Введение

По данным официальной статистики, кашель является одной из самых частых причин обращения за медицинской помощью [1]. Распространенность хронического кашля в России составляет около 14,8% [2].

Известно, что причины кашля разнообразны. К ним можно отнести заболевания бронхолегочной, сердечно-сосудистой, нервной систем, а также патологию носоглотки, желудочно-кишечного тракта, прием некоторых лекарственных препаратов (например, ингибиторы ангиотензинпревращающего фермента) и др. [3]. Среди вышеперечисленного заболевания органов дыхания занимают лидирующую позицию, наиболее значимым является хронический бронхит (ХБ). Распространенность ХБ в Российской Федерации составляет 10—20% [2].

Одной из причин высокой распространенности кашля является отсутствие на сегодняшний день доступных к клиническому применению объективных методов его диагностики. Все существующие на данный момент способы диагностики кашля являются субъективными. В частности, к субъективным методам относятся визуальная аналоговая шкала, 6-балльная оценка выраженности кашля, опросники LCQ (Leicester Cough Questionnaire), CQLQ (Cough Specific Quality of Life Questionnaire), CSS (Cough severity score), CSD (Cough severity diary). Эти методы однозначно играют роль в постановке диагноза, однако с их помощью не возможно оценить кашель с объективной точки зрения, со всесторонней оценкой его параметров как звукового феномена.

К сегодняшнему дню за рубежом разработаны устройства, которые способны объективно исследовать кашель. Это полуавтоматические системы для записи кашля VitaloJAK и CayeCoM (The Cayetano Cough Monitor), а также автоматизированные устройства LCM (Leicester Cough Monitor) и HACC (The Hull Automatic Cough Counter) [4]. Разработаны мобильные приложения, с помощью которых можно исследовать кашель, например, предложенные H. Barcelo и соавт., D.F. Claxton и соавт. [5].

В России в 1993 г. на кафедре факультетской терапии ВГМИ им. Н.Н. Бурденко профессор В.М. Провоторов и инженеры ОКБМП г. Воронежа разработали туссограф ИКТ-1 [4]. Позже на кафедре факультетской терапии при помощи метода спектральной туссофонобарографии был проведен спектральный анализ звуков кашля у больных бронхиальной астмой (БА), хронической обструктивной болезнью легких (ХОБЛ), гастроэзофагеальной рефлюксной болезнью (ГЭРБ), COVID-19 [6, 7]. Однако не проводились исследования спектрального звука кашля больных ХБ.

Цель исследования — провести спектральный анализ звука кашля больных ХБ в сравнении с кашлем больных БА, ХОБЛ, COVID-19 и индуцированным кашлем здоровых лиц.

Материал и методы

Исследование проводили на базе БУЗ ВО «ВГП №16», БУЗ ВО «ВГКП №4», БУЗ ВО «ВГКП №7», БУЗ ВО «ВГКП №3» в период с апреля 2023 по сентябрь 2024 г. Исследование было одобрено Этическим комитетом ВГМУ им. Н.Н. Бурденко (протокол заседания №8 от 15.11.2023). От каждого испытуемого было получено добровольное информированное письменное согласие на участие в исследовании.

Были выделены 5 групп: основная группа и 4 группы сравнения.

В основную группу вошли больные, страдающие необструктивным катаральным или слизисто-гнойным ХБ легкой степени тяжести в стадии обострения (63 пациента: 46,0% — мужчины, 53,9% — женщины; медиана возраста — 48,4 [47,0; 49,0] года).

В 1-ю группу сравнения были включены пациенты с персистирующей БА средней степени тяжести, неконтролируемой, в стадии обострения, средней степени тяжести (20 пациентов: 46,4% мужчин, 53,6% женщин; медиана возраста — 49,9 [45,2; 51,3] года). Во 2-ю группу сравнения вошли больные ХОБЛ в фазе среднетяжелого обострения (20 пациентов: 54,6% мужчин, 45,4% женщин; медиана возраста — 53,9 [44,9; 56,8] года). В 3-ю группу — пациенты с COVID-19 среднетяжелой степени тяжести с поражением легких менее 25% по данным рентгеновской компьютерной томографии грудной клетки, без предшествующих хронических заболеваний респираторного тракта (20 пациентов: 45,3% мужчин, 54,7% женщин; медиана возраста — 52,1 [41,3; 54,2] годв). В 4-ю группу сравнения включили здоровых лиц с индуцированным кашлем (20 человек: 50% мужчин, 50% женщин; медиана возраста — 49,3 [39,1; 58,9] года).

Диагноз ХБ устанавливали в соответствии с актуальными клиническими рекомендациями на основании жалоб, анамнеза, объективного осмотра, лабораторно-инструментальных данных, данных опросников [2].

Звук кашля представлял основной интерес исследования. Всем пациентам производили запись звука кашля с помощью микрофона. Испытуемым были даны инструкции, на каком расстоянии от микрофона (15—20 см от лица) и с какой силой нужно кашлять для того, чтобы звук был примерно одинаковым по амплитуде. Однако при дальнейшей обработке звука кашля производили нормализацию громкости до 6 дБ, поэтому различия в амплитуде в полученных аудиозаписях допустимы. У пациентов основной группы и первых 3 групп сравнения проводили регистрацию непроизвольного кашля. У здоровых лиц кашель индуцировали с помощью ингаляции раствора лимонной кислоты (максимальная концентрация 20 г/л) [8].

Частотно-временные характеристики кашля оценивали с помощью метода спектральной туссофонобарографии, который основан на алгоритме быстрого преобразования Фурье и позволяет распределить звуковую энергию по частотам [8].

Для нормализации громкости полученной записи кашля (до 6 дБ), установки частоты сэмплирования (до 48000 ГЦ), а также разделения кашлевого акта на фазы использовали программу SoundForge 16 (MAGIX Software GmbH, Германия) [9].

С точки зрения биомеханики звук кашля можно разделить на фазы (рис. 1): I фаза — открытие голосовой щели; II фаза — быстрый выход воздуха из легких; III фаза — закрытие голосовой щели. При этом III фаза может отсутствовать примерно у 1/3 больных.

Рис. 1. Деление звука кашлевого эпизода на фазы.

Для анализа звука кашля с помощью метода спектральной туссофонобарографии необходимы следующие параметры звука кашля:

— T — продолжительность (мс);

— Q — отношение суммарной энергии низких и средних частот к энергии высоких частот (60—600 Гц);

— Fmax — частота максимальной энергии звука (Гц).

Эти параметры оценивали как для целого эпизода кашля, так и отдельно по фазам.

Математическую и статистическую обработку данных проводили с помощью пакета программ Statistika 10 (StatSoft, США). Соответствие выборки распределению Гаусса оценивали с помощью критерия Шапиро—Уилка, а также по коэффициенту эксцесса и асимметрии. Полученные значения оказались за пределами интервала от −2 до +2, следовательно, распределение данных не соответствовало нормальному. Численные показатели параметров кашля представлены в виде медианы (Me), верхнего и нижнего квартилей ([Q₁; Q₃]). Для сравнительного анализа применяли критерий Краскела—Уоллиса. Статистически значимыми считали различия при уровне p<0,05.

Результаты

Основная группа и группы сравнения не различались по полу и возрасту.

Показатели спектрального анализа кашля больных ХБ, а также БА, ХОБЛ, COVID-19 и здоровых лиц представлены в таблице.

Спектральные характеристики звука кашля больных ХБ, БА, ХОБЛ, COVID-19 и здоровых лиц, Me ([Q₁; Q₃]

Примечание. ХБ — хронический бронхит; БА — бронхиальная астма; ХОБЛ — хроническая обструктивная болезнь легких. Т, Т1, Т2, Т3 — продолжительность (мс) кашлевого акта в целом, I фазы, II фазы, III фазы соответственно; Q, Q1, Q2, Q3 — отношение суммарной энергии низких и средних частот к энергии высоких частот (60—600 Гц) кашлевого акта в целом, I фазы, II фазы, III фазы соответственно; Fmax, Fmax1, Fmax2, Fmax3 — частота максимальной энергии звука (Гц) кашлевого акта в целом, I фазы, II фазы, III фазы соответственно. * — различия между основной группой и группой больных БА достоверны при p<0,05; ** — различия между основной группой и группой больных ХОБЛ достоверны при p<0,05; ^# — различия между основной группой и группой здоровых лиц достоверны при p<0,05; ^## — различия между основной группой и группой больных COVID-19 достоверны при p<0,05.

Сравнительный анализ кашля больных ХБ с 1-й группой сравнения (БА) выявил значимые различия в продолжительности I (p=0,003), II (p=0,0021) и III (p=0,0239) фаз кашля. При этом I и III фазы кашля при ХБ оказались более продолжительные, а II фаза, наоборот, менее продолжительной, чем у больных БА.

При сравнении отношения суммарной энергии низких и средних частот к энергии высоких частот у пациентов с ХБ были выявлены значимые различия показателя Q целого эпизода кашля (p=0,001), Q II фазы (p=0,0064) и III фазы (p=0,0047): в сравнении с кашлем больных БА преобладали более низкие частоты.

Анализ частоты максимальной энергии звука показал значимые различия показателя общей Fmax и по отдельным фазам (p=0,0001, p=0,003, p=0,0000, p=0,0001 соответственно). В звуке кашля больных ХБ максимальная частота энергии звука оказалась ниже, чем у больных БА.

Сравнение основной группы со 2-й группой сравнения (ХОБЛ) показало значимые различия по Т1 (p=0,0001), Т2 (p=0,0047) и Т3 (p=0,0001). При этом II фаза кашля при ХБ оказалась короче, чем при ХОБЛ, а I и II — длиннее. Также были выявлены значимые различия между группами по Q2 (p=0,006). Кашель больных ХБ в сравнении с кашлем больных, страдающими ХОБЛ, характеризовался преобладанием более высоких частот. Анализ Fmax выявил значимые различия в III фазе кашля (p=0,0001). При ХБ максимальная частота энергии звука оказалась ниже, чем при ХОБЛ.

Сравнительный анализ кашля больных ХБ и COVID-19 выявил значимые различия в продолжительности всего кашлевого эпизода (p=0,0001), а также в I фазе кашля (p=0,0002) и III фазе (p=0,0001). Продолжительность кашля при ХБ больше, чем у больных, страдающих COVID-19. Анализ частотных характеристик показал значимые различия I фазы кашля (p=0,0009) и III фазы (p=0,04). Частота звука кашля при ХБ была ниже, чем у больных COVID-19. Анализ показателя Fmax выявил значимые различия (p=0,0003) в III фазе кашля. При ХБ максимальная частота энергии звука была ниже, чем у пациентов с COVID-19.

Сравнительный анализ кашля больных ХБ и индуцированного кашля здоровых лиц выявил значимые различия во временны́х показателях общего кашлевого акта и по всем фазам в отдельности: Т (p=0,016), Т1 (p=0,0000), Т2 (p=0,0001), Т3 (p=0,0004). Общая продолжительность кашля, а также продолжительность I и III фаз при ХБ оказались больше, тогда как продолжительность II фазы меньше. Также выявлены значимые различия показателя Q (p=0,013), Q3 (p=0,01). Кашель больных ХБ характеризовался преобладанием более высоких частот в сравнении с индуцированным кашлем здоровых лиц. Анализ Fmax выявил значимые различия в III фазе кашля (p=0,0015). При ХБ максимальная частота энергии звука была ниже, чем у здоровых лиц.

Результаты сравнительного анализа частотно-временных параметров II фазы звуков кашля представлены на рис. 2—4.

Рис. 2. Временные показатели II фазы кашля.

По оси Y представлены временные данные II фазы кашля (Т2), по оси X — диагнозы. 1 — ХБ; 2 — ХОБЛ; 3 — БА; 4 — COVID-19; 0 — здоровые лица.

Рис. 3. Коэффициент Q II фазы кашля.

По оси Y представлено отношение энергии низких и средних частот к энергии высоких частот II фазы кашля (Q2), по оси X — диагнозы. 1 — ХБ; 2 — ХОБЛ; 3 — БА; 4 — COVID-19; 0 — здоровые лица.

Рис. 4. Максимальная частота энергии звука II фазы кашля.

По оси Y представлены показатели максимальной частоты энергии II фазы кашля (Fmax2), по оси X — диагнозы. 1 — ХБ; 2 — ХОБЛ; 3 — БА; 4 — COVID-19; 0 — здоровые лица.

Обсуждение

По данным проведенного анализа можно сделать вывод о том, что существуют достоверные различия в частотно-временных параметрах звука кашля больных ХБ и кашля больных БА, ХОБЛ, COVID-19 и индуцированного кашля здоровых лиц. Продолжительность кашля при ХБ в целом кашлевом эпизоде и по фазам больше, чем в группах сравнения. При ХБ преобладает энергия более низких частот в сравнении с БА и энергия более высоких частот в сравнении с ХОБЛ. Максимальная частота энергии звука в основном ниже, чем во всех группах сравнения. Однако сравнение ХБ с БА и индуцированным кашлем здоровых лиц показало, что максимальная частота энергии звука кашля во II фазе при ХБ выше.

Представляет особый интерес II фаза кашля, так называемая компрессионная фаза, и именно она отвечает за прохождение воздуха по дыхательным путям. Во II фазе ожидаются объяснимые патогенетическими механизмами возможные различия в параметрах звука кашля. В III фазе кашля происходит быстрое закрытие голосовой щели после сокращения приводящих мышц черпаловидных хрящей с последующим приведением голосовых связок. При этом возникает сильное сокращение мышц живота и других мышц выдоха, что приводит к повышению внутрилегочного давления и сдавлению альвеол и бронхиол. Третью фазу кашля называют «голосовой» или «звонкой». При гармоническом анализе выявлены некоторые особенности разных фаз звуков кашля [10].

Попытки объективизировать кашель были предприняты еще в прошлом веке. Использовались разные методы, например, оценка чувствительности кашлевых рецепторов после ингаляции триггера, вызывающего кашель; подсчет кашлевых толчков [11]. В 1955 г. на основе быстрого преобразования Фурье впервые был проведен спектральный анализ дыхательных шумов [12]. А в 1960-х годах начали использовать запись звука кашля в качестве метода диагностики [12]. Одну из первых компьютерных систем для спектрального анализа звуков кашля разработали в 1990 г. L. Toop и соавт. [4].

В России впервые туссофонобарография была проведена на кафедре факультетской терапии ВГМИ им. Н.Н. Бурденко проф. В.М. Провоторовым и соавт. Авторы анализировали кашель здоровых лиц и пациентов, страдающих БА. Больший интерес представляла II фаза. Она оказалась самой продолжительной у больных БА. У здоровых пациентов продолжительность кашля не превышала 450 мс. Кроме того, у здоровых лиц зафиксировали специфичность и высокую повторяемость параметров звука. Наблюдались весомые различия в частоте максимальной энергии звука кашля у здоровых испытуемых и больных БА со среднетяжелым течением заболевания [13].

В другом исследовании с помощью спектральной туссофонобарографии проводили сравнительный анализ кашля у пациентов с ХОБЛ и БА [13]. Были выявлены различия во II фазе, которые проявлялись преобладанием энергии средних частот у больных ХОБЛ по сравнению с кашлем больных БА.

За рубежом также проводится исследование звука кашля с помощью спектрального анализа и, как уже было изложено выше, даже созданы устройства для объективного анализа кашля. В недавних исследованиях Y. Wang и соавт. была изучена возможность применения нейронных сетей для непрерывного анализа кашля в течение 24 ч [14].

Однако ни в России, ни за рубежом не проводили спектральный анализ звука кашля больных ХБ. Таким образом, настоящая работа является первым исследованием, позволившим получить спектральные характеристики звука кашля больных ХБ и провести сравнительный анализ со звуками кашля при другой патологии.

Выводы

В результате проведенного сравнительного анализа были выявлены значимые различия между звуками кашля больных ХБ и больных БА, ХОБЛ, COVID-19, индуцированного кашля здоровых лиц. На основании этих данных можно выделить следующие дифференциально-диагностические характеристики:

1. Продолжительность звука всего кашлевого акта при ХБ длиннее, чем продолжительность звука кашля при COVID-19.

2. Продолжительность звука I и II фаз кашля при ХБ длиннее, чем продолжительность звука кашля при БА и ХОБЛ, а продолжительность II фазы при ХБ, наоборот, короче.

3. В звуке кашля при ХБ в целом кашлевом акте, во II и III фазе преобладает энергия низких частот в сравнении со звуком кашля при БА.

4. Энергия высоких частот преобладает во II фазе кашля ХБ в сравнении с кашлем при ХОБЛ.

5. Энергия низких частот преобладает в звуке кашля при ХБ в I и III фазе в равнении со звуком кашля при COVID-19.

6. Максимальная частота энергии звука при ХБ ниже, чем общая продолжительность кашля, I, II и III фазы кашля в сравнении с БА. А в сравнении с ХОБЛ и COVID-19 максимальная частота энергии звука при ХБ ниже только в III фазе.

Метод спектральной туссофонобарографии, в основе которого лежит частотно-временной анализ звука кашля, является объективным и может помочь в диагностике и дифференциальной диагностике ХБ.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования — Будневский А.В., Авдеев С.Н.

Сбор и обработка материала — Белякова А.В., Фейгельман С.Н.

Статистическая обработка — Белякова А.В.

Написание текста — Овсянников Е.С., Белякова А.В.

Редактирование — Овсянников Е.С., Белякова А.В., Фейгельман С.Н.

Participation of the authors:

Concept and design of the research — Budnevsky A.V., Avdeev S.N.

Material collection and processing — Belyakova A.V., Feigelman S.N.

Statistical processing — Belyakova A.V.

Text writing — Ovsyannikov E.S., Belyakova A.V.

Editing — Ovsyannikov E.S., Belyakova A.V., Feigelman S.N.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.