацию и анализ дыхательного шума на трахее во время выполнения обследуемым маневра форсированного выдоха. Определяют общую продолжительность шумового процесса (Т). Дополнительно измеряют окружности грудной клетки обследуемого при спокойном дыхании (ОГ₁) и максимальном вдохе (ОГ₂). Вычисляют нормированную продолжительность шумового процесса Т_n, равную (a·Т·ОГ₁ ^b/ОГ₂ ^c)^d, где а, b, с, d - коэффициенты, рассчитанные путем регрессионного моделирования по представительной выборке здоровых лиц одного с обследуемым пола и той же возрастной группы. При превышении величиной Т_n порогового значения принимают решение о наличии нарушений бронхиальной проходимости. При этом величину порогового значения определяют как 82% персентиль распределения Т_n в выборке здоровых лиц, используемой для регрессионного моделирования. Способ позволяет повысить эффективность выявления нарушений бронхиальной проходимости за счет учета индивидуальной вариации продолжительности трахеальных шумов форсированного выдоха (ФВ) в зависимости от сложения и физического развития обследуемых путем нормирования продолжительности трахеальных шумов ФВ на индивидуальные антропометрические параметры. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ диагностики нарушений бронхиальной проходимости, заключающийся в регистрации и анализе дыхательного шума на трахее во время выполнения обследуемым маневра форсированного выдоха, определении общей продолжительности шумового процесса (Т), отличающийся тем, что дополнительно измеряют окружности грудной клетки обследуемого при спокойном дыхании (ОГ₁) и максимальном вдохе (ОГ₂), вычисляют нормированную продолжительность шумового процесса Т_n, равную (a·Т·ОГ₁ ^b/ОГ₂ ^c)^d, где а, b, с, d - коэффициенты, рассчитанные путем регрессионного моделирования по представительной выборке здоровых лиц одного с обследуемым пола и той же возрастной группы, и при превышении величиной Т_n порогового значения принимают решение о наличии нарушений бронхиальной проходимости, при этом величину порогового значения определяют как 82% персентиль распределения Т_n в выборке здоровых лиц, используемой для регрессионного моделирования.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для мужчин возрастной группы 17-22 лет значения коэффициентов а, b, с и d равны соответственно а=65445; b=9,465; с=11,476; d=l,805, а пороговое значение составляет 40.