Автоматизированная обработка спирограмм на ЭВМ (Всякое)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Н.Э. БАУМАНА

С.Е. КВАШНИН, А.А. МОРОЗОВ

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ОБРАБОТКА СПИРОГРАММ НА ЭВМ

Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия

к лабораторному практикуму по курсу

«Анализ и преобразование биологических сигналов»

Москва

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана

2002

Цель работы - изучение методов и алгоритмов автоматизиро­ванного анализа биоэлектрических сигналов на ЭВМ, приобрете­ние практических навыков цифровой фильтрации и вычисления диагностических показателей но результатам спирографического или пневмотахографического исследования.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Наиболее распространенными и достаточно информативными неинвазивными методами исследования внешнего дыхания явля­ются спирография (спирометрия) и пневмотахография. Спирогра­фия обеспечивает не только измерение объемов, но и графическую регистрацию основных показателей вентиляции при спокойном и форсированном дыхании, физической нагрузке или при проведе­нии функциональных проб. Пневмотахография позволяет регист­рировать объемную скорость потока воздуха, т. е. в отличие от спирографии измерять производную от объемного расхода воздуха при дыхании пациента.

Для исследования функции внешнего дыхания наряду со спи­рографией в настоящее время применяют:

• пульсоксиметрию (при определении сатурации гемоглобина кислородом),

• капнографию (для определения концентрации углекислого газа в выдыхаемом воздухе),

• оксиметрию (для определения концентрации кислорода в дыхательных смесях) [1],

• макроскопическое, микроскопическое и микробиологическое исследования мокроты,

• бронхоскопию и биопсию,

• рентгенологические методы (рентгенография, томография, бронхография, компьютерная томография, ангиография),

• радионуклеидные исследования.

Внешнее дыхание - это процесс газообмена между атмосферным воздухом и кровью. Газообмен идет в легочных капиллярах, при этом происходит артериализация лёгочной крови: повышается напряжение (концентрация) кислорода в крови и снижается напряжение углекислого газа. Газообмен является основной, хотя и не единственной функцией внешнего дыхания. Функция внешнего дыхания поддерживается взаимосвязанной деятельностью всех систем внешнего дыхания - воздухоносных путей, альвеол, малого круга кровообращения, костно-мышечного каркаса грудной клетки и плевры, нейрогуморального аппарата регуляции внешнего дыха­ния. Нарушения в любой из указанных систем могут приводить к дыхательной недостаточности.

Дыхательная недостаточность - это состояние, при котором не обеспечивается нормальный газовый состав артериальной крови, либо последнее достигается за счет ненормальной, напряженной работы систем внешнего дыхания, что приводит к снижению функциональных возможностей организма.

Основными задачами исследования функции внешнего дыха­ния в клинике являются [2]:

• диагностика нарушений функций внешнего дыхания и объек­тивная оценка тяжести дыхательной недостаточности;

• дифференциальная диагностика обструктивных и рестриктивных расстройств легочной вентиляции;

• обоснование патогенетической терапии дыхательной недоста­точности;

• оценка эффективности проводимого лечения.

Спирографы применяют для определения отношений объем-время при спокойном и форсированном дыхании. Однако техниче­ская обработка результатов спирографического исследования функций внешнего дыхания представляет определенные трудно­сти и занимает десятки минут даже у высококвалифицированного лаборанта. Кроме того, в расчетах возможно появление ошибок, увеличивающееся с числом проведенных обследований и повыше­нием нагрузки на лаборанта. Этим сдерживается массовое приме­нение функциональных методов оценки дыхания при обследова­нии населения, снижается эффективность полученных данных для целей диагностики [3]. Выход из такой ситуации возможен лишь при массовом внедрении высокоэффективных алгоритмов автома­тизированной обработки биоэлектрических сигналов, и в частно­сти, спирограмм.

Сегодня в медицинском приборостроении все более широко используются микропроцессорные средства и микроЭВМ. Стои­мость такой техники снижается с каждым годом, и она становится доступной для применения в медицине. Современные компьютерные спирографические системы позволяют анализировать не только основные объемные и динамические показатели легочной вентиляции, но и отношение поток-объем, т.е. зависимость объем­ной скорости воздуха во время вдоха и выдоха от объемного рас­хода (рис. 1). Автоматизированный компьютерный анализ инспираторной и экспираторной частей петли поток-объем является наиболее перспективным методом количественной оценки нарушений легочной вентиляции.

Рис. 1. Зависимость объемной скорости воздуха во время вдоха и выдоха от объемного расхода (петля поток-объем).

Рассмотрим подробнее вопросы биомеханики легких. Извест­но, что к органам дыхания относят нос, носоглотку, гортань, тра­хею, бронхи, легкие, плевру и грудную клетку с дыхательными мышцами и диафрагмой. Воздух попадает в альвеолярное про­странство легких и удаляется из него по дыхательным путям, раз­деляющимся на нижние и верхние. К верхним путям относят по­лость носа, носоглотку и гортань, к нижним - трахею и бронхи.

Важное значение в биомеханике дыхания выполняют дыха­тельные мышцы, при сокращении которых изменяется объем грудной клетки. При усиленном выдохе действуют внутренние межреберные мышцы, мышцы, прикрепленные к ребрам, нижним грудным и верхним поясничным позвонкам, а также мышцы брюшной полости. Дыхательные мышцы опускают ребра и прижимают брюшные органы к расслабившейся диафрагме, умень­шая, таким образом, емкость грудной клетки.

Основные показатели легочной вентиляции

На рис. 2 схематично показаны основные легочные объемы и емкости. Различают 4 первичных легочных объема и 4 емкости.

Рис. 2. Схема основных легочных объемов и емкостей.

Дыхательный объем (ДО, или VT - tidal volume) - это объем газа, вдыхаемого или выдыхаемого при спокойном дыхании.

Резервный объем вдоха (РО_ВД, или IRV - inspiratory reserve volume) - максимальный объем газа, который можно дополнитель­но вдохнуть после спокойного вдоха.

Резервный объем выдоха (РО_ВЫД, или ERV - expiratory reserve volume) - максимальный объем газа, который можно дополнитель­но выдохнуть после спокойного выдоха.

Остаточный объем легких (ООЛ, или RV - reserve volume) -объем газа, оставшегося в легких после максимального выдоха.

Жизненная емкость легких (ЖЕЛ, или VC - vital capacity) -представляет собой сумму ДО, РО_ВД и РО_ВЫД, т. е. максимальный объем газа, который можно выдохнуть после максимально глубо­кого вдоха.

Емкость вдоха (Е_ВД, или IC - inspiratory capacity) - это сумма ДО и РО_ВД. Таким образом, Е_ВД определяет максимальный объем газа, который можно вдохнуть после спокойного выдоха, и харак­теризует способность легочной ткани к растяжению.

Функциональная остаточная емкость (ФОЕ, или FRC - functional residual capacity) - это сумма ООЛ и РО_ВЫД, т.е. объем газа, который остается в легких после спокойного выдоха.

Общая емкость легких (ОЕЛ, или TLC - total lung capacity) - это общий объем газа, содержащегося в легких после максималь­ного вдоха.

Классическая спирография позволяет измерить только 5 основ­ных объемов и емкостей - ДО, РО_ВД, РО_ВЫД, ЖЕЛ и Е_ВД. Для опре­деления важнейших показателей вентиляции легких: функцио­нальной остаточной емкости (ФОЕ), остаточного объема легких (ООЛ) и общей емкости легких (ОЕЛ) необходимо применение специальных методик, например, методов разведения гелия, вы­мывания азота или плетизмографии всего тела.

Объем воздуха в легких зависит от размеров и количества функционирующих альвеол, растяжимости грудной клетки и лег­ких, разности между атмосферным и альвеолярным давлением, от давления, создаваемого дыхательной мускулатурой. Отмечено, что легочные объемы прямо пропорциональны росту и обратно про­порциональны возрасту. У мужчин (в среднем) легочные объемы больше, чем у женщин. На величину легочных объемов влияют объем крови в легких, положение диафрагмы, положение тела и другие факторы. Однако доля этих объемов в общей емкости лег­ких относительно постоянна. В настоящее время наибольшее рас­пространение, особенно при массовых обследованиях, получили испытания при форсированном дыхании, обычно выдохе.

Кривые форсированного выдоха (ФВ).

Для традиционной спи­рографии наиболее важным показателем является жизненная ем­кость легких (ЖЕЛ). Чтобы измерить ЖЕЛ, пациент после спокой­ного дыхания должен сделать максимальный вдох, а затем как можно более полный выдох. Для определения наиболее информа­тивных скоростных показателей легочной вентиляции пациент должен выполнять выдох с максимально возможной скоростью. Объем воздуха, который способен выдохнуть пациент при максимально быстром и полном выдохе после полного вдоха, получил название форсированной жизненной емкости легких (ФЖЕЛ, ил FVC - forced vital capacity expiratory), или объема форсированного выдоха - ОФВ (рис. 3).

Рис 3. Спирограмма экспираторного маневра.

При массовом обследовании ограничиваются вычислением следующих характеристик форсированного выдоха:

• форсированной (экспираторной) жизненной емкости легких ФЖЕЛ;

• объема форсированного выдоха за первую секунду (ОФВ1 или FEV1 -forced expiratory volume after 1 second);

• индекса Тиффно - отношения ОФВ1/ФЖЕЛ, %, являющегося основным показателем экспираторного маневра (существенно уменьшается при обструктивном синдроме);

• пиковой объемной скорости выдоха (ПОС_ВЫД, или PEF — реас expiratory flow);

• скорости выдоха в момент времени, когда выдохнуто 25, 50, 75% от ФЖЕЛ (соответственно - МОС_25%, МОС_50%, МОС_75%, или MEF₂₅, MEF₅₀, MEF₇₅ - maximal expiratory flow at 25, 50, 75% of FVC);

• средней объемной скорости выдоха на уровне 25...75% от ФЖЕЛ (СОС_25-75% , или FEF_25-75). Этот показатель менее других зависит от произвольных усилий пациента и более объективно от­ражает проходимость бронхов.

Для некоторых из перечисленных характеристик имеются уравнения регрессии, с помощью которых определяются должные величины (здесь В - возраст в годах, Р - рост в сантиметрах):

Для мужчин:

ФЖЕЛ = 0,0592∙Р - 0,025∙В - 4,241;

ОФВ1 = 0,037∙Р-0,028∙В- 1,59; (1)

Для женщин:

ФЖЕЛ = 0,046∙Р- 0,024∙В -2,852;

ОФВ1 = 0,0267∙Р-0,027∙В-0,54. (2)

Таким образом, имеется возможность сравнить истинные пока­затели И с должными Д, например в виде процента отклонения истинного показателя от должного:

(3)

Для диагностики представляют определенный интерес также кривые изменения объемной скорости выдыхаемого воздуха V(t) от времени (рис. 4), которые могут быть получены либо непосред­ственно от пневмотахографических датчиков объемной скорости, либо косвенно, дифференцированием спирографических кривых форсированного выдоха V(t). Причем возможно и численное диф­ференцирование и интегрирование кривых форсированного выдо­ха. Известно, что операция дифференцирования может существен­но увеличивать высокочастотные шумовые составляющие, неиз­бежно присутствующие в зарегистрированных сигналах, в связи с чем необходимо принять соответствующие меры. Одной из таких мер является сглаживание кривых и тщательная фильтрация сиг­налов, которую можно выполнить как в аналоговой, так и в циф­ровой области. Последняя имеет ряд преимуществ перед аналого­вой: высокую помехоустойчивость, высокую точность преобразо­вания сигналов, гибкое изменение параметров фильтра при изме­нении алгоритмов и программ фильтрации.