БИОФИЗИКА, 2023, том 68, № 1, с. 125-133

БИОФИЗИКА CЛОЖНЫX CИCТЕМ

УДК 612.2

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ОБЪЕМА ЛЕГКИХ ВСЛЕДСТВИЕ

ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ

КОЛЕБАНИЙ НА РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСТОТЕ ДЫХАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

Государственный научный центр Российской Федерации - Федеральный медицинский биофизический центр

имени А.И. Бурназяна ФМБА России, ул. Маршала Новикова, 23, Москва, 123098, Россия

^#E-mail: s.p.dragan@rambler.ru

Поступила в редакцию 04.10.2022 г.

После доработки 04.10.2022 г.

Принята к публикации 25.10.2022 г.

Экспериментально определена зависимость увеличения объема легких лабораторных животных от

уровня высокоинтенсивного низкочастотного звука на резонансной частоте их дыхательной

системы. Эксперименты проведены на 16 кроликах. Измерение резонансной частоты дыхательной

системы осуществляли в диапазоне частот от 5 до 100 Гц с шагом 3 Гц с применением

модифицированной двухмикрофонной техники. Определив резонансную частоту, в легкие

подавали тональный сигнал на этой частоте с регулируемой амплитудой звука от 120 до 138 дБ.

Результаты измерений свидетельствуют, что резонансные частоты дыхательной системы кроликов

снизились в среднем на 13%, что соответствует увеличению объема легких на 33% за счет открытия

резервных альвеол. Зарегистрированное явление повышения объема легких при воздействии

стимулирующего высокоинтенсивного звукового сигнала на резонансной частоте может быть

использовано для повышения эффективности биоакустической стимуляции легких человека в

интересах увеличения объема дыхательной системы.

Ключевые слова: объем легких, импеданс дыхательной системы, двухмикрофонный метод, резонансные

частоты дыхательной системы, биоакустическая стимуляция дыхательной системы.

DOI: 10.31857/S0006302923010143, EDN: OAXIKR

ной системы. Технология основана на взаимо-

Развитие спорта высоких достижений требует

действии высокоинтенсивной низкочастотной

совершенствования методов повышения функ-

циональных резервов организма. При этом важ-

звуковой волны с дыхательной системой челове-

ную роль для обеспечения физической работо-

ка на резонансной частоте этой системы [6, 7]. За

способности имеет функция дыхания [1]. Повы-

счет резонансных явлений высокоинтенсивный

шение функциональных резервов дыхательной

звук через воздухоносные пути проходит к альве-

системы осуществляется путем улучшения легоч-

олам с минимальными потерями энергии [8, 9].

ной вентиляции и газообмена в легких [2-4]. В

Звуковое давление высокой интенсивности вы-

восстановительной медицине аналогичные зада-

зывает раскрытие резервных альвеол, а физиче-

чи решаются при проведении реабилитационных

ский массаж приводит к уменьшению тонуса

мероприятий, направленных на устранение нару-

гладких мышц дыхательных бронхиол и, как

шений легочной вентиляции и газообмена в лег-

следствие, к увеличению их поперечного сече-

ких пациентов [1, 5].

ния. Раскрытие резервных альвеол и увеличение

Повышение функциональных резервов орга-

поперечного сечения дыхательных бронхиол уве-

низма с помощью немедикаментозных методов и

личивает жизненную емкость легких и улучшает

средств, основанных на физических явлениях,

газообмен [10, 11]. Это, соответственно, приводит

является приоритетным направлением развития

к повышению функциональных резервов дыха-

профилактической медицины.

тельной системы человека [8, 12]. В настоящее

В настоящее время в спортивной и восстано-

время аппаратно-программный комплекс био-

вительной медицине активно используется тех-

акустической стимуляции дыхательной системы

нология биоакустической стимуляции дыхатель-

прошел технические, токсикологические и кли-

нические испытания в целях государственной ре-

Сокpащение: УЗД - уровень звукового давления.

гистрации как медицинское изделие.

125

126

ДРАГАН и др.

В результате пятидневного курса биоакустиче-

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

ской стимуляции дыхательной системы (еже-

дневный сеанс включал три стимуляции длитель-

Измерение резонансных частот дыхательного

ностью по три минуты, с перерывами между ними

тракта осуществляли на декапитированных кро-

в одну минуту) у 98.3% спортсменов зарегистри-

ликах при подсоединении трахеи к измеритель-

ровано увеличение жизненной емкости легких на

ному комплексу. Подготовку животного к изме-

5-15%. В процессе стимуляции в дыхательную

рениям проводили следующим образом. Сначала

систему подавался высокоинтенсивный низкоча-

производилась неполная декапитация, при кото-

стотный сигнал с уровнем звукового давления

рой шейный отдел позвоночника с находящимся

(УЗД) до 130 дБ и частотой, изменяющейся от 22

в нем спинным мозгом и магистральными сосу-

до 36 Гц. Фазы вдоха-выдоха синхронизировали с

дами пересекался на уровне третьего-четвертого

изменением частоты: при увеличении частоты

спортсмен делал выдох, а при снижении частоты

позвонка с сохранением целостности трахеи. Жи-

- вдох. Для синхронизации ритма дыхания со

вотное умерщвляли. После этого обнажали тра-

сканированием частоты была использована све-

хея, и на нее, выше щитовидного хряща, накла-

товая индикация - ритм дыхания подбирался ин-

дывали зажим, чтобы предотвратить заброс крови

дивидуально для каждого спортсмена и, как пра-

в легкие. Далее голову полностью отделяли от ту-

вило, составлял две-три секунды. Диапазон ча-

ловища, трахею отделяли от пищевода, а щито-

стот (от

22 до

36 Гц) был определен по

видный хрящ вместе с зажимом отсекали. Дека-

результатам измерений резонансных частот ды-

питированное животное укладывали на горизон-

хательной системы более чем у ста спортсменов

[1].

тальную поверхность рядом с установкой так,

чтобы соединить трахею без перекосов и натяже-

Однако вопрос о влиянии уровня звукового

ний с трубкой измерительной установки. После

давления на эффективность биоакустической

соединения трахеи с трубкой и обеспечения гер-

стимуляции остается неисследованным. В этой

метичности этого соединения запускали измери-

связи проведен цикл экспериментальных иссле-

тельный комплекс.

дований по определению зависимости увеличе-

ния объема легких лабораторных животных от

Всего использовано 16 кроликов породы «Со-

уровня высокоинтенсивного низкочастотного

ветская шиншилла» массой 2.5-3.0 кг.

звука на резонансной частоте дыхательной систе-

мы. Для определения искомой зависимости необ-

Измерения резонансных частот легких кроли-

ходимо точно определять резонансные частоты

ков проведены модифицированным двухмикро-

дыхательной системы. Одним из современных

фонным методом и осуществлены на специально

методов, который используется в клинической

созданном стенде. Легкие кролика, обладающие

практике наблюдения за динамикой восстанови-

свойствами акустического резонатора, присо-

тельных процессов в дыхательной системе чело-

века, является метод форсированных осцилляций

единяли трахеей к волноводу, представляющему

или более поздняя его модификация - импульс-

собой трубу постоянного сечения [10]. На одной

ная осциллометрия [13, 14]. В базовом варианте

стороне волновода был установлен громкогово-

импульсной осциллометрии осуществляется из-

ритель, формирующий полигармонический сиг-

мерение импедансных характеристик и определе-

нал, состоящий из тональных частот в заданном

ние резонансных частот дыхательной системы в

диапазоне с шагом 3 Гц [6]. С другой стороны

диапазоне от 5 до 35 Гц. Существуют методики,

волновод заканчивался торцевой стенкой, пер-

охватывающие более высокие частоты - до 300 и

пендикулярной оси волновода. В центре стенки

даже до 800 Гц [15-17]. В работе [18] авторы ис-

пользуют стандартный двухмикрофонный метод

имелось круглое отверстие со вставленной в него

измерения импедансных характеристик дыха-

трубкой, на которую герметично надевали трахею

тельного тракта. Однако применение этого мето-

животного.

да для исследования резонансных частот дыха-

Импедансные характеристики рассчитыва-

тельного тракта весьма проблематично. Вызвано

это тем обстоятельством, что в стандартном двух-

ются на основе результатов измерений звукового

микрофонном методе нижняя граница частотно-

давления в двух сечениях волновода Р₁ и Р₂ и раз-

го диапазона находится выше 50 Гц, а основной

ности фаз ϕ₁₂ между сигналами давления в этих

резонанс дыхательного тракта существенно ниже

точках. По этим данным для каждой частоты рас-

и составляет менее 35 Гц. В этой связи и был при-

считываются значения модуля и аргумента ком-

менен модифицированный метод двух микрофо-

iθ

нов, позволяющий осуществлять измерения в за-

плексного коэффициента отражения (r

)

данном частотном диапазоне [19].

по следующим формулам [7, 9, 19]:

БИОФИЗИКА том 68

№ 1

2023

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ОБЪЕМА ЛЕГКИХ

127

(

−1

)

(

cos

)

−

(

)

cosϕ

⋅ cos kL

+1-

cos

(

+ϕ

)



sinkL(N

coskL

−cosϕ

)



θ=

2kl

arctg



,

-1

coskL(N

cos

−cosϕ

)





где r - модуль комплексного коэффициента отра-

лигармонического сигнала не выше 120 дБ. По

результатам каждого измерения определены ре-

жения

, θ - аргумент комплексного коэффици-

зонансные частоты f₀₀ и компоненты безразмер-

ента отражения, k - волновое число, ϕ₁₂ - раз-

ность фаз сигналов регистрируемых с двух мик-

ного удельного акустического импеданса. По-

скольку импедансометрия дыхательной системы

рофонов, L - расстояние между микрофонами,

животных проводится на частотах выбранного

N = Р₁/Р₂ - отношение амплитуд давления, изме-

диапазона с заданным шагом, возникает необхо-

ренных в двух точках волновода, l₂ - расстояние

димость в определении контролируемых пара-

от первого микрофона до торцевой стенки волно-

метров на частотах, находящихся между ближай-

вода.

шими частотами тестового полигармонического

Коэффициент поглощения α вычисляли по

сигнала. Для этого используется вычислительный

формуле:

метод кубической сплайн-интерполяции [24].

Определение первоначальных значений резо-

α = 1 - r².

нансных частот дыхательной системы на поли-

По величинам модуля коэффициента отраже-

гармоническом тестовом сигнале производится

ния (r) и его аргумента (θ) рассчитывали компо-

методом сплайн-интерполяции. В результате из-

ненты безразмерного удельного акустического

мерений и расчетов получены значения резо-

импеданса легких кролика Z1 = R1 + iY1 для каж-

нансных частот f₀₀, при которых Y1 = 0, а коэф-

дой частоты по формулам [8, 19, 20]:

фициент поглощения принимает максимальное

значение (α_max).

1−

⋅ cos θ

2r sin

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

−

⋅ cos θ

На первом этапе определяли резонансную ча-

Измерение компонентов импеданса на каждой

стоту легких каждого кролика (f₀₀). УЗД полигар-

тональной частоте проводили одновременно, что

существенно уменьшает продолжительность про-

монического сигнала составлял менее 100 дБ на

цедуры исследования [7, 9].

каждой гармонике. На рис. 1 в качестве примера

приведены типичные графики Y1(f), R1(f) и α(f)

Экспериментально определяются частотные

для одного из кроликов (№ 8 в табл. 1). Графики

зависимости коэффициента поглощения (α) и

представлены вблизи резонансной частоты. Па-

компоненты безразмерного удельного акустиче-

раметры дыхательной системы, вычисленные с

ского импеданса (R1 и Y1) дыхательной системы.

помощью сплайн-интерполяции для этого кро-

На резонансной частоте f₀₀ коэффициент погло-

лика, имели следующие значения: f₀₀ = 28.1 Гц,

щения α дыхательной системы достигает макси-

мального значения, а реактивная компонента им-

D(f₀₀) = 0.26 Гц^-1 (определение параметра D см.

педанса (Y1) изменяется от отрицательных значе-

ниже), α(f₀₀) = 0.648, R1(f₀₀) = 3.92. При последу-

ний к положительным (график пересекает ось

ющей процедуре исследования изменения объе-

абсцисс). Эти свойства позволяют с высокой точ-

ма легких в зависимости от амплитуды тонально-

ностью определять резонансную частоту дыха-

го сигнала его частота принималась равной бли-

тельной системы в заданном диапазоне частот [7,

жайшему к f₀₀ целому числу. Индивидуальная

9]. Резонансная частота дыхательной системы

резонансная частота легких рассматриваемого

характеризует емкость легких [8, 21, 22]. Умень-

кролика и соответствующая частота тонального

шение регистрируемой резонансной частоты

стимулирующего сигнала принималась равной

свидетельствует об увеличении емкости легких,

0= 28 Гц.

что характеризует эффективность биоакустиче-

ской стимуляции [10, 23].

Характер частотных зависимостей Y1(f), R1(f)

Первоначально измерения резонансной ча-

и α(f) у всех кроликов практически идентичен,

стоты легких кроликов проведены в частотном

различались лишь индивидуальные числовые

диапазоне от 5 до 100 Гц с шагом 3 Гц при сум-

показатели, определяемые для каждого кролика.

марном уровне звукового давления тестового по-

Эти параметры приведены в табл. 1.

БИОФИЗИКА том 68

№ 1

2023

128

ДРАГАН и др.

В таблице приведены статистические характе-

ристики экспериментальной группы кроликов по

каждому параметру. Разброс параметров (т.е. ко-

эффициенты вариации) составил от 12.7% до

20.3%, что характерно для биологических объек-

тов и свидетельствует о достоверной воспроизво-

димости результатов измерений.

Далее измерения проводили только на тональ-

ном сигнале с частотой, равной индивидуальной

резонансной частоте легких исследуемого кроли-

ка (f₀). Время между измерениями на полигармо-

ническом сигнале и измерениями на тональном

сигнале резонансной частоты составляло не бо-

лее 1 мин. Для обеспечения идентичности усло-

вий измерений на полигармоническом и тональ-

ном сигнале манипуляции с кроликом между из-

мерениями не проводили.

Измерения с экспериментальными кроликами

проведены на пяти УЗД тонального сигнала. Для

каждого УЗД тонального сигнала регистрировали

значения звукового давления Р₁ и Р₂ в двух точках

и разность фаз ϕ₁₂ между ними. По этим данным

Рис. 1. Экспериментальные зависимости Y1(f) (квад-

раты, левая ось ординат), R1(f) (ромбы, левая ось ор-

рассчитывались значения активной и реактивной

динат) и α(f) (треугольники, правая ось ординат), по-

компонент импеданса R1 и Y1, а также УЗД в

лученные для кролика № 8 на полигармоническом

плоскости торцевой стенки, у входа в дыхатель-

сигнале частоты f, Гц (ось абсцисс).

Таблица 1. Параметры дыхательной системы кроликов, полученные на полигармоническом сигнале

№ кролика

f₀₀, Гц

D(f₀₀), Г^ц-1

α(f₀₀)

R1(f₀₀)

f₀, Гц

31.4

0.32

0.490

6.00

22.3

0.28

0.654

3.85

26.1

0.21

0.752

2.99

32.2

0.26

0.649

3.90

23.6

0.25

0.504

5.77

31.1

0.26

0.653

3.87

24.5

0.22

0.720

3.25

28.1

0.26

0.648

3.92

32.2

0.24

0.531

5.34

31.9

0.21

0.571

4.79

26.5

0.33

0.527

5.40

30.0

0.25

0.597

4.48

30.0

0.30

0.490

6.00

23.6

0.24

0.584

4.63

27.3

0.24

0.588

4.59

34.0

0.20

0.568

4.84

Среднее значение

28.4

0.25

0.595

4.60

28.4

Стандартное отклонение

3.67

0.038

0.079

0.93

3.6

Коэффициент вариации, %

12.9

15.1

13.3

20.3

12.7

БИОФИЗИКА том 68

№ 1

2023

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ОБЪЕМА ЛЕГКИХ

129

Таблица 2. Измеренные и рассчитанные значения характеристик легких кролика на тональном сигнале

№ п/п, i

f₀, Гц

P₁, дБ

P₂, дБ

ϕ₁₂, град

P₀, дБ

f_res, Гц

Измеренные значения

Вычисленные значения

119.6

120.0

3.6

4.39

-0.42

0.60

120.0

29.6

125.2

125.6

3.8

4.50

-0.35

0.59

125.7

29.4

133.3

133.7

3.2

4.90

0.33

0.56

133.7

26.7

135.2

135.6

3.1

4.90

0.55

0.56

135.6

25.9

136.8

137.2

3.0

5.00

0.69

0.55

137.2

25.3

ную систему кролика - Р₀. Средние значения Р₀

тых УЗД. Более значимые изменения зарегистри-

составили: 120, 126, 134, 136 и 138 дБ. При этом

рованы у реактивной компоненты импеданса

стандартное отклонение по каждому уровню не

(Y1), которая изменяется от -0.42 до +0.69. Уве-

превышало 1.2 дБ. В табл. 2 в качестве примера

личение реактивной компоненты безразмерного

приведены значения регистрируемых и рассчи-

удельного акустического импеданса (Y1) свиде-

танных показателей одного из кроликов (№ 8)

тельствует об уменьшении резонансной частоты

легких кролика с ростом амплитуды тонального

для пяти УЗД Р₀.

сигнала [8].

Для расчета значения резонансной частоты на

В табл. 3 приведены вычисленные значения

каждом уровне громкости тонального сигнала ис-

пользованы значения Y1_i из табл. 2 (столбец 7) и

resi и P0i ^{для 16 кроликов на пяти ступенях УЗД то-}

нального сигнала.

величины тангенса угла наклона частотной зави-

симости реактивной компоненты (Y1) при пере-

Анализ результатов измерений и расчетов сви-

ходе через «0», т.е. на частоте первоначального

детельствует, что увеличение амплитуды тональ-

резонанса f₀₀. Параметр D (тангенс угла наклона)

ного сигнала, как правило, приводит к снижению

определяется по результатам измерения функции

резонансной частоты дыхательной системы. В

Y1(f) на первом этапе с полигармоническим сиг-

табл. 3 только у одного животного при увеличе-

налом:

нии амплитуды падающей волны с 120.1 до

125.6 дБ произошло увеличение резонансной ча-

dY f)

стоты с 27.9 до 28.3 Гц (кролик № 11). В трех слу-

чаях зарегистрировано отсутствие изменений ре-

=f00

зонансной частоты (кролики №№ 11, 13 и 16, вы-

Величина D равна значению производной

делено жирным). При сравнении двух связанных

функции Y1(f) в точке резонанса. На практике D

выборок очень удобен критерий знаков [26]. Свя-

определяется отношением ΔY1/Δf, рассчитанным

занными называют такие выборки, в которых

по зависимости Y1(f) в области перехода ее через

каждому наблюдению в опыте соответствует свой

ноль. Расчет резонансной частоты (f_resi) при изме-

контроль. Здесь каждому последующему значе-

рениях на тональном сигнале проведен по фор-

нию резонансной частоты дыхательной системы

муле

конкретного кролика, соответствует предшеству-

ющая резонансная частота. В соответствии с кри-

терием знаков [26], для выборки из 16 наблюде-

resi

ний максимальное число знаков (т.е. увеличение

резонансной частоты), при которых различия в

Вычисленные по этой формуле резонансные

парных сравнениях можно считать существенны-

частоты (см. табл. 2, столбец 10) заметно умень-

ми с Р_КЗ = 0.05 или P_КЗ = 0.01 составит четыре и

шаются с ростом УЗД. Для приведенных данных

это снижение достигает 14.5%.

два случая соответственно. Таким образом, в со-

ответствии с критерием знаков зарегистрирован-

Результаты измерения свидетельствуют, что с

ное снижение резонансной частоты дыхательной

ростом УЗД (табл. 2, столбец 9) происходит изме-

системы кроликов при действии высокоинтен-

нение импедансных характеристик легких кроли-

сивного тонального сигнала является статистиче-

ка. Активная компонента импеданса (R1) немно-

ски значимым.

го возрастает от значения 4.39 до 5.0. Однако если

бы это было вызвано нелинейными явлениями

Кроме того, в табл. 4 представлены средне-

звукопоглощения [25], то рост активной компо-

групповые значения резонансных частот легких

ненты был бы более существенным при достигну-

обследованных кроликов и соответствующие им

БИОФИЗИКА том 68

№ 1

2023

130

ДРАГАН и др.

Таблица 3. Резонансные частоты легких кроликов, полученные на пяти ступенях УЗД тонального сигнала Р0i

№ кролика

fres1, Гц

fres2, Гц

fres3, Гц

fres4, Гц

fres5, Гц

P₀₁, дБ

P₀₂, дБ

P₀₃, дБ

P₀₄, дБ

P₀₅, дБ

37.4

37.0

32.5

31.6

31.1

120.6

126.2

134.4

136.4

138.0

23.6

22.7

21.0

20.5

119.3

124.9

133.0

135.0

136.6

26.1

25.3

22.7

22.2

21.8

119.5

125.1

133.3

135.2

136.9

32.7

32.2

30.9

30.5

30.2

120.5

126.2

134.4

136.4

138.0

28.9

28.4

25.8

24.7

119.8

125.4

133.5

135.4

136.9

32.7

32.2

29.9

29.3

29.2

120.5

126.1

134.3

136.3

137.9

26.2

26.0

24.3

24.2

119.6

125.2

133.3

135.2

136.8

29.6

29.4

26.7

25.9

25.3

120.0

125.7

133.7

135.6

137.2

33.8

33.4

31.1

30.4

30.0

120.8

126.4

134.5

136.3

137.9

34.7

34.0

30.7

30.2

29.7

120.8

126.4

134.4

136.3

137.9

27.9

28.3

26.7

26.0

120.1

125.6

133.5

135.4

137.0

31.1

30.8

28.7

27.8

27.3

120.3

125.8

133.8

135.7

137.2

30.6

29.2

28.6

28.5

120.7

126.2

134.2

136.1

137.7

27.8

27.4

24.5

24.0

23.3

119.8

125.4

133.4

135.2

136.8

28.4

24.6

23.6

22.7

119.8

133.3

135.1

136.7

35.3

33.6

33.1

32.0

121.2

126.8

134.9

136.8

138.4

Примечание. Полужирным шрифтом выделены случаи отсутствия изменений резонансной частоты (кролики №№ 11, 13 и 16).

значения t-критерия Стьюдента (сравниваются

Cтьюдента превышает его критическое значение

выборки fres2, fres3, fres4 и fres5 с выборкой fres1, см.

t_критич (α = 0.05).

табл. 3). В таблице представлены также статисти-

На рис. 2 представлены изменения резонанс-

ческие характеристики УЗД высокоинтенсивного

ных частот легких кроликов относительно перво-

тонального сигнала для пяти уровней сигнала.

начального значения (f_resi/fres1) в зависимости от

Достоверное изменение среднегрупповой резо-

УЗД тонального сигнала падающей волны (P₀).

нансной частоты дыхательной системы кроликов

Относительные изменения частоты представ-

(с доверительной вероятностью 95%) происхо-

лены по отношению к резонансной частоте,

дит, начиная с третьего уровня звукового давле-

определенной на первом уровне громкости то-

ния (P₀₃,P₀₄ и P₀₅), когда величина t-критерия

нального сигнала. Можно отметить, что при УЗД,

Таблица 4. Среднестатистические значения резонансных частот легких кроликов и УЗД воздействующего

высокоинтенсивного тонального сигнала Р0i

Статистические

fres1, Гц

fres2, Гц

fres3, Гц

fres4, Гц

fres5, Гц

P₀₁, дБ

P₀₂, дБ

P₀₃, дБ

P₀₄, дБ

P₀₅, дБ

характеристики

Среднее

30.4

30.2

27.7

27.0

26.7

120.2

125.8

133.9

135.8

137.4

Стандартное

3.8

4.0

3.7

3.6

0.55

0.56

0.58

0.59

отклонение

Минимум

23.6

22.7

21.0

20.5

119.3

124.9

133.0

135.0

136.6

Максимум

37.4

37.0

33.6

33.1

3.02

121.2

126.8

134.9

136.8

138.4

t-критерий

0.16

2.08

2.56

2.89

Cтьюдента

t_критич

2.05

2.04

(α = 0.05)

БИОФИЗИКА том 68

№ 1

2023

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ОБЪЕМА ЛЕГКИХ

131

Рис. 2. Относительные изменения резонансной ча-

Рис. 3. Относительное изменение объема легких кро-

стоты легких кроликов (ось ординат) в зависимости

ликов (ось ординат) в зависимости от уровня звуко-

от уровня звукового давления падающей волны то-

вого давления падающей волны тонального сигнала

нального сигнала P₀, дБ (ось абсцисс).

P₀, дБ (ось абсцисс).

равном 120 дБ, резонансная частота, измеренная

пяти уровней звукового давления (i = 1,…,5) по

на тональном сигнале, мало отличалась от резуль-

формуле:

татов измерений на полигармоническом сигнале

−V





с тем же суммарным УЗД 120 дБ. Но уже при УЗД

res1

−1





тонального сигнала, равном 134 дБ, зарегистри-



resi



ровано статистически значимое снижение ча-

Приведенное выше выражение является след-

стоты.

ствием формулы для определения резонансной

На рисунке представлена линия тренда - ре-

частоты резонатора Гельмгольца при неизменных

грессионная зависимость относительного сниже-

параметрах горла:

ния частоты (у = f_resi/fres1) в зависимости от УЗД

c K

падающей волны (х = P₀). Уравнение регрессии

2π

имеет следующий вид:

где f_i - частота резонанса для объема полости ре-

y = -0.00024x² + 0.0536x - 2.011.

зонатора, равного V_i, K = S₀/h₀ - проводимость

Коэффициент детерминации R² = 0.728, стан-

горла резонатора, S₀ - площадь горла резонатора,

дартная ошибка оценки составляет 0.03, коэффи-

h₀ - длина горла резонатора, c - скорость звука в

циент Фишера F = 206.

воздушной среде.

Таким образом, с увеличением УЗД падающей

На рис. 3 представлены расчетные среднеста-

волны резонансные частоты легких кроликов ста-

тистические данные относительного увеличения

тистически значимо уменьшаются по сравнению

объема легких кроликов (ܸ_݅ - ܸ₁)/ܸ1 и размах

с первоначальными значениями, в среднем от 0.4

стандартного отклонения этого увеличения в за-

до 3.8 Гц. Максимальное уменьшение частоты со-

висимости от УЗД тонального сигнала падающей

ставило 6.3 Гц. УЗД в падающей волне, в среднем

волны (P₀).

составили от 120.2 до 137.4 дБ. Разброс в значени-

ях на каждой ступени увеличения УЗД составил в

С увеличением УЗД падающей волны (Р₀) про-

среднем по всем данным менее 2 дБ, см. табл. 4.

исходит снижение резонансной частоты, что объ-

ясняется соответствующим увеличением объема

В работах [7, 9] показано, что математической

легких у кроликов. Зависимость имеет практиче-

моделью легких можно считать резонатор Гельм-

ски линейный характер, увеличение УЗД на 2 дБ

гольца. Поэтому снижение резонансной частоты

приводит к уменьшению резонансной частоты на

легких можно объяснить увеличением объема

2%. Расчетные значения относительного измене-

легких кроликов. Расчет увеличения объема Vi от-

ния объема увеличиваются на 6% при повышении

носительно первоначального объема V₁ легких

УЗД на 2 дБ. Следует отметить, что начиная с

кроликов, в зависимости от значений зарегистри-

УЗД, равного 126 дБ, происходит увеличение объ-

рованных резонансных частот f_resi проведен для

ема легких в среднем на ~3%, а при УЗД, равном

БИОФИЗИКА том 68

№ 1

2023

132

ДРАГАН и др.

134 дБ, увеличение объема легких достигает в

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

среднем 21% и далее пропорционально возрас-

А. А. Киш, Е. В. Голобородько, С. М. Разинкин и

тает.

А. М. Комлев, Вестн. восстановительной медици-

ны, 20 (6), 119 (2021).

А. И. Дьяченко, М. В. Веремьева и Е. С. Фомина,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Росс. журн. биомеханики, 21 (2), 188 (2017).

Н. И. Иванов, В. Н. Зинкин и Л. П. Сливина, Росс.

Результаты экспериментальных исследований

журн. биомеханики, 24 (2), 216 (2020).

свидетельствуют, что резонансные частоты дыха-

тельной системы кроликов при увеличении уров-

M. S. Howe and R. S. McGowan, J. Acoust. Soc. Am.,

133 (4), 2340 (2013).

ня стимулирующего звука статистически значимо

снижаются. В процессе эксперимента геометри-

F. Detterbeck, M. Gat, D. Miller, et al., Ann. Thoracic

Surg., 95 (3), 968 (2013).

ческие характеристики легких не изменялись, по-

этому это обстоятельство свидетельствует об уве-

С. П. Драган и А. В. Богомолов, Мед. техника, 293

(5), 19 (2015).

личении объема легких за счет открытия резерв-

ных альвеол. Сопоставление результатов

A. V. Bogomolov and S. P. Dragan, Dokl. Biochemistry

биоакустической стимуляции спортсменов при

and Biophysics, 464 (1), 319 (2015).

УЗД, равном 130 дБ, когда было зарегистрирова-

С. П. Драган, В. И. Кезик и А. В. Богомолов, Изв.

но увеличение объема легких на 5-15%, и пред-

РАН. Сер. биол., № 2, 181 (2022).

ставленных экспериментальных данных по кро-

A. V. Bogomolov, S. P. Dragan, and G. G. Erofeev,

ликам, когда при уровне 130 дБ наблюдаемое уве-

Dokl. Biochemistry and Biophysics, 487 (1),

247

личение объема легких составляет в среднем

(2019).

примерно 10%, свидетельствует об идентичности

10.

С. П. Драган, А. В. Богомолов и В. И. Кезик, Росс.

процессов (раскрытия альвеол).

журн. биомеханики, 24 (2), 187 (2020).

11.

A. I. Dyachenko, M. V. Veremyeva, and E. S. Fomina,

Таким образом, зарегистрированное явление

Physics of Wave Phenomena, 28 (1), 14 (2020).

повышения объема легких при воздействии сти-

12.

В. А. Ивашин, В. И. Кезик и В. П. Соловьев, Сара-

мулирующего высокоинтенсивного звукового

товский науч.-мед. журн., 13 (4), 907 (2017).

сигнала на резонансной частоте может быть ис-

13.

D. Kaczka and R. Dellacá, Crit. Rev. Biomed. Engi-

пользовано для повышения эффективности био-

neer., 39 (4), 337 (2011).

акустической стимуляции легких спортсменов.

При повышении УЗД стимулирующего сигнала

14.

H. J. Smith, P. Reinhold, and M. D. Goldman, Euro-

pean Respiratory Monograph (2005).

до 134 дБ можно ожидать увеличения объема ды-

хательной системы у спортсменов до 20%, что

15.

В. Н. Зинкин, В. И. Свидовый и И. М. Ахметзянов,

Профилактическая и клиническая медицина, 40

приведет к повышению функциональных резер-

(3), 280 (2011).

вов организма и, как следствие, к повышению

физической работоспособности.

16.

И. Ю. Коваленко, А. В. Степанов, А. Б. Селезнев и

др., Вестн. Росс. воен.-мед. академии., 58 (2), 249

(2017).

17.

B. Zhou, B. J. Bartholmai, S. Kalra, et al., J. Acoust.

ФИНАНCИPОВАНИЕ РАБОТЫ

Soc. America, 149 (2), 1318 (2021).

Работа выполнена при финансовой поддержке

18.

C. Thamrin, K. E. Finucane, B. Singh, et al., Ann.

Российского научного фонда (грант № 22-29-

Biomed. Engineer., 36 (1), 162 (2008).

00808).

19.

С. П. Драган и И. В. Лебедева, Акуст. журн., 38 (2),

174 (1992).

20. A. O. Iskhakova, M. D. Alekhin, and A. V. Bogomolov,

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Information and Control Systems, 104 (1), 15 (2020).

21. А. И. Дьяченко, Е. Б. Мехедова и Ю. А. Шулагин,

Авторы заявляют об отсутствии конфликта

Росс. журн. биомеханики, 14 (1), 86 (2010).

интересов.

22. V. I. Korenbaum and A. D. Shiryaev, Acoust. Physics,

66 (5), 548 (2020).

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

23. M. A. Safronova, A. D. Shiryaev, and V. I. Korenbaum,

Acoust. Physics, 67 (4), 433 (2021).

Работа с животными осуществлялась согласно

24. Дж. Алберг, Э. Нильсон и Дж. Уолш, Теория сплай-

требованиям протокола исследований в полном

нов и ее приложения (Мир, М., 1972).

соответствии с Женевской конвенцией 1985 г.

25. С. П. Драган и И. В. Лебедева, Акуст. журн., 44 (2),

«Международные принципы биомедицинских

206 (1998).

исследований с использованием животных» и

26. Е. В. Гублер и А. А. Генкин, Применение непара-

Хельсинкской декларации 2000 года о гуманном

метрических критериев статистики в медико-био-

отношении к животным.

логических исследованиях (Медицина, Л., 1973)

БИОФИЗИКА том 68

№ 1

2023

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ОБЪЕМА ЛЕГКИХ

133

Investigation of Changes in Lung Volume Caused by High-Intensity Acoustic

Oscillations at the Resonant Frequency of the Respiratory System

S.P. Dragan*, V.I. Kezik*, A.V. Bogomolov*, and S.V. Drozdov*

State Scientific Center of the Russian Federation - Burnazyan Federal Medical Biophysical Center,

FMBA of Russia, ul. Marshala Novikova 23, Moscow, 123098 Russia

This paper presents an experimentally determined dependency of an increase in the volume of the lungs of

laboratory animals on the level of high-intensity low-frequency sound at the resonant frequency of their re-

spiratory system. Experiments were conducted on 16 rabbits. A modified two-microphone technique was

used for the measurement of the resonant frequency of the respiratory system in the frequency range from

5 Hz to 100 Hz for a step in frequency of 3 Hz. Having determined the resonant frequency, a tone signal was

delivered to the lungs at this frequency with an adjustable sound amplitude from 120 to 138 dB. The measure-

ment results indicate that the resonant frequencies of the respiratory system in rabbits decreased by an aver-

age of 13%, that corresponds to an increase in lung volume by 33% due to the opening of the alveolar oxygen

reserve. The observed phenomenon relating to lung volume increase under the influence of a stimulating

high-intensity sound signal at a resonant frequency can be used to enhance the effectiveness of bioacoustic

stimulation of human lungs in order to increase the volume of the respiratory system.

Keywords: lung volume, impedance of the respiratory system, two-microphone method, resonance frequencies of

the respiratory system, bioacoustic stimulation of the respiratory system

БИОФИЗИКА том 68

№ 1

2023