Human PhysiologyHuman PhysiologyФизиология человека0131-16463034-6150The Russian Academy of Sciences68402710.31857/S0131164625030081TQHLREArticlesСтатьиResearch ArticleBand-pass spectral-temporal parameters of forced expiratory noises in bronchial obstruction. relation with whistling soundsПолосовые спектрально-временные параметры шумов форсированного выдоха при бронхиальной обструкции. Связь со свистящими звукамиPochekutovaI. A.ПочекутоваИ. А.
Russian Federation

Department of Acoustic Tomography

i-poch@poi.dvo.ruSafronovaM. A.СафроноваМ. А.
Russian Federation

Department of Acoustic Tomography

i-poch@poi.dvo.ruIl’ichev Pacific Oceanological Institute, Far Eastern Branch of RASФГБУН Тихоокеанский океанологический институт имени В.И. Ильичева ДВО РАН0407202551376891206202512062025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0131-1646/article/view/684027

A comparative study of band-pass spectral-temporal parameters of tracheal noises of forced expiratory (FE) and quantitative assessment of FE wheezes was conducted on an experimental sample including patients with bronchial obstruction (asthma and COPD, n = 36) and healthy asymptomatic individuals with normal lung function (n = 39). Digital processing of tracheal noise signals was performed in MATLAB automatically using a specially developed algorithm. The analyzed acoustic band-pass parameters are temporal and spectral characteristics in several (2 to 6) combined 200-Hz bands, divided into mid- (200–800 Hz) and high-frequency (800–2000 Hz) areas in the range of 200–2000 Hz, as well as their ratios. FE wheezes were recognized by an experienced operator on spectrograms in the SpectraPLUS audio editor. A significant predominance of the values of high-frequency band-pass energy parameters of tracheal noises and the ratio of energies and powers of the high-frequency and mid-frequency ranges was revealed in patients with obstructive pulmonary diseases compared to healthy controls. The number of whistling sounds was greater in patients and moderately correlated with the acoustic parameters. Redistribution of acoustic energy to the high-frequency region is probably associated with the pathophysiological basis of bronchial obstruction – narrowing of the conducting airways and an increase in airflow resistance.

На экспериментальной выборке, включавшей больных с бронхиальной обструкцией (бронхиальная астма и ХОБЛ, n = 36) и здоровых бессимптомных лиц с нормальной функцией легких (n = 39), проведено сравнительное исследование полосовых спектрально-временных параметров трахеальных шумов форсированного выдоха (ФВ) и количественная оценка свистов ФВ. Цифровая обработка сигналов трахеальных шумов осуществлялась в программе MATLAB автоматически с помощью специально разработанного алгоритма. Анализируемые акустические полосовые параметры представляют собой временные и спектральные характеристики, в нескольких (от 2-х до 6) объединенных 200-герцовых полосах, с разделением на средне- (СЧ) (200–800 Гц) и высокочастотные (ВЧ) (800–2000 Гц) области в диапазоне 200–2000 Гц, а также их соотношения. Свисты ФВ распознавались опытным оператором на спектрограммах в аудиоредакторе SpectraPLUS. Выявлено существенное преобладание значений высокочастотных полосовых энергетических параметров трахеальных шумов и соотношений энергий и мощностей ВЧ- и СЧ-диапазонов у больных с обструктивными заболеваниями легких в сравнении со здоровым контролем. Количество свистящих звуков было бо́льшим у больных и умеренно коррелировало с акустическими параметрами. Перераспределение акустической энергии в область высоких частот вероятно связано с патофизиологическим базисом бронхиальной обструкции – сужением проводящих дыхательных путей и ростом сопротивления воздушному потоку.

forced expirationtracheal noisesrelative band-pass spectral-temporal parameterswheezesbronchial obstructionrespiratory acousticsфорсированный выдохтрахеальные шумыотносительные полосовые спектрально-временные параметрысвистыбронхиальная обструкцияреспираторная акустикаМинистерство науки и высшего образования Российской ФедерацииMinistry of Science and Higher Education of the Russian Federation075-03-2024-469Bousquet J., Khaltaev N. Global surveillance, prevention and control of Chronic Respiratory Diseases. A Comprehensive Approach. World Health Organization. Geneva, 2007. 146 p.Antonelli A., Pellegrino G., Papa G.F.S., Pellegrino R. Pitfalls in spirometry: Clinical relevance // World J. Respirol. 2014. V. 4. № 3. P. 19.Kim Y., Hyon Y.K., Lee S. et al. The coming era of a new auscultation system for analyzing respiratory sounds // BMC Pulm. Med. 2022. V. 22. № 1. P. 119.Pramono R.X.A., Bowyer S., Rodriguez-Villegas E. Automatic adventitious respiratory sound analysis: A systematic review // PLoS One. 2017. V. 12. № 5. P. 1.Ram A., Jindal G., Bagal U., Nagare G. Approaches for respiratory sound analysis in identification of respiratory diseases // Front. Biomed. Technol. 2024. V. 11. № 2. P. 286.Muthusamy P.D., Sundaraj K., Manap N.A. Computerized acoustical techniques for respiratory flow-sound analysis: a systematic review // Artif. Intell. Rev. 2020. V. 53. P. 3501.Rao A., Huynh E., Royston T. et al. Acoustic methods for pulmonary diagnosis // IEEE Rev. Biomed. Eng. 2019. V. 12. P. 221.Gavriely N., Cugell D.W. Breath sounds methodology. Boca Raton, FL: CRC Press, 1995. 203 p.Korenbaum V.I., Pochekutova I.A., Kostiv A.E. et al. Human forced expiratory noise. Origin, apparatus and possible diagnostic applications // J. Acoust. Soc. Am. 2020. V. 148. № 6. P. 3385.Forgacs P. The functional basis of pulmonary sounds // Chest. 1978. V. 73. № 3. P. 399.Brusasco V., Crapo R., Viegi G. ATS/ERS task force: Standartisation of lung function testing // Eur. Respir. J. 2005. V. 26. № 1–5. P. 319.Mussell M.J., Nakazono Y., Miyamoto Y. Effect of air flow and flow transducer on tracheal breath sounds // Med. Biol. Eng. Comput. 1990. V. 28. № 6. P. 550.Korenbaum V.I., Pochekutova I.A. [Acoustic-biomechanical relationships in the formation of forced expiratory noise in humans]. Vladivostok: Dalnauka, 2006. 148 p.Коренбаум В.И., Почекутова И.А. Акустико-биомеханические взаимосвязи в формировании шумов форсированного выдоха человека. Владивосток: Дальнаука, 2006. 148 с.Cegla U.H. Some aspects of pneumosonography // Prog. Resp. Res. 1979. V. 11. № 10. P. 235.Mead J., Turner J.M., Macklem P.T., Little J.B. Significance of the relationship between lung recoil and maximum expiratory flow // J. Appl. Physiol. 1967. V. 22. № 1. P. 95.Korenbaum V.I., Rasskazova M.A., Pochekutova I.A., Fershalov Y.Y. Mechanisms of sibilant noise formation observed during forced exhalation of a healthy person // Acoustical Physics. 2009. V. 55. № 4–5. P. 528.Коренбаум В.И., Рассказова М.А., Почекутова И.А., Фершалов Ю.Я. Механизмы шумообразования свистящих звуков, наблюдаемых при форсированном выдохе здорового человека // Акустический журнал, вып. Медицинская акустика. 2009. Т. 55. № 4–5. C. 516.Olson D.E., Hammersley J.R. Mechanisms of lung sound generation // Semin. Respir. Crit. Care Med. 1985. V. 6. № 3. P. 171.Sohn K. Airflow velocities in the airways during expiration on different end-expiratory lung volumes: Computational study / Proceedings of the 28th IEEE EMBS Annual International Conference. New York City (USA), 2006. P. 5599.Fiz J.A., Jane R., Homs A. et al. Detection of wheezing during maximal forced exhalation in patients with obstructed airways // Chest. 2002. V. 122. № 1. P. 186.Fiz J.A., Jané R., Izquierdo J. et al. Analysis of forced wheezes in asthma patients // Respiration. 2006. V. 73. № 1. P. 55.Schreur H.J.W., Diamant Z., Vanderschoot J. et al. Lung sounds during allergen-induced asthmatic responses in patients with asthma // Am. J. Respir. Crit Care Med. 1996. V. 153. № 5. P. 1474.Pasterkamp H., Consunji-Araneta R., Oh Y., Holbrow J. Chest surface mapping of lung sounds during methacholine challenge // Pediatr. Pulmonol. 1997. V. 23. № 1. P. 21.Pochekutova I.A., Korenbaum V.I. Forced expiratory tracheal noise time in young men in health and in bronchial obstruction // Human Physiology. 2014. V. 40. № 2. P. 201.Почекутова И.А., Коренбаум В.И. Продолжительность трахеальных шумов форсированного выдоха у молодых мужчин в норме и при бронхиальной обструкции // Физиология человека. 2014. Т. 40. № 2. С. 99.Serrurier A., Neuschaefer-Rube C., Röhrig R. Past and trends in cough sound acquisition, automatic detection and automatic classification: A comparative review // Sensors (Basel). 2022. V. 22. № 8. P. 2896.Hegde S., Sreeram S., Alter I.L. et al. Rameau Cough sounds in screening and diagnostics: a scoping review // Laryngoscope. 2024. V. 134. № 3. P. 1023.Knocikova J., Korpas J., Vrabec M., Javorka M. Wavelet analysis of voluntary cough sound in patients with respiratory diseases // J. Physiol. Pharmacol. 2008. V. 59 (Suppl 6). P. 331.Hardin J.C., Patterson J.L. Monitoring the state of the human airways by analysis of respiratory sound // Acta Astronaut. 1979. V. 6. № 9. P. 1137.