Ви є тут

Акустичні характеристики звуків дихання та методи їх реєстрації і обробки

Автор: 
Макаренкова Анастасія Анатоліївна
Тип роботи: 
Дис. канд. наук
Рік: 
2008
Артикул:
0408U002250
129 грн
Додати в кошик

Вміст

РАЗДЕЛ 2
ФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ РЕГИСТРАЦИИ
ЗВУКОВ ДЫХАНИЯ
Основными достоинствами аускультации процессов жизнедеятельности человека являются: простота процедуры, неинвазивность, экологическая безопасность при большом объеме информации, получаемой исследователем. Одной из научных задач, определяющей эффективность средств аускультации, которой необходимо уделять первостепенное внимание, является применение физических основ перехода звука из одной среды в другую, отличающихся волновыми сопротивлениями, для построения и создания эффективных электроакустических преобразователей, регистрирующих звуки жизнедеятельности организма человека, исследование их акустических характеристик, знание которых позволит получать достоверную информацию о состоянии здоровья. При аускультации стетофонендоскопами, приемные преобразователи обеспечивают съем звуковых феноменов с поверхности тела человека, и передачу их на слуховые органы врача. В устройствах электронной аускультации, они преобразуют звуковые сигналы в электрическое напряжение, которое затем поступает на вход систем электронной обработки и анализа информации.
2.1. Физические основы перехода звука с поверхности тела на акустические преобразователи
Как было указано выше, возникновение звуковых сигналов в организме человека вызвано функционированием основных систем (сердечно-сосудистой, дыхательной и желудочно-кишечного тракта). В данном подразделе диссертации рассматриваются физические процессы перехода звуков жизнедеятельности с тела человека на приемные преобразователи.
В процессе дыхания при движении воздуха в гортани, трахее, бронхах, бронхиолах, поток турбулизуется, а в местах бифуркаций разделяется на отдельные составляющие, при вдохе, а при выдохе струи, выходящие из воздуховодных путей соударяются, порождает энергоемкие вихревые структуры. В нестационарных вихревых структурах интенсивные пульсации давления и скорости, преобразуют динамические характеристики потока в звук. Заболевания дыхательной системы, как правило, приводят к локальному утолщению слизистой оболочки воздуховодных путей, избыточному выделению вязкого эскудата в них, экстрадиции его наружу, при этом воздуховодные пути загромождаются (стеноз), то есть происходит изменение геометрических и механических характеристик отдельных участков системы и генерации в них дополнительных звуков [8].
Наиболее технологически удобно звуки дыхания регистрировать на поверхности грудной клетки, тем более, что источники звука располагаются внутри ее. Физические свойства биотканей тела и контактных поверхностей приемных преобразователей, регистрирующих звуки, существенно отличаются друг от друга. Биоткани тела человека - это высокомолекулярные органические соединения, представляющие собой сложные образования химически связанных друг с другом простых молекул. Свойства биотканей неодинаковы по объему, поэтому на распространение звуков в них существенно влияет анизотропия и неоднородность. Важной физической особенностью биотканей, является их низкая сдвиговая жесткость. Плотность и скорость звука в биотканях может отличаться на порядки. Например, в подкожном слое плотность биотканей грудной клетки близка к плотности воды, ?г.к.?1100 кг/м3, а в паренхиме легких она существенно меньше ?п.л.?300 кг /м3, при этом скорости звука соответственно равны сг. к?1500 м/с и сп.л.?30 м/с. У материалов, из которых изготавливаются преобразователи, соответствующие характеристики таковы: для нержавеющей стали ?ст.=7800 кг/м3 , сст=6000 м/с; для алюминиевых сплавов, ?а=2700 кг/м3, а скорость звука са=5200 м/с. Поэтому переход звука из биотканей на чувствительные элементы датчиков может сопровождаться потерями звуковой энергии на отражение.
Из законов классической акустики известно [37], что на границе таких сред колебательная скорость звуковой волны и звуковое давление будут изменяться. При этом должны выполняться определенные условия: граница раздела считается сплошной, на ней отсутствуют источники звука, ни колебательная скорость, ни давление не изменяются скачками, то есть граничные условия требуют при переходе звука непрерывности колебательной скорости и непрерывности звукового давления.
Установлено, что при нормальном падении звуковой волны на границу двух сред, коэффициент прохождения по амплитуде давления определяется формулой:
(2.1)
где:
- коэффициент прохождения по амплитуде колебательной скорости;
- волновое сопротивление биотканей;
- волновое сопротивление контактной поверхности датчика.
Из формулы (2.1) видно, что при переходе звука из акустически мягкой среды в акустически жесткую (<), коэффициент прохождения по
амплитуде давления, для границы биоткань-сталь, положителен ? 2, звуковое давление во второй среде возрастает, а колебательная скорость уменьшается. Переход звука из акустически жесткой среды в акустически мягкую ( > ) сопровождается уменьшением давления во второй среде и возрастанием колебательной скорости (например, для границы биоткань-воздух ? 2).
Для регистрации звуков дыхания в аудиотехнике и виброметрии, в настоящее время, используются электроакустические преобразователи - датчики звукового давления - микрофоны и датчики колебательной скорости - акселерометры [43, 71, 72]. Следовательно, если (<), то целесообразно регистрировать звуки с тела человека преобразователями звукового давления - микрофонами. В случае перехода звука из акустически жесткой среды в акустически мягкую ( > ), когда колебательная скорость возрастает, звуки жизнедеятельности следует регистрировать с помощью датчиков колебательного ускорения - акселерометров.
Мы понимаем, что эффективность преобразователя, в полной мере, определяется не только соотношением акустических сопротивлений биотканей и контактной поверхности. Существует ряд других факторов, которые необходимо учитывать, таких как: акустическая чувствительность, взаимодействие помех с полезным сигналом, массогабаритные параметры, способ крепления к телу,