АКУСТИКА ЖИВЫХ СИСТЕМ. БИОМЕДИЦИНСКАЯ АКУСТИКА
УДК 534.6.08
О ВОЗМОЖНОСТИ НЕИНВАЗИВНОЙ ОЦЕНКИ ЗВУКОВЫХ ПОЛЕЙ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ПЛОД В УТРОБЕ МАТЕРИ
© 2014 г. В. А. Антонец, В. В. Казаков
Институт прикладной физики РАН 603950 Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46 Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского (Национальный исследовательский университет) 603950 Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23 E-mail: ava@nant.ru Поступила в редакцию 17.07.2013 г.
Предлагаемая работа направлена на обоснование неинвазивного метода оценки характеристик акустических полей слышимого диапазона, возникающих в утробе матери при действии ее голоса, внешних звуков и вибраций. Актуальность проблемы обусловлена тем, что в последнее время активно развиваются методы доставки в утробу внешних звуков — музыки, голосов сторонних людей, записей голоса матери и др., осуществляемые с целью психологической и когнитивной поддержки развития ребенка еще на внутриутробной стадии. При этом параметры звуковых сигналов не измеряют и не нормируют, что может быть опасным для плода, а также затрудняет реальную оценку их влияния на развитие ребенка. Авторами показано, что в диапазоне частот ниже 1 кГц звуковое давление в утробе может быть измерено неинвазивно с помощью устройства, представляющего собой гидрофон, размещенный в мягкой оболочке, заполненной водоподобной жидкостью. Установлено, что в диапазоне частот до 1 кГц звуковое поле в утробе, возникающее вследствие действия внешнего звукового поля, близко к нему по амплитудно-частотным параметрам, то есть внешнее поле практически беспрепятственно проникает в утробу.
Ключевые слова: внутриутробное развитие, звуковые поля, методы контроля звукового давления. DOI: 10.7868/S0320791914030022
ВВЕДЕНИЕ
Плод в утробе матери подвергается воздействию звуков. Их источники условно можно разделить на внутренние, связанные с жизнедеятельностью организма матери, и внешние, связанные с действием различных источников звука и вибраций, с механическим взаимодействием тканей тела с окружающими объектами.
Звуки внутреннего происхождения вызываются голосом матери, который проникает в утробу как воздушным путем, так и через ткани тела, ее движениями, а также деятельностью систем кровообращения, дыхания, пищеварения. Звуки, генерируемые сердечно-сосудистой системой, могут быть зарегистрированы в форме баллисто-, сей-смо- и фонокардиограмм [1]. В бронхах при дыхании [2] и в суставах при движении [3] генерируются шумовые звуки. Поперечнополосатые мышцы, например, скелетные, генерируют низкочастотный акустический шум при статическом напряжении [4].
Внешние звуки связаны с действием любых акустических источников, а также с действием источников вибраций при контакте с ними, на-
пример, в транспорте. Они возникают также от вибраций, сопровождающих взаимодействие нижних конечностей с опорной поверхностью при ходьбе [3].
В современных условиях появился дополнительный источник звука в утробе, связанный с проведением процедур диагностического ультразвукового исследования (УЗИ), которое по российским нормам проводится трижды в течение беременности. Генерация слышимого звука при проведении УЗИ происходит за счет модуляции радиационного давления ультразвуковой волны и/или нелинейных акустических свойств тканей, приводящих к самодетектированию ультразвуковых импульсов [5—8].
Достоверно известно, что с возраста около 20 недель плод реагирует на звуки. Более того, без воздействия звуков на плод его слуховая система не может формироваться и развиваться [9]. Она начинает функционировать еще до рождения ребенка, что подтверждается, например, тем, что только что родившиеся дети предпочитают голос матери [10], различают звуки родной речи [11] и даже отдельные слова [12].
Параллельно сугубо академическим исследованиям, многочисленные эмпирические исследования внутриутробного периода развития человека за несколько последних десятилетий позволили выявить новые возможности поддержки психологического и когнитивного развития ребенка еще до его рождения, основанные на звуковом общении матери с ним [13, 14].
Для еще не родившихся малышей во многих странах Европы и Америки разработаны различные легальные программы дородового обучения. Наиболее известной в мире считается программа Prenatal University доктора Van de Carr. В России М.Л. Лазаревым [15, 16] разработана программа дородового воспитания "Сонатал". Она рекомендована к применению Министерством здравоохранения РФ [17] и поддерживается Научным центром здоровья детей Российской академии медицинских наук (http://www.nczd.ru/). Благодаря этим программам после рождения дети привыкают к окружающему миру гораздо быстрее и более эффективно развиваются в нем. Эти результаты привели к быстрому распространению во всем мире практики пения и прослушивания музыки во время беременности. В свою очередь, это с неизбежностью привело к многочисленным попыткам доставки в утробу внешних звуков — голосов людей и музыки, зарегистрированных и воспроизводимых электронными устройствами [18]. Выпускается различное оборудование для акустической стимуляции плода. При этом параметры звуковых сигналов не нормируют и не измеряют, что может быть опасным для плода. Широко распространяются записи музыкальных и песенных программ, которые предлагается прослушивать во время беременности, также не сопровождающиеся обоснованными рекомендациями о характере и приемлемой громкости звука.
Результаты наблюдения двигательной активности плода во время процедуры УЗИ [19] дают основания полагать, что модулированное ультразвуковое облучение неблагоприятно воздействует на него; опасность для плода используемого звука не оценивается. В частности, в фундаментальном обзоре проблем применения ультразвука в медицине [20] этот вопрос даже не упоминается. Однако при этом известны распространяемые на рынке в продажу и напрокат ультразвуковые доплеровские локаторы (http://bellysounds.com/productinfo.html), которые предлагаются широкой публике для прослушивания движений плода.
Вместе с тем, сведения о физических характеристиках изучаемых звуковых полей в утробе человека крайне скудны, т.к. по этическим соображениям прямые измерения практически не проводятся. Поэтому основная часть экспериментальных исследований с давнего времени ведется на овцах [21] или на лабораторных моделях [22]. Таким образом, имеющиеся оценки являются косвенными,
что и делает попытки приблизиться к прямому методу измерений актуальными.
Настоящая работа направлена на создание такого неинвазивного метода оценки внутриутробного звукового поля, который давал бы результаты, близкие к результатам прямых измерений. Это позволило бы использовать его в целях контроля и нормирования звукового поля внутри утробы как для обеспечения безопасности плода, так и для контроля его слуховой практики, влияющей на его пре- и постнатальное психическое развитие.
ВОЗМОЖНОСТЬ НЕИНВАЗИВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ЗВУКОВОГО ПОЛЯ В УТРОБЕ
Предлагаемая ниже возможность неинвазив-ной оценки основывается на представлении о том, что в низкочастотном диапазоне звуковые процессы в утробе с разумной для поставленной задачи точностью могут быть рассмотрены как сосредоточенные. Это обусловлено тем, что на шестом-де-вятом месяцах беременности характерный диаметр утробы d составляет 25-30 сантиметров. При этом околоплодная жидкость и мягкие биологические ткани ребенка могут рассматриваться как ма-лосжимаемые изотропные водоподобные среды, поскольку для них модуль сдвиговой упругости на несколько порядков ниже модуля всестороннего сжатия [23]. В таких средах распространение звука связано преимущественно с продольными волнами, скорость которых составляет около 1500 м/с [20].
Если внутри утробы возбуждать звук на частоте, для которой соответствующая длина продольной звуковой волны в свободном пространстве X много больше, чем характерный размер (диаметр) утробы d, т.е. соблюдается условие X > d, то чем бы ни было индуцировано звуковое поле, внутри утробы оно окажется близким к однородному. Это означает, что его можно измерять в любой ее точке. Таким образом, если на поверхности живота беременной разместить заполненную водой небольшую мягкую оболочку с находящимся внутри нее гидрофоном так, чтобы для общего объема утробы и оболочки условие X > d сохранилось, то регистрируемое гидрофоном звуковое давление в маленькой оболочке будет приблизительно совпадать с давлением в других точках утробы.
Для проверки этого предположения была использована модель утробы, представляющая собой мягкую оболочку из полиэтиленовой пленки, заполненную 5 литрами воды. Для контроля звукового давления внутри модельной оболочки в нее помещался гидрофон (Г) типа 8100 Вгие1 & Щаег, не касающийся ее стенок. Для измерения давления в воздухе в качестве микрофона использовался второй гидрофон (М) типа 8100 Вгие1 & Щаег. В качестве усилителей сигналов с датчиков использовались предусилители типа 2626 и 2635 Вгие1 & К|аег.
(а)
Акустическая колонка
Регистратор
т л
г»
Г->
Гидр. ФР
Оболочка с водой
и~г, Цфр, дБ 100
90
80
70
60
50
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Гц
Цфр — иг, дБ 20
10 -
10
-20
)0 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Гц
0
Рис. 1. Схема измерения (а), графики изменения звуковых давлений в модели утробы, измеренные фонорегистрато-ром Цфр и гидрофоном ит (б) и их отношения (в).
Ц-, Цфр, дБ 100
90
80
70
60
50
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Гц
Цфр - иГ, дБ 20
10 0 10 20
(в)
000 1500 2000 2500 3000 3500
Гц
Рис. 2. Схема измерения (а), графики частотной зависимости выходных сигналов Цфр и Цр (б) и их отношения (в) при размещении Фр на наружной поверхности оболочки.
Для неинвазивного измерения звукового давления внутри оболочки было изготовлено специальное устройство — фонорегистратор (Фр). Он представляет собой заполненную водой мягкую герметичную полиэтиленовую оболочку (пакет) объемом 150 мл с помещенным внутрь нее гидрофоном. Для удобства измерений было необходимо, чтобы сигнальный кабель был тонким и мягким. Поэтому гидрофон был изготовлен авторами самостоятельно из поляризованного пьезокерами-че
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.