СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ АППАРАТНОЙ ПЕРКУССИИ Российский патент 2015 года по МПК A61B8/00 

Предлагается способ аппаратной перкуссии, который предназначен для расширения диагостических возможностей перкуссионных исследований, упрощения проведения перкуссии и может быть использован при изучении звуковой картины работы органов и выявления патологических изменений в звуке.

Известны случаи выполнения аппаратной перкуссии [1, 2, 3], в которых в качестве элемента, осуществляющего удар, используют либо палец или 2-3 пальца правой руки, либо перкуссионный молоточек. В качестве плессиметра, по которому производят удар, используют либо пальцы левой руки, либо пластины различной формы из упругих материалов. Плессиметр располагают непосредственно на коже над исследуемым органом.

Название «аппаратная перкуссия» связано с использованием в качестве приемника акустического отклика от исследуемого органа микрофона (нов) и последующую обработку электрических сигналов с визуализацией результатов в удобной для специалиста форме.

В известном способе [3], по мнению авторов, наиболее полно решены многие проблемы аппаратной перкуссии в диагностике пневмонии. Однако даже в заключении выполненной работы автор заявляет: «усредненные спектры здоровых людей не могут использоваться для определия порога в связи с высокой межиндивидуальной выриабельностью».

В качестве научных положений автор вынес утверждение (по нашему мнению, вытекающее из приведенного заключения), что: «индивидуальные спектральные и топографические особенности перкуторных акустических сигналов по поверхности грудной клетки состоят в различии форм спектров и положений спектральных пиков».

Как достоинство работы [3], следует отметить создание компьютерного архива, включающего перкуторные аудиограммы в цифровом формате, спектрограммы, банк отработанных спектров аппаратной перкуссии легких у здоровых и больных пневмонией лиц.

По своим техническим характеристикам известный способ [3] может рассматриваться как прототип (аналог) предлагаемого способа. К недостаткам прототипа следует отнести:

- наличие достаточно сильного влияния плессиметра, по которому производят удар, на открытый микрофон и на изменение акустического отклика, если микрофон вставлен в стетоскопичекую насадку, основание которой лежит на теле,

- отсутствие формирования удара с заданными и регулируемыми параметрами,

- наличие сложного алгоритма оценки перкуссионной диагностики больного органа в процессе его лечения.

Предлагаемый способ проведения аппаратной перкуссии предполагает устранение перечисленных недостатков прототипа.

Способ формирования аппаратной перкуссии включает в себя операции выполнения коротких ударов по плессиметру, который располагают на теле человека, и регистрации акустического отклика на удар микрофоном, выходной сигнал которого обрабатывают системой с быстрым преобразованием Фурье и визуализацией в координатах амплитуда-частота. В соответствии с предложением в качестве удара используют импульное ультразвуковое (УЗ) излучение, которое направляют на плессиметр в виде пластины, внешнюю сторону которого, обращенную к УЗ-излучателю, выполняют с неровностями для рассеивания излучения, а импульсное радиационное давление УЗ на плессиметр эквивалентно направленному ударному давлению, длительность которого регулируют от минимального значения 0,5 с, акустический отклик на удар регистрируют микрофоном, который располагают бесконтактно у тела, а нижняя граница регистрируемых частот микрофоном 20 Гц, причем электрический отклик после преобразования представляют в линейной системе координат амплитуда-частота в виде спектральной резонансной кривой, на которой фиксируют добротность резонанса, а затем график спектральной кривой дифференцируют и результат представляют в той же системе координат, при этом положение резонансной частоты f_рез определяют при прохождении дифференциальной кривой через ноль на частотной шкале, а величина добротности спектральной кривой, смещение резонансной частоты f_рез по частотной шкале и изменения формы дифференциальной кривой слева и справа от резонансной частоты f_рез текущих перкуссионных измерений сравнивают с предыдущими и используют для оценки состояния исследуемого органа.

Сущность преложенного способа поясняется следующими схемами и фигурами:

фиг.1 - функциональная схема, реализующая предложенный способ, где 1 - тело человека, 2 - плессиметр, 3 - насадка, 4 - УЗ-излучатель, 5 - микрофон, 6, 7 - корпус излучателя и микрофона, 8 - схема импульсного включения излучателя и микрофона, 9 - усилитель микрофонного сигнала, 10 - УЗ-генератор, 11 - блок управления, 12 - блок быстрого преобразования Фурье (БПФ) и представления спектральной кривой в линейных координатах амплитуда-частота, 13 - блок дифференцирования графика спектральной кривой и представления дифференциальной кривой в линейных координатах амплитуда-частота;

фиг.2 - временные диаграммы работ отдельных блоков из фиг.1, где «а» - иллюстрация работы блока 4, «б» - иллюстрация формирования радиационного давления на плессиметре 2, «в» - выходной электрический сигнал микрофона 5 из работы [3], «г» - резонансная спектральная кривая после БПФ, «д» - дифференциальная кривая и определение резонансной частоты;

фиг.3 - иллюстрация рассеивания УЗ-излучения плессиметром;

фиг.4 - спектральные кривые легочной зоны 12 у больного «Б» и здорового «З» человека из [3];

фиг.5 - иллюстрация дифференциальной кривой после графического дифференцирования кривой «Б» из фиг.4.

Предложенный способ может быть реализован схемой, изображенной на фиг.1. УЗ-колебания от излучателя 4 направляют на плессиметр 2. Насадку 3 на корпусе 6 излучателя 4 располагают по возможности близко к поверхности тела человека 1 для уменьшения рассеивания УЗ-излучения до попадания его на плессиметр. Поверхность плессиметра 2, обращенную к излучателю, выполняют ребристой с целью максимального рассеивания УЗ-излучения. Блок 8 обеспечивает импульсное подключение генератора УЗ-колебаний 10 к излучателю УЗ-блока 4 и импульсное включение усилителя 9 микрофона 7 на заданное время от момента включения УЗ-излучателя. Блок управления 11 формирует сигналы управления для блока 8. Выходной электрический сигнал микрофона 7 усиливают усилителем 9 и обрабатывают в блоке 12 методом БПФ и представляют в виде спектральной кривой в линейной системе координат амплитуда - частота составляющих спектра. В блоке 13 осуществляют графическое дифференцирование спектральной кривой, результат которого воспроизводят в той же системе координат амплитуда-частота (при дифференцировании используют частотный интервал в 5 Гц).

Работа во времени основных блоков функцианальной схемы на фиг.1 приведена на фиг.2. На графике «а» показана работа УЗ-излучателя блока 4 в импульсном режиме при непрерывной работе УЗ-генератора 10, причем длительность импульса t_им регулируют сигналами блока 8 от минимальной длительности равной 0,5 с. На графике «б» показано импульсное радиационное давление на плессиметре 2 от УЗ-излучения блока 4. На графике «в» изображен типичный выходной сигнал микрофона 7 (вид аналогового сигнала на выходе микрофона от акустического отклика на перкуторный удар). Спектральная кривая выходного сигнала на графике «г» после его усиления блоком 9, БПФ и воспроизведения в линейной системе координат в блоке 12. На графике «д» изображена кривая результата дифференцирования графической спектральной кривой, на которой положение резонансного пика на частотной оси зафиксировано прохождением кривой через ноль, а импульсы слева и справа от f_рез по амплитуде, длительности и форме характеризуют нарастание низкочастотных составляющих спектра и спада высокочастотных составляющих.

Для решения задачи автоматизации перкуторного удара определим примерную величину силу этого удара в прототипе, которую определим из выражения

F_уд=m·a,

где m - масса пальца-молоточка, которую примем равной 100 г, a - ускорение, связанное с изменением скорости пальца от нуля до удара по плессиметру за время 1 с. Если расстояние от отведенного пальца-молоточка до плессиметра принять равным 3 см, то a=3 см/с². Таким образом, величина силы удара оказывается равной 3·10² г·см/с².

Давление на плессиметр ΔР_уд=F_уд/S_пл, где S_пл - площадь плессиметра и, приняв ее равной ~8 см² (площадь пальца-плессиметра), величина давления составляет

$$\Delta {Р}_{уд}=\frac{3\cdot {10}^2}{8}=37,5{\text{ дин/см}}^{\text{2}}$$

или ΔР_уд=3,75 Па.

При различных значениях площади плессиметра S_пр и значениях ударной массы m можно принять величину давления перкуторного удара в диапазоне 2-5 Па.

В работах [4, 5] показано, что радиационное давление звука является эффектом 2-го порядка малости по сравнению с амплитудой переменного звука. Так в воде при интенсивности звука 10 Вт/см² давление звука составляет 3·10⁵ Па, а радиационное давление звука составляет ~10² Па. В воздухе при интенсивности звука 1 Вт/см² (соответствует интенсивности звука ~3·10³ Па) радиационное давление составляет 10 Па.

Авторы согласны с изложенной в работах [4, 5] версией, что появление радиационного давления связано с уменьшением сопротивления движению частиц воздуха, когда частицы движутся из области сжатия в область разряжения. При движении частиц воздуха из области разряжения в область сжатия сопротивление увеличивается. Именно это изменение сопротивления и является причиной возникновения постоянного давления звука в направлении его распространения.

В соответствии с изложенным авторы предлагают формировать механический удар в аппаратурной перкуссии, используя радиационное давление звука. В качестве «несущей частоты» радиационного давления предложено использовать УЗ-излучение в частотном диапазоне 30-70 кГц. Выбор частотного диапазона обосновывается тем, что на частотах выше 70 кГц значительно увеличиваются потери в воздушной среде и также в этом случае отсутствует наводка на микрофон, так как эти частоты лежат за пределами частотного диапазона чуствительности микрофонов.

При мощности УЗ-излучения 1-5 Вт/см² в указанном частотном диапазоне [4] величину этого давления можно расчитать, используя известную зависимость [6]

$$\Delta {Р}_{уз}=\sqrt{{У}_{уз}\cdot Z_{ак}}$$ , где I_уз - интенсивность УЗ-излучения (в нашем случае, например, 5 Вт/см), Z_ак - акустическое сопротивление воздуха, равное 418 кг/м²·с и оказывается равным (2,04-4,60)·10 Па. При этом величина радиационного давления составит ~2 Па.

Таким образом, радиационное давление звука, сопровождающее УЗ-излучение, позволяет произвести механический удар по плессиметру с возможностью регулировки как силы удара (изменением интенсивности излучения), так и его длительности от минимального значения 0,5 с. Ограничение удара по длительности связано с данными из работы [3], в соответствии с которыми длительность акустического отклика составляет 0,1-0,2 с, а предлагаемая минимальная длительность удара 0,5 с превышает время отклика и так как радиационное давление формируется каждой волной УЗ, то на частоте 60 кГц число формирующих удар периодов 10⁵.

Особенностью УЗ-излучателей является реализация в механических колебательных элементах явления резонанса, что позволяет существенно увеличить амплитуду колебаний на резонансной частоте. В области УЗ в указанном диапазоне частот используют материалы, обладающие пьезоэффектом. Пластины из таких материалов поляризуют по толщине h, а максимальная эффективность излучения достигается при равенстве толщины h полуволновой длине излучения (на частоте 60 кГц длина волны составляет 5,6 мм).

В качестве материалов с пьезоэффектом в настоящее время используют цирконат-титонат свинца (ЦТС-1, ЦТС-23, ЦТБС-2, ЦТСС-1), ниобат лития НБС-1 и др., обладающие высоким допустимым значением рабочих температур (выше +300°С). УЗ-излучатели с мощностью излучения 5 Вт/см имеют КПД 30%, что практически на порядок выше КПД излучателей в звуковом и инфразвуковом диапазоне частот. Для задач аппаратной перкуссии УЗ-излучатель может состоять из четырех пластин площадью 6×6 мм и при толщине 3 мм каждой, собранных в квадрат на частоте 60 кГц.

По мнению авторов указанная в прототипе характеристика использованного микрофона как «электретного» не корректна для аппаратной перкуссии. При расположении резонансного пика на частотах 50-90 Гц использование электретного микрофона с нижней частотной границей, равной 50 Гц, недопустимо. Нижняя граничная частота микрофона в этом случае должна быть не выше 20 Гц. Используемый при регистрации акустического отклика микрофон, с одной стороны, не должен соприкасаться с телом человека, но быть к нему максимально приближенным. С другой стороны, наличие насадки на микрофоне защищает чувствительную поверхность от прямого попадания как посторонних шумов, так и УЗ-излучения.

Корпус УЗ-излучателя и корпус микрофона могут быть объединены жесткой механической связью через эластичные прокладки в местах соединения.

Плессиметр выполняют в виде пластины с формой, близкой к форме исследуемого органа. Однако для исследования легких человека плессиметр следует выполнять в виде полоски, чтобы перкуторный удар пришелся в межреберье. В этом случае и насадка на излучателе должна соответствовать размеру и форме плессиметра. Поэтому аппаратурную перкуссию предлагается снабдить насадками на УЗ-излучатель, размеры и формы которых соответствуют размерам и формам плессиметров.

Сторона плессиметра, прикладываемая к телу, является гладкой, а обратная сторона выполняется с неровностями для рассеивания УЗ-излучения и противофазного радиационного давления. Эффективным рассеивание осуществляется при условии, когда неровности отражательной поверхности больше или равны λ_уз, где λ_уз - длина волны УЗ-излучения, и при f_уз=50-70 кГц составляет 4,8-6,8 мм. Плессиметр может быть выполнен из плотной резины или пластичных полимерных материалов. Такие пластины при толщине 3-5 мм могут изготавливаться методом литья в форме или штамповкой.

На фиг.3 показано рассеивание УЗ-излучения плессиметром, из которого следует, что в микрофон попадает незначительная часть излучения. Следует отметить, что радиационное давление отраженного УЗ-излучения в зоне микрофона находится в противофазе с прямым радиационным давлением от принявшего удар плессиметра.

Эти два давления можно рассматривать как компенсирующие друг друга в зоне микрофона и, следовательно, общий шум микрофона уменьшается.

Авторы считают целесообразным использование при регистрации и обработке электрического выходного сигнала программы SpectraLab (Sound Tech.lng.2003) на базе БПФ при количестве спектральных отчетов - 512 и взвешивании окном Хемминга, примененной в [3].

На фиг.4 изображены спектральные кривые в координатах линейная амплитуда-частота (логарифмическая шкала) легочной зоны 12 из работы [3] у больного «Б» и здорового «З» человека. К сожалению в работе не указано относятся ли эти кривые к одному человеку. Рассматривая резонансные формы этих кривых, следует выделить основные характеристики любого резонанса как явления. Такой существенной характеристикой является добротность резонансной системы Q, равная $$Q=\frac{f_{рез}}{\Delta f}$$ , где Δf - ширина резонансной кривой на уровне убывания амплитуды в $$\sqrt{2}$$ раз, т.е. по уровню 0,7 от максимального значения. Добротности спектральных кривых «Б» и «З» на фиг.4 соответственно составляют Q_Б=0,06 и Q_З=1,25.

Анализируя приведенные в [3] спектральные кривые, можно сделать однозначный вывод о том, что у всех легочных больных добротности резонансов уменьшаются и во многих случаев становятся меньше 1. Эта характеристика акустического резонансного отклика органа в работе [3] вообще не отмечена.

Положение резонансной частоты на спектральных кривых у здоровых и больных людей также должно быть различным. Так, в случае легочных заболеваний (появления в легких жидкости, мокроты) увеличивается плотность легочной ткани, что увеличивает скорость распространения звука [7], что приводит к смещению резонансной частоты в сторону ее увеличения. Этот вывод подтверждается спектральными кривыми из работы [3], но не был отмечен в данной работе.

Обращает на себя внимание асимметричность резонансных спектральных кривых, что не было отмечено в работе [3], но может являться дополнительной характеристикой для оценки исследуемого органа.

Точное определение резонансной частоты f_рез и ее смещения у одного и того же человека в случае заболевания также является важной характеристикой при проведении аппаратной перкуссии. Поэтому авторы предлагают производить графическое дифференцирование спектральных резонансных кривых. В этом случае, как показано на фиг.5, левая часть резонансной кривой от f_рез преобразуется в положительный импульс, а спад резонансной кривой преобразуется в отрицательный импульс. Место пересечения частотной шкалы при переходе положительного импульса в отрицательный и дает значение f_рез. Дифференциальную кривую следует строить в линейном масштабе координат амплитуда-частота. Несимметричность резонансных кривых также наиболее ярко проявляется на дифференциальной кривой как разница длительностей упомянутых положительного и отрицательного импульсов относительно f_рез. Появляется также возможность обнаружить незначительные локальные неоднородности(зарождающиеся или залечивающиеся) в виде коротких выбросов на импульсах подъема и спада резонанса. Дифференцирование целесообразно проводить на частотном интервале в 5 Гц.

Таким образом, по мнению авторов, при оценке состояния исследуемых органов методом аппаратной перкуссии предлагается производить сравнение измерений например, у одного человека в течение недели по следующим признакам:

- по измерению добротности акустического резонанса и ее изменения по спектральной кривой,

- по измерению резонансной частоты, направлению ее смещения по частотной шкале по спектральной кривой,

- по измерению асимметрии резонанса по дифференциальной кривой.

В сочетании с управляемостью и контролем за перкуторным ударом и использованием уже разработанных систем обработки по программе БПФ авторы уверены, что предложенный способ аппаратной перкуссии найдет применение в лечебной практике при контроле за процессом выздоровления. Также предложенный способ может быть рекомендован и для ранней диагностики заболеваний в педиатрии, в которой периодичность обследований обязательна с исключением при этом нежелательной рентгенографии.

Литература

1. Адамов С.А., Ковалевский А.А. Перкуссия и аускультация. Кр.курс д/студентов и врачей. - Томск, 1988 г.

2. Тетенев Ф.Ф. Физические методы исследования в клинике внутренних органов. - Томск.: ТГУ, 2001 г.

3. Ковалева И.Н. Аппаратная перкуссия легких в диагностике пневмонии, диссертация, ВАК 14.00.05. - Владивосток, 2006 г.

4. Красильников В.А., Крылов В.В. Введение в физическую акустику. - М.: Изд. ф/м лит., 1984 г.

5. Розенберг Л.Д. Применение УЗ. - М.: АН СССР, 1957 г.

6. Алдошин И.А., Ковалгин Э.И., Ефимов А.П. и др. Электроакустика и звуковое вещание. - М.: Гор.линия-телеком, Радио и связь, 2007 г.

7. Акустика. Справочник под ред. Сапожкова М.А. - М.: Радио и связь, 1989 г.

Изобретение относится к медицине и предназначено для расширения диагностических возможностей перкуссионных исследований. Способ формирования аппаратной перкуссии включает в себя операцию выполнения коротких ударов по плессиметру, который располагают на теле человека, и регистрацию акустического отклика на удар с помощью микрофона. Выходной сигнал микрофона обрабатывают системой с быстрым преобразованием Фурье и визуализируют в координатах амплитуда-частота. В качестве удара используют импульсное ультразвуковое излучение, которое направляют на плессиметр. Плессиметр выполнен в виде пластины, внешняя сторону которой, обращенная к УЗ-излучателю, имеет неровности для рассеивания излучения. Импульсное радиационное давление на плессиметр эквивалентно направленному ударному давлению, длительность которого регулируют от минимального значения 0,5 с. Акустический отклик на удар регистрируют микрофоном, который располагают бесконтактно у тела. Нижняя граница регистрируемых частот микрофона 20 Гц. Электрический отклик после преобразования представляют в линейной системе координат амплитуда-частота в виде спектральной резонансной кривой, на которой фиксируют добротность резонанса. График спектральной кривой дифференцируют и результат представляют в той же системе координат. Положение резонансной частоты f_peз определяют при прохождении кривой через ноль на частотной шкале. Величину добротности спектральной кривой, смещение по частотной шкале и изменения формы дифференцированной кривой слева и справа от f_peз текущих перкуссионных измерений сравнивают с предыдущими измерениями и по результатам сравнения дают оценку состояния исследуемого органа. Способ обеспечивает проведение перкуссионной диагностики больного органа в процессе его лечения. 5 ил.

Способ формирования аппаратной перкуссии, включающий в себя операции выполнения коротких ударов по плессиметру, который располагают на теле человека, и регистрации акустического отклика на удар с помощью микрофона, выходной сигнал которого обрабатывают системой с быстрым преобразованием Фурье и визуализируют в координатах амплитуда-частота, отличающийся тем, что в качестве удара используют импульсное ультразвуковое (УЗ) излучение, которое направляют на плессиметр, выполненный в виде пластины, внешнюю сторону которой, обращенную к УЗ-излучателю, выполняют с неровностями для рассеивания излучения, а импульсное радиационное давление на плессиметр эквивалентно направленному ударному давлению, длительность которого регулируют от минимального значения 0,5 с, акустический отклик на удар регистрируют микрофоном, который располагают бесконтактно у тела, а нижняя граница регистрируемых частот микрофона 20 Гц, причем электрический отклик после преобразования представляют в линейной системе координат амплитуда-частота в виде спектральной резонансной кривой, на которой фиксируют добротность резонанса, а затем график спектральной кривой дифференцируют и результат представляют в той же системе координат, при этом положение резонансной частоты f_peз определяют при прохождении кривой через ноль на частотной шкале, а величина добротности спектральной кривой, смещение по частотной шкале и изменения формы дифференцированной кривой слева и справа от f_peз текущих перкуссионных измерений сравнивают с предыдущими измерениями и по результатам сравнения дают оценку состояния исследуемого органа.