研究人员识别“暴力”过程，导致肺部喘息

一组工程师发现，肺部“剧烈”的物理过程导致了喘息，而世界上四分之一的人口都患有这种疾病。

来自剑桥大学的研究人员，采用了建模和高速视频技术来展示了什么导致喘息和如何预测。它们的结果可以用作更便宜，更快地诊断肺病，只需要听诊器和麦克风。

对产生喘息声的物理机制的进一步了解可以提供症状和疾病之间更好的因果联系，并有助于改进诊断和治疗。研究结果发表在杂志上皇家学会开放科学。

在某些时候，我们大多数人都经历过喘息，呼吸时具有高倾斜的吹口哨声音。对于大多数人来说，这种现象是暂时的，通常是寒冷或轻微的过敏反应。然而，常规或慢性喘息通常是更严重的病症的症状，例如哮喘，肺气肿，慢性阻塞性肺疾病或某些癌症。

“因为喘息使呼吸更加困难，它对肺部造成了巨大的压力，”剑桥大学工程系的阿拉斯泰尔·格雷戈里博士说。“几个世纪以来，哮鸣声一直被用于诊断，但哮鸣声发病的物理机制尚不清楚，也没有模型可以预测哮鸣声何时发生。”

协作工程系中声学实验室负责人Anurag Agarwal博士表示，他首先有几年前家庭度假后学习喘息的想法。“我开始喘息于我们在那里的第一个晚上，这从来没有发生在我之前，”他说。“作为研究声学的工程师，我的第一个想法是多么酷，我的身体正在制作这些噪音。然而，经过几天后，我遇到了真正的麻烦，这使得新奇疲惫不堪。”

Agarwal的喘息很可能是由尘螨过敏引起的，这很容易用过柜台抗组胺药治疗。然而，在与呼吸医学专家的邻居发表讲话后，他了解到即使它是一种常见的发生，导致喘息的物理机制有点神秘。

“由于喘息与如此多的条件相关，因此难以确保患者基于喘息的患者有问题，因此我们正在努力了解如何产生喘息的声音，以便诊断更具体，”琼尔沃尔说。

肺气道是由柔韧的支气管组成的分支网络，称为细支气管，随着支气管进入肺的深处，气管会逐渐变短变窄。

为了在实验室中模拟这种设置，研究人员改进了一种叫做斯塔林电阻的设备，在这种设备中，气流被驱动通过不同长度和厚度的薄弹性管。

联合作者和电脑视觉专业教授Joan Lasenby教授Joan Lasenby开发了一种多摄像机立体技术来拍摄的空气在不同程度的张力下迫使管道的空气，以观察导致喘息的物理机制。

“这让我们感到惊讶的是，喘息机制的暴力是多么暴力，”格雷戈里说，他也是马格达尔大学的一名初级研究员。“我们发现发生喘息的两个条件：首先是管子上的压力使得一个或多个支气管几乎坍塌，第二是虽然塌陷的气道具有足够的力驱动振荡。“

一旦这些条件得到满足，振荡就会增大，并由一种颤振机制来维持，在这种颤振机制中，从前后传播的波的频率与管道的启闭频率相同。阿加瓦尔说:“类似的现象也出现在飞机机翼损坏时，或者桥梁坍塌时。”“当上下振动与顺时针和逆时针扭转振动的频率相同时，我们就会产生颤振，从而导致结构崩溃。同样的过程也在呼吸系统中起作用。”

利用这些观察结果，研究人员开发了一个“管定律”来预测这种具有潜在破坏性的振荡何时可能发生，这取决于管的振动材料特性几何形状和张力的大小。

“然后我们使用这项法律建立一个可以预测喘息开始的模型，甚至可以成为更便宜和更快的诊断的基础肺部疾病“格雷戈里说。”而不是昂贵且耗时的方法，如X射线或MRI，我们不需要更多的东西，而不是麦克风和听诊器。“

基于该方法的诊断将通过使用麦克风 - 早期测试使用正常智能手机上的内置麦克风 - 以记录喘息声的频率，并使用它来识别哪些支气管靠近崩溃，以及是否为了靶向治疗，气道异常僵硬或灵活。研究人员希望通过寻找来自喘息的物质性质的变化，以及喘息来自的位置，附加信息将使更容易区分不同的条件，尽管仍然需要进一步的工作。

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