CC BY
92
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОДВИЖНОСТИ БАРАБАННОЙ ПЕРЕПОНКИ ПО СПЕКТРУ АВТОДИННОГО СИГНАЛА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА
Скрипаль А.В., Усанов Д.А., Мареев* О.В., Авдеев К.С., Мареев* Г.О.
Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского Саратовский государственный медицинский университет [email protected]
Показана возможность применения лазерного автодина на квантоворазмерных структурах для измерения нанометровых амплитуд колебаний барабанной перепонки при различных уровнях звукового воздействия.
Одной из важных проблем современной оториноларингологии является тугоухость [1]. Их дифференциальная диагностика представляет нередко довольно сложную задачу. Чаще всего (до 70-80%) наблюдается поражение звуковоспринимающего аппарата, обусловленное дегенеративными изменениями улитки или слухового нерва - так называемая сенсоневральная тугоухость. У 20-30% больных, тугоухость связана с поражением звукопроводящего аппарата. В некоторых случаях дифференциальная диагностика этих двух форм тугоухости затруднена, часто встречается и смешанная форма тугоухости, при лечении которой весьма важно учитывать сравнительный вклад в потерю слуха патологии среднего и внутреннего уха.
Немаловажное значение в настоящее время имеет также оценка состояния структур среднего уха при оперативных вмешательствах, сочетающихся с установкой в барабанной полости имплантируемых слуховых аппаратов основанных на методике прямой стимуляции структур среднего уха. Именно этот метод завоевывает все большую популярность для целей электроакустической коррекции слуха у больных тугоухостью. Непосредственный контроль подвижности барабанной перепонки и всей цепи слуховых косточек необходим на этапах дооперационного обследования больных, идущих на данное хирургическое вмешательство, и после него; кроме того, чрезвычайно необходимы и методы контроля подвижности и условий передачи энергии реконструированной цепью слуховых косточек во время проведения таких операций [2].
Используемые в медицинской практике методы определения амплитуды колебаний барабанной перепонки человека являются контактными и обладают недостаточно высокой степенью точности. Традиционным считается метод оценки амплитуды колебаний барабанной перепонки [1] с помощью приклеенного к ней стержня. Под действием звукового воздействия колебательные движения барабанной перепонки через стержень передаются медной катушке, в которой возникает индукционный ток. Необходимость предварительной калибровки, например, с использованием микроскопа, и аппроксимация получаемой калибровочной кривой на область малых значений, а также искажение механических свойств перепонки в следствие ее контакта со стержнем, приводили в эксперименте к получению физически сомнительных значений амплитуд вибраций барабанной перепонки.
Использование бесконтактных лазерных гетеродинных измерителей [3] позволило значительно повысить точность и достоверность проводимых измерений in vitro. При этом исследуемый образец препарировали для обеспечения прямой видимости барабанной перепонки.
В настоящее время в связи с созданием лазерных автодинов на квантоворазмерных структурах [4] появилась возможность проводить измерения микро- и нановибраций биологической ткани in vivo. Автодинный эффект основан на изменении режима работы лазерного диода при возвращении части излучения обратно в его резонатор, данная система обладает высокой чувствительностью к отраженному сигналу. Для анализа автодинного сигнала в предположении гармоничности колебаний барабанной перепонки использовалась известная процедура разложения интерференционного сигнала в ряд по функциям Бесселя и в ряд Фурье. Амплитуду колебаний барабанной перепонки определяют по спектру автодинного сигнала. В ряде работ установлена зависимость амплитуды гармоники, имеющей максимальное значение в спектре автодинного сигнала, от амплитуды колебаний барабанной перепонки. В зависимости от амплитуды колебаний перепонки в спектре сигнала максимальным значением будут обладать гармоники с различными номерами. В зависимости от этого, существует несколько методов расчета амплитуды колебаний барабанной перепонки по спектру автодинного сигнала. Разработанные принципы регистрации и анализа сигнала полупроводникового лазерного автодина [4] позволяют обеспечить получение абсолютных измерений амплитуд вибраций с точностью, недостижимой для известных электромагнитных преобразователей.
В состав измерительной автодинной системы (рис. 1) входит автодинный лазерный диод RLD-650 (5) на квантоворазмерных структурах с мощностью излучения 5 мВт на длине волны 652 нм. На барабанную перепонку 1 направляют когерентное излучение от лазерного диода 3, запитываемого от источника тока 4. Для обеспечения прямой видимости барабанной перепонки используют расширительную воронку 2. Отраженное от барабанной перепонки лазерное излучение регистрируется с помощью фотоприемника 5. Сигнал с фотоприемника поступает через широкополосный усилитель, содержащий фильтр переменного сигнала 6, на вход аналого-цифрового преобразователя 7 компьютера 8. Для возбуждения колебаний барабанной перепонки используется излучатель звуковых волн 10, работающий от генератора звуковых колебаний 9.
Рис. 1. Схема измерительной установки. 1 - барабанная перепонка, 2 - расширительная воронка, 3 -лазерный диод на квантово размерных структурах, 4 - источника тока лазерного диода, 5 -фотоприемник, 6 - широкополосный усилитель, содержащий фильтр переменного сигнала, 7 - аналого-цифровой преобразователь, 8 - компьютер, 9 - генератор звуковых колебаний, 10 - излучатель звуковых волн.
Исследования проводились в звукозаглушенной комнате, исследовалось возбуждение барабанной перепонки в свободном звуковом поле, создаваемом громкоговорителем, питаемом от генератора звукового сигнала. Уровень звукового давления в наружном слуховом проходе регистрировался при помощи измерительной
' ' ' « 9
аппаратуры «Bruel & Kjaer». Исследование также проводилось в зоне umbo барабанной перепонки.
На рис.2 приведен автодинный сигнал (а) и его спектр (б) при уровне звукового давления на барабанную перепонку, превышающем порог слышимости на 50 дБ, при частоте звукового воздействия 420 Гц. Как видно из рис.2б, в спектре автодинного сигнала максимальную амплитуду имеется гармоника, соответствующая утроенной частоте колебаний излучателя звуковых волн.
U, отн.ед.
0.01
0.005
0
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 /. с
а)
S, отн.ед.
Illllllltilllllili.lillilllilllllllilllllli.lliiliiilllll......ill-, hi.
in 111 hi ..I.
0 200 400 600 800 1000 ¡200 1400 1600 1800 ¿Гц
Рис. 2. Автодинный сигнал (а) при уровне звукового давления на барабанную перепонку, превышающем порог слышимости на 50 дБ, при частоте звукового воздействия 420 Гц, и его спектр (б).
Для амплитуд колебаний перепонки, превышающих 0.2А,, удобно использовать методику их определения по номеру спектральной гармоники, имеющей максимальное значение [6], в соответствии с которой искомая амплитуда колебаний вычисляется из соотношения: ^ = Л(1.2 +1.05 • m)/ 4п, где m - номер гармоники с максимальной амплитудой. С использованием соотношения (5) определялась амплитуда колебаний для спектра автодинного сигнала, приведенного на рис.2 б (уровень звукового давления на барабанную перепонку, превышает порог слышимости на 50 дБ), которая составила величину равную 226 нм (n =3).
Исследовалась характеристика нарастания амплитуды смещения барабанной перепонки при повышении уровня звукового давления на частотах 500, 1000, 2000, 4000 Гц в диапазоне уровня звукового давления от 25 до 85 дБ. При этом наблюдался близкий к линейному закон нарастания амплитуды колебаний барабанной перепонки на всех частотах, с небольшим отличием в углах наклона прямой нарастания к оси абсцисс.
На рис. 3 показана зависимость нарастания амплитуды смещения колебаний барабанной перепонки при адгезивных процессах на частоте 1000 Гц в сравнении со средним результатом контрольной группы. Видно, что нарастание амплитуды происходит более медленными темпами, кроме того, при низких уровнях звукового давления не удается зафиксировать движений барабанной перепонки. При исследовании амплитудно-частотной характеристики имеется падение амплитуды колебаний барабанной перепонки относительно здоровых лиц, более выраженное в зоне средних и высоких частот.
Рис. 3. Зависимость амплитуды смещения колебаний барабанной перепонки от уровня звукового давления (УЗД) при адгезивных процессах на частоте 1000 Гц в сравнении со средним результатом
контрольной группы.
Предложенный метод и созданная аппаратная реализация позволяют определять вибрационные характеристики барабанной перепонки во всем диапазоне звуковых частот и открывают возможность применять данный метод в клинических исследованиях.
1. Кобрак Г. Среднее ухо. - Москва, Медгиз. 1963. 455 с.
2. Gan R.Z. Mass loading on the ossicles and middle ear function / Dyer R.K., Wood M.W., Dormer K.J. // Ann. Otol. Rhinol. Laryngol. 2001. Vol. 110. P. 478-85.
3. Willemin J.-F., Khanna S., Dandliker R. Heterodyne Interferometer for Cellular Vibration Measurement // Acta Oto-Laryngologica, 1989. Vol.467. P.35-42.
4. Усанов Д.А., Скрипаль А.В. Измерение нанометровых вибраций полупроводниковым лазером на квантоворазмерных структурах, работающим в автодинном режиме // Письма в ЖТФ. 2003. №9. С.51-57.
DETERMINATION OF EAR-DRUM BY SPECTRUM OF AUTODYNE SIGNAL OF LASER DIODE
Skripal A.V., Usanov D.A., Mareew O.V.*, Avdeev K.S., Mareew G.O.* Saratov State University after named N.G. Chernyshevsky, Saratov State Medicine University
The application possibility of laser autodyne on dimensional quantum structures for nanometer amplitude vibration measurements of ear-drum at different levels of sound pressure has been shown.
