Respiratory Phonography

Respiratory phonography involves the study of acoustic phenomena originating within the respiratory tract as a consequence of disease. Based on analogy with the theory of speech sound production, theoretical investigations of the events occurring in the respiratory tract specify how various types of constrictions in the respiratory channel will produce a characteristic stridor. This stridor is modelled as the consequence of applying a system of filters to the signal generated by the sound source in a (pathological) respiratory channel. The type of stridor thus depends on: a) the location of the constriction in the respiratory tract; b) the shape of the constriction; c) the type of tissue surrounding the constriction; and d) the pressure difference between the two sides of the constriction. Constrictions can be distinguished on the basis of a number of acoustic features (e.g. voiced or fricative source), and can be localized by comparing the relative amplitudes of spectral components and the relative durations and acoustic pressure levels of the respiratory murmur in the two breathing cycles. The results of experimental investigations of stridors associated with pediatric respiratory infections supported these theoretical predictions, confirming a strong relation between particular diseases and the acoustical features of respiration noise.

Zusammenfassung

Respiratorische Phonographie bedeutet die Untersuchung krankheitsbedingter akustischer Erscheinungen in der Luftröhre. In Analogie zur Theorie der Spraeherzeugung wird durch theoretische Untersuchungen der in den Atemwegen auftretenden Erscheinungen gezeigt, wie verschiedene Typen von Verengungen ein charakteristisches Geräusch verursachen. Dieses Geräusch wird als Folge eines Filtersystems angesehen, das auf das von einer Schallquelle in der (pathologischen) Luftröhre erzeugte Signal wirkt. Der Typ des Geräuschs hängt demnach ab von: a) der Lage der Verengung im Atemweg, b) von der Form der Verengung, c) von der Art des Gewebes in der Umgebung der Verengung, und d) von der Druckdifferenz auf beiden Seiten der Verengung.

Verengungen können voneinander mittels einer Anzahl akustischer Kennzeichen unterschieden werden (z. B. stimmhafte oder frikative Quelle), und sie können durch Vergleich der relativen Spektralamplituden und die relative Dauer und den Schalldruckpegel des Atmungsgeräuschs in zwei Atemzyklen lokalisiert werden. Die Ergebnisse experimenteller Untersuchungen von typischen Geräuschen bei pädiatrischen Infektionen der Atemwege bestätigten diese theoretischen Vorhersagen und weisen auf einen starken Zusammenhang zwischen bestimmten Krankheiten und den akustischen Kennzeichen des Atemgerauschs hin.

Sommaire

La phonographie respiratoire s'intéresse aux phénomànes acoustiques qui se produisent dans le tractus respiratoire par suite d'un état pathologique. Reposant sur une analogie avec la théorie de la production des sons de parole, une étude théorique des phénomènes acoustiques pouvant se produire dans le tractus respiratoire montre comment divers types de constrictions situées dans le canal respiratoire peuvent donner naissance à des stridors caractéristiques. On propose un modèle suivant lequel la stridor résulte d'un système de filtres agissant sur le signal d'une source sonore donnée quand ce signal se propage le long d'un canal respiratoire pathologique. Le type de stridor dépend ainsi des quatre facteurs principaux suivants: a) la position de la constriction dans le tractus respiratoire; b) la forme de la constriction; c) le type de tissu entourant la constriction; d) la différence de pression entre les deux côtés de la constriction. Les constrictions peuvent se distinguer par certaines caractéristiques acoustiques (cf. signal voisé ou fricatif) et peuvent être localisées en comparant les amplitudes relatives des composantes spectrales, ainsi que les durées relatives et les niveaux respectifs de pression acoustique du murmure respiratoire dans les deux cycles respiratoires. Ces prédictions théoriques ont été étayées par les résultats expérimentaux obtenus en examinant les stridors associées à des infections respiratoires pédiatriques. On a confirmé ainsi une relation étroite entre des maladies particulières et les caractéristiques acoustiques des bruits respiratoires.