Медична акустика — розділ акустики, в якому досягнення цієї науки про звуки використовують для створення приладів та технологій для діагностичних та терапевтичних цілей. При цьому, для оцінки стану окремих органів використовують, як звуки, які природно генеруються в організмі, так і звуки, що генерують спеціальні пристрої і потрапляють вони до організму зовні. Медична акустика є складовою фундаментальної підготовки лікарів у рамках курсу Медична та біологічна фізика.Чалий О. В., Цехмістер Я. В., Аганов Б. Т., та ін. Медична та біологічна фізика. Київ, Книга плюс, 2004, 751 с., ISBN 966-7619-60-5.
Медична акустика тісно пов'язаною з фізикою, вона методично має встановлювати певні загальні закономірності відносно впливу акустичних факторів на організм людини. Однак, така задача суттєво ускладнюється наявністю генетично визначених відмінностей людських організмів. Різні індивіди можуть виявляти велику різницю в реакції на однакові з фізичної точки зору подразники. Реакція на дію акустичних факторів може також суттєво залежати від психічного стану людини та, навіть, від рівня поінформованості відносно можливого впливу певних акустичних подразників. При оцінюванні наслідків дії на людський організм звуків і вібрацій слід мати на увазі, що практично всі акустичні фактори впливу мають накопичувальний ефект, коли результати дії суттєво залежать від тривалості впливу та інтенсивності діючих факторів. Для кожної людини існує індивідуальний інтегральний поріг акустично—вібраційної дії, перевищення якого не дає організмові можливості повністю відновитися після певного часу перебування поза зоною впливу негативних факторів.
Вступ У технологіях медичної акустики використовують звуки, що покривають частотний діапазон інфразвуку, чутного звуку та ультразвуку. Звук є популярним та потужним засобом у медичній практиці завдяки відносній дешевизні, неруйнівній (неінвазивній) взаємодії з живими тканинами в широких межах зміни інтенсивності, широкому діапазону практичних застосувань, починаючи від пасивного прослуховування до використання високоенергетичних імпульсів для руйнування каменів у нирках (літотрипсія). З допомогою висококонцентрованого ультразвуку можна забезпечити значне підвищення температури тканин у локальних областях, що відкриває потенційні можливості для використання ультразвуку для усу́нення злоякісних утворень. Наочне зображення частотних діапазонів для звуків та вібрацій, які використовують у медичній практиці, показано на рисунку.
Тут вказана обмежена смуга частот для ультразвуку. Але на сьогодні, практично весь частотний діапазон, до декількох МГц, використовують в медичній акустиці.
У загальному частотному діапазоні звуків, що використовують в технологіях медичної акустики, доцільно виділити чотири області: Інфразвук, звукові хвилі з частотами нижче порогу чутності людського вуха. За звичай це частоти менші 20 Гц. Чутний звук з частотами в діапазоні від 20 Гц до 20000 Гц. Низькочастотний ультразвук з частотами до 100 КГц. Ультразвук радіочастотного діапазону з частотами до 100 МГц. Звуки відповідних діапазонів, що використовують для вирішення різних задач медичної практики, часто суттєво відрізняються за рівнем інтенсивності.
Пристрої для введення акустичної енергії в тіло при активному скануванні використовують принципи роботи радарів або гідролокаторів (сонарів). Часто при їх описі увагу концентрують на частоті випромінювання. Однак, для розуміння фізики процесів локації важливіше використовувати таку характеристику, як довжина хвилі. При цьому важливими є такі моменти: ультразвук не може виявляти структури, менші за розмірами від довжини хвилі; розсіювання та затухання ультразвуку залежить від довжини хвилі та її співвідношення з характерними розмірами розсіювачів; характеристики озвученої зони визначаються співвідношенням довжини хвилі та розмірів випромінювача.
Діагностичне використання звуку Діагностичні процедури в медичній акустиці базуються на реєстрації звуків, що виникають в процесі життєдіяльності організму. Такими звуками є звуки дихання, звуки серця та звуки, що генерує кровотік. Використання для діагностики стану легень та серця звуків дихання та серцевих звуків запропонував французький лікар Рене Лаенеком на початку XIX століття. Він вперше використав для прослуховування серця хворої скручений у трубку листок паперу і потім створив широко відомий прилад для аускультації — стетоскоп. Ним же запропоновано і термін «аускультація» для цієї процедури. У процесі еволюції дихальна система людини була оптимізована з точки зору мінімізації енергозатрат під час дихання. Тому інтенсивність дихальних звуків дуже мала. Крім того, частотні складові звуків дихання та звуків серця в значній мірі перекриваються, що вимагає великого досвіду лікаря для прийняття діагностичних рішень. Сама процедура аускультації зараз використовується і при вимірюванні кров'яного тиску у людини.
Крім звуків, що генеруються природно в організмі для діагностичних цілей, використовують звуки, які штучно генерує лікар при легкому ударянні по тілу пацієнта (певний аналог відомої в акустиці активної локації). Ця діагностична процедура відома під назвою перкусія. Для діагностики дихального тракту використовують також аускультативну процедуру аналізу звуків, що реєструють на поверхні грудної клітки під час вимовляння певних звуків пацієнтом.
Ведуться дослідження, спрямовані на використання інтуїтивно генерованих звуків (крику немовляти) для діагностики певних захворювань. Деякі автори вважають можливим передбачити надалі прояви аутизму за аналізом першого крику немовля. Надійніші результати одержують при спостереженні за криками новонароджених протягом перших місяців життя. Загальну ідеологію досліджень у цій ца́рині визначають висловом «Крик дитини може бути вікном в її мозок». При аналізі використовують не тільки чутні складові крику, а й частотні складові поза межами слухового сприйняття людини.
Методика визначення стану серця, що базується на аналізі звуків, що генеруються ним, систематизована в рамках такого розділу практичної діагностики, як фонокардіографія. Серед лікарів існує думка про те, що ця методика діагностування втратила актуальність в зв'язку з розвитком техніки ехокардіографії. Однак можливість спостерігати за рухом поверхні серця, взагалі, не дає можливості однозначно фіксувати причини змін в характеристиках звуків серця. Тому методи ехокардіографії продовжують розвиватиRanganathan N.,Sivaciyan V.,Saksena F.D. The Art and Science of Cardiac Physical Examination. With Heart Sound and Pulse Wave Forms on CD, Humana Press, 2006, 411p. ISBN 978-1-58829-776-1 і на сьогодні з використанням новітніх засобів реєстрації та обробки звуків. Діагностична значимість фонокардіограми визначається тим, що вона містить дані про ту частину спектра в звуках серця, яка не сприймається вухом лікаря. На малюнку показані типові записи нормальних та аномальних звуків серця.
Останнім часом встановлено значну діагностичну цінність такого показника як зміна залежно від часу серцевого ритму (турбулентність серцевого ритму)Коваль О. А., Романенко С. В. Предиктори негативного прогнозу хронічної серцевої недостатності ішемічного походження, Газета «Новости медицины и фармации», Кардиология, (338) 2010 (тематический номер) . Систематизація великої кількості спостережень дозволила напрацювати стандарт процедури реєстрації турбулентності серцевого ритму. Накопичений клінічний досвід став основою для висновку про те, що характеристики варіації серцевого ритму дають одну із найнадійніших оцінок ризиків для пацієнтів після інфаркту міокарда.Batter A., Malik M., Shmidt G., and other Heart Rate Turbulence: Standart of Measurement, Physiological Interpretation, and Clinical Use.Journal of American College of Cardiology. 2008,vol.52,No. 17. --pp.1353-1365
Використання методів діагностики на основі аналізу згенерованих в організмі звуків в значній мірі стримувалося тією обставиною, що основним інструментом реєстрації звуків було людське вухо, а основним пристроєм для обробки сигналів був мозок. З розвитком техніки ситуація суттєво змінилася в зв'язку з появою нових можливостей з використанню електронних засобів реєстрації звукових сигналів та комп'ютерних методів їх обробки. Це значною мірою розширило можливості діагностичних процедур в медичній акустиці. Аналізу нових можливостей у використанні сучасних приладів в діагностиці захворювань легень присвячені щорічні зібрання вчених та медиків, які організуються Міжнародною асоціацією звуків дихання (International Lung Sound Association).
Серед новітніх засобів реєстрації та обробки акустичних сигналів варто вказати на електронний стетофонендоскоп та на спеціальний багатоканальний комп'ютерний комплексГринченко В. Т.,Макаренков А. П., Макаренкова А. А. Компьютерная аускультация — новый метод объективизации характеристик звуков дыхания. Клиническая информатика и Телемедицина, 2010, т.6, № 7, с. 31-37.. Використання електронних засобів надає принципово нові можливості процесу аускультації. Перш за все, це можливість реєстрації звуків без деформацій, що вносяться механічною системою стетофонендоскопа та особливостями сприйняття звуків людським вухом. Тривале зберігання інформації на електронних носіях дає можливість врахувати індивідуальні особливості пацієнта та зміни в характеристиках звуків з часом. Новітні засоби реєстрації та обробки інформації дозволяють здійснити процедуру візуалізації звуків, що дає можливість підвищити надійність діагностики стану респіраторної системи.
Для побудови таких зображень використовують алгоритми побудови спектрограм (сонограм)Вовк И. В., Гринченко В. Т., Дахнов С. Л. и др. Шумы дыхания человека: объективизация аускультативных признаков.// Акустичний вісник,1999,Т.2, № 3. -с. 11-32. Зареєстровані дані про звуки під час декількох циклам дихання (в даному випадку чотири цикли) після спектрального аналізу представлено у вигляді кольорових зображень. По горизонталі відкладено час, по вертикалі значення частоти. З допомогою кольору можливо відобразити інтенсивність звуку відповідної частоти. Візуальне порівняння таких зображень для конкретного пацієнта з типовими «стандартними» зображеннями для різних додаткових звуків дихання дозволяє підвищити надійність діагностичної процедури.
Діагностика коронавірусної хвороби 2019 Захворювання, яке спричинює SARS-CoV-2, уражає, перш за все, респіраторну систему людини. При цьому суттєво змінюються фізичні характеристики тканин дихальних шляхів і легеневої тканини. Це дає потенційну можливість використовувати звуки дихання та кашлю для ранньої діагностики захворювання. Важливо, що така діагностика може здійснюватися в домашніх умовах з використанням смартфону та спеціального сенсору для реєстрації звуків дихання чи кашлю. Уже виконано декілька конкретних досліджень, що підтверджують практичну цінність такого підходу. Наприклад, в роботіM. Sendellari, AI recognizes COVID-19 in the sound of a cough, IEEE Spectrum, o4 Nov 2020. https://spectrum.ieee.org/the-human-os/artificial-intelligence/medical-ai/ai-recognizes-covid-19-in-the-sound-of-a-cough вказується на можливість діагностування по записах кашлю на смартфон.B. W. Schuller1, D. M. Schuller, K. Qian, J. Liu, H. Zheng, Xiao Li, COVID-19 and Computer Audition: An Overview on What Speech & Sound Analysis Could Contribute in the SARS-CoV-2 Corona Crisis, arXiv:2003.11117v1[cs.SD]14 Mar 2020
Більше значення для діагностики коронавірусної хвороби 2019 має використання ультразвуку для раннього виявлення ураження легеневої паренхіми та ступеню такого ураження.
Діагностика за допомогою ультразвуку