Моделирование процесса распространения звука в грудной клетке человека. Часть 2. Анализ акустических свойств в норме

Abstract

На базе ранее разработанных физической и математической моделей проведен численный анализ акустических свойств грудной клетки человека в норме. При этом в общих чертах учитывалась топография различных биотканей в поперечном сечении грудной клетки, а сами ткани представлялись как акустические среды с диссипацией. Показано, что эффективность трахеи как источника звука в грудной клетке весьма мала. Амплитуда колебательной скорости на поверхности трахеи обратно пропорциональна частоте. Установлено, что звукопрозрачность легких быстро снижается с ростом частоты, в то время как звукопрозрачность межлегочных зон практически не изменяется во всем диапазоне от 100 до 1500 Гц. При этом примерно до 360 Гц звукопрозрачность легких выше звукопрозрачности межлегочных зон, а на более высоких частотах - ниже. Обнаружено, что резкое снижение звукопрозрачности легких с ростом частоты обусловлено низкой скоростью распространения звука в паренхиме. Вследствие этого при повышении частоты характерный волновой размер легкого становится много больше единицы и роль акустического затухания нем существенно возрастает. На частоте около 70 Гц обнаружен резонанс между легкими, выступающими в роли эквивалентной упругости, а также реберно-мышечным и жировым слоями, выступающими в роли эквивалентной массы. Отмечено, что звукопрозрачность легких в области резонанса резко возрастает.

На базі раніше розроблених фізичної й математичної моделей проведено числовий аналіз акустичних властивостей грудної клітки людини в нормі. При цьому в загальних рисах враховувалась топографія різних біотканин у поперечному розрізі грудної клітки, а самі тканини представлялись як акустичні середовища з дисипацією. Показано, що ефективність трахеї як джерела звуку в грудній клітці дуже мала. Амплітуда коливальної швидкості на поверхні трахеї обернено пропорційна до частоти. Встановлено, що звукопрозорість легень швидко знижується зі зростанням частоти, в той час як звукопрозорість міжлегеневих зон практично не змінюється у всьому діапазоні від 100 до 1500 Гц. При цьому приблизно до 360 Гц звукопрозорість легень вища за звукопрозорість міжлегеневих зон, а на більш високих частотах - нижча. Виявлено, що різке зниження звукопрозорості легень зі зростанням частоти обумовлено низькою швидкістю поширення звуку в паренхімі. Внаслідок цього при підвищенні частоти характерний хвильовий розмір легені стає набагато більшим за одиницю й роль акустичного згасання у ньому суттєво зростає. На частоті близько 70 Гц знайдено резонанс між легенями, які виступають у ролі еквівалентної пружності, а також реберно-м'язовим і жировим шарами, які виступають у ролі еквівалентної маси. Відзначено, що звукопрозорість легень у області резонансу різко зростає.

A numerical analysis of acoustic properties of normal human thorax is carried out on the base of previously developed physical and mathematical models. A topography of different biological tissues in thorax cross-section is taken into account and the tissues themselves are represented with the acoustic media with dissipation. The efficiency of the trachea as a sound source in the thorax is shown to be extremely low. The amplitude of vibrational velocity on the trachea surface is inversely proportional to frequency. The acoustic transparency of the lungs is found to be rapidly decreasing with frequency. At the same time, the acoustic transparency of interpulmonary zones remains practically unchanged in the overall range of 100 to 1500 Hz. Below the approximately 360 Hz, the lung acoustic transparency is higher than that of interpulmonary zones, while at higher frequencies the opposite situation is observed. It is found that considerable decrease of lung acoustic transparency with frequency is caused by low sound propagation velocity in the parenchyma. Therefore, with growing frequency, the characteristic wave dimension of the lung becomes much greater than unity and the role of related acoustic dissipation considerably increases. At frequency of about 70 Hz, a resonance between the lungs (playing the role of equivalent elasticity) and the ribs-and-muscle and fat layers (playing the role of equivalent mass) is discovered. The increase of lung acoustic transparency in the resonance band is noticed.