АКУСТИКА ЖИВЫХ СИСТЕМ. БИОМЕДИЦИНСКАЯ АКУСТИКА
УДК 534.8
ОБНАРУЖЕНИЕ НОВЫХ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ОТ ГОЛОВЫ ЧЕЛОВЕКА
© 2014 г. В. И. Миргородский, В. В. Герасимов, С. В. Пешин
Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН
E-mail: vim288@ms.ire.rssi.ru Поступила в редакцию 22.10.2013 г.
С помощью пьзопреобразователей продольных акустических колебаний обнаружены новые акустические сигналы, генерируемые головой человека, которые хорошо проявляются при их съеме с височных областей, несколько хуже — при съеме со лба. Они имеют вид импульсов длительностью около 4 мс, следующих с изменяющимся периодом от 60 до 120 мс. Уровень сигналов примерно на два порядка превышает уровень тепловых акустических флуктуаций. Сигналы возникают при релаксации испытуемого, когда он находится в покое с закрытыми глазами и мотивирован на засыпание. Они имеют частоты следования, близкие к частотам альфа-ритма, однако точного согласования с сигналами альфа-ритма на длительных (порядка минуты) интервалах не наблюдается. Сигналы, снимаемые с разных висков, как правило, не имеют строгой синхронизации. Подобие некоторых параметров этих сигналов параметрам сигналов ЭЭГ позволяет назвать их акустоэнце-фалографическими сигналами.
Ключевые слова: акустическая эмиссия, электроэнцефалография, акустоэнцефалографические сигналы, альфа-ритм.
DOI: 10.7868/S0320791914040108
1. ВВЕДЕНИЕ
Использование метода пассивного акустического анализа (прослушивания) является одним из распространенных и традиционных методов медицинской диагностики. Основное внимание в медицинской диагностике уделяется рассмотрению акустических сигналов пациента, связанных с сердечной деятельностью, течением крови [1— 5], шумов Короткова при измерениях давления [6], сигналов, вызванных дыханием [2, 3], и ото-акустических сигналов [7]. В последнее время получили развитие методы, основанные на анализе акустических сигналов, снимаемых с головы испытуемых, которые обусловлены протеканием крови по сосудам головы, для диагностики различных патологий, в частности, вызванных ранениями [8, 9]. Созданы приборы для такого рода анализа, называемые "brain monitor" [8, 9]. Отметим, что в этих работах анализируются сигналы с периодом равным периоду биения сердца (0.5—1 с), которые, подобно электрокардиографическим сигналам, могут иметь импульсный характер [8]. Заметим также, что в работе [8] используется "активный" способ получения информации, в то время как в работе [9] — "пассивный". Прием таких акустических сигналов позволяет диагностировать немало патологий, что и определяет широкое распространение этих методов на практике. Это обстоятельство стимулировало развитие технологий со-
здания приборов для приема акустических сигналов из тела испытуемого — электронных стетоскопов [8-14].
Настоящая работа посвящена обнаружению новой разновидности акустических сигналов (эмиссии), принимаемых при расположении акустических приемников на висках и на лбу испытуемых, а также методам приема этих сигналов и используемым акустическим приемникам.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
В работе, как и в [12, 13], используются твердотельные акустические датчики на основе пьезо-материалов. В качестве приемных элементов использовались диски из пьезокерамики диаметром 1.3 см и толщиной 0.65 см, смонтированные в герметичном корпусе из нержавеющей стали. Резонансная частота этих дисков составляла около 190 кГц. Для обеспечения работы таких пьзопреобразователей в широкой полосе частот (на частотах ниже резонансной) съем сигналов с пластин осуществлялся с помощью малошумящего усилителя, имеющего высокое входное сопротивление. В результате оказался возможным высокочувствительный прием акустических колебаний в полосе частот от 5 Гц до 100 кГц. Оценка интенсивности флуктуаций, выполненная на основе ее экс-
Рис. 1. Внешний вид приемников звука.
траполяции из высокочастотной области (на частоте 100 кГц), показала, что в среде с акустическим импедансом воды она по порядку величины составляет 2 х 10-10 атм./Гц1/2, или в энергетическом выражении 10-20 Вт/Гц, что примерно в 10 раз превышает спектральную плотность мощности тепловых колебаний при комнатной температуре.
Вид приемных модулей представлен на рис. 1. В процессе выполнения экспериментов осуществлялась регистрация сигналов по двум независимым каналам с использованием двух одинаковых пьзопреобразователей с размещенными около них усилителями. Оцифровка сигналов проводилась с использованием двухканального 11-разрядного АЦП с частотой 500 Гц. Сигналы сохранялись на жестком диске компьютера.
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА
Приемники устанавливались на поверхность измеряемого объекта с применением иммерсии для улучшения качества акустического согласования. В качестве иммерсии использовался гель для ультразвуковых исследований. Вид головы испытуемого с установленными на ней в височных областях приемниками, которые закреплялись с помощью резиновой ленты [9], представлен на рис. 2. В измерениях участвовало трое испытуемых, которые располагались в горизонтальном положении на кушетке. При этом испытуемым ставилось условие возможно более полной неподвижности.
В основной серии экспериментов регистрация сигналов проходила обычно в двух режимах: сначала испытуемому в течение 15 мин предлагалось "думать" (например, в уме перемножать числа) с закрытыми глазами, а затем испытуемому предлагалось попытаться уснуть в течение также 15 мин
Рис. 2. Расположение приемников звука на голове испытуемого.
(иными словами, его мотивировали на сон). Всего было выполнено 80 подобных экспериментов. При этом были проведены и вспомогательные эксперименты.
В первой вспомогательной серии экспериментов одновременно с регистрацией акустического сигнала осуществлялась регистрация электроэнцефалографических (ЭЭГ) сигналов с одного из отведений, которые проводились по разным каналам АЦП. ЭЭГ-отведение имело один электрод на голове испытуемого, а другой (земляной) — на мочке уха. Приемник акустической эмиссии и электроды ЭЭГ располагались на одной стороне головы (как правило, слева).
Во второй серии вспомогательных экспериментов осуществлялась одновременная регистрация акустического сигнала от височного датчика по одному каналу АЦП и регистрация звукового сигнала с помощью микрофона, размещенного вблизи рта испытуемого по другому каналу. При этом порядок проведения экспериментов оставался прежним.
Для обеспечения наилучшей помехозащищенности эксперименты проводились в помещении, где в это время не было ни других, кроме испытуемого, людей, ни работающих электронных приборов, кроме АЦП. При этом АЦП находился в обеспечивающем акустическую и электрическую экранировки контейнере, расположенном на расстоянии около 10 м от испытуемого.
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 4.1. Измерения сигналов с двух висков
Основными были эксперименты, когда акустические приемники располагались на висках испытуемых. В результате получались записи сигналов с левого и правого висков, которые далее подвергались анализу. На рис. 3 представлен ти-
ОБНАРУЖЕНИЕ НОВЫХ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
439
1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1
1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
1.0 0.5 0 0.5
1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 Время, с
1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 Время, с
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Время, с
Рис. 3. Типичный вид регистрируемых с висков сигналов. Слева направо сигналы, полученные от первого, второго и третьего испытуемого. Нижние зависимости — сигналы, полученные от левых висков, верхние зависимости — от правых.
пичный вид получаемых сигналов, в которых испытуемые были мотивированы на засыпание. Для улучшения отношения сигнал/шум представленные сигналы были подвергнуты усреднению по 1000 точкам.
Как видно, у разных испытуемых наблюдаются сигналы, похожие по временным зависимостям. Сигналы имеют импульсный вид, при этом длительность импульсов составляет около 4 мс. Период повторения сигналов различен: от 60 мс, как в эксперименте со вторым испытуемым, до 120 мс для третьего испытуемого. Периоды повторения сигналов, представленных на графиках, даже в течение пяти секунд не строго постоянны, они несколько изменяются во времени. При этом периоды сигналов, снимаемых с разных висков, как правило, несколько различаются. Нередко сигналы наблюдались с одного из висков, а с другого не наблюдались.
Следует отметить, что приведенные на графиках сигналы выбирались на интервалах длительностью 0.5 с, расположенных между обычно наблюдаемыми [8, 9] сигналами, соответствующими биению сердца испытуемых. Как уже отмечалось, эксперименты проводились в два этапа: на первом испытуемому предлагалось "думать", а на втором, результаты которого и приведены на рис. 3, — засыпать. В то же время ни в одном из экспериментов, когда испытуемый "думал", такие сигналы практически не наблюдались. Исключение со-
ставляет один эксперимент, когда сигналы были видны, однако испытуемый после эксперимента сообщил, что в процессе его он невольно засыпал.
4.2. Измерения сигналов с виска и электродов ЭЭГ
Поскольку наблюдаемые с височных отведений акустические сигналы имеют ряд свойств, обычно наблюдаемых у ЭЭГ-сигналов, в частности, у сигналов альфа-ритма (они появляются при засыпании испытуемых, периоды повторения 60—120 мс и т.д. [15, 16]), то были проведены одновременные измерения сигналов с левого виска и ЭЭГ с электродов расположенных на левой стороне головы испытуемого отведений Р3 и F7 [17].
На рис. 4 представлены типичные временные зависимости сигналов. Сигналы, как и ранее, получены при мотивации испытуемых на засыпание. Как видно, на верхних графиках наблюдаются квазипериодические сигналы, характерные по параметрам для сигналов ЭЭГ и имеющие вид сигналов альфа-ритма [15, 16]. Сравнение частот повторения сигналов ЭЭГ на верхних графиках с частотами повторения сигналов акустической эмиссии показывает, что они близки, однако точной синхронизации, как правило, не наблюдается. Сигналы ЭЭГ и акустической эмиссии для второго и третьего испытуемых заметно различаются по периоду повторения, в то время как для первого испытуемого они практиче
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.