Акустика — это область физики, исследующая упругие колебания и волны от самых низких до предельно высоких частот [1]. Акустические исследования можно разделить на несколько областей в зависимости от среды распространения звука (атмосферная акустика, гидроакустика, акустика твердых тел), от диапазона частот исследуемых волн и колебаний (инфразвуковые, звуковые, ультразвуковые, гиперзвуковые), от скорости распространения (акустические и ударные волны) и от области применения (в музыке, архитектуре, промышленности, обороне, биологии и медицине). Однако эта градация носит условный характер, поскольку границы перечисленных областей исследования акустики довольно размыты и часто пересекаются ввиду того, что являются частными случаями общей теории акустики, описывающей законы распространения упругих волн в неоднородных и динамических средах [1].

Изначально акустические исследования ограничивались изучением распространения в воздухе звуков, слышимых человеческим ухом. Становление акустики как науки произошло в XVII веке. В это время впервые измерена скорость звука в воздухе, описаны принципы волнового движения и установлены зависимости основных акустических параметров — частоты и амплитуды колебаний от размеров и степени деформации тела. Далее акустика развивалась как раздел механики: разработаны теория колебаний струн, стержней и пластинок, теория интерференции и дифракции волн, найдено объяснение происхождения обертонов и открыт закон изменения частоты волны при движении источника звука относительно наблюдателя. В ряду ученых, которые изучали акустику, имя немецкого физика, психолога и врача Г. Гельмгольца (Hermann von Helmholtz) занимает особое место. В 1863 г. Г. Гельмгольц на основе своей теории резонаторов дал первую физическую теорию уха как слухового аппарата. Исследования, проведенные Г. Гельмгольцем, заложили основу физиологической акустики. Следующий этап развития акустики связан с возникновением радиотехники, электромеханики и методов прямого и обратного преобразования акустических сигналов в электромагнитные, в результате чего созданы телефон (А. Белл, Alexander Graham Bell, 1876 г.) и фонограф (Т. Эдисон, Thomas Alva Edison, 1877 г.). В дальнейшем акустика начала приобретать все более прикладной характер. Сегодня достижения акустики внедрены практически во все сферы человеческой деятельности — радиовещание, связь, метеорологию, гидрологию, сейсмологию, военно-промышленный комплекс, биологию и медицину [2].

Акустика из предмета исследований давно превратилась в средство решения научных и технических задач. Прикладная акустика базируется на следующих технических элементах: это приемоизлучающие средства (микрофоны, динамики, датчики), преобразователи сигнала (усилители, фильтры, модуляторы/демодуляторы), средства передачи (волноводы, кабели, радиоканалы), регистрирующие средства (самописцы, магнитофоны, цифровые регистраторы), средства анализа и обработки сигналов (процессоры и аппаратно-программные комплексы). Методы акустических измерений разделяют на пассивные (только регистрация) и активные (излучение и последующая регистрация отраженного сигнала). Пассивные методы применяются при изучении процессов, являющихся самостоятельными источниками акустических сигналов. При проведении активных акустических измерений создают акустическую «подсветку» с последующим выявлением скрытой структуры среды, недоступной для исследования оптическими средствами. Пассивная и активная акустика получила широкое применение в решении военных задач — гидролокация кораблей и подводных лодок, определение координат артиллерийских позиций противника, измерение боевых параметров новых боеприпасов и множество других задач. Эти же акустические методы служат и в мирных целях — в геологии и сейсмологии активно применяются системы сейсмопрофилирования, на тех же принципах основаны системы неразрушающего контроля и дефектоскопии в промышленности. В биологии с помощью акустических средств изучаются особенности поведения летучих мышей и морских животных [3].

Историческое развитие медицинской акустики шло по пути от простого выслушивания звуков, возникающих в процессе жизнедеятельности организма человека, в сторону разработки сложных систем, работающих в частотном диапазоне инфразвука, слышимого звука и ультразвука с активным сканированием исследуемой области. Долгое время врачи в своей практике использовали слышимый звук в виде двух методик — перкуссии и аускультации [4]. При проведении перкуссии оценивается звуковой ответ на простукивание тела пациента, при аускультации — слышимый звук работы органов и систем человеческого организма. Обе эти диагностические методики используют два разнонаправленных принципа акустики — активное и пассивное измерение слышимого звука по определенным субъективным критериям. Перкуссия является аналогом активной локации и помогает врачу устанавливать индивидуальную топографию внутреннего органа или распространение патологического процесса. При аускультации по выслушиваемым звукам оценивают функциональное состояние исследуемого органа.

На протяжении долгого периода времени аускультация и перкуссия дополняли друг друга. С появлением рентгена началось постепенное вытеснение перкуссии как метода топического исследования. Широкое внедрение ультразвукового исследования, мультиспиральной компьютерной томографии и магнитно-резонансной томографии привело к тому, что перкуссия окончательно перешла в разряд скрининговых методов исследования. Напротив, с появлением цифровых технологий аускультация как метод, оценивающий функцию органа по генерируемому им звуку, продолжила свое развитие. На смену обычному стетоскопу, который изобретен в 1816 г. Рене Лаэннеком (фр. René-Théophile-Hyacinthe Laënnec), пришли электронные средства аускультации, позволяющие регистрировать звуковые колебания работы органов с поверхности тела человека в широком диапазоне частот и интенсивности [5]. Компьютер-ассистированная аускультация позволяет записывать звуковые колебания в цифровом виде, обрабатывать полученные данные и получать объективные результаты. Так, аускультацию сердца сменила фонокардиография, аускультацию легких — фонопневмография, бронхофонография и трахеофонография [6]. Медицинские технологии позволяют проводить суточное акустическое мониторирование легочного дыхания и сердечной деятельности [7].

Достижения акустики на сегодняшний день применяются практически во всех областях медицины. Физиологическая акустика изучает физику и биофизику органов слуха и речи, а также последствия действия упругих колебаний на организм человека в целом. Исследуются и находят свое практическое применение упругие колебания в диагностике и лечении терапевтических и хирургических заболеваний человека. Созданы устройства для протезирования голосового аппарата и коррекции слуха, которые позволяют социально адаптировать данный контингент больных [8].

Активные акустические методы применяются для определения механических свойств тканей человеческого организма, при этом используют общий физический принцип измерения задержки распространения поверхностной волны (механического возбуждения) через фазовый сдвиг между сигналом возбуждения и сигналом отклика. При помощи этого метода в дерматологии определяют стадию развития псориаза и экземы, в офтальмологии оценивают биохимические свойства роговицы и склеры, в хирургии определяют типы гемангиом и рубцовых перерождений кожи, в пластической хирургии используют метод предоперационного обследования перед маммопластикой [8].

В современной оториноларингологии широко применяются как активные, так и пассивные акустические методы исследования уха, горла и носа.

Активные акустические методы исследования уха, горла и носа

Аудиометрия и слуховые вызванные потенциалы — исследование слуха пациента и разборчивости речи, оценка восприятия звуковых колебаний различной силы и частоты [9].

Акустическая импедансометрия — измерение акустического импеданса в наружном слуховом проходе при изменяемом барометрическом давлении. Включает также акустическую рефлексометрию, определение физического объема и тесты функции слуховой трубы [10].

Ультразвуковые тесты функции внутреннего уха — определение порогов чувствительности и латерализации ультразвука [11].

Сонотубометрия — анализ изменения интенсивности звукового сигнала, подаваемого через полость носа, в наружном слуховом проходе во время глотка. Этот метод разработан для оценки функции слуховой трубы, однако не нашел широкого клинического применения [12].

Акустическая ринометрия — определение площади поперечного сечения в различных отделах полости носа на основании отражения звукового сигнала, направляемого в полость носа [13].

Ультразвуковое исследование околоносовых пазух, небных миндалин, гортани — определение структурных изменений за счет оценки отражения ультразвуковых волн [14].

Отоакустическая эмиссия (ОЭ) — исследование звуков, которые генерируются в улитке внутреннего уха. Этот метод, исследующий внутреннее ухо человека, условно можно отнести к активным акустическим методам исследования, так как изучение спонтанной ОЭ, возникающей без внешних стимулов, не нашло применения в клинической практике, поскольку является непостоянным феноменом. Вызванная ОЭ появляется при подаче в наружный слуховой проход звуковых тонов; с помощью микрофона определяют амплитуду полученных звуковых колебаний [15].

Пассивные акустические методы исследования уха, горла и носа

Компьютерный акустический анализ голоса (КААГ) — акустический метод, объективно оценивающий фонатурную функцию гортани. Данный метод позволяет объективно оценить диапазон голоса, частоту его основного тона, количество обертонов, формантный состав звукового сигнала и характеристики вибрато. КААГ используют для исследования функции голоса в норме и при заболеваниях гортани, для дифференциальной диагностики дисфонии и определения типа голоса вокалистов [16].

Исследование проводят в звукоизолированном помещении. Звук голоса записывают с помощью микрофона при фонации одного звука (обычно в течение 5 с) или речи (чтение текста в течение 2—3 мин). Для изучения вокального профиля обследуемый воспроизводит заданные на фортепиано ноты в комфортном для него диапазоне. Сигнал с микрофона поступает на персональный компьютер; звуковой сигнал обрабатывает специальное программное обеспечение. Результаты анализа голоса представлены в виде графика и различных числовых акустических показателей [17] (рис. 1).

Рис. 1. Результаты компьютерного анализа голоса у пациента с функциональной дисфонией.

а — до лечения; б — после лечения.

КААГ, в частности, позволяет рассчитать такие показатели, как сила голоса, выраженная в дБ, и частота основного тона, выраженная в Гц. Сила голоса определяется амплитудой колебания голосовых складок, которая зависит от подскладочного давления (сила вдоха) и составляет при речи от 40 до 70 дБ. Программа также оценивает стабильность амплитуды звуковой волны во времени — коэффициенты Shimmer, APQ, vAM. Увеличение значений этих показателей свидетельствует о невозможности голосовых складок поддерживать периодические колебания определенной амплитуды и наличии турбулентного шума. Частота основного тона зависит от длины, толщины и напряжения голосовых складок, определяет тембр голоса и колеблется в диапазоне от 60 до 1360 Гц. Как и для амплитуды, для частоты основного тона программа рассчитывает показатели стабильности в краткосрочном (Jitter, RAP, PPQ) и долгосрочном (vFo) периодах. Высокие значения данных показателей свидетельствуют о невозможности голосовых складок поддерживать колебания с определенной периодичностью. Другим немаловажным рассчитываемым показателем является время максимальной фонации, т.е. время, в течение которого обследуемый может фонировать звук. Этот показатель характеризует качество фонационного дыхания и плотность смыкания голосовых складок. Отдельно в процессе анализа рассчитывается наличие шумовых компонентов в спектре и фонационных пауз. Высокие значения шумовых индексов (NHR, VTI, SPI) могут свидетельствовать о нестабильности голоса и неполном смыкании голосовых складок. Увеличение показателей фонационных пауз (DVB, DUV, DSH) соответствует появлению диплофонии (раздвоение звука) [17]. В комплексе данные показатели дают безальтернативную возможность объективно оценить качество певческого голоса, диагностировать и документировать изменение голосовой функции при органической и функциональной патологии гортани [18].

Акустический анализ носового дыхания (ААНД) — акустический метод, объективно оценивающий дыхательную функцию наружного носового клапана (НК).

Патология НК считается одной из наиболее частых причин назальной обструкции и ключевым фактором в развитии функциональных нарушений носа. Различают статический и динамический коллапс НК, проявляющиеся нарушением носового дыхания. Статический коллапс НК проявляется избыточным сужением полости носа за счет гипертрофии нижних носовых раковин, искривления перегородки носа, патологических изменений хрящей крыла носа, рубцовых процессов. Динамический коллапс НК обусловлен западением крыльев носа за счет уменьшения давления в полости носа [19]. Для функциональной оценки НК применялись проба Cottle, проба с ваткой и проба с расширением НК, которые являются субъективными и низкоспецифичными методами оценки носового дыхания. Компьютерная речевая лаборатория, предназначенная для медицинского анализа речи, характеризуется высокой степенью акустической чувствительности и позволяет регистрировать минимальные звуковые колебания, в том числе возникающие при дыхании через нос [20]. Функциональной характеристикой НК является показатель продолжительности вдоха. ААНД позволяет регистрировать звук носового дыхания с четкой фиксацией продолжительности фаз вдоха и выдоха.

Методика ААНД разработана А.И. Крюковым и соавт. в ГБУЗ «НИКИО им. Л.И. Свержевского» ДЗМ [21]. Исследование проводят отдельно для левой и правой половин носа (одна из ноздрей закрыта). Микрофон, регистрирующий звук носового дыхания, устанавливают на уровне кончика носа на расстоянии 3 см, что позволяет исключить звук удара воздушной струи (рис. 2).

Рис. 2. Методика проведения спектрального акустического анализа носового дыхания.

Пациент дышит через нос в трех режимах: спокойное дыхание, спокойное дыхание с пробой Cottle и форсированное дыхание. Каждое исследование начинают с фазы вдоха и продолжают в течение 11 с, что позволяет зарегистрировать 3—4 дыхательных цикла. Полученный результат ААНД отображается графически в системе координат: амплитуда звуковой волны в дБ и продолжительность в секундах (с) (рис. 3).

Рис. 3. Акустический анализ при исследовании носового дыхания.

Оценку функционального состояния НК проводят только по продолжительности фазы вдоха (с), так как установлено, что амплитуда звука и продолжительность выдоха неинформативны при данной патологии. Методика ААНД доказала свою эффективность при диагностике посттравматической рубцовой деформации преддверия носа, проявляющейся статическим коллапсом НК. Установлены объективные параметры нормы и функциональной недостаточности НК [22] (см. таблицу).

Показатель акустического анализа носового дыхания в норме и при недостаточности наружного носового клапана

ААНД позволяет также оценить эффективность проведенного хирургического лечения недостаточности НК. На рис. 4 представлен пример восстановления дыхательной функции НК на 376,9% после проведенной операции в преддверии носа.

Рис. 4. Акустический анализ носового дыхания пациента с недостаточностью носового клапана.

а — до лечения; б — после z-образной пластики преддверия носа.

А.И. Крюков и соавт. при помощи компьютерной речевой лаборатории впервые изучили акустические показатели носового дыхания. На основе полученных данных проанализированы параметры носового дыхания в норме и определены диагностически значимые показатели носового дыхания у пациентов с патологией НК [22].

Пассивную акустику применили в изучении звуков, возникающих в результате работы слуховой трубы. Происхождение этих звуков связывали с различными возможными механизмами: движение барабанной перепонки, сокращение мышц среднего уха, соударение стенок слуховой трубы при закрытии или разрыве жидкостного слоя, покрывающего слизистую оболочку слуховой трубы [23]. В своем экспериментальном исследовании на кадаверном материале и добровольцах H. Pau и соавт. [24] записывали звуки в области наружного слухового прохода на частоте 500—2000 Гц. В кадаверном эксперименте авторы провоцировали пассивное открытие слуховой трубы путем постепенного увеличения давления в герметично обтурированном слуховом проходе (в барабанной перепонке предварительно создавали отверстие). У здоровых добровольцев провоцировали сокращения стременной мышцы и мышцы, натягивающей барабанную перепонку, а также вызывали движение барабанной перепонки. При выполнении этих маневров проводили запись звуков из наружного слухового прохода. Авторы показали, что «разрыв» слоя слизи при открытии слуховой трубы является наиболее вероятным источником звуков при открытии. Звуки имели среднюю продолжительность 29 мс и соотношение сигнал/шум в среднем 16 дБ [24].

Та же группа авторов проводили исследование на 80 здоровых добровольцах и пациентах с целью определения репрезентативности звуковых сигналов для оценки открытия слуховой трубы [23]. Они проводили запись звуков с наружного слухового прохода с синхронной записью давления в наружном слуховом проходе. Для этого ими модифицировано устройство манометра для наружного слухового прохода за счет размещения в нем высокочувствительного микрофона. Газ под давлением подавали в носоглотку во время глотания. При этом при открытии слуховой трубы происходило изменение давления в наружном слуховом проходе. Показатели давления и звуковой сигнал записывали непрерывно, и их графики располагали для сопоставления на одной временной оси. Звуковой сигнал дополнительно обрабатывали для уменьшения шума. Авторы обнаружили, что сигналы у добровольцев при активном открытии слуховой трубы имели длительность в среднем 47 мс, соотношение сигнал/шум — 20,5 дБ. Появление звуков совпадало с изменением давления в наружном слуховом проходе в 98% случаев. Звуки фиксировали у 91% добровольцев при выполнении тестов на открытие слуховой трубы. Звуковые сигналы, похожие на открытие слуховой трубы, очень редко фиксировались случайно на графиках (2% «щелчков»). В перспективе предполагается возможность регистрации и последующей оценки звуковых сигналов функционирования слуховой трубы в течение длительного времени.

Таким образом, можно констатировать постепенное внедрение пассивных акустических методов исследования в изучение функционального состояния уха, горла и носа. Мы считаем, что в оториноларингологии это направление является перспективным, и требуется его научное и практическое развитие. Первоначальной задачей является разработка способов регистрации звуковых колебаний, связанных с работой уха, горла и носа. Нос и околоносовые пазухи, структуры глотки и среднего уха в результате выполнения своих функций генерируют звуки и вибрации. Но в процессе эволюции эти органы оптимизированы с точки зрения минимизации энергозатрат, что привело к чрезвычайно малой интенсивности генерируемых звуковых колебаний. Первоначальной задачей является выделение «полезных» и имеющих значение для анализа сигналов на фоне сопряженных звуков и шумов. Это можно решить, применив высокочувствительные минимикрофоны направленного типа, усилители и аппаратные фильтры, выделяющие необходимый диапазон частот, а также вспомогательные средства и материалы, обеспечивающие акустический барьер от внешних шумов.

Наряду с применением современных первичных преобразователей и элементов аналоговой обработки сигналов базисом развития средств акустических исследований в оториноларингологии может служить внедрение новых методов и алгоритмов обработки данных, реализуемых в измерительных приборах и программно-аппаратных комплексах. С учетом современных тенденций развития средств обработки данных определенные перспективы имеют алгоритмы анализа и диагностики с применением элементов искусственного интеллекта. Особенно востребованы и эффективны данные методы при поступлении значительного объема обрабатываемой информации. Важным условием при этом является предварительное «обучение» алгоритмов на контрольном материале, которое заключается в формировании акустических паттернов, соответствующих нормальной работе и патологическим состояниям уха, горла и носа. Данный процесс наиболее трудозатратен, и требуется совместное участие оториноларингологов и специалистов-акустиков.

Заключение

Подводя итог, можно отметить, с одной стороны, широкое внедрение акустических методов исследования в медицину вообще и в оториноларингологию в частности. С другой стороны, продолжающийся прогресс компьютерного анализа данных и совершенствование технического аппарата открывают новые научные перспективы использования акустических технологий для обследования пациентов с заболеваниями уха, горла и носа.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.