Ulyanovsk Medico-biological Journal

PHYSIOLOGY

Download  article

DOI 10.34014/2227-1848-2019-3-80-88

 

NEW POSSIBILITIES FOR HUMAN LUNGS VENTILATION FUNCTION CONTROL IN SPECIAL PHYSIOLOGY TASKS USING TRACHEAL NOISES OF FORCED EXPIRATION

 

V.V. Malaeva, A.E. Kostiv, O.I. Kabantsova, I.A. Pochekutova, V.I. Korenbaum

V.I. Ilyichov Pacific Oceanological Institute, Far East branch of Russian Academy of Sciences, Vladivistok, Russia

e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

 

Some types of human professional activities are associated with the influence of adverse environmental factors, therefore, the study of the human body response both in acute situations and in case of prolonged exposure to such factors is necessary to identify early signs of functional distress and prevent the disease development.

The purpose of the paper is to assess the ability to control changes in the human lungs ventilation function under extreme physical loads and a bronchodilation test using the developed acoustic parameters of forced expiratory tracheal noise.

Materials and Methods. The authors examined three groups of volunteers: professional divers (n=25) before and after scuba diving, testers (n=11) while modeling the physiological effects of prolonged null-gravity condition, and healthy persons (n=29) during bronchodilation test.

Results. The authors revealed significant individual dynamics of tracheal noise duration of forced expiration after diving in modern respiratory equipment of closed type in 28 % (7/25) of divers. They also found multidirectional correlations between the dynamics of the duration of forced expiratory tracheal noises under specific diving and the dynamics of spirometric indicators reflecting the state of the ventilation function in divers. It was found that the specific band energies of forced expiratory noise were characterized by multidirectional sensitivity to the extreme effects under study: postural simulations of null-gravity condition for 3 days revealed a decrease in specific energy in 800–1000 Hz and an increase in 1400–1600, 1600–1800 Hz; during bronchodilation test, an increase in specific energy was found in 1600–1800 Hz, and in case of diving, a decrease in energy in 1400–1600 Hz.

Conclusion. Monitoring of changes in the lungs ventilation function using the acoustic parameters of forced expiratory noise seems promising for individual monitoring of a human state under extreme conditions.

Keywords: ventilation function, forced expiration, tracheal noises, extreme effects, signal processing.

 

References

  1. Myasnikov A.An., Shchitov A.Yu., Chernov V.I., Zhil'tsova I.I., Yur'ev A.Yu., Myasnikov A.Al. Opredelenie ustoychivosti vodolazov k dekompressionnomu gazoobrazovaniyu [Detection of the diver’s resistance to decompression gas formation]. Voenno-meditsinskiy zhurnal. 2013; 334 (2): 45–50 (in Russian).

  2. Van Ooij P.J., Hollmann M.W., van Hulst R.A., Sterk P.J. Assessment of pulmonary oxygen toxicity: Relevance to professional diving; a review. Respiratory Physiology and Neurobiology. 2013; 189 (1): 117–28.

  3. Voortman M., van Ooij P.J.A.M., van Hulst R.A., Zanen P. Pulmonary function changes in Navy divers during their professional careers. UHM. 2016; 6 (43): 649–657.

  4. Chumakov A.V., Sukhoroslova I.E., Sharova N.V., Svistov A.S., Neustroev A.P., Makiev R.G., Alanichev A.E. «Legkoe vodolaza»: osobennosti remodelirovaniya sistemy organov dykhaniya u akvanavtov VMF v period otdalennykh posledeystviy glubokovodnykh nasyshchennykh spuskov [“Diver’s lungs”: Characteristics of respiratory system remodeling of Navy aquanauts during the long-term aftereffects of deep-sea diving]. Voenno-meditsinskiy zhurnal. 2013; 334 (1): 44–48 (in Russian).

  5. Altepe C., Egi S.M., Ozyigit T., Ruzgar S.D., MarroniA., Pierleoni P. Design and validation of a breathing detection system for scuba divers. Sensors. 2017; 17 (6): 1349.

  6. Martin A., Voix J. In-Ear Audio Wearable: Measurement of Heart and Breathing Rates for Health and Safety Monitoring. IEEE Trans Biomed Eng. 2018; 65 (6): 1256–1263.

  7. Pougnet R., Pougnet L., Lucas D., Uguen M., Henckes A., Dewitte J.-D., Loddé B. Longitudinal changes in professional divers’ lung function: literature review. International Maritime Health. 2014; 65 (4): 223–229.

  8. Watenpaugh D.E. Analogs of microgravity: head-down tilt and water immersion. Journal of Applied Physiology. 2016; 120: 904–914.

  9. Hageman S.M., Murphy-Lavoie H.M. Diving, immersion pulmonary edema. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2018.

  10. Savushkina O.I., Chernyak A.V. Legochnye funktsional'nye testy: ot teorii k praktike [Pulmonary function tests: from theory to practice]. Rukovodstvo dlya vrachey. Moscow: OOO «Firma STROM»; 2017. 192 (in Russian).

  11. Pochekutova I.A., Korenbaum V.I. Diagnosis of hidden bronchial obstruction using computer-assessed tracheal forced expiratory noise time. Respirology. 2013; 18 (3): 501–506.

  12. Pochekutova I.A., Korenbaum V.I. Akusticheskaya otsenka vliyaniya odinochnogo pogruzheniya v vodolaznom snaryazhenii zakrytogo tipa na ventilyatsionnuyu funktsiyu legkikh [Acoustic assessment of the solo diving in closed diving equipment on the lungs ventilation function]. Fiziologiya cheloveka. 2011; 37 (3): 76–82 (in Russian).

  13. D'yachenko A.I., Korenbaum V.I., Mikhaylovskaya A.N., Osipova A.A., Suvorov A.V., Shin S.N., Pochekutova I.A. Dinamika prodolzhitel'nosti trakheal'nykh shumov forsirovannogo vydokha v usloviyakh izolyatsii u ispytateley – uchastnikov programmy «MARS-500» [Duration dynamics of the forced expiratory tracheal noises under isolation among testers participating in the MARS-500 program]. Fiziologiya cheloveka. 2014; 40 (1): 96–100 (in Russian).

  14. Pochekutova I., Korenbaum V. An approximate estimation of human bronchial resistance under forced exhalation. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 2015; 191: A2092.

  15. Baranov M.V., Katuntsev V.P., Shpakov A.V., Baranov V.M. Metod nazemnogo modelirovaniya fiziologicheskikh effektov prebyvaniya cheloveka v usloviyakh gipogravitatsii [Ground-based modeling of physiological effects of human exposure to hypogravity]. Byulleten' eksperimental'noy biologii i meditsiny. 2015; 160 (9): 392–396 (in Russian).

  16. Malaeva V.V., Korenbaum V.I., Pochekutova I.A., Kostiv A.E., Shin S.N., Katuntsev V.P., Baranov V.M. A technique of forced expiratory noise time evaluation provides distinguishing human pulmonary ventilation dynamics during long-term head-down and head-up tilt bed rest tests simulating micro and lunar gravity. Frontiers in Physiology. 2018; 9: 1255.

 

Скачать статью

УДК 534.88 613.67;623.98

DOI 10.34014/2227-1848-2019-3-80-88

 

НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ КОНТРОЛЯ ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ ФУНКЦИИ ЛЕГКИХ ЧЕЛОВЕКА В ЗАДАЧАХ СПЕЦИАЛЬНОЙ ФИЗИОЛОГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТРАХЕАЛЬНЫХ ШУМОВ ФОРСИРОВАННОГО ВЫДОХА

 

В.В. Малаева, А.Е. Костив, О.И. Кабанцова, И.А. Почекутова, В.И. Коренбаум

ФГБУН Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук, г. Владивосток, Россия

e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

 

Некоторые виды профессиональной деятельности человека связаны с воздействием неблагоприятных факторов внешней среды, поэтому изучение ответных реакций организма как в острых ситуациях, так и при длительном воздействии необходимо для выявления ранних признаков функционального неблагополучия и профилактики развития заболеваний.

Цель исследования. Оценить возможности контроля изменений вентиляционной функции легких человека при экстремальных физических воздействиях и бронходилятационной пробе с помощью разработанных акустических параметров трахеальных шумов форсированного выдоха (ФВ).

Материалы и методы. Обследовано 3 группы добровольцев: профессиональные водолазы (n=25) до и после подводного погружения, испытатели (n=11) при моделировании физиологических эффектов длительной невесомости и здоровые лица (n=29) при проведении бронходилятационной пробы.

Результаты. Выявлена значимая индивидуальная динамика продолжительности трахеальных шумов форсированного выдоха после погружения в современном дыхательном снаряжении замкнутого типа у 28 % (7/25) водолазов. Обнаружены разнонаправленные корреляционные взаимосвязи между динамикой продолжительности трахеальных шумов форсированного выдоха со специфическими факторами погружения и динамикой спирометрических показателей, отражающих состояние вентиляционной функции у водолазов. Установлено, что удельные полосовые энергии шумов форсированного выдоха характеризуются разнонаправленной чувствительностью к исследуемым экстремальным воздействиям: при постуральном моделировании невесомости в течение 3 сут выявлено снижение удельной энергии в полосе частот 800–1000 Гц и рост – в полосах 1400–1600, 1600–1800 Гц; при бронходилятационной пробе обнаружен рост удельной энергии в полосе частот 1600–1800 Гц, а при водолазном погружении – снижение энергии в полосе частот 1400–1600 Гц.

Выводы. Мониторинг изменений вентиляционной функции легких с помощью акустических параметров шумов форсированного выдоха представляется перспективным для индивидуального контроля состояния человека при экстремальных воздействиях.

Ключевые слова: вентиляционная функция, форсированный выдох, трахеальные шумы, экстремальные воздействия, обработка сигналов.

 

Литература

  1. Мясников А.Ан., Щитов А.Ю., Чернов В.И., Жильцова И.И., Юрьев А.Ю., Мясников А.Ал. Определение устойчивости водолазов к декомпрессионному газообразованию. Военно-медицинский журнал. 2013; 334 (2): 45–50.

  2. Van Ooij P.J., Hollmann M.W., van Hulst R.A., Sterk P.J. Assessment of pulmonary oxygen toxicity: Relevance to professional diving; a review. Respiratory Physiology and Neurobiology. 2013; 189 (1): 117–28.

  3. Voortman M., van Ooij P.J.A.M., Van Hulst R.A., Zanen P. Pulmonary function changes in Navy divers during their professional careers. UHM. 2016; 6 (43): 649–657.

  4. Чумаков А.В., Сухорослова И.Е., Шарова Н.В., Свистов А.С., Неустроев А.П., Макиев Р.Г., Аланичев А.Е. «Легкое водолаза»: особенности ремоделирования системы органов дыхания у акванавтов ВМФ в период отдаленных последействий глубоководных насыщенных спусков. Военно-медицинский журнал. 2013; 334 (1): 44–48.

  5. Altepe C., Egi S.M., Ozyigit T., Ruzgar S.D., MarroniA., Pierleoni P. Design and validation of a breathing detection system for scuba divers. Sensors. 2017; 17 (6): 1349.

  6. Martin A., Voix J. In-Ear Audio Wearable: Measurement of Heart and Breathing Rates for Health and Safety Monitoring. IEEE Trans Biomed Eng. 2018; 65 (6): 1256–1263.

  7. Pougnet R., Pougnet L., Lucas D., Uguen M., Henckes A., Dewitte J.-D., Loddé B. Longitudinal changes in professional divers’ lung function: literature review. International Maritime Health. 2014; 65 (4): 223–229.

  8. Watenpaugh D.E. Analogs of microgravity: head-down tilt and water immersion. Journal of Applied Physiology. 2016; 120: 904–914.

  9. Hageman S.M., Murphy-Lavoie H.M. Diving, immersion pulmonary edema. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2018.

  10. Савушкина О.И., Черняк А.В. Легочные функциональные тесты: от теории к практике: руководство для врачей. М.: ООО «Фирма СТРОМ»; 2017. 192.

  11. Pochekutova I.A., Korenbaum V.I. Diagnosis of hidden bronchial obstruction using computer-assessed tracheal forced expiratory noise time. Respirology. 2013; 18 (3): 501–506.

  12. Почекутова И.А., Коренбаум В.И. Акустическая оценка влияния одиночного погружения в водолазном снаряжении закрытого типа на вентиляционную функцию легких. Физиология человека. 2011; 37 (3): 76–82.

  13. Дьяченко А.И., Коренбаум В.И., Михайловская А.Н., Осипова А.А., Суворов А.В., Шин С.Н., Почекутова И.А. Динамика продолжительности трахеальных шумов форсированного выдоха в условиях изоляции у испытателей – участников программы «МАРС-500». Физиология человека. 2014; 40 (1): 96–100.

  14. Pochekutova I., Korenbaum V. An approximate estimation of human bronchial resistance under forced exhalation. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 2015; 191: A2092.

  15. Баранов М.В., Катунцев В.П., Шпаков А.В., Баранов В.М. Метод наземного моделирования физиологических эффектов пребывания человека в условиях гипогравитации. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2015; 160 (9): 392–396.

  16. Malaeva V.V., Korenbaum V.I., Pochekutova I.A., Kostiv A.E., Shin S.N., Katuntsev V.P., Baranov V.M. A technique of forced expiratory noise time evaluation provides distinguishing human pulmonary ventilation dynamics during long-term head-down and head-up tilt bed rest tests simulating micro and lunar gravity. Frontiers in Physiology. 2018; 9: 1255.