О механизмах формирования акустических свойств легочной паренхимы

Abstract

Проанализировано анатомическое строение дыхательной системы человека. Для частот, характерных для звуков дыхания, обоснована возможность представления респираторной зоны легких как сплошной среды с микроструктурой. Разработана акустическая модель легочной паренхимы на основе физических представлений о дисперсии и поглощении звука в эмульсиях. Для случая термической независимости зерен эмульсии (альвеол) получено аналитическое выражение, описывающее скорость звука и коэффициент затухания в паренхиме. Показано, что поведение скорости звука, предсказываемое эмульсионной моделью, аналогично тенденциям, описываемым простыми газо-жидкостными моделями. Установлена сильная зависимость коэффициента затухания звука от частоты и концентрации газовой фазы паренхимы. Показано, что при низких значениях наполненности легких воздухом частотная зависимость затухания в исследуемом диапазоне квадратична, а при высоких - демонстрирует переход к корневой тенденции с возрастанием частоты. Эта особенность обусловлена сильным изменением размеров альвеол во время дыхательного цикла. Отмечено значительное уменьшение затухания звука в паренхиме при глубоком вдохе.

Проаналізовано анатомічну будову дихальної системи людини. Для частот, що характерні для звуків дихання, обгрунтована можливість представлення респіраторної зони легенів як суцільного середовища з мікроструктурою. Розроблено акустичну модель легеневої паренхіми на основі фізичних уявлень про дисперсію й поглинання звуку в емульсіях. Для випадку термічної незалежності зерен емульсії (альвеол) отримано аналітичний вираз, який описує швидкість звуку і коефіцієнт зтухання в паренхімі. Показано, що поведінка швидкості звуку, передбачена емульсійною моделлю, аналогічна тенденціям, які описуються простими газо-рідинними моделями. Встановлено сильну залежність коефіцієнта затухання звуку від частоти й концентрації газової фази паренхіми. Показано, що при низьких значеннях наповненості легенів повітрям частотна залежність затухання в досліджуваному діапазоні є квадратичною, а при високих - демонструє перехід до кореневої тенденції зі зростанням частоти. Ця особливість обумовлена сильною зміною розмірів альвеол під час дихального циклу. Відзначено значне зменшення затухання звуку в паренхімі під час глибокого вдоху.

The anatomic structure of a human respiratory system is analyzed. For the frequencies characteristic to the breath sounds the possibility of representing the lung's respiratory zone as a continuum with microstructure is justified. An acoustic model of the lung parenchyma is developed on the basis of physical study of the dispersion and the sound attenuation in emulsions. For the case of thermal independence of grains of emulsion (alveoles) the analytical expression describing the sound speed and the attenuation coefficient in parenchyma is obtained. It is shown, that the behavior of the sound speed foreseen in the emulsion model is similar to the tendencies depicted by the simple gas-liquid models. A strong dependence of the attenuation coefficient on the frequency and concentration of the parenchyma's gas phase is established. It is outlined, that at low values of lung's filling by air the frequency dependence of damping in the studied range is the quadratic one. As for high values, it demonstrates the transfer to the root tendency with a growth of a frequency. This peculiarity is conditioned by a strong resizing of alveoles during the respiratory cycle. Considerable decrease of the sound attenuation at deep inspiration is stated.