Акустический журнал, 2021, T. 67, № 4, стр. 450-453

ВВЕДЕНИЕ

Акустический канал получения информации о физиологическом состоянии человека является, как хорошо известно, одним из наиболее доступных для оценки состояния его здоровья, поскольку для его осуществления путем прослушивания нередко достаточно обычных стетоскопов. Это определило большое разнообразие типов акустических методов регистрации и анализа дыхательных звуков [1–8] и их распространенность для диагностических целей.

Обычно, и это наиболее естественно, для прослушивания параметров дыхания используется расположение акустических датчиков на грудной клетке человека [3]. Наиболее полный обзор используемых при этом методов в русскоязычной литературе содержится в работе [3], а в англоязычной литературе в работах [9–12]. В частности, в работе [9] исследовалась возможность контроля кардиосигналов и сигналов дыхания путем регистрации звука из канала уха человека при расположении там микрофона.

В процессе наших исследований обнаружилось, что акустические сигналы, связанные с дыханием, могут наблюдаться и на голове человека, в частности, из височных областей. Исследованию этих сигналов и посвящена данная статья.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА

Эксперименты проводились в лабораторных условиях с клинически здоровыми испытуемыми, располагавшимися лежа на кушетке с закрытыми глазами. При этом дыхание осуществлялось через нос. Испытуемые с признаками респираторных заболеваний, препятствующих дыханию через нос, в экспериментах не участвовали.

На висках испытуемых с помощью эластичного бинта закреплялись акустические датчики, а над носом на расстоянии около 1 см располагался, без контакта с телом испытуемого, измерительный микрофон типа MK 102 RFT (рис. 1).

Рис. 1.

Испытуемый с акустическими приемниками и микрофоном.

Электрические сигналы с выходов акустических приемников и микрофона регистрировались в памяти компьютера. В качестве чувствительных элементов акустических приемников использовались пластины из пьезокерамики толщиной 0.6 см и диаметром 1 см с первой резонансной частотой около 160 кГц. Диапазон рабочих частот акустических приемников простирался от 10 Гц до 110 кГц, при этом достигалась высокая чувствительность, примерно на 10 дБ меньшая предельно достижимой [13].

Регистрация сигналов осуществлялась с помощью АЦП типа Е14-140, темп сбора данных составлял 50 кГц. Эксперименты, как и в работе [14], длились обычно 30 мин, первые 15 мин испытуемые мотивировались на умственную работу – произнесение про себя таблицы умножения, а вторые 15 мин испытуемые мотивировались на релаксацию вплоть до засыпания. Более подробное описание экспериментальной методики приведено в работе [14].

Перед началом экспериментов испытуемые были осведомлены о предмете и процедуре исследования и подтверждали свое добровольное участие подписанием Информированного согласия. Протоколы экспериментов одобрены этической комиссией Института Высшей Нервной Деятельности и Нейрофизиологии РАН.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Было выполнено более 90 экспериментов. Типичный вид сигналов, получаемых при этом, представлен на рис. 2 и 3.

Рис. 2.

Сигналы от акустического приемника (а) – от микрофона, (б) – правого виска. Произведена фильтрация исходных сигналов полосовым фильтром в полосе 700–2000 Гц.

Рис. 3.

Сигналы, полученные от приемников, расположенных на висках испытуемых. (а) – Сигнал от правого виска, (б) – сигнал от левого виска.

На рис. 2 наблюдаются синхронные области увеличения шума, следующие с периодом около 3–4 с, который характерен для дыхания человека. Визуальный анализ показал, что первая область повышенного шума соответствует вдоху, а вторая – выдоху. Видно, что зависимости, полученные от акустического приемника и микрофона, имеют подобный вид: на обеих зависимостях видны сигналы, соответствующие вдохам и выдохам испытуемого. Заметим, что на 29-й с амплитуда сигнала вдоха с акустического приемника была больше сигнала выдоха, в то время как вблизи 38-й с сигнал выдоха был либо равен, либо больше сигнала вдоха.

На рис. 3 представлены графики сигналов, полученных от акустических приемников, расположенных на висках испытуемого. Как видно, в этом случае наблюдаются сигналы, вид которых подобен представленному на рис. 2. Видны также и сигналы, связанные с пульсовой волной.

На графике рис. 4 содержится частотный спектр сигнала с левого виска, полученный в диапазоне 30 Гц–10 кГц. Поскольку сигналы справа и слева практически одинаковы, то приведены данные, относящиеся только к левому виску.

Рис. 4.

Частотный спектр в диапазоне 30 Гц–10 кГц сигналов, приведенных на графиках рис. 3.

Как видно, спектр обладает сложной формой. Наибольшая частотная компонента имеет частоту около 2 кГц, имеются так же более слабые компоненты – на частотах около 200 Гц.

Интересная картина наблюдается при анализе огибающей дыхательных колебаний, полученных в процессе двухэтапного эксперимента (сначала счет 15 мин, затем релаксация 15 мин). Это иллюстрируется на графиках рис. 5, представляющих типичную ситуацию на левом виске.

Рис. 5.

Зависимость от времени огибающей сигнала, полученного от приемника, расположенного на левом виске. (а) – Общий вид сигнала в течение времени эксперимента 30 минут, (б) – фрагмент верхнего графика в более детальном масштабе и по времени и по амплитуде.

Как видно из рис. 5а, наблюдается неравномерная картина дыхания – амплитуда регистрируемых звуков дыхания заметно изменяется во времени.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Выше представлены результаты регистрации акустических сигналов, связанных с жизнедеятельностью испытуемых, полученные при использовании в качестве зон съема висков. При этом на рис. 3 показано, что вызываемые дыханием акустические сигналы, снимаемые с левого и правого висков, подобны друг другу, что позволяет, по нашему мнению, на практике ограничиваться регистрацией сигналов от одной стороны.

Важным, по нашему мнению, обстоятельством является сложность наблюдаемых сигналов, связанных с дыханием. Как видно на графиках рис. 5, картина сигналов обладает заметной нерегулярностью актов дыхания. Это многообразие позволяет предполагать возможную диагностическую ценность такого способа регистрации параметров дыхания при оценке дыхательного ритма.

Таким образом, возможность регистрации звуков дыхания из височных областей головы человека может представлять практический интерес для непрерывного контроля параметров дыхания, в частности, у операторов в процессе выполнения ими их профессиональных обязанностей.

ВЫВОДЫ

При использовании контактных пластинчатых акустических датчиков, расположенных на висках человека, обнаружены акустические сигналы, вызываемые дыханием человека.

Представляется, что такой прием акустических сигналов дыхания может представлять интерес как для целей медицинской диагностики, так и контроля состояния операторов ответственных производственных процессов.