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.