В спортивной, космической и морской медицине, а также сомнологии часто стоит вопрос об оценке функционального состояния дыхательной системы человека. Для этого используются методы прямой флоуметрии, в которых измеряют величину дыхательного потока. Однако в условиях замкнутого гермообъекта (например, орбитальная станция, скафандр) не всегда проведение прямой флоуметрии возможно и целесообразно. С целью поиска более компактного и автономного способа мониторинга и оценки состояния дыхательной системы исследуются методы респираторной акустики, заключающиеся в регистрации и анализе шумов, возникающих в процессе дыхания [1–3].

Методика аускультации традиционно применяется в клинической медицине для косвенной оценки при диагностике патологических состояний легких, а также находит свое применение в области морской медицины [4][5]. Однако в условиях космического полета, в том числе во время физических нагрузок, мониторинг функционального состояния органов дыхания для предотвращения бронхолегочных заболеваний необходим в первую очередь.

Известно, что во время полетов у космонавтов изменяется форма грудной клетки, смещается диафрагма в краниальном направлении, а также уменьшается функциональная остаточная емкость легких [6–8]. Данные явления отражаются на размерах дыхательных путей, что приводит к изменению акустических характеристик шумов.

Цель работы — выявление наличия и возможного характера зависимости между амплитудной характеристикой регистрируемого сигнала дыхательных шумов и величиной вентиляции при выполнении физической нагрузки у здоровых людей независимо от возраста и пола. Кроме того, анализировали применимость акустического метода для оценки частоты дыхания.

В исследованиях приняли участие 25 добровольцев (20 мужчин и 5 женщин) в возрасте 23–59 лет (средний возраст 35,5 ± 8,7 года); ростом 165–189 см (средний рост 178 ± 6,6 см) и массой тела 56–104 кг (в среднем 79,2 ± 11,3 кг), некурящих и не имевших в анамнезе бронхолегочных заболеваний. Все добровольцы проходили медицинский отбор врачебной экспертной комиссией, в ходе которого заболеваний и патологий, препятствующих участию в эксперименте, выявлено не было. Всеми участниками подписано добровольное информированное согласие на участие в исследовании и использование обезличенных данных.

Испытуемые выполняли ступенчато-возрастающую физическую нагрузку на велоэргометре Ergoselect 200P (Ergoline GmbH, Германия). Начальная ступень нагрузки равнялась 30 Вт, затем нагрузка возрастала на 15 Вт. Каждая ступень имела продолжительность 1 мин. Исследование выполнялось до достижения субмаксимальной величины ЧСС1 в лабораторных условиях при оптимальных условиях микроклимата в помещении и составе атмосферы [9].

Обследуемые дышали через загубник, вставленный в следующий пневматический тракт: трубка со слюноотсосом; индивидуальный одноразовый фильтр, измерительный узел системы Jaeger Oxycon Pro (Германия), включающей ротационный датчик потока воздуха («турбинка»), трубки для забора выдыхаемого воздуха на газоанализ «breath-by-breath».

Непрерывно регистрировали дыхательные шумы над внегрудным участком трахеи, а также величину дыхательного потока методом прямой флоуметрии на приборе Jaeger Oxycon Pro. По динамике дыхательного потока встроенная в прибор программа определяла величины легочной вентиляции и частоты дыхания, которые использовали в ходе дальнейшего анализа экспериментальных данных.

Регистрация дыхательных шумов проведена путем применения аппаратуры, включающей легкий акселерометр, блок питания, диктофон и кабели [10–12]. Акселерометр PCB 333B52 (США) размещался над внегрудным участком трахеи на шее испытуемого и фиксировался на поверхности шеи с помощью эластичной ленты «Velcro». Сигнал акселерометра оцифровывался с частотой 48 кГц.

Для ослабления фонового шума и сердечного артефакта применялась полосовая фильтрация (рис. 1). Обработку акустического сигнала проводили по алгоритму, аналогичному описанному в работе [11]. Записи дыхательных шумов обрабатывали в программном обеспечении SpectraPLUS 5.0 (США) с помощью полосового фильтра в диапазоне частот 200–1000 Гц для удаления сердечных и мышечных шумов, которые обычно наблюдаются на частотах ниже 200 Гц, а также высокочастотных помех, имеющих частоту выше 1000 Гц [13].

Расстояние между соседними пиками, характеризующими экспираторные шумы, считали продолжительностью дыхательного цикла, что давало акустическую оценку частоты дыхания (ЧД) и периода дыхательного цикла. Кроме того, с помощью программного обеспечения SpectraPLUS определяли среднеквадратичное значение (Root Mean Square, сокращенно RMS) амплитуды дыхательных шумов (ДШ) с учетом каждого оцифрованного значения сигнала акселерометра на участках, соответствующих степеням нагрузки. Эту величину принято условно называть средней мощностью дыхательных шумов и отображать в процентах (%) от полной шкалы, т.е. максимального значения амплитуды сигнала [11][13–15].

Статистический анализ данных проводили в программном обеспечении Statistica 13 (StatSoft Inc., США) и Microsoft Excel (Microsoft, США). Для оценки динамики показателей применяли непараметрический дисперсионный анализ (ANOVA Фридмана), изменения изучаемых параметров оценивали с помощью критерия Вилкоксона (для мощности ДШ и легочной вентиляции) и Манна – Уитни (для сопоставления акустической оценки ЧД и данных флоуметрии). Для оценки взаимосвязи мощности ДШ и вентиляции легких проведен корреляционный анализ с использованием коэффициента ранговой корреляции Спирмена (rs) [16]. Для установления зависимости мощности ДШ от вентиляции легких применен линейный регрессионный анализ.

В ходе исследования у всех испытуемых достигнутые величины максимальной мощности находились в диапазоне 105–240 Вт. При этом мощность свыше 210 Вт смогли развить только 2 человека. Для получения более корректных данных статистический анализ ограничили диапазоном мощности до 210 Вт.

Были получены зависимости средней мощности ДШ и величины легочной вентиляции от величины физической нагрузки (рис. 2).

Отмечено значимое возрастание средней мощности ДШ с 0,0004 до 0,0009% уже на ступени 30 Вт относительно состояния покоя (0 Вт) (p < 0,0001). Кроме того, мощность трахеальных дыхательных шумов также увеличивалась на 56% между ступенями нагрузки 120 и 135 Вт (p = 0,023), на 75% между нагрузкой 180 и 195 Вт (p = 0,043).

Рост RMS с увеличением физической нагрузки (рис. 2) свидетельствует о возрастании амплитуды дыхательных шумов. В ходе проведенного корреляционного анализа установлена статистически значимая умеренная положительная взаимосвязь между абсолютными величинами вентиляции легких и мощности дыхательных шумов (rs = 0,58; p < 0,001).

Для оценки характера предполагаемой связи между RMS и величиной легочной вентиляции провели линейный регрессионный анализ по всему массиву данных (рис. 3). Отмечен разброс величины индивидуальной мощности шумов с возрастанием объема легочной вентиляции. По-видимому, одной линейной зависимостью все индивидуальные показатели описать невозможно. Значительные индивидуальные различия и нелинейность зависимости мощности шумов от легочной вентиляции привели к разбросу данных и низкому значению коэффициента детерминации R² = 0,35.

В литературных источниках присутствуют различные способы описания зависимости между дыхательным потоком и амплитудой дыхательных шумов [17]. В работе E.F. Banaszak и соавт. описана линейная зависимость между мгновенным потоком и амплитудой звука дыхания, измеренной над грудной стенкой [18]. В исследовании B.E. Shykoff и соавт. была использована квадратичная функция [14][19]. Авторами N. Gavriely и соавт. охарактеризована степенная функция, при этом средняя по группе величина степени составила 1,66 ± 0,35, что, по их мнению, значительно меньше предполагаемой второй степени [20][21].

Выше отмечено, что взаимосвязь индивидуальных величин мощности шумов и вентиляции легких характеризуется большим разбросом мощности шумов при определенной величине вентиляции легких (рис. 3). По-видимому, данный разброс связан с большими различиями геометрии дерева воздухоносных путей в группе испытуемых. Возможно, в более однородной группе испытуемых (по полу, возрасту, росту, массе тела, физической подготовке и др.) разброс был бы меньше. Подбор однородных групп является одним из возможных направлений будущих исследований в данной области респираторной акустики. Кроме того, перспективным является поиск индивидуальных регрессионных зависимостей.

Можно предположить, что влияние индивидуальных различий на искомую зависимость сглаживаются при переходе от индивидуальных данных к усредненным. Поэтому был проведен регрессионный анализ по усредненным значениям показателей мощности ДШ и вентиляции легких на каждой ступени нагрузки. При этом если рассматривается весь диапазон достигнутых величин легочной вентиляции до 100 л/мин, то коэффициент детерминации равен всего лишь 0,68. Возможно, это связано с проявлением нелинейной зависимости между мощностью ДШ и величиной вентиляции легких и индивидуальными различиями при большем диапазоне легочной вентиляции. Поэтому в рамках задачи поиска линейной регрессионной зависимости необходимо было ограничить диапазон легочной вентиляции (до 60 л/мин) (рис. 4). В этом случае коэффициент детерминации R² заметно возрастал до 0,93. Далее зависимость отклонялась от линейной, и разброс данных существенно увеличивался, что приводило к снижению R², аналогично снижался и коэффициент корреляции rs. Это может быть обусловлено упомянутыми выше нелинейными явлениями и индивидуальными различиями.

Практическая значимость полученной регрессионной зависимости заключается в возможности оценки величины вентиляции легких по трахеальным дыхательным шумам.

С целью выявления степени соответствия величин ЧД, полученных акустическим методом, данным прямой флоуметрии проводили сравнение акустической оценки ЧД с флоуметрическим показателем (рис. 5).

На рисунке 5 показано, что при нагрузке 135 Вт ЧД по акустическим данным была минимальной, а при величине ступенчато-возрастающей физической нагрузки на уровне 165 Вт — максимальной. По-видимому, на эти крайние значения больше влияет индивидуальный разброс показателей. Значимых отличий между величинами ЧД, полученными двумя методами, не выявлено. Разброс значений может объясняться различиями в индивидуальных характеристиках респираторной системы.

Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства критериям ICMJE. Наибольший вклад распределен следующим образом: С.Н. Астафьева — разработка концепции, сбор акустических данных, анализ и интерпретация данных, подготовка черновика рукописи; А.И. Дьяченко — научное руководство, рецензирование и редактирование рукописи; И.А. Ружичко — проведение исследования (велоэргометрия); А.Е. Костив — предоставление ресурсов, утверждение финального текста.

1. Быстрова АГ, Ковалева ИО, Кузьмина АЮ, Парнес ЕЯ, Потиевский БГ, Эренбург ИВ и др. Велоэргометрическое исследование в практике врачебно-летной экспертизы гражданской авиации. Учебное пособие. М.: ФГБОУ ДПО РМАНПО; 2020.