ЗВУКОМОДУЛЯЦИОННАЯ СПИРОМЕТРИЯ КАК УДОБНОЕ СРЕДСТВО ИНДИВИДУАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ФУНКЦИИ ЛЕГКИХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СМАРТФОНА
SOUND MODULATION SPIROMETRY AS CONVENIENT MEANS OF INDIVIDUAL CONTROL THE RESPIRATORY FUNCTION OF THE LUNGS BY USING SMARTPHONE
Ph.D. Михаил Козлов
Ph.D. Michail Kozlov
Директор Института интеграции и профессиональной адаптации, Нетания, Израиль
Director of Institute integration and professional adaptation, Netanya, Israel
E-mail: 19mike19k@gmail.com tel.: +(972)527 052 460
Ph.D., MD. Лернер Любовь
Ph.D., MD. Lerner Luybov
Руководитель медицинской секции Института интеграции и профессиональной адаптации, Нетания, Израиль.
Heard of the Medical Section of Institute integration and professional adaptation, Netanya, Israel.
Email: luler@mail.ru tel.: +(972)98891061
Ph.D. Candidate Полинов Семен
Ph.D. Candidate Polinov Semion
Кафедра морских геонаук университета Хайфы. Научный сотрудник Хайфского Исследовательского Центра Морской Политики и Стратегии.
Department of Marine Geosciences University of Haifa. Research Fellow Haifa Research Center for Maritime Policy & Strategy.
Email: semion.polinov@gmail.com
Д.м.н., д-р социологии, проф. Сокол Адольф
Ph.D., MD, Dr of Sociology, Prof. Sokol Adolf
Израильская Независимая Академия развития науки. Беэр-Шева, Израиль.
Israeli Independent Academy of Development of Sciences. Be’er Sheva, Israel.
E-mail: sokoladolf@yahoo.com tel.: +972-8-6655909
Ph.D. Файнберг Владимир
Ph.D. Vladimir Faynberg
Нетанийский филиал Израильской независимой академии развития наук. Иерусалим, Израиль
Netanya branch of the Israel Independent Academy of Development of Sciences. Jerusalem, Israel
E-mail: faynbergv@yahoo.com tel.: +(972)72543027456
АННОТАЦИЯ:
Современные компьютерные технологии обеспечивают разработку методов дистанционной диагностики состояния функциональных систем организма в норме и патологии. Предлагаемый новый метод оценки функции дыхания позволяет превратить этот важный тест в дистанционную, простую (и в то же время достаточно достоверную) домашнюю процедуру. Поскольку рассматриваемый метод основан на голосовой модуляции потока выдыхаемого воздуха, он был определен как метод «Звукомодуляционной спирометрии». С аппликацией для смартфона этот метод может использоваться для периодической экспресс-диагностики состояния дыхательной системы, позволяя выявить динамику развития возможного заболевания, что, в частности, исключительно важно для диагностики поражения легких при коронавирусной инфекции.
Ключевые слова: спирометр, интенсивности звука голоса, индивидуальная диагностика работы легких, пиковая скорость выдоха.
SUMMARY:
Modern computer technology created solid basis for the remote medical diagnostics developments. Quite a few remote tests of different functional body systems in normal and pathological conditions are already available, and list of them is rapidly extending. The proposed new method for assessing respiratory function allows turning this important test into a remote, simple, reliable home procedure. Described method is based on the voice modulation of the exhaled air flow. That is why we defined it as “Sound modulation spirometry”. With a smartphone application, this method can be used for periodic express diagnostics of the respiratory system, allowing recognizing of the possible disease developments and its dynamic, which is extremely important for the diagnosis of lung damage during coronavirus infection.
Key words: spirometer, voice sound intensity, individual diagnosis of lung function, peak expiratory flow.
Введение
Спирометрия (измерение дыхания) является наиболее распространенным из функциональных тестов легких [1,2,3]. Спирометр измеряет функцию легких, в частности, количество (объем) и / или скорость (поток) воздуха при вдохе и выдохе. Спирометрия полезна при оценке паттернов дыхания при различной патологии легких, которые выявляют такие состояния, как астма, легочный фиброз, муковисцидоз и ХОБЛ. Спирометр может быть использован и как часть системы наблюдения за состоянием здоровья, в которой паттерны дыхания измеряются с течением времени.
Конструктивно спирометры имеются разного типа: водяные, в которых по подъему колокола водой определяется объем выдыхаемого воздуха; турбинные спирометры; спирометры, измеряющие скорость воздушного потока с помощью ультразвуковых преобразователей; спирометры с датчиками перепада давления. На рис.1 показаны различные типы спирометров [4].
Рис.1. [4]
Перечисленные спирометры используются, в основном, во врачебных кабинетах или
лабораториях. В то же время имеются реальные запросы клинической практики на
дистанционную спирометрию и индивидуальный контроль функционирования легких в
домашних условиях. И это требует разработки спирометров для таких задач.
Конструктивно спирометры имеются разного типа: водяные, в которых по подъему столба воды определяется объем выдыхаемого воздуха; турбинные спирометры; спирометры, измеряющие скорость воздушного потока с помощью ультразвуковых преобразователей; спирометры с датчиками перепада давления. На рис.1 показаны различные типы спирометров [4].
Из проведенного анализа методов построения спирометров можно сделать вывод, что при использовании существующих методов измерения сделать их простыми, надежными, удобными в работе и недорогими, при этом дающими достаточно достоверные результаты, довольно сложно. Так, например, одно из простейших устройств для спирометрии — Цифровой датчик Спирометр PASCO [5] имеет погрешность измерения 15% и необходима обработка результатов измерения на компьютере. Цена его около 100 дол. Все это ограничивает массовое применение подобных устройств.
Текущий спрос, связанный с пандемией COVID19
Нынешняя пандемия COVID19 привела к увеличению спроса на надежную дистанционную и домашнюю спирометрию в экстремальных условиях. В случае быстрого появления необходимых спирометров — это может буквально спасти множество жизней, учитывая необычайно высокую скорость распространения пандемии, чрезмерную нагрузку на медицинские учреждения и серьезность заболевания.
Общее описание
Предлагаемый метод спирометрии основан на голосовой модуляции потока выдыхаемого воздуха и был нами определен как метод Звукомодуляционной спирометрии (ЗМС). Звук, произносимой выбранной фонемы в виде долгого гласного звука, модулирует поток воздуха через дыхательную систему.
В основе метода лежит существующая в отоларингологии методика измерения интенсивности звука голоса при произношении фонем [6]. Интенсивность произносимого звука и его длительность будет характеризовать работу легких, отражая функцию внешнего дыхания, и она пропорциональна потоку выдыхаемого воздуха. В частности, в [7] приводятся данные исследований, которые показали линейную зависимость между максимальной интенсивностью звука при выдохе и максимальной скоростью выдоха, при оценке функционирования легких чистокровных лошадей во время тренировок.
Рассматриваемая процедура ЗМС аналогична описанному в [8] измерению интенсивности звука голоса. С помощью микрофона или другого датчика анализируемый звук преобразуется в электрический сигнал, который можно пересчитать в объем выдыхаемого воздуха и другие параметры легких.
В соответствии с методикой, принятой при спирометрических исследованиях [9], было выделено два тестовых применения ЗМС при спокойном и форсированном дыхании.
Первый тест для спокойного дыхания проводится при длительном выдохе, в котором оценивается максимальный объем выдыхаемого воздуха (жизненная емкость легких (ЖЕЛ)) и длительность выдоха. Эта процедура проводится при максимально возможной длительности произносимой фонемы.
Второй тест связан с форсированным выдохом. В этом тесте, после максимально глубокого вдоха, делается максимально быстрый выдох и оценивается объем форсированного выдоха (ОФВ) (форсированная ЖЕЛ (ФЖЕЛ)), пиковая скорость выдоха (ПСВ) и длительность форсированного выдоха. Измерение ОФВ является одним из важнейших измерений функции легких [10].
По результатам данных, полученных в первом и втором тестах, можно определить индекс
Тиффно (Tiffeneau index) как отношение объема воздуха, выдохнутого за первую секунду
при форсированном выдохе (ОФВ1) к ЖЕЛ в % или более удобную его модернизацию в виде
индекса Тиффно-Пинелли (Tiffeneau–Pinelli index) как отношение ОФВ1/ФЖЕЛ [11].
При проведении теста при длительном выдохе, после ряда экспериментов, мы пришли к выводу, что звук фонемы «И» является наиболее удобным для этого теста. Это связано с тем, что «И» является той гласной, которая существенно затрудняет вдыхание воздуха во время произнесения этого звука (во время произношения других гласных может произойти частичное вдыхание, что влияет на точность измерения).
При проведении теста на форсированный выдох тестируемый непроизвольно произносит звук близкий к звуку «А».
Описанный выше метод ЗМС выглядит ясно и довольно просто. Но, чтобы сделать его ближе к коммерческому применению, нужно решить и прояснить несколько вопросов. Это:
— звукозаписывающее устройство;
— повторяемость измерений;
— сравнение с применяемыми методами измерения.
Звукозаписывающее устройство
Наши эксперименты показали, что микрофон смартфона или микрофон от внешних наушников отлично справляются с функцией звукового датчика, а сам смартфон будет выполнять функции диктофона.
Повторяемость измерений
Вопрос о повторяемости измерений должен быть решен путем предложения фиксированных областей на теле человека, шее, груди, где должен быть расположен звуковой датчик (микрофон).
По результатам наших экспериментов предлагается четыре области с очень хорошей повторяемостью, в любой из которых может быть установлен датчик:
— средняя треть переднебоковой поверхности шеи,
— середина грудной поверхности,
— под левой подмышечной впадиной,
— под правой подмышечной впадиной.
Полученные результаты
Было проведено более 60 записей потока выдыхаемого воздуха у разных лиц без выраженной патологии дыхательной системы в возрасте от 14 до 82 лет.
Тестирование каждого человека проводилось с помощью смартфона и результаты обрабатывались на приемной стороне с помощью компьютера по программам, написанным на языке МАТЛАБ.
На рис.2 – рис.5 приведены графики потока выдыхаемого воздуха для 4-х разных людей при проведении теста, связанного с длительным выдохом. При выдохе произносился максимально долго звук «И». Шкала скорости потока выдыхаемого воздуха (Flow rate) приведена в относительных единицах, пропорциональных скорости потока в литрах в секунду. Объем выдыхаемого воздуха (Expiratory volume) приведен в относительном логарифмическом масштабе.
Рис.2. График потока выдоха 1-го тестируемого
Рис.3. График потока выдоха 2-го тестируемого
Рис.4. График потока выдоха 3-го тестируемого
Рис.5. График потока выдоха 4-го тестируемого
Приведенные на рис.2 — рис.5 графики дают возможность в относительных единицах оценить скорость и объем выдыхаемого воздуха и отражают индивидуальные особенности функционирования легких. Полученные записи сравниваются с предыдущими, что позволяет оценить динамику изменения работы легких.
Результаты тестирования 2-х людей на форсированный выдох приведены на рис.6 – рис.7. Для удобства анализа графики построены в диапазоне 10 сек с шагом сетки 0.5 сек. На графиках приведены форсированный объем выдыхаемого воздуха в относительных единицах и важное для анализа функционирования легких отношение объема воздуха, выдохнутого за первую секунду при форсированном выдохе к форсированной жизненной емкости легких в %.
Графики, приведенные на рис.6 — рис.7 для форсированного выдоха, дают возможность в относительных единицах оценить ПСВ и объем форсированного выдоха, а также длительность выдоха в абсолютной величине – секундах. Тест на форсированный выдох является широко распространенным в медицине и помогает диагностировать и контролировать работу легких при многих заболеваниях. При хронических заболеваниях легких врачами рекомендуется постоянно контролировать приведенные выше параметры форсированного выдоха.
Рис.6. График форсированного потока выдоха 2-го тестируемого
Рис.7. График форсированного потока выдоха 3-го тестируемого
Калибровка
В рассматриваемом спирометре на основе метода ЗМС, как приводилось выше, скорость потока выдыхаемого воздуха представлена в относительных единицах, пропорциональных скорости потока в литрах в секунду (l/s), а объем выдыхаемого воздуха приведен в относительном логарифмическом масштабе. Метод обеспечивает достаточно хорошие результаты при таких относительных измерений.
Предлагаемый индивидуальный спирометр совмещен со смартфоном и каждый желающий пользователь такого устройства может, применяя метод биологического контроля, перевести получаемые при замере относительные величины в абсолютные, путем сравнения его данных с данными эталонного спирометра. И, рассчитав необходимое калибровочное число для получения абсолютных величин, ввести его в смартфон аппликацию (или в компьютер) как параметр. Таким образом, будут получены скорости потока в литрах в секунду и объем выдыхаемого воздуха в литрах.
При накоплении данных и экспериментальных исследованиях точность измерений будет повышаться и это позволит использовать автокалибровку при абсолютных измерениях.
На рис.8 изображены результатов измерения в абсолютных величинах для откалиброванного спирометра на основе смартфона при проведении 1-го вида теста, связанного с длительным выдохом, а на рис.9 для 2-го вида теста, на форсированный выдох.
Fig.8. График потока выдоха 1-го тестируемого в абсолютных единицах
Fig.9. График форсированного выдоха 3-го тестируемого в абсолютных единицах
Заключение
Предлагаемый метод ЗМС не является артефактом, а реально характеризует функцию дыхательного аппарата. Он позволяет простыми средствами с помощью смартфона с функцией спирометра (СФС) или компьютера индивидуально проводить экспресс-диагностику отклонения дыхательной функции. И, как было отмечено в [8], такую процедуру надо проводить периодически.
Особенно актуально использование индивидуальных СФС в условиях эпидемий. Надо учитывать, что коронавирус, как правило, поражает легкие. И эта патология является, по сути, единственной причиной гибели, больных с коронавирусной пневмонией. Поэтому при наличии индивидуального СФС, можно быстро заметить отклонения в работе легочного аппарата и обратиться вовремя за медицинской помощью, что позволит более оперативно принимать меры по лечению и резко снизить негативные последствия заболевания.
Доступность и простота СФС, дешевизна, наглядность и достаточная точность обеспечивают возможность перехода от селективных обследований к скринингу отдельных групп людей (например, лиц пожилого возраста).
В качестве положительных факторов применения СФС можно отметить, что для процедуры измерения не требуется медицинского носового зажима и индивидуального загубника, как это делается при использовании других спирометров.
По сравнению с широко используемыми индивидуальными устройствами для тестирования пиковой скорости выдоха [12] применение СФС позволит расширить функциональные возможности при анализе форсированного выдоха, позволяя также измерять объем и длительность форсированного выдоха.
На экран СФС также выводится важное для анализа функционирования легких отношение объема воздуха, выдохнутого за первую секунду при форсированном выдохе к форсированной жизненной емкости легких в %. При этом достаточно точные результаты получаются без калибровки СФС.
СФС позволит производить сравнение с предыдущими измерениями и классифицировать результат измерения, как относящийся к зеленой зоне (находящейся в диапазоне от 80 до 100% обычной пиковой скорости выдоха индивидуума), желтой (от 50 до 80% ПСВ) или красной зоне (менее 50% обычной ПСВ).
Учитывая простоту и удобство использования СФС, при минимальных затратах на установку требуемой аппликации на смартфон, можно предположить, что СФС найдет широкое применение для домашней функциональной диагностики легких у людей, для которых такой постоянный контроль необходим.
Программное обеспечение для ЗМС было разработано одним из авторов, системным
инженером, на языке МАТЛАБ и установлено на его компьютере, с помощью которого и проводились исследования. Для массового внедрения СФС необходим программист с опытом разработки приложений для смартфонов. Наша команда приглашает присоединиться к ней такого программиста, а также, для ускорения процесса внедрения приложения для СФС и компьютеров, готова работать с инвестором или спонсором для реализации важного средства диагностики.
Оперативная разработка первичной программы для приложения и ее внедрение на смартфоны будет весьма актуальна и внедрение СФС принесет существенную пользу в условиях пандемии коронавируса.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Miller M.R., Hankinson J., Brusasco V. et al.; ATS/ERS Task Force. Standardisation of spirometry. Eur Respir J 2005; 26: 319-338.
2.Warren M., Laura L. Koth. Pulmonary Function Testing. Murray and Nadel’s Textbook of Respiratory Medicine (Sixth Edition), 2016.
3. Spirometry: Procedure, Normal Values, and Test Results. 12.5.2017. www.healthline.com › health
4.https://www.google.com/search?rlz=1C1CHBD_enIL884IL884&q=spirometry+machine&tbm=isch&source=univ&sa=X&ved=2ahUKEwjd46GatfnoAhVIiFwKHZZdCtQQ7Al6BAgKEEE&biw=975&bih=492
5. Цифровой датчик Спирометр PASCO. www.polymedia.ru › cifrovoy-datchik-spirometr
6. Ronald J. Baken, Robert F. Orlikoff. Clinical Measurement of Speech and Voice. Cengage Learning, 2000.
7. Attenburrow D.P., Flack F.C., Portergill M.J. The relationship between peak expiratory sound intensity and peak expiratory flow rate in the thoroughbred horse during exercise. Equine Vet J Suppl. 1990 Jun;(9):43-6.
8. Козлов М., Файнберг В. Система дистанционной массовой диагностики коронавируса с использованием смартфон аппликации. NIZI.co.il / Наука и жизнь Израиля. 6.04.2020.
9. Ferguson G.T., Enright P.L., Buist A.S., Higgins M.W. Office spirometry for lung health assessment in adults: a consensus statement from the national lung health education program. Chest 2000; 117 (4): 1146-1161.
10. American Thoracic Society. Lung function testing: selection of reference values and interpretative strategies. Am Rev Respir Dis, 1991.
11. Current clinical medicine / Cleveland Clinic; [edited by]William D. Carey. —2nd ed. Saunders.2010.
12. Peak Expiratory Flow Rate. 9.03.2017. www.healthline.com › health › peak-expirat…
Иллюстрация: Спирометрия
pruzhanycge.of.by
