CC BY
24
-\-
УДК: 616-079/.28:534.171
Б.М. Гусейнов, Д.А. Магомедов
ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ БАРАБАННОЙ ПЕРЕПОНКИ СЛУХОВОЙ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКА МЕТОДОМ СПЕКТРАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ
В работе предлагается методика оценки состояния барабанной перепонки человека методом спектрального анализа. Учитывая, что аудиометрические способы диагностики в последнее время приобретают актуальность, предлагаемая методика вызывает еще больший интерес в плане диагностики патологий слуховой системы человека. Так же принимая во внимание то, что существующие на сегодняшний субъективные методики диагностики не могут дать объективной оценки при устанавливают конкретного диагноза, то данный методика явится объективным способом оценки состояния барабанной перепонки слуховой системы человека.
Ключевые слова: аудиометрия, барабанная перепонка, объективный метод, субъективный метод, ультразвуковой преобразователь, эффект Доплера, падающая волна, отраженная волна
Введение. Во всех областях современной медицины для дальнейшего повышения эффективности в диагностике заболеваний и терапии разработаны и разрабатываются различные технические средства, сложность которых увеличивается. Рынок медицинского оборудования является одним из наиболее емких и непрерывно расширяющихся.
В настоящее время большинство методик исследования слуховой системы основано на методах субъективной (количественной) оценки показателей состояния слуха человека. В частности, стандартные методы аудиометрии затрудняют проводить обследования у детей младшего возраста и у отдельных категорий обследуемых. Также необходимо отметить, что при проведении аудиометрических исследований слуховой системы человека, невозможно конкретно установить какой именно отдел слуховой системы поражен и, тем более, указать степень его поражения.
Аномалии развития слухового аппарата в большинстве случаев обусловлены наличием патологических процессов в барабанной перепонке, которые могут быть наследственными (генетически детерминированными) или приобретенным [1]. Генетические факторы могут оказывать влияние на развитие врожденной формы тугоухости.
Постановка задачи. Создание объективной методики количественной оценки состояния барабанной перепонки слуховой системы человека является актуальной задачей медико-биологических исследований. Основным элементом разрабатываемой методики является фиксирование частоты вибрации барабанной перепонки под действием внешних звуковых воздействий различной частоты и амплитуды. В качестве регистрирующего устройства применяется пьезоэлектрический датчик. В ходе проведённой работы решается задача создания методики исследования диагностического состояния барабанной перепонки человека, так как барабанная перепонка является основным звуковоспринимающим устройством слуховой системы. По данным медицинских исследований половина всех болезней, в результате которых у человека ухудшается слух, влияют на работоспособность именно первичного отдела слухового аппарата -барабанной перепонки [2]. Поэтому детальное изучение свойств барабанной перепонки человека во многих случаях позволит судить о причинах ухудшения слуха человека.
В свою очередь, полная информация о состоянии барабанной перепонки позволяет перейти к дальнейшему исследованию слуховой системы человека на предмет обнаружения патологических проявлений, вызвавших потери слуха у человека.
Методы и средства исследований. Барабанная перепонка, являясь главным звеном слуховой системы, под воздействием колебаний звукопроводящего окружения (в зависимости от частоты колебаний) подвергается незначительным упругим вибрациям. Динамические характеристики вибраций барабанной перепонки обусловливают её состояние. Для их определения в работе предлагается использовать метод измерений на основе ультразвуковых датчиков, которые позволяют проводить измерения неинвазивным методом - дистанционно. На перепонку подаются звуковые колебания в оптимальном диапазоне слышимости человека, под действием которых в барабанной перепонке возникают упругие колебания. Одновременно, ультразвуком зондируется барабанная перепонка. Отраженный от барабанной перепонки ультразвук улавливается пьезоэлектрическим датчиком. Принятый с датчика сигнал имеет частоту колебаний, которая отличается от частоты зондирующего сигнала на величину, пропорциональную скорости вибрации барабанной перепонки. Регистрируя разность частот зондирующего и отражённого сигналов, можно определить частоту вибрации барабанной перепонки, используя выражение (1) [3,4]
/ * * /; ^ , (1)
с-V с Ам
где /„ - частота вибраций барабанной перепонки; /Г - частота генератора; V -скорость движения барабанной перепонки; с - скорость распространения ультразвука в данной среде; ХАК - длина волны зондирующего сигнала.
Использованы два пьезоэлемента которые изготовлены из пьезокерамики цирконата титаната свинца (диаметр передающей шайбы 3 мм, приемной - 5 мм) и демпфированы для уменьшения добротности, а следовательно, и для снижения времени всплесков зондирующего сигнала. Передающая пластина возбуждается от высокочастотного генератора с собственной частотой 2 МГц. Приемная пластина в результате прямого пьезо-эффекта преобразует отраженный от барабанной перепонки акустический сигнал в электрический. При этом из-за биений зондирующего (наведенного в передающей пластине от высокочастотного генератора) и отраженного сигналов на вход резонансного усилителя поступает модулированное напряжение. Частота модуляции, равная разности частот зондирующего и отраженного сигнала, является доплеровской частотой. После усиления сигнал поступает на вход высокочувствительного последовательного сеточного линейного детектора и усиливается предварительным усилителем.
В упругой среде, которой является барабанная перепонка, ультразвук распространяется с определенной скоростью. Величина поглощения ультразвука тканями барабанной перепонки характеризуется коэффициентом поглощения, который показывает, как уменьшается интенсивность ультразвука в данной среде.
Скорость продольных ультразвуковых волн с зависит от адиабатической сжимаемости Р и плотности р среды:
1
с ^ (2)
Для твердых тел вместо адиабатической сжимаемости чаще используется обратная ей величина - модуль объемной упругости В:
с = В (3)
Р
Для большинства сред скорость продольных волн мало зависит от частоты. Температурный коэффициент скорости ультразвука для внутритканевых жидкостей барабанной перепонки не превышает 0,3 % на один градус. Так как ткани барабанной перепонки будут пропускать ультразвуковые колебания, то необходимо учитывать удельный электроакустический импеданс. Для плоских волн волновое акустическое
сопротивление среды Ъ равно удельному электроакустическому импедансу и определяется произведением скорости акустической волны с на плотность р: 2=рс.
Область расположения барабанной перепонки является областью с разными акустическими сопротивлениями, следовательно, в ней будут наблюдаться отражение и рассеяние волн. Акустический импеданс среды расположения барабанной перепонки в общем случае есть комплексная величина, которая зависит не только от волнового акустического сопротивления среды, но и от соотношения геометрических размеров отражающих структур среды и длины ультразвуковой волны. Наибольшее отражение ультразвуковой волны будет наблюдаться на границе барабанной перепонки и окружающих ее тканей, а также на границах тканей, соприкасающихся с воздухом. При отражениях на граничных поверхностях воздух-ткань наблюдается почти полное отражение ультразвуковой волны. При наклонном падении волны на границу раздела сред угол отражения равен углу падения 9 и не зависит от акустических импедансов сред. В среду с другой скоростью распространения ультразвуковых волн они входят под другим углом из-за их преломления (рис.1, а). Так же как в оптических системах углы 9 и 9П зависят от соотношения скоростей распространения ультразвука в средах А и В:
С, . „
С, (4)
На поверхности барабанной перепонки угол прохождения волны 9П практически совпадает с углом 9 из-за малых изменений скорости распространения (рис. 1, б).[3]
эт 9 =~ ^ 9
Рис. 1. Преломление и отражение ультразвуковой волны при падении под углом 9
(а) и нормальном (б).
Наложение падающей и отраженной волн приводит к появлению стоячей волны, что отличает ее от бегущей волны. Для составления правильного представления об акустических свойствах барабанной перепонки, следует отметить, что исследователи выделяют три типа отражателей ультразвуковых волн:
- одиночные отражатели, размеры которых меньше длины волны (диффузные отражатели с малой амплитудой отраженного сигнала, который имеет широкое пространственное распространение, и коэффициент отражения, зависящий от соотношения диаметра отражателя и длины волны, взятой в четвертой степени);
- отражающие структуры с размерами, соизмеримыми с длиной ультразвуковой волны (зависимость коэффициента отражения от отношения диаметра отражателя к длине волны является квадратичной, угловая ширина отражения большая, уровень сигнала больше, чем у одиночного отражателя);
- отражающие структуры, размеры отражающей поверхности которых значительно превышают длину ультразвуковой волны (отражение имеет значительную направленность, сигнал зависит от соотношения акустических импедансов на границе раздела сред и ее пространственной ориентации).
В реальных условиях исследования барабанной перепонки обычно наблюдается наличие всех трех типов отражающей поверхности.
Качество сигнала существенно зависит от затухания ультразвуковых волн. Основными причинами затухания являются расхождение ультразвукового луча, рассеяние и поглощение волн тканями барабанной перепонки.
С увеличением расстояния из-за расхождения ультразвукового луча, а так же увеличивается волновая поверхность. Соответственно уменьшается энергия, приходящаяся на единицу площади этой поверхности и уровень отраженного сигнала.
Рассеяние ультразвука происходит на неоднородностях среды, соразмерны с длиной волны.
В зависимости от расстояния г, от источника ультразвукового датчики из-за рассеяния и поглощения, амплитуда А давления ультразвуковой волны уменьшается по экспоненциальному закону:
Л
А
4ра
(5)
где А0 - амплитуда при г = 0; а - коэффициент затухания.
Коэффициент затухания волн зависит от частоты. Проведенный в [5,6] анализ показывает, что наиболее благоприятным для биологических сред слуховой системы
человека, на которые подаётся ультразвуковое воздействие, является интенсивность
2 2 ультразвука до 0,1 Вт-см- и общая энергия облучения до 50 Дж-см- .
Таким образом, метод оценки состояния барабанной перепонки основан на том, что частота непрерывных ультразвуковых колебаний, отраженных от поверхности барабанной перепонки меняется в зависимости от скорости движения последней. Если поверхность барабанной перепонки приближается к источнику ультразвуковых колебаний, то отраженные от него сигналы имеют большую частоту колебаний и меньшую длину волны. Если же поверхность барабанной перепонки удаляется от источника излучений, то отраженные от неё сигналы имеют меньшую частоту и большую длину волны, по сравнению с частотой и длиной волны колебания ультразвукового излучателя. С помощью этого метода в процессе исследования возможна регистрация колебаний барабанной перепонки и определение ее динамических характеристик, что позволяет оценить ее повреждения.
-\-
Рис. 2. Внешний вид программного обеспечения
В представленном нами способе в качестве генератора звуковой частоты используется интегрированный в персональный компьютер высокочувствительный звуковой адаптер с поддержкой режима полного дуплекса [7]. Этим же высокочувствительным звуковым адаптером через микрофонный вход снимается сигнал с ультразвукового датчика. По полученным данным строится график и выдается отчет о проведенном исследовании пациента (рис. 2). Основными задачи программного обеспечения являются: генерирование звука фиксированных частот 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц с регистрируемой амплитудой от нуля до определенного значения; одновременное получение амплитуды сигнала, снятого с датчика Доплера, подключенного к микрофонному входу звуковой карты; занесение значений в таблицу, по которым в дальнейшем строится амплитудно-частотная характеристика (АЧХ).
Для хранения результатов проведенных исследований к программному обеспечению прилагается база данных, которая позволяет проводить дополнительные статистические исследования заболеваний. В базу данных добавлены специальные поля такие, как «персональные данные пациента (возможно добавление фото пациента)», «вид деятельности (профессия)», «хронические заболевания» «отчет по пройденным исследованиям».
Результаты эксперимента и их обсуждение. Экспериментальные данные, полученные на основе использования имитатора движения барабанной перепонки, позволили установить зависимости частоты доплеровских сигналов от скорости движения барабанной перепонки для разных частот генератора, на основе чего определен диапазон частот ультразвукового излучения (от 2 до 3,5 МГц).
В разработанной методике передающая и приемная пьезопластины акустически разделены, что позволяет устранить нежелательной наводки и резко улучшить соотношение между полезным отраженным сигналом и сигналом, наведенным в приемной пластине. Улучшение этого соотношения увеличивает глубину модуляции частоты доплеровского сигнала и тем самым облегчает индикацию девиации частоты; при этом чувствительность устройства повышается на один порядок. Предлагаемая методика и аппаратура позволяют достоверно и объективно оценить состояние слуховой системы человека.
гвчс
Рис. 3. Структурная схема экспериментального стенда Экспериментальный стенд состоит из; ГНЧС - генератор низкочастотного (слышимого) сигнала; Д (Н) - динамика или наушника; ГВЧС - генератора
-\-
высокочастотного (ультразвукового) сигнала; УЗД - ультразвукового датчика; ПЭВМ -
персональной электронно-вычислительной машины; БОС - блока обработки сигнала;
П - принтера; БО - биообъекта (ухо); В ходе постановки задачи исследования были установлены основные критерии и параметры, которые необходимо учитывать при проведении соответствующих экспериментальных исследований. Для проверки адекватности разработанной методики был собран экспериментальный стенд, который состоит из следующих блоков (рис 3):
В результате проведенных исследований получены данные, на основе которых построены графики зависимости амплитуды сигнала (А) от частоты ф; они приведены на (рис. 4)
-1-1-1-1-1-1-1-1 и/ и -1-1-1-1-1-1-1-
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 300 600 900 1200 1500 1800 2200 Ф
Рис. 4. Экспериментальные данные
Результаты исследований показали целесообразность использования данного способа для оценки физиологического состояния барабанной перепонки и продолжения исследований с целью детального теоретического обоснования данной методики и последующей разработки комплексной методики спектральной оценки диагностического состояния барабанной перепонки организма человека.
Библиографический список
1. Слуховая система / Под ред. Я.А. Альтман.- (М): Наука, 1990 г. - 620 с.
2. Болезни уха, горла, носа / Под ред. С.В. Ананьева. - Ростов на Дону: Феникс, 2008. - 411с.
3. Гусев В.Г. Получение информации о параметрах и характеристиках организма и физические методы воздействия на него: учебное пособие/ В.Г. Гусев - М.: Машиностроение, 2004. - 597с.
-\-
4. Патент РФ №2332164. Устройство оценки барабанной перепонки / Исмаилов Т.А.,
Магомедов Д.А., Рамазанов М.О. и др. (РФ) - 2005136265/14; Заявл. 2002.11.22; Опубл. 27.06.2007, Бюл. №24
5. Магомедов Д.А. Гаджиев Х.М. Рамазанов М.О. Устройство для анализа патологических состояний барабанной перепонки слуховой системы человека (статья). Материалы республиканской научно-практической конференции «Новые технологии в медицине». Махачкала, 2004, 242-244с.
6. Магомедов Д.А. Гаджиев Х.М. Рамазанов М.О. Комплекс для анализа патологических состояний барабанной перепонки слухового органа человека (статья). Всероссийская научная конференция с международным участием «Новые информационные технологии». Таганрог, 2004. 443-445с.
7. Потапов В.М., Рамазанов М.О. Магомедов Д.А. Аппаратно-программный комплекс для исследования состояния барабанной перепонки слуховой системы человека (статья). Материалы пятой межрегиональной научной конференции «Студенческая наука -экономике России». Ставрополь. 2005. 161-163с.
Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 17, 2010.
-\-
B.M. Guseynov, D.A. Magomedov
Investigation of eardrum auditory system of the person using spectral estimation
The paper proposes a method for evaluation of the tympanic membrane state by spectral analysis. Taking into account that the quantitative audiometric methods of diagnostic acquired urgency, the proposed method causes the greater interest in terms of diagnostic of pathologies of the auditory system of human. Just basically taking into account the fact that existing at present, quantitative diagnostic methods cannel give an objective assessment of installing a specific diagnosis, this technique can be an objective way to diagnose of the tympanic membrane of the auditory system of a human.
Keywords: audiometry, ear drum, an objective method, subjective method, ultrasonic transducer, the Doppler effect, the incident wave, reflected wave, generator, simulator, sensing.
Гусейнов Буржум Магомедович аспирант кафедры БиМАС Дагестанского государственного технического университета.
Область научных интересов: биомедицинская электроника, биотехнические системы, адекватные методы и технические средства физиотерапии.
Магомедов Давуд Ахмеднабиевич заведующий кафедрой БиМАС Дагестанского государственного технического университета. Доктор технических наук, профессор Область научных интересов: биомедицинская электроника, биотехнические системы, адекватные методы и технические средства физиотерапии.
