АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 61, № 4, с. 541-544
АКУСТИКА ЖИВЫХ СИСТЕМ. БИОМЕДИЦИНСКАЯ АКУСТИКА
УДК 534.6.08
НЕИНВАЗИВНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ЗВУКОВОГО ПОЛЯ В УТРОБЕ МАТЕРИ, ВОЗНИКАЮЩЕГО ПРИ ПРОВЕДЕНИИ УЗИ
© 2015 г. В. А. Антонец, В. В. Казаков
Институт прикладной физики РАН 603950 Н. Новгород, ул. Ульянова 46 Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского (Национальный исследовательский университет) 603950 Н. Новгород, пр. Гагарина 2
E-mail: ava@nant.ru Поступила в редакцию 20.05.2014 г.
Неинвазивным способом впервые зарегистрированы звуки слышимого диапазона, возникающие в утробе матери во время обычного ультразвукового диагностического обследования. Установлено, что их уровень сопоставим с уровнем разговорной речи.
Ключевые слова: ультразвуковое диагностическое исследование, генерация слышимого звука. DOI: 10.7868/S0320791915030016
ВВЕДЕНИЕ
Генерация звуковых колебаний при распространении модулированных ультразвуковых волн достаточно хорошо изучена и теоретически, и экспериментально [1—3]. Имеющихся знаний достаточно, чтобы полагать, что этот эффект имеет место и при проведении ультразвуковых диагностических исследований (УЗИ) плода в утробе матери. Косвенно это подтверждено тем, что при проведении УЗИ плод проявляет повышенное беспокойство [4]. Прямыми измерениями показано, что ультразвуковое излучение обычного медицинского УЗИ-сканера в воду приводит к возникновению звуковых колебаний на частоте повторения ультразвуковых импульсов и ее гармониках [3]. Вместе с тем, по этическим причинам прямые измерения звукового давления в утробе матери не проводились, что отмечено в [5]. Предсказать же величину ожидаемого эффекта затруднительно, т.к. ни распределение акустического импеданса, ни нелинейные свойства тканей стенки живота матери, тканей плода и околоплодной жидкости заранее не известны. В то же время, создание методов контроля уровня звукового давления, возникающего в утробе, является актуальной проблемой, непосредственно связанной с обеспечением медицинской безопасности при проведении УЗИ [4], а также при проведении различного рода стимуляции плода, направленной как на диагностику состояния плода, так и на обеспечение его пре- и постнатального развития, для которого необходима внутриутробная практика восприятия звуков [6].
Предлагаемая работа посвящена исключительно попытке объективной регистрации колебаний звуковой частоты в утробе беременной. В ней не исследуется эффективность механизмов генерации звука, связанных с нелинейными эффектами самодетектирования в биологических тканях или воздействием радиационного давления модулированной ультразвуковой волны. Ее результат позволит объективно оценивать уровни возникающих звуковых давлений и сопоставлять их с общепринятой шкалой громкости. В частности, убедиться, что при проведении УЗИ в утробе формируются непривычные для плода звуки, которые могут вызывать его негативную реакцию.
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЗВУКОВЫХ
КОЛЕБАНИЙ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ УЗИ
Для неинвазивной регистрации звука, генерируемого в утробе матери при УЗИ, нами использовано разработанное ранее устройство [7] — фо-норегистратор (ФР), представляющий собой небольшую заполненную водоподобной жидкостью мягкую оболочку, внутрь которой помещен гидрофон. Калибровка ФР была проведена с использованием гидрофона 8100 и предусилителя 2626 (Вгае1 & К]аег). До частоты 10 кГц их частотные характеристики чувствительности являются практически равномерными с погрешностью, не превышающей ±2 дБ.
Нами было показано [7], что если ФР разместить на поверхности заполненной водой мягкой оболочки, имеющий характерный размер, близ-
542
АНТОНЕЦ, КАЗАКОВ
кий к размеру утробы беременной, то в диапазоне частот приблизительно до 1 кГц регистрируемое фонорегистратором давление хорошо совпадает с давлением, регистрируемым гидрофоном, помещенным непосредственно внутрь заполненной водой оболочки. Это обусловлено тем, что в указанном диапазоне частот длина звуковой волны больше размеров утробы, и звуковое поле внутри нее близко к пространственно-однородному. Однако, в зависимости от назначения и режима работы сканера, частоты модуляции ультразвуковых посылок могут составлять от 4 до 15 кГц, что соответствует длинам продольных звуковых волн 10—30 см, уже сопоставимых с размером утробы. Это означает, что поле в ней является существенно неоднородным и уровень звукового давления, измеряемого ФР, будет зависеть от места его размещения на поверхности живота. Тем не менее, регистрация давления оказывается возможной, но при этом измеряемый уровень следует рассматривать как нижнюю оценку уровня звукового поля, возникающего при УЗИ.
Измерения были проведены для трех беременных женщин непосредственно во время планового врачебного приема без нарушений установленного порядка и продолжительности обследования. Общая схема измерений приведена на рис. 1.
Для проведения УЗИ использовался ультразвуковой сканер экспертного класса Accuvix V10 компании Samsung Medison с датчиком для проведения трехмерных абдоминальных исследований, имеющим рабочие частоты в диапазоне 4—8 МГц. Режим обследования в соответствии с показаниями выбирался врачом, который по мере необходимости переключал режимы работы сканера, в частности, используя секторный и трехмерный (3D) режимы УЗИ. Во время обследования датчик перемещался по поверхности живота для получения нужных изображений. При этом фонорегистра-
тор прислоняли к поверхности живота так, чтобы не мешать проводить исследование, и удерживали рукой примерно так, как удерживают обычный фонендоскоп. Сигнал фонорегистратора после усиления подавали для регистрации на линейный вход звуковой карты ноутбука. Обработка сигналов осуществлялась программой SpectraLab.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЗВУКОВЫХ
КОЛЕБАНИЙ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ УЗИ
Перед обследованием пациенток была проведена регистрация звуковых колебаний с помощью ФР на макете утробы, представляющем собой [7] мягкую тонкостенную оболочку, заполненную водой. К ее поверхности прислоняли датчик сканера и попеременно включали секторный и 3D сканирующие режимы работы ультразвукового сканера, а затем попеременно 3D сканирующий режим и режим формирования "замороженного изображения". На рис. 2а, 2б для указанных режимов работы приведены скользящие спектры звукового сигнала, зарегистрированного ФР. Так как режимы сканирования в современных ультразвуковых сканерах оптимизированы в соответствии с целями и требованиями диагностического обследования, то разнообразие целей порождает и разнообразие частотно-временных характеристик сканирования, что в свою очередь определяет разнообразие частотно-временных характеристик звуковых сигналов, порождаемых нелинейным преобразованием последовательности ультразвуковых импульсов сканеров. В частности, на рис. 2а видно, что при секторном режиме сканирования возникающие звуки имеют частоту 4.5 кГц, а в 3D режиме — 5.5 кГц. При этом в обоих случаях составляющие спектра являются не дискретными линиями, а занимают некоторую полосу с центром на частотах 4.5 и 5.5 кГц соответственно, а также кратных им.
На рис. 3 приведен мгновенный спектр звукового сигнала для момента времени ?0, отмеченного на рис. 2б. При прослушивании эти сигналы напоминают учащенное стрекотание сверчка. Уровень максимальных спектральных составляющих лежит в диапазоне 70—80 дБ, что на 20 дБ ниже уровня звука, зарегистрированного в работе [3] при проведении измерений в аквариуме. Этот уровень соответствует разговору средней громкости или негромкой музыке на фортепиано.
Измерения, проведенные при УЗИ беременных, показали, что ФР также регистрирует звуковые сигналы. Их уровень и состав изменяются в зависимости от режима работы ультразвукового сканера, взаимного расположения ФР и датчика сканера, от анатомических особенностей положения плода и окружающих тканей в утробе. В частности, звуковой сигнал имел низкий уровень
НЕИНВАЗИВНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ЗВУКОВОГО ПОЛЯ В УТРОБЕ МАТЕРИ
543
Частота, кГц 20
15
10
.......АЬ .
(а)
(б)
■VIС1
I11
12 1 ^ 2 2 _ iL.iL.........аф^М.... А,.....|.г.
дБ
г 80
70
Ц- 60
23
46 0
11
22
Время, с
Рис. 2. Скользящие спектры звуковых сигналов, зарегистрированных ФР при облучении макета утробы УЗИ-скане-ром: (а) при переключении режима секторного сканирования (1) на 3D режим (2), (б) при переключении 3D режима на режим заморозки изображения.
5
0
0
I
0
в случае, когда плод "плохо" лоцировался из-за экранирования плацентой.
На рис. 4 приведены фрагменты скользящих спектров выходного сигнала ФР, полученные при обследовании одной из пациенток. Продолжительность обследования составила 11 мин, запись сигналов ФР проводилась непрерывно. На приведенных фрагментах спектрограмм видны моменты появления звуков в утробе.
Во-первых видно, что при проведении УЗИ в утробе практически постоянно присутствуют звуки на частотах около 9 и 18 кГц, а также и на частоте 13.5 кГц. Это хорошо соответствует тому, что видно на рис. 2, иллюстрирующем наличие звуков этих же частот при облучении сканером макета утробы. Во-вторых, видно, что время от времени возникают кратковременные звуки в относительно низкочастотном диапазоне. В первом случае это звуки типа "свист", во втором — типа "стрекотания сверчка". Уровень звуков в среднем на 10 дБ ниже, чем полученный при облучении макета утробы, и не превышает 65 дБ, что соответствует разговору средней громкости. Таким образом, при проведении УЗИ беременных в утробе действительно формируется существенный звуковой фон в слышимом диапазоне частот, который может вызывать беспокойство плода.
ОБСУЖДЕНИЕ
Впервые неинвазивно в процессе обычного медицинского обследования с помощью разработанного нами ранее фонорегистратора зарегистрировано звуковое поле в утробе, возникающее при УЗИ. В силу его пространственной неоднородности зарегистрированные значения звукового давления следует рассматривать как нижнюю
оценку их уровня. Ранее нами было показано [7], что звук из окружающей среды почти беспрепятственно проходит в утробу. Значит, уровень создаваемых при проведении УЗИ в утробе звуков приблизительно соответствуют привычному у
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.