ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ Ανάπτυξη προσομοιωτή λειτουργίας μέσου ωτός με σκοπό την υποστήριξη στη διάγνωση ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΤΗ ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ Δημήτριος Ρογκάλας Αθήνα, Ιανουάριος

2 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ Ανάπτυξη προσομοιωτή λειτουργίας μέσου ωτός με σκοπό την υποστήριξη στη διάγνωση ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΤΗ ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ Δημήτριος Ρογκάλας Συμβουλευτική Επιτροπή: Νικόλαος Κ. Ουζούνογλου Κωνσταντίνα Σ. Νικήτα Ελευθέριος Φερεκύδης Εγκρίθηκε από την επταμελή εξεταστική επιτροπή την η Φεβρουαρίου Ελ. Φερεκύδης Ν. Ουζούνογλου Κ. Νικήτα Ομοτ. Καθηγητής Καθηγητής ΕΜΠ Καθηγήτρια ΕΜΠ Πανεπιστημίου Αθηνών Π. Μαραγκουδάκης Κ. Παπαοδυσσεύς Γ. Καμπουράκης Επικ. Καθηγητής Αναπ. Καθηγητής ΕΜΠ Επικ. Καθηγητής ΕΜΠ Πανεπιστημίου Αθηνών Ειρ. Καρανάσιου Ερευνήτρια Γ ΕΜΠ Αθήνα, Ιανουάριος

3 Δημήτριος Ρογκάλας Πτυχιούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανοκός Υπολογιστών University College London Κάτοχος μεταπτυχιακού τίτλου Βιοϊατρικής Τεχνολογίας Imperial College London Copyright Δημήτριος Ρογκάλας, 2013 Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. All rights reserved. Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανομή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή τμήματος αυτής, για εμπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανομή για σκοπό µη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν μήνυμα. Ερωτήματα που αφορούν τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευθύνονται προς τον συγγραφέα. Οι απόψεις και τα συμπεράσματα που περιέχονται σε αυτό το έγγραφο εκφράζουν τον συγγραφέα και δεν πρέπει να ερμηνευθεί ότι αντιπροσωπεύουν τις επίσημες θέσεις του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. 3

4 Περίληψη Ο σκοπός της διδακτορικής διατριβής ήταν η μελέτη και η ανάπτυξη προσομοιωτή λειτουργίας του μέσου ωτός με σκοπό την υποστήριξη στη διάγνωση. Ο βασικός τρόπος διάγνωσης των παθολογιών του μέσου ωτός βασίζεται στην τυμπανομετρία. Εξέλιξη της τυμπανομετρίας είναι η τυμπανομετρία πολλαπλών συχνοτήτων, η οποία χρησιμοποιήθηκε για το σκοπό της διατριβής. Στις περισσότερες παθολογικές καταστάσεις, η διάγνωση βασίζεται εν μέρει σε αντικειμενικά κριτήρια. Το πρόβλημα έγκειται στη μετάφραση της κωδωνοειδούς καμπύλης του τυμπανογράμματος. Σε πολλές περιπτώσεις αυτό είναι αναποτελεσματικό για δύο λόγους. Πρώτον γιατί η καμπύλη ενδέχεται να συμπίπτει σε περισσότερες από μία παθολογικές καταστασεις και δεύτερον γιατί μπορεί να λειτουργούν στοιχεία του συστήματος κατά τέτοιο τρόπο ώστε να αλληλοεξουδετερώνονται τα αποτελέσματά τους. Η λειτουργία του προσομοιωτή βασίζεται στην αντιστοίχιση του βιολογικού συστήματος του μέσου ωτός (από τον τυμπανικό υμένα ως την ωοειδή και στρογγυλή θυρίδα) σε μηχανολογικό σύστημα και εν συνεχεία στην αντιστοίχιση του σε ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα. Στο πλαίσιο της μελέτης εκφράστηκε η συνάρτηση μεταφοράς του ισοδύναμου κυκλώματος, αναπτύχθηκε η αρχιτεκτονική λειτουργίας του προσομοιωτή, διερευνήθηκαν αλγόριθμοι επεξεργασίας των μετρήσεων, λήφθηκαν κλινικές μετρήσεις φυσιολογικών και παθολογικών δειγμάτων και αξιολογήθηκαν τα αποτελέσματά τους. Εν τέλει αποδείχθηκε η ορθή λειτουργία του προσομοιωτή για φυσιολογική λειτουργία του μέσου ωτός και για την παθολογική λειτουργία του στις νόσους της ωτοσκλήρυνσης και της μέσης εκκριτικής ωτίτιδας. Λέξεις Κλειδιά Μέσος ους, τυμπανόγραμμα, τυμπανομετρία πολλαπλών συχνοτήτων, προσομοιωτής λειτουργίας μέσου ωτός, MATLAB 4

5 Abstract The purpose of this doctoral dissertation was the study and development of a simulator of the function of middle-ear in order to support the diagnostic procedure. The basic diagnostic procedure for middle ear pathologies is based on tympanometry. The evolution of classic tympanometry is multi-frequency tympanometry, which was used for the purpose of this study. In most pathological situations, diagnosis is based partly on objective criteria. The problem lies with the translation of the bell-like curve of the tympanogram. In most cases this is not effective for two reasons. Firstly, because the curve may concur in more than one pathological situations and secondly, because elements of the system may function in such a way as to cancel each other out in their depiction. The operation of the simulator is based on the correlation of the biological system of the middle ear (tympanic membrane to round and oval windows) to the mechanical system and eventually to the equivalent electrical circuit. During thiw study, the transfer function of the system was generated, the architecture of the simulator was created, algorithms of manipulation of the measurements were investigated, clinical measurements were taken for both normal and pathological ears and their results were evaluated. Finally, the correct operation of the simulator was proven for normal operation of the middle ear and pathological operation in the cases of otosclerosis and secretory otitis media. Keywords Middle ear, tympanogram, multi-frequency tympanometry, middle ear mechanics, simulator of middle ear function, MATLAB 5

6 Ευχαριστίες Ευχαριστώ τον Καθηγητή κ.ουζούνογλου για την ουσιαστική επιστημονική βοήθειά του και την εν γένει ανυπολόγιστη συνεισφορά του στη διδακτορική διατριβή μου. Η καθοδήγησή του ήταν καταλυτική σε πολλές περιπτώσεις και η μελέτη δε θα μπορούσε να έχει ολοκληρωθεί διαφορετικά. Ευχαριστώ επίσης τον Καθηγητή κ. Φερεκύδη για τις γνώσεις που μου παρείχε κυρίως σε σχέση με την τυμπανομετρία πολλαπλών συχνοτήτων, όπου το έργο του είναι ευρέως γνωστό. Επίσης η γενικότερη ιδέα της διατριβής βασίστηκε σε δικό του πρότερο έργο. Ευχαριστώ τέλος τον Επίκουρο Καθηγητή κ. Μπίμπα για τη βοήθειά του καθ όλη τη διάρκεια της διατριβής σε πολλά επίπεδα. Η επιστημονική συμβολή του είναι τεράστια, ειδικά στο ζήτημα της μηχανικής μέσου ωτός. Επιπλέον η διαδικασία της λήψης των κλινικών μετρήσεων επιταχύνθηκε σημαντικά με δικές του ενέργειες. 6

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο : ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΑΝΑΤΟΜΙΑΣ ΜΕΣΟΥ ΩΤΟΣ ΒΑΣΙΚΗ ΑΝΑΤΟΜΙΑ ΜΕΣΟΥ ΩΤΟΣ Έξω ους Μέσο ους Τυμπανικός υμένας Ακουστικά οστάρια Έσω ους ΑΚΟΥΣΤΙΚΑ ΚΥΜΑΤΑ ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο : 29 ΘΕΜΕΛΙΩΔΕΙΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΣΟΥ ΩΤΟΣ 2.1 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗ ΣΥΣΧΕΤΙΣΜΟΣ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ - ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΡΟΛΟΣ ΤΥΜΠΑΝΙΚOY YMENA ΔΙΑΝΥΣΜΑΤΙΚΟΣ ΣΥΣΧΕΤΙΣΜΟΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο : ΤΥΜΠΑΝΟΜΕΤΡΙΑ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Γενικά χαρακτηριστικά Τυμπανόγραμμα Ακουόγραμμα ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ GSI-TYMPSTAR Γενικά χαρακτηριστικά Μετρήσεις εμπέδησης και αγωγιμότητας Σάρωμα συχνοτήτων

8 3.3 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΚΑΙ ΟΦΕΛΗ ΧΡΗΣΗΣ ΤΥΜΠΑΝΟΜΕΤΡΙΑΣ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : ΘΕΜΕΛΙΩΔΕΙΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ Περιγραφή συστημάτων Συνάρτηση μεταφοράς Εξισώσεις κατάστασης Ανάλυση ΣΑΕ στο χώρο κατάστασης Ευστάθεια συστημάτων ΣΧΗΜΑΤΙΚΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΜΕΣΟΥ ΩΤΟΣ Συσχετισμός σε βιολογικά συστήματα Εμπέδηση- Αγωγιμότητα Συντελεστής ανάκλασης Εξισώσεις κατάστασης μέσου ωτός ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο : ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΙΣΟΔΥΝΑΜΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΙΣΟΔΥΝΑΜΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΙΣΟΔΥΝΑΜΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΜΕΣΟΥ ΩΤΟΣ Δομή ισοδύναμου κυκλώματος Λύση επιμέρους κυκλωμάτων ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο : ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΜΕΣΟΥ ΩΤΟΣ ΒΑΣΙΚΗ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΤΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΕΛΑΧΙΣΤΩΝ ΤΕΤΡΑΓΩΝΩΝ

9 6.3 NEWTON-RAPHSON ΑΝΑΠΤΥΓΜΑ TAYLOR ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7ο: ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥ ΚΑΙ ΕΠΙΔΕΙΞΗ ΑΡΧΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΔΙΑΓΝΩΣΤΙΚΟΥ ΕΡΓΑΛΕΙΟΥ ΧΡΗΣΗ MATLAB ΠΙΝΑΚΑΣ JACOBIAN ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ MOORE-PENROSE ΤΕΛΙΚΟΣ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ο : ΑΝΑΛΥΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΤΗ ΣΕ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΚΑ ΔΕΙΓΜΑΤΑ ΛΗΨΗ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΔΕΙΓΜΑΤΩΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΕΞΑΓΩΓΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ο : ΑΝΑΛΥΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΤΗ ΣΕ ΠΑΘΟΛΟΓΙΚΑ ΔΕΙΓΜΑΤΑ ΛΗΨΗ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΠΑΘΟΛΟΓΙΚΩΝ ΔΕΙΓΜΑΤΩΝ Ωτοσκλήρυνση Ωτίτιδα ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΕΞΑΓΩΓΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Ωτοσκλήρυνση Ωτίτιδα ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ Ωτοσκλήρυνση Ωτίτιδα

10 9.4 ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10 ο : ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΥΜΠΑΝΟΜΕΤΡΙΑΣ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΠΡΟΚΛΗΣΕΙΣ ΤΟΥ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΜΕΣΟΥ ΩΤΟΣ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΠΕΚΤΑΣΕΙΣ

11 ΣΧΗΜΑΤΑ Σχήμα 1. 1 Ανατομία μέσου ωτός [3] Σχήμα 1. 2 Ανατομία έξω ωτός [3] Σχήμα 1. 3 Ακουστικά οστάρια [3] Σχήμα 1. 4 Δομή ακουστικών κυμάτων [7] Σχήμα 1. 5 Φυσικές ιδιότητες ηχητικού κύματος Σχήμα 2. 1 Χαρακτηριστικά μετασχηματιστή μέσου ωτός Σχήμα 2. 2 Αναλογία μετασχηματιστή Σχήμα 2. 3 Συσχετισμός ηλεκτρικού ακουστικού μετασχηματιστή Σχήμα 2. 4 Ενιαίο σύστημα μέσου ωτός Σχήμα 2. 5 Διαφορά φάσης λόγω αδράνειας Σχήμα 2. 6 Διαφορά φάσης λόγω δυσκαμψίας Σχήμα 2. 7 Διανυσματικό διάγραμμα μηχανολογικού συστήματος Σχήμα 3. 1 Χαρακτηριστικά παραδείγματα τυμπανογραμμάτων [6] Σχήμα 3. 2 Χαρακτηριστική εικόνα σαρώματος συχνοτήτων [6] Σχήμα 3. 3 Διανυσματική συμπεριφορά αγωγιμότητας [10] Σχήμα 4. 1 Δομή συστήματος αυτομάτου ελέγχου Σχήμα 4. 2 Σύνθετο σύστημα αυτομάτου ελέγχου Σχήμα 4. 3 Διάγραμμα συστήματος ελέγχου μέσου ωτός Σχήμα 4. 4 Σχηματικό διάγραμμα μέσου ωτός Σχήμα 5. 1 Διανυσματικό διάγραμμα ηλεκτρικού κυκλώματος

12 Σχήμα 5. 2 Ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα μέσου ωτός Σχήμα 6. 1 Αρχιτεκτονική προσομοιωτή μέσου ωτός Σχήμα 8. 1 Εικόνα αποτελεσμάτων τυμπανογράμματος [4]

13 ΠΙΝΑΚΕΣ Πίνακας 8. 1 Μέσος όρος μετρήσεων εμπέδησης εισόδου για 1 δείγμα Πίνακας 8. 2 Αποτελέσματα για σύστημα μίας μεταβλητής Πίνακας 8. 3 Αποτελέσματα για σύστημα δύο μεταβλητών Πίνακας 8. 4 Αποτελέσματα συστήματος τριών μεταβλητών Πίνακας 9. 1 Μέσος όρος εμπεδήσεων εισόδου ωτοσκληρωτικών αυτιών Πίνακας 9. 2 Αποτελέσματα μετρήσεων ωτοσκληρωτικών αυτιών Πίνακας 9. 3 Μέσος όρος εμπεδήσεων εισόδου αυτιών με μέση εκκριτική ωτίτιδα 137 Πίνακας 9. 4 Αποτελέσματα μετρήσεων αυτιών με μέση εκκριτική ωτίτιδα

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο : ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΑΝΑΤΟΜΙΑΣ ΜΕΣΟΥ ΩΤΟΣ 1.1 ΒΑΣΙΚΗ ΑΝΑΤΟΜΙΑ ΜΕΣΟΥ ΩΤΟΣ Το ους χωρίζεται σε τρία μέρη. Το έξω ους, το μέσο ους και το έσω ους. Το τελευταίο είναι ευρέως γνωστό και ως λαβύρινθος, ο οποίος περιέχει τα όργανα ακοής και ισορροπίας [1], [2]. Σχήμα 1. 1 Ανατομία μέσου ωτός [3] 14

15 1.1.1 Έξω ους Το έξω ους αποτελείται από το πτερύγιο του ωτός και τον έξω ακουστικό πόρο. Το πτερύγιο του ωτός έχει χαρακτηριστικό σχήμα και χρησιμεύει στην περισυλλογή των ηχητικών κυμάτων. Αποτελείται από λεπτό πέταλο ελαστικού χόνδρου και καλύπτεται από δέρμα. Έχει αυτόχθονες και ετερόχθονες μυς που νευρώνονται από το προσωπικό νεύρο [1]. Ο έξω ακουστικός πόρος είναι ελικοειδής σωλήνας, ο οποίος εκτείνεται από το πτερύγιο ως τον τυμπανικό υμένα. Χρησιμεύει για τη μεταβίβαση ηχητικών κυμάτων από το πτερύγιο προς τον τυμπανικό υμένα. Στον ενήλικο έχει μήκος περίπου 2,5 cm και μπορεί να ευθειασθεί, για την είσοδο του ωτοσκοπίου, έλκοντας το πτερύγιο προς τα πάνω και πίσω [1]. Η στενότερη περιοχή του έξω ακουστικού πόρου βρίσκεται περίπου 5 mm από τον τυμπανικό υμένα και λέγεται ισθμός. Εξαιτίας της λοξής θέσης που έχει ο τυμπανικός υμένας, το πρόσθιο-κάτω τοίχωμα του έξω ακουστικού πόρου είναι το μακρύτερο [1]. Σχήμα 1. 2 Ανατομία έξω ωτός [3] 15

16 Ο σκελετός του έξω τριτημορίου του έξω ακουστικού πόρου αποτελείται από ελαστικό χόνδρο, ενώ τα δύο έσω τριτημόρια είναι οστεϊνά, σχηματιζόμενα από το τυμπανικό πέταλο. Ο έξω ακουστικός πόρος επενδύεται εσωτερικά από δέρμα. Το έξω τριτημόριο φέρει τρίχες, σμηγματογόνους αδένες κα;ι κυψελιδοποιούς αδένες. Οι τελευταίοι αυτοί αδένες είναι τροποποιημένοι ιδρωτοποιοί αδένες οι οποίοι εκκρίνουν ένα υποκίτρινο έκκριμα. Οι τρίχες και το έκκριμα των κυψελιδοποιών αδένων αποτελούν φράγμα που παρεμποδίζει την είσοδο ξένων σωμάτων. Η αισθητική νεύρωση του δέρματος που επενδύει τον έξω ακουστικό πόρο προέρχεται από το ωτοκροταφικό νεύρο και από τον ωτικό κλάδο του πνευμονογαστρικού νεύρου. Η λεμφική αποχέτευση γίνεται προς τα επιπολής παρωτιδικά, τα μαστοειδή και τα επιπολής τραχηλικά λεμφογάγγλια [1] Μέσο ους Η βασική αναφορά της διατριβής αφορά στο κοίλο του τυμπάνου ή αλλιώς μέσο ους. Είναι αεροφόρος κοιλότητα της λιθοειδούς μοίρας του κροταφικού οστού που επενδύεται εσωτερικά από βλεννογόνο. Περιέχει τα ακουστικά οστάρια, η λειτουργία των οποίων είναι να μεταδίδουν δονήσεις από τον τυμπανικό υμένα προς την έξω λέμφο του έσω ωτός. Είναι μια στενή, λοξή, σχισμοειδής κοιλότητα της οποίας ο επιμήκης άξονας βρίσκεται σχεδόν παράλληλα προς το επίπεδο του τυμπανικού υμένα. Προς τα εμπρός επικοινωνεί με το ρινοφάρυγγα, διαμέσου της ακουστικής σάλπιγγας και προς τα πίσω επικοινωνεί με το μαστοειδές άντρο [1]. Διακρίνονται τα εξής μέρη. Η οροφή του κοίλου τυμπάνου, το έδαφος, το πρόσθιο τοίχωμα, το οπίσθιο τοίχωμα, το έξω τοίχωμα και το έσω τοίχωμα. Η οροφή σχηματίζεται από ένα λεπτό οστέϊνο πέταλο της λιθοειδούς μοίρας του κροταφικού οστού. Το οστέϊνο αυτό πέταλο χωρίζει το κοίλο του τυμπάνου από τις μήνιγγες και τον κροταφικό λοβό του εγκεφάλου που βρίσκονται στο μέσο κρανιακό βόθρο. 16

17 Το έδαφος σχηαμτίζεται από ένα λεπτό οστέϊνο πέταλο που μπορεί να είναι ατελές και να συμπληρώνεται από ινώδη ιστό. Χωρίζει το κοίλο του τυμπάνου από τον άνω βολβό της έσω σφαγίτιδας φλέβας. Το πρόσθιο τοίχωμα σχηαμτίζεται προς τα κάτω από ένα λεπτό οστέϊνο πέταλο που χωρίζει το κοίλο του τυμπάνου από την έσω καρωτίδα και το συμπαθητικό πλέγμα που την περιβάλλει. Στην άνω μοίρα του πρόσθιου τοιχώματος υπάρχουν τα στόμια δύο πόρων. Το κατώτερο και μεγαλύτερο από τα δύο στόμια οδηγεί στην ακουστική σάλπιγγα, ενώ το ανώτερο και μικρότερο οδηγεί σε ένα πόρο, μέσα από τον οποίο περνάει ο τείνων το τυμπανικό μυς. Το λεπτό οστέϊνο πέταλο που χωρίζει τους δύο πόρους επεκτείνεται προς τα πίσω στο έσω τοίχωμα, όπου σχηαμτίζει μια προβολή σα γείσωμα. Το οπίσθιο τοίχωμα εμφανίζει στην άνω μοίρα του ένα μεγάλο ακανόνιστο στόμιο, την είσοδο του μαστοειδούς άντρου. Κάτω από το στόμιο αυτό υπάρχει μικρή, κοίλη κωνική προεξοχή, η πυραμοειδής προεξοχή, από την κορυφή της οποίας ανδύεται ο τένων του μυός του αναβολέα. Το έξω τοίχωμα σχηματίζεται κυρίως από τον τυμπανικό υμένα. Πάνω από τον τυμπανικό υμένα, το έξω τοίχωμα σχηματίζεται από τη λεπιδοειδή μοίρα του κροταφικού οστού. Με τον τυμπανικό υμένα το κοίλο του τυμπάνου υποδιαιρείται τεχνητά σε δύο μοίρες. Η μοίρα που αντιστοιχεί στον τυμπανικό υμένα είναι το ιδίως κοίλο του τυμπάνου και η περιοχή που βρίσκεται πα νω από το επίπεδο του τυμπανικού υμένα λέγεται επιτυμπάνιος χώρος [1]. Ο τυμπανικός υμένας είναι λεπτός ινώδης υμένας που έχει στιλπνόγκριζωπό χρώμα. Η έξω επιφάνειά του καλύπτεται από πολύστιβο πλακώδες επιθήλιο, ενώ η έσω επιφάνεια επενδύεται από χαμηλό κυλινδρικό επιθήλιο. Ο υμένας είναι τοποθετημένος λοξά προς τα κάτω, εμπρός κι έξω. Είναι υποκοίλος προα τα έξω και το βαθύτερο σημείο του λέγεται ομφαλός και παράγεται από την κορυφή της λαβής της σφύρας. Όταν ο τυμπανικός υμένας φωτίζεται με το ωτοσκόπιο, τότε η κοίλανση που εμφανίζει παράγει ένα κώνο φωτός που ακτινοβολεί από τον ομφαλό προς τα κάτω κι εμπρός. Ο τυμπανικός υμένας είναι κυκλικός και έχει διάμετρο περίπου 1 cm. Η μεγαλύτερη μοίρα της περιφέρειάς του παχύνεται και εναρμονίζει σε μια αύλακα του οστού. Η αύλακα αυτή, η τυμπανική αύλακα, είναι ατελής προς τα άνω και έτσι 17

18 δημιουργείται μια εντομή. Από τα πλάγια της εντομής αυτής δύο ταινίες, που λέγονται πρόσθια και οπίσθια πτυχή της σφύρας, φέρονται προς την έξω απόφυση της σφύρας. Η μικρή τριγωνική περιοχή του τυμπανικού υμένα που αφορίζεται από τις πτυχές αυτές είναι χαλαρή και λέγεται χαλαρή μοίρα του τυμπανικού υμένα. Ο υπόλοιπος τυμπανικός υμένας είναι τεταμένος και αποτελεί την τεταμένη μοίρα του τυμπανικού υμένα. Η λαβή της σφύρας προσδένεται στην έσω επιφάνεια του τυμπανικού υμένα με το βλεννογόνο [1] Τυμπανικός υμένας Το τύµπανο είναι µία µεµβράνη, που διαχωρίζει το έξω από το µέσο αυτί. Το πάχος του τυµπανικού υµένα είναι περίπου 0,1mm και αποτελείται από τρία στρώµατα, που κατά σειρά, από έξω προς τα έσω, είναι το επιθηλιακό στρώµα των πλακωδών κυττάρων, το ινώδες στρώµα και το βλεννογόνιο στρώµα. Η έξω στιβάδα αποτελεί την συνέχεια του δέρµατος του έξω ακουστικού πόρου, ενώ η έσω την συνέχεια του βλεννογόνου της τυµπανικής κοιλότητας. Η µέση ή ινώδης στιβάδα, η οποία απουσιάζει στη χαλαρά µοίρα, αποτελείται από ίνες συνδετικού ιστού. Οι ίνες αυτές διεισδύουν στο περιόστεο της λαβής της σφύρας και στον ινώδη δακτύλιο, δηµιουργώντας µε τον τρόπο αυτό, το λειτουργικά σηµαντικό, κωνικό σχήµα της τυµπανικής µεµβράνης. Οι κυκλοτερείς ίνες παρέχουν αντοχή στην µεµβράνη χωρίς να παρεµποδίζουν την ελεύθερη κίνηση αυτής. Η τυµπανική µεµβράνη σχηµατίζει µία οξεία γωνία µε το πρόσθιο τοίχωµα του έξω ακουστικού πόρου και µία αµβλεία γωνία, περίπου 140 ο, µε το οπίσθιο. Η θέση αυτή του τυµπάνου δεν αποτελεί σταθερό ανατοµικό εύρηµα. Πολλές φορές υπάρχουν διαφορές στο σχήµα, στο µέγεθος και στην κλίση της τυµπανικής µεµβράνης [2]. Το σφυραίο έπαρµα αποτελεί το πιο προέχον τµήµα της τυµπανικής µεµβράνης. Σχηµατίζεται από τη βραχεία απόφυση της σφύρας, που βρίσκεται στο όριο µεταξύ χαλαράς και τεταµένης µοίρας. Από αυτό ξεκινούν δύο πτυχές του βλεννογόνου, η πρόσθια και η οπίσθια σφυριαία πτυχή, που αποτελούν την συνέχεια του τυµπανικού δακτυλίου και κάτω από τις οποίες οδεύει η χορδή του τυµπάνου. Οι πτυχές αυτές διαχωρίζουν τη χαλαρά ή µεµβράνη του Schrapnell από την τεταµένη µοίρα του 18

19 τυµπάνου. Η περιφέρεια της τεταµένης µοίρας (τυµπανικός δακτύλιος) προσφύεται στην τυµπανική αύλακα. Η χαλαρά µοίρα του τυµπάνου προσφύεται στην περιφέρεια, στην πρόσθια και οπίσθια άκανθα του τυµπανικού οστού, ενώ στο ανώτερο σηµείο προσφύεται στο λιθοειδές οστό (τυµπανική εντοµή του Rivini) [1]. Κάτω από το σφυραίο έπαρµα βρίσκεται η λαβή της σφύρας (σφυριαία ταινία), που προσφύεται σταθερά στην τεταµένη µοίρα. Λόγω του κωνικού σχήµατος της τυµπανικής µεµβράνης, η αντανάκλαση του φωτός σχηµατίζει το φωτεινό κώνο προς τα εµπρός και κάτω από τον οµφαλό. Οι αρτηρίες της τυµπανικής µεµβράνης διακρίνονται σε δύο οµάδες, στις έσω και έξω καθώς και σε αναστοµωτικούς κλάδους µεταξύ αυτών. Οι έξω ή δερµατικοί κλάδοι προέρχονται από τον ωτιαίο κλάδο της έσω γναθιαίας αρτηρίας, ενώ οι έσω από τον τυµπανικό κλάδο της έσω γναθιαίας και το βελονοµαστοειδή κλάδο της οπίσθιας ωτιαίας. Τα νεύρα του τυµπάνου προέρχονται από το ωτοκροταφικό νεύρο, που είναι κλάδος του κάτω γναθιαίου νέυρου, τον ωτιαίο κλάδο του πνευµονογαστρικού και τον τυµπανικό νεύρο, που είναι κλάδος του γλωσσοφαρυγγικού νεύρου. Ο τυµπανικός υµένας µπορεί να χωριστεί µε δύο νοητές γραµµές. Η µία γραµµή διέρχεται κατά µήκος της λαβής της σφύρας και η άλλη είναι κάθετη προς αυτήν, διερχόµενη από τον οµφαλό. Με τον τρόπο αυτό το τύµπανο διαιρείται σε τέσσερα τεταρτηµόρια: το κάτω-πρόσθιο, το κάτω-οπίσθιο, το άνω- πρόσθιο και το άνωοπίσθιο [2]. Ο τυμπανικός υμένας είναι εξαιρετικά ευαίσθητος στον πόνο. Η έξω επιφάνειά του νευρώνεται από το ωτοκροταφικό νεύρο και από τον ωτικό κλάδο του πνευμονογαστρικού νεύρου. Το έσω τοίχωμα σχηματίζεται από το έξω τοίχωμα του έσω ωτός. Το μεγαλύτερο μέρος του τοιχώματος αυτού παρουσιάζει μια υποστρόγγυλη προεξοχή η οποία ονομάζεται ακρωτήριο και σχηαμτίζεται από την υποκείμενη πρώτη έλικα του κοχλία. Προς τα πάνω και πίσω από το ακρωτήριο βρίσκεται η ωοειδής θυρίδα στην οποία εφαρμόζεται η βάση του αναβολέα. Στην έσω επιφάνεια της θυρίδας βρίσκεται η έξω λέμφος της αιθουσαίας κλίμακας του έσω ωτός. Κάτω από το οπίσθιο πέρας του ακρωτηρίου βρίσκεται η στρογγύλη θυρίδα η οποία φράσσεται με το δευτερεύοντα τυμπανικό υμένα. Στην έσω επιφάνεια αυτής 19

20 της θυρίδας βρίσκεται η έξω λέμφος του τυφλού πέρατος της τυμπανικής κλίμακας [1]. Το οστέϊνο πέταλο που προέρχεται από το πρόσθιο τοίχωμα, αρχικά χωρίζει τον πόρο μέσα από τον οποίο περνά ο τείνων το τύμπανο μυς από την ακουστική σάλπιγγα. Στη συνέχεια, εκτείνεται προς τα πίσω, στο έσω τοίχωμα, πάνω από το ακρωτήριο και πάνω από την ωοειδή θυρίδα. Το πέταλο αυτό στηρίζει τον τείνοντα το τύμπανο μυ. Το οπίσθιο πέρας του πετάλου αυτού φέρεται καμπυλωτά προς τα άνω και σχηματίζει μια τροχιλία, την κοχλιαροειδή απόφυση, γύρω από την οποία ο τένων του τείνοντος το τύμπανο μυός στρέφεται προς τα έξω για να φθάσει στο σημείο κατάφυσής του στη λαβή της σφύρας. Πάνω από το ακρωτήριο και την ωοειδή θυρίδα υπάρχει ένα υποστρόγγυλο έπαρμα που φέρεται οριζοντίως προς τα έξω και είναι γνωστό ως έπαρμα του προσωπικού πόρου. Μόλις φθάσει στο οπίσθιο τοίχωμα, το έπρμα αυτό στρέφεται προς τα κάτω, πίσω από την πυραμοειδή προεξοχή και σχηματίζει έπαρμα στο έσω τοίχωμα της εισόδου του μαστοειδούς άντρου [1] Ακουστικά οστάρια Τα ακουστικά οστάρια είναι η σφύρα, ο άκμονας και ο αναβολέας. Η σφύρα είναι το μεγαλύτερο οστάριο και εμφανίζει κεφαλή, αυχένα, μια μακρά αποφυάδα, τη λαβή, πρόσθια απόφυση και έξω απόφυση. Η κεφαλή της σφύρας είναι υποστρόγγυλη και βρίσκεται μέσα στον επιτυμπάνιο χώρο. Συντάσσεται προς τα πίσω με τον άκμονα. Ο αυχένας της σφύρας είναι η περισφιγμένη μοίρα κάτω από την κεφαλή. Η λαβή της σφύρας φέρεται προς τα κάτω και πίσω και προσφύεται στερεά στην έσω επιφάνεια του τυμπανικού υμένα. Είναι ορατή κατά την εξέταση με το ωτοσκόπιο. Η πρόσθια απόφυση συνδέεται με το πρόσθιο τοίχωμα του κοίλου του τυμπάνου με ένα σύνδεσμο. Η έξω απόφυση προβάλλει προς τα έξω και προσφύεται στην πρόσθια και οπίσθια πτυχή της σφύρας του τυμπανικού υμένα [2]. 20

21 Σχήμα 1. 3 Ακουστικά οστάρια [3] Ο άκμονας εμφανίζει ένα μεγάλο σώμα και δύο αποφύσεις. Το σώμα του άκμονα είναι αποστρόγγυλο και συμπιεσμένο από τα πλάγια. Βρίσκεται μέσα στον επιτυμπάνιο χώρο και συντάσσεται προς τα εμπρός με την κεφαλή της σφύρας. Το μακρό σκέλος του άκμονα φέρεται προς τα κάτω, πίσω και παράλληλα προς τη λαβή της σφύρας. Το κάτω πέρας του κάμπτεται προς τα έσω και συντάσσεται με την κεφαλή του αναβολέα. Μερικές φορές μπορεί κανείς να δει, κατά την ωτοσκοπική εξέταση, τη σκιά του σκέλους αυτού. Το βραχύ σκέλος του άκμονα προβάλλει προς τα πίσω και προσφύεται στο οπίσθιο τοίχωμα του κοίλοι του τυμπάνου με ένα σύνδεσμο [1]. Ο αναβολέας εμφανίζει κεφαλή, αυχένα, δύο σκέλη και βάση. Η κεφαλή είναι μικρή και συντάσσεται με το μακρό σκέλος του άκμονα. Ο αυχένας είναι λεπτός και σε αυτόν καταφύεται ο μυς του αναβολέα. Τα δύο σκέλη αποκλίνουν από τον αυχένα και προσφύονται στην ωοειδή βάση. Το χείλος της βάσης προσφύεται στα χείλη της ωοειδούς θυρίδας με το δακτυλιοειδή σύνδεσμο. 21

22 Η σφύρα και ο άκμονας γυρω από πρόσθιο-οπίσθιο άξονα που διέρχεται μέσα από το σύνδεσμο που συνδέει την πρόσθια απόφυση της σφύρας με το πρόσθιο τοίχωμα του κοίλου του τυμπάνου, την πρόσθια απόφυση της σφύρας και το βραχύ σκέλος του άκμονα και το σύνδεσμο που συνδέει το βραχύ σκέλος του άκμονα με το οπίσθιο τοίχωμα της τυμπανικής κοιλότητας. Όταν ο τυμπανικός υμένας μετατοπίζεται προς τα έσω, η λαβή της σφύρας επίσης μετακινείται προς τα έσω. Η κεφαλή της σφύρας και η κεφαλή του άκμονα μετατοπίζονται προς τα έξω. Το μακρό σκέλος του άκμονα μετακινείται προς τα έσω μαζί με τον αναβολέα. Η βάση του αναβολέα ωθείται προς τα έσω στην ωοειδή θυρίδα και η κίνηση αυτή μεταδίδεται στην έξω λέμφο της αιθουσαίας έλικας. Επειδή η έξω λέμφος, ως υγρό, έιναι συμπίεστη, προκαλείται προς τα έξω διόγκωση του δευτερεύοντος τυμπανικού υμένα της στρογγύλης θυρίδας, στο κατώτερο πέρας της τυμπανικής κλίμακας. Οι παραπάνω κινήσεις αναστρέφονται, αν ο τυμπανικός υμένας μετακινηθεί προς τα έξω. Υπερβολικές προς τα έξω κινήσεις της κεφαλής της σφύρας προκαλούν παροδική απομάκρυνση των αρθρικών επιφανειών ανάμεσα στη σφύρα και τον άκμονα, έτσι ώστε η βάση του αναβολέα δεν έλκεται προς τα έξω και δεν απομακρύνεται από την ωοειδή θυρίδα. Είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι κατά τη διάρκεια της μεταβίβασης των δονήσεων από τον τυμπανικό υμένα προς την έξω λέμφο, μέσω των ακουστικών οσταρίων, η ενέργεια μοχλού αυξάνει κατά συντελεστή 1,3 προς 1. Επιπλέον, επειδή η επιφάνεια του τυμπανικού υμένα είναι περίπου 17 φορές μεγαλύτερη από την επιφάνεια της βάσης του αναβολέα, το αποτέλεσμα είναι η ενεργός πίεση που εξασκείται πάνω στην έξω λέμφο να αυξάνεται συνολικά κατά 22 φορές [1]. Η ακουστική σάλπιγγα εκτείνεται από το πρόσθιο τοίχωμα του τυμπάνου προς τα κάτω, μπροστά και έσω ως το ρινοφάρυγγα. Το οπίσθιο τριτημόριο είναι οστέϊνο, ενώ τα δύο πρόσθια τριτημόρια της είναι χόνδρινα. Καταλήγει στο ρινοφάρυγγα περνώντας πάνω από το άνω χείλος του άνω σφιγκτήρα μυός του φάρυγγα. Χρησιμεύει για την εξισσορόπηση των πιέσεων του κοίλου του τυμπάνου και του ρινοφάρυγγα. 22

23 1.1.5 Έσω ους Ο λαβύρινθος βρίσκεται μέσα στη λιθοειδή μοίρα του κροταφικού οστού, επί τα εντός του μέσου ωτός. Αποτελείται από τον οστέϊνο λαβύρινθο που περιλαμβάνει μια σειρά κοιλοτήτων μέσα στο οστό και από τον υμενώδη λαβύρινθο, ο οποίος συνίσταται από υμενώδη κυστίδια και σωλήνες που βρίσκονται μέσα στον οστέϊνο λαβύρινθο [2]. Ο οστέϊνος λαβύρινθος αποτελείται από τρεις μοίρες: την αίθουσα, τους ημικύκλιους σωλήνες και τον κοχλία. Οι τρεις αυτές μοίρες αποτελούν κοιλότητες που βρίσκονται μέσα σε συμπαγή οστέϊνη ουσία. Υπαλείφονται από ενδόστεο και περιέχουν διαυγές υγρό που λέγεται έξω λέμφος. Μέσα στην έξω λέμφο αιωρείται ο υμενώδης λαβύρινθος. Ο υμενώδης λαβύρινθος βρίσκεται μέσα στον οστέϊνο λαβύρινθο. Περιέχει την έσω λέμφο και περιβάλλεται από την έξω λέμφο. Αποτελείται από το σφαιρικό και ελλειπτικό κυστίδιο, που βρίσκονται μέσα στην οστέϊνη αίθουσα, από τους τρεις υμενώδεις ημικύκλιους σωλήνες, που βρίσκονται μέσα στους οστέϊνους ημικύκλιους σωλήνες, και από τον κοχλιακό πόρο, που βρίσκεται μέσα στον οστέϊνο κοχλία. Όλα τα μέρη του υμενώδους λαβυρίνθου επικοινωνούν μεταξύ τους [2]. 1.2 ΑΚΟΥΣΤΙΚΑ ΚΥΜΑΤΑ Οι μεταβολές της πίεσης του ατμοσφαιρικού αέρα είναι η αιτία της αντίληψης του ήχου μέσω της διέγερσης των αισθητηρίων οργάνων του ωτός. Η μορφή της διάδοσης στο χώρο αυτών των μεταβολών είναι αυτό που ονομάζουμε ηχητικά κύματα. Από φυσικής άποψης η παραγωγή των ηχητικών κυμάτων έχει να κάνει με τη μηχανική ταλάντωση των σωμάτων. Από αυτο προκύπτει και ο χαρακτηρισμός τους ως μηχανικά κύματα (ελαστικότητας) που μεταφέρουν μηχανική ενέργεια [4]. Η μετάδοση των κυμάτων γίνεται από κάποιον πομπό και η λήψη από κάποιο δέκτη. Ιδιαίτερη σημασία έχει το υλικό μέσο μεταξύ πομπού και δέκτη. Το μέσο μπορεί να 23

24 βρίσκεται σε οποιαδήποτε κατάσταση υλής (στερεό, υγρό ή αέριο). Ο ήχος μόνο στο απόλυτο κενό δε διαδίδεται. Όταν κάποιο ερέθισμα διαταράξει το υλικό μέσο, τότε ασκούνται δυνάμεις από τα μετατοπισμένα μόρια ύλης στα γειτονικά μόρια. Αυτό τα ωθεί εκτός θέσης ισορροπίας. Αυτή η διατάραξη που ταξιδεύει στο μέσο ονομάζεται διάδοση [5]. Με την απαραίτητη προυπόθεση ότι το μέσο είναι μονοδιάστατο, τα ηχητικά κύματα μπορούν να είναι είτε διαμήκη είτε εγκάρσια. Αυτό εξαρτάται από τον τύπο της διατάραξης που θα προκληθεί. Όταν αυτή η διατάραξη γίνει κατά το μήκος του μέσου, θα προκληθεί συμπίεση στο συνδεδεμένο ελατήριο, το οποίο σε σειρά θα ασκήσει δύναμη στην επόμενη μάζα. Τα πυκνώματα και αραιώματα που παρατηρούνται στο μέσο έχουν να κάνουν με την ταχύτητα της διάδοσης και συνεπώς την καθυστέρηση. Η μορφή των κυμάτων αυτού του τύπου της διάδοσης ονομάζεται διαμήκης. Στην περίπτωση που η διατάραξη γίνει κάθετα ως προς τον άξονα έκτασης του μέσου, θα προκληθεί πλάγια διαστολή του συνδεόμενου ελατηρίου, το οποίο θα μεταφέρει την κάθετη μετατόπιση στην επόμενη μάζα. Από άποψη μορφής παρατηρούνται στο μέσο κορυφές και κοιλώματα. Η μορφή των κυμάτων αυτου του τύπου διάδοσης ονομάζεται εγκάρσια. Στα υγρά και αέρια μέσα, η διάδοση των ηχητικών κυμάτων είναι πάντα διαμήκης, ενώ στα στερεά η διάδοση των κυμάτων μπορεί να έχει και τις δύο μορφές [6]. Σχήμα 1. 4 Δομή ακουστικών κυμάτων [7] 24

25 Η ταχύτητα του ήχου, στον αέρα, υπό κανονικές συνθήκες υπολογίζεται στα μέτρα το δευτερόλεπτο (Bachus, 1977, σ.43) [5]. Η θερμοκρασία και η ατμοσφαιρική πίεση επηρρεάζουν την ταχύτητα και πρέπει να λαμβάνονται υπόψη. Αντιθέτως η συχνότητα και η ένταση της ταλάντωσης δεν επηρρεάζουν. Η ανάκλαση αφορά την κατάσταση όπου ένα ξένο σώμα διαφορετικής ύλης από αυτή του μέσου παρεμβάλλεται στην κατεύθυνση των ηχητικών κυμάτων. Στη διαδικασία της ανάκλασης τα ηχητικά κύματα αλλάζουν γωνία κατεύθυνσης. Σε περίπτωση ύπαρξης ενός εμποδίου τα κύματα έχουν τη δυνατότητα να περνούν γύρω του ή να το διαπερνούν. Μπορούν να κυρτώνονται και να γεμίζουν τον χώρο πέρα του εμποδίου. Αυτη η ιδιότητα ονομάζεται περίθλαση. Στην περίπτωση όπου η υπόσταση του υλικού μέσου παρουσιάζει σταδιακή αλλαγή, τότε μπορεί να υπάρξει αλλαγή της κατεύθυνσης των κυμάτων. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται διάθλαση. Σε άλλη περίπτωση τα ηχητικά κύματα μπορεί να παράγονται από δυο διαφορετικές πηγές. Όταν η διάδοση γίνεται στο ίδιο μέσο, τότε η διατάραξη που επιδέχεται κάθε μάζα προκύπτει από το άθροισμα των μετατοπίσεων που θα επιδεχόταν από κάθε κύμα ξεχωριστά. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται παρεμβολή [5]. Όταν ο παρατηρητής και η πηγή βρίσκονται σε σχετική κίνηση μεταξύ τους, η αντίληψη της συχνότητας είναι διαφορετική. Αυτό είναι το φαινόμενο Doppler το οποίο έχει τεράστιες προεκτάσεις ιδιαίτερα στον τομέα της διάγνωσης. Στην περίπτωση που ο παρατηρητής και η πηγή είναι ακίνητοι ή κινούνται με ίσες (διανυσματικά) ταχύτητες δεν εμφανίζεται φαινόμενο Doppler [6]. Υπάρχουν κάποιες φυσικές ιδιότητες στα κύματα, οι οποίες έχουν εφαρμογή στα ηχητικά κύματα. Αυτά είναι το μήκος κύματος, η συχνότητα, η περίοδος, το πλάτος ταλάντωσης, ο χρόνος και η κυματομορφή. Αυτές οι ιδιότητες αφορούς τη μαθηματική ανάλυση του κύματος. Από αυτό προκύπτουν τα χαρακτηριστικά του κύματος τα οποία χρησιμοποιούνται ευρύτερα για την περιγραφή του. Αυτά τα χαρακτηριστικά είναι η ένταση, η διάρκεια, το ύψος και η χροιά (Seashore, 1967, σ.16). 25

26 Y(t) Μήκος κύματος Πλάτος κύματος t Σχήμα 1. 5 Φυσικές ιδιότητες ηχητικού κύματος Από τη συχνότητα προκύπτει η ταχύτητα ταλάντωσης. Η μέτρησή της γίνεται σε κύκλους ανα δευτερόλεπτο (Hertz, Hz). Μεγαλύτερες ταχύτητες ταλαντώσεων επιφέρουν οξύτερους ήχους, ενώ χαμηλότερες ταχύτητες ταλαντώσεων επιφέρουν βαρύτερους ήχους. Ο όρος ύψος δηλώνει πόσο υψηλός ή χαμηλός είναι ένας ήχος. Η ένταση αφορά την ισχύ της ταλάντωσης του σώματος. Ταλαντώσεις με μεγαλύτερο πλάτος επιφέρουν ηχητικά κύματα με μεγαλύτερη ένταση, σε αντίθεση με ταλαντώσεις μικρότερου πλάτους, οι οποίες επιφέρουν ασθενέστερους ήχους. Η ένταση μετράται σε decibel (db). Ο όρος διάρκεια αφορά το συνολικό χρόνο για τον οποίο ένας ήχος γίνεται αντιληπτός. Η κυματομορφή είναι ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό το οποίο δημιουργεί την επιπλέον ταξινόμηση των ήχων απλούς ή σύνθετους και σε περιοδικούς ή μή περιοδικούς. Το χαρακτηριστικό της χροιάς προκύπτει από την κυματομορφή. Από τη χροιά εκφράζεται η ποιότητα ενός ηχητικού κύματος. Σε αυτό το χαρακτηριστικό οφείλεται η δυνατότητα προσδιορισμού της ταυτότητας της ηχητικής πηγής. Με βάση αυτό γίνεται εφικτός ο διαχωρισμός μεταξύ δύο διαφορετικών ηχητικών πηγών [5], [6]. 26

27 Η ακοή, η οποία είναι η αίσθηση που αφορά αυτή τη διατριβή βασίζεται στην αντίληψη του ήχου και αποτελεί βασική αίσθηση σε πολλούς οργανισμούς. Η χρήση της ακοής είναι πολυδιάστατη. Το μεγαλύτερο μέρος της κοινωνικοποίησης των ανθρώπων προκύπτει από αυτήν την αίσθηση. Στον ανθρώπινο οργανισμό η ακοή εκτείνεται για ήχους με συχνότητα μεταξύ 20 Hz και Hz. Σε αυτό υπάρχει μια διαφοροποίηση αναλόγως με τα φυσικά χαρακτηριστικα που αφορούν το φύλο, το μέγεθος και κυρίως την ηλικία. Υπέρηχοι και υπόηχοι είναι ήχοι με συχνότητες πάνω και κάτω αντίστοιχα από αυτές τις συχνότητες. Το έυρος του ηχητικού φάσματος που γίνεται πιο έντονα αντιληπτοί από το ανθρώπινο ους αφορά σε πηγές ταλαντώνονται σε συχνότητες μεταξύ 500 Hz και 5000 Hz. Πιο συγκεκριμένα οι ήχοι της ομιλίας περιέχουν συχνότητες μεταξύ 100 Hz και 3000 Hz. Όσον αφορά την ένταση, το ανθρώπινο φάσμα εκτείνεται από 0 db έως 1000 db. Παρόλα αυτά πάνω από 140 db προκαλείται πόνο για το ανθρώπινο ους [4]. 27

28 1.3 ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1] R.S.Snell, Κλινική Ανατομική, Αθήνα, [2] G.J.Tortora, S.R.Grabowski, Principles of anatomy and physiology, Wiley International, USA, [3] [4] J.Clark, C.Yallop, Introduction to Phonetics and Phonology, Blackwell Publishing, USA, [5] E.W.Wood, A.L.Loomis, The physical and biological effects of high-frequency sound waves of great intensity, Philosophical magazine, vol. 4, issue 22, pp , [6] B.A.Auld, Acoustic fields and waves in solids, R.E.Krieger, 2 nd edition, [7] 28

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο : ΘΕΜΕΛΙΩΔΕΙΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΣΟΥ ΩΤΟΣ 2.1 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗ Το μέσο ους είναι ένας πλήρης ενεργειακός μετασχηματιστής. Τα τρία οστάρια (σφύρα, άκμονας, αναβολέας) λειτουργούν ως μοχλος, ο οποίος αυξάνει την ένταση της μετάδοσης από τον τυμπανικό υμένα στον αναβολέα. Αυτό επιτυγχάνεται με τη μείωση της αναλογίας του πλάτους των ταλαντώσεων. Το μέσου ους πέρα από τα δομικά στοιχεία περιέχει αέρα. Η επικοινωνία του με το φάρυγγα μέσω της Ευσταχιανής σάλπιγγας επιτρέπει στην πίεση και στις δύο πλευρές του τυμπανικού υμένα να εξισσοροπείται με την ατμοσφαιρική πίεση. Λειτουργικά το μέσο ους δρα ως μια συσκευή που ταιριάζει την ακουστική εμπέδηση του μέσου μέσω του οποίου διαδίδεται το ηχητικό κύμα, με το υγρό του έσω ωτός. Κατά αυτόν τον τρόπο αυτός ο μετασχηματιστής επιτρέπει σε αυτό το ηχητικό κύμα που διαδίδεται με μέσο τον αέρα (έξω ους) να μετασχηματιστεί σε ηχητικό κύμα που διαδίδεται με μέσο το υγρό (έσω ους) χωρίς ανάκλαση στην επιφάνεια επαφής [1]. Η δράση του μετασχηματιστή επιτρέπει σε ποσοστό άνω του 60% της ακουστικής ισχύος που φθάνει στον τυμπανικό υμένα να διαδοθεί αξιόπιστα στη δομή του έσω ωτός [2]. Χωρίς το μέσο ους, η αποτελεσματικότητα της διάδοσης του ηχητικού κύματος στο έσω ους θα μειωνόταν και η ευαισθησία στον ήχο θα μειωνόταν πάνω από 30 φορές. Τέτοιες περιπτώσεις μπορούν να ιδωθούν παραδειγματικά όταν το μέσο ους γεμίσει με βλεννώδη υγρά κατά μία πιθανή μόλυνση. Ο αναβολέας λειτουργεί ως έμβολο στο υγρό του κοχλία διαμέσου μιας υμενώδους σύνδεσης, η οποία σφραγίζει το οβάλ παράθυρο του κοχλία. Η ευλυγισία του τυμπανικού υμένα μειώνει κατά δύο φορές την ταχύτητα του ηχητικού κύματοςμκαι αυξάνει την έντασή του κατά δύο φορές. Κατά αυτόν τον τρόπο αλλάζει την αναλογία της εμπέδησης κατά τέσσερις φορές. Χάρη στη μεγάλη αναλογία μεταξύ του τυμπανικού υμένα και του οβάλ παράθυρου (περίπου 35) και το κέρδος που 29

30 προκύπτει από το σύστημα μοχλού που δημιουργείται από τα οστάρια (περίπου 1,32), το κέρδος της εμπέδησης κατά μήκος του μέσου ωτός είναι περίπου 30 db [3]. 99,9% Μετασχηματιστής 0,1% Σχήμα 2. 1 Χαρακτηριστικά μετασχηματιστή μέσου ωτός Η αναλογία της ακουστικής εμπέδησης στο έξω ους με την εμπέδηση στο υγρό στο έσω ους ειναι 1:4000. Ονομάζοντας r αυτήν την αναλογία μπορούμε να υπολογίσουμε το συντελεστή μεταφοράς ενέργειας με την παρακάτω εξίσωση [4]. (1) Η διάδοση λοιπόν που επιτυγχάνεται είναι της τάξης του 0,1%. Αυτό ισοδυναμεί με πτώση του επιπέδου ήχου-πίεσης κατά 40 db [4]. Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα το μέσο ους τρία συστήματα μηχανικών ενισχυτών. Την αναλογία επιφάνειας μεταξύ του τυμπανικού υμένα και του αναβολέα, την αναλογία επιφάνειας μεταξύ του αναβολέα και του οβάλ παράθυρου και το αποτέλεσμα της λειτουργίας της αλυσίδας των οσταρίων ως μοχλό. Υπάρχουν δύο βασικοί μηχανισμοί που επιτρέπουν το μέσο ους να διατηρεί το επίπεδο της ακουστικής εμπέδησης. 30

31 1. Η επιφάνεια του τυμπανικού υμένα είναι 17 φορές μεγαλύτερη απο τη βάση του αναβολέα, το μέρος δηλαδή του αναβολέα το οποίο έρχεται σε επαφή με το οβάλ παράθυρο του κοχλια προς το έσω ους. Αυτό επιτρέπει στο μέσο ους να λειτουργει ως μοχλός. Η πίεση και η ταχύτητα όγκου στον τυμπανικό υμένα μετατρέπονται σε μεγύτερη πίεση και μικρότερη ταχύτητα όγκου στον κοχλία. 2. Τα τρία οστάρια του μέσου ωτός (η σφύρα, ο άκμονας και ο αναβολέας) ενώνουν τον τυμπανικό υμένα με το εύκαμπτο υμενώδες οβάλ παράθυρο του κοχλία, ο οποίος περιέχει το υγρό του έσω ωτός. Τα οστάρια είναι ενωμένα μεταξύ τους με χόνδρο αλλά ταλαντώνονται απαραιτήτως σαν μια εννιαία μονάδα. Ο άξονας περιστροφής των οσταρίων περνά από το σημείο όπου η σφύρα και ο άκμονας ενώνονται. Με αυτόν τον τρόπο τα οστάρια συμπεριφέρονται ως μοχλος. Σε υψηλότερες συχνότητες η κίνηση είναι πιο περίπλοκη από ένα απλό μηχανισμό μοχλού. Σε τέτοιες περιπτώσεις εμφανίζονται πιο περίπλοκες μορφές ταλάντωσης. Ο υδραυλικός μοχλός και συνεπώς ο μοχλός των οσταρίων παρέχουν ένα απλό και βασικό θεωρητικό πλαίσιο για την κατανόηση της λειτουργίας του μέσου ωτός. Όταν λαμβάνουμε υπόχη αυτούς τους δύο μηχανισμούς, το σύστημα ως ιδανικός μετασχηματιστής, ενισχύει την πίεση στο επίπεδο του κοχλία σε σχέση με την πίεση στο επίπεδο του τυμπανικού υμένα κατά 20 φορές [1], αναλόγως με τη συχνότητα. 31

32 28 20 db Θεωρητικό Κέρδος 0 0,1 f 1000 Σχήμα 2. 2 Αναλογία μετασχηματιστή Οι λόγοι για τους οποίους η αναλογία του μετασχηματιστή εξαρτάται από τη συχνότητα είναι σύνθετοι. Οι παρακάτω παράγοντες είναι κρίσιμοι: 1. Οι ενώσεις μεταξύ των οσταρίων είναι εύκαμπτες. Σε χαμηλές συχνότητες η σύζευξη μεταξύ της σφύρας και του άκμονα και του άκμονα με τον αναβολέα γίνονται ατελείς. Γι αυτό σε χαμηλές συχνότητες το μηχανικό κέρδος στην πίεση πέφτει κοντά στο 0 db, κάτι το οποίο θα ήταν αναμενόμενο αν δεν υπήρχε η δομή του μέσου ωτός [3]. 2. Τα οστάρια έχουν πεπερασμένη μάζα. Σε υψηλότερες συχνότητες η αδρανειακή μάζα της αλυσίδας των οσταρίων (και του τυμπανικού υμένα) γίνεται σημαντική. Κατά αυτόν τον τρόπο, τα οστάρια δε θα ακολουθήσουν απότομες αλλαγές της ηχητικής πίεσης αξιόπιστα. Γι αυτό το λόγο το μηχανικό κέρδος της πίεσης θα μειωθεί [3]. Είναι άξιο αναφοράς ότι όταν κινείται το κεφάλι, τα οστάρια δεν κινούνται και παράγουν μία αίσθηση δυσδιάκριτη πρός τον ήχο. Η εξήγηση είναι ότι το κέντρο 32

33 βάρους της αλυσίδας των οσταρίων είναι κοντά στον άξονα περιστροφής, οπότε οι κινήσεις του κεφαλιού δε μετακινούν τα οστάρια σε σχέση με το μέσο ους σε αξιόλογο μέγεθος. Η αναλογία του μετασχηματιστή μέσου ωτός επηρρεάζεται επίσης από δύο μικρούς μύες που βρίσκονται μέσα στην κοιλότητα του μέσου ωτός. Ο τείνων το τύμπανο μυς είναι συνδεδεμένος με τη σφύρα στο κέντρο περίπου του τυμπανικού υμένα. Όταν ο τείνων το τύμπανο μυς συσπάται έλκει προς τα έσω τον τυμπανικό υμένα και κατά αυτόν τον τρόπο μειώνει την κίνηση του τυμπανικού υμένα όταν έχει κάποιο ηχητικό ερέθισμα. Ο δεύτερος μυς είναι αυτό του αναβολέα, ο οποίος είναι συνδεδεμένος με τον αναβολέα δίπλα στη σύζευξη με τον άκμονα. Όταν ο μυς του αναβολέα συσπάται έλκει τον αναβολέα προς τον τυμπανικό υμένα. Αν και οι μύες είναι νευρωμένοι από διαφορετικά νεύρα, το αποτέλεσμα της ταυτόχρονης σύσπασής τους είναι το κλείδωμα της αλυσίδας των οσταρίων και η παρεμπόδιση της ελεύθερης κίνησης των μηχανισμών του μέσου ωτός. Το λειτουργικό αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας είναι η αφαίρεση του πλεονεκτήματος της συσχέτισης των επμεδήσεων του αέρα με αυτή του κοχλία και να η μείωση της μεταφοράς ενέργειας προς το έσω ους [6]. Η ενεργοποίηση των μυών του μέσου ωτός συμβαίνει μέσω μιας αντανακλαστικής οδού και συνιστά το αντανακλαστικό του μέσου ωτός. Η ενεργοποίηση συμβαίνει όταν παρουσιάζονται στο ους ηχητικά κύματα υψηλής έντασης (> 70 db). Το αντανακλαστικό του μέσου ωτός προστατεύει απέναντι σε ήχους υψηλής έντασης, αν και λόγω του χρόνου που απαιτείται ώστε να συσπαθούν οι μύες ( 40 ms), το αντανακλαστικό μέσου ωτός δε θα προστατέυσει απέναντι απέναντι σε πολύ απότομους συγκρουστικούς ήχους, όπως αυτός του πυροβολισμού. Επίσης το αντανακλαστικό μέσου ωτός ενεργοποιείται κατά τη διάρκεια της ομιλίας ή οποιασδήποτε εκφώνησης. Με αυτόν τον τρόπο προστατεύει από τον εκωφαντικό ήχο της ίδιας της φωνής. 33

34 2.2 ΣΥΣΧΕΤΙΣΜΟΣ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ - ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Ο ιδανικός μετασηματιστής εξασφαλίζει ότι η ισχύς εισόδου στο σύστημα ισούται με την ισχύ εξόδου. Στην προκειμένη περίπτωση αυτό που επιτυγχάνεται είναι η μείωση των απωλειών και όχι ενίσχυση. Βιολογικό σύστημα: Ισχύς = Πίεση x Ταχύτητα όγκου Ηλεκτρικό σύστημα: Ισχύς (J) = Δυναμικό (V) x Ένταση (I) Είσοδος Έξοδος J in = P in + Vu in J out = P out + Vu out Σχήμα 2. 3 Συσχετισμός ηλεκτρικού ακουστικού μετασχηματιστή Στους ακουστικούς μετασχηματιστές έχουμε μείση της ταχύτητας όγκου (Vu) ώστε να υπάρξει κέρδος στην πίεση (P). Η λειτουργία του υδραυλικού μοχλού όπως διαμορφώνεται από τα οστάρια έχει ως βασικό άξονα τη μεταφορά από μεγαλύτερη επιφάνεια σε μικρότερη [5]. Πριν όμως αναλυθεί αυτή η διαδικασία πρέπει να γίνουν κάποιες παραδοχές. Όλα τα τμήματα του τυμπανικού υμένα ταλαντώνονται στην ίδια φάση. Όλα τα τμήματα του τυμπανικού υμένα ταλαντώνονται ανεξαρτήτου συχνότητας. Ο τρόπος ταλάντωσης των οσταρίων δεν είναι ομοιόμορφος. Η ανομοιομορφία είναι πιο έντονη σε f > 2 KHz. 34

35 Όταν η δυσκαμψία του τυμπανικού υμένα αυξάνεται, η ανομοιομορφία της ταλάντωσης μειώνεται. Επίσης η ανάκλαση αυξάνεται. Ο άξονας περιστροφής των οσταρίων είναι συγκεκριμένος. Υπάρχει όμως κινητικότητα στις αρθρώσεις όταν οι συχνότητα υπερβαίνει το 1,5 KHz. Ο αναβολέας κανονικά κινείται σαν πιστόνι. Σε μεγάλες συχνότητες όμως υπάρχει κίνηση και σε άλλους άξονες. 2.3 ΡΟΛΟΣ ΤΥΜΠΑΝΙΚOY YMENA Ο ρόλος του τυμπανικού υμένα είναι πολύ σημαντικός στη μεταβίβαση του ήχου. Λειτουργώντας ως αισθητήριο, ο υμένας ακουστικά κύματα πίεσης σε μηχανική κίνηση. Ο τυμπανικός υμένας δεν είναι ομοιόμορφος αλλά παρουσιάζει χωρικά μεταβλητή δυσκαμψία. Εξαιτίας αυτών των παραλλαγών η αποτελεσματική επιφάνειά του αφορά μόνο στο 65% της συνολικής. Η δυσκαμψία του τυμπανικού υμένα είναι πολύ σημαντική στην αποτελεσματική μεταφορά της ενέργειας. Αν είναι πολύ δύσκαμπτος κινδινεύει να υπάρξει πολύ μεγάλη ανάκλαση προς το έξω ους, ενώ αν είναι πολύ χαλαρός θα έχει ως αποτέλεσμα πολύ μεγάλη απορρόφηση ενέργειας. Ακόμη μία σημαντική συνεισφορά του τυμπανικού υμένα είναι το κέρδος από την αρχή της καμπυλότητας του υμένα [7]. Σύμφωνα με αυτήν την αρχή η δύναμη στον αυχένα του συστήματος είναι μεγαλύτερη από ότι στον υμένα κι έτσι η δύναμη του εισερχόμενου σήματος αυξάνεται κατά 2 φορές. Συμπεριλαμβανομένων αυτών των αποτελεσμάτων το συνολικό κέρδος της αναλογίας επιφάνειας και του τυμπανικού υμένα είναι 26,8. Χρησιμοποιώντας την αναλογία πίεσης μπορούμε να υπολογίσουμε το κέρδος σε decibels. 35

36 2.4 ΔΙΑΝΥΣΜΑΤΙΚΟΣ ΣΥΣΧΕΤΙΣΜΟΣ Τα χαρακτηριστικά στοιχεία του βιολογικού συστήματος του μέσου ωτός είναι η μάζα, η ελαστικότητα και η τριβή. Οι συσχετισμοί μεταξύ τους είναι αυτό που καθορίζει τη συμπεριφορά του μετασχηαμτιστή σαν εννιαία μονάδα. Το κάθε βιολογικό στοιχείο περιέχει σε κάποιο βαθμό και τα τρία αυτά φυσικά χαρακτηριστικά. Για παράδειγμα τα οστέϊνα στοιχεία έχουν σε μεγάλο βαθμό το στοιχείο της μάζας, οι συζεύξεις και ο τυμπανικός υμένας το στοιχείο της ελαστικότητας και ο αέρας το στοιχείο της τριβής (σε μεγάλο βαθμό και το στοιχείο της μάζας) [9]. Αν ιδωθεί το μέσο ους σαν εννιαία σύστημα αυτά τα επιμέρους χαρακτηριστικά λειτουργουν σαν σύνολο σε όλο το μήκος του συστήματος. Είσοδος Μάζα Ελαστικότητα Τριβή Έξοδος Σχήμα 2. 4 Ενιαίο σύστημα μέσου ωτός Υπάρχουν δύο παραδοχές που πρέπει να γίνουν πριν τη διανυσματική ανάλυση. 1. Οι αντιστάσεις δεν μπορούν να προστεθούν γραμμικά. 2. Δεν ταλαντώνονται στην ίδια φάση. Η διαφορά φάσης σε σχέση με τη δύναμη είναι το πιο σημαντικό σημείο αυτής της ανάλυσης [9]. Η τρίβή είναι το μόνο στοιχείο που είναι σε φάση με τη δύναμη. Αντιθέτως δεν ισχύει αυτό για την αδράνεια και τη δυσκαμψία. Στην περίπτωση της 36

37 αδράνειας προπορεύεται κατά 90 ο της δύναμης, ενώ στην περίπτωση της δυσκαμψίας υστερεί κατά 90 ο της δύναμης. F 90 ο 180 ο 270 ο 360 ο V Αντίσταση λόγω Αδράνειας Διαφορά +90 ο Σχήμα 2. 5 Διαφορά φάσης λόγω αδράνειας F 90 ο 180 ο 270 ο 360 ο Αντίσταση λόγω Δυσκαμψίας V Διαφορά -90 ο Σχήμα 2. 6 Διαφορά φάσης λόγω δυσκαμψίας 37

38 Στη μεταφορά αυτών των δυνάμεων στο διανυσματικό διάγραμμα θα ονομάσουμε τη μάζα Χ μ, τη δυσκαμψία Χ δ και την τριβή R. Η λειτουργία του διανυσματικού διαγράμματος κάνει τον παραλληλισμό μεταξύ του ηλεκτρολογικού και μηχανολογικού κυκλώματος [10]. Τα στοιχεία που φαίνονται στο διάγραμμα μπορούν να μεταφερθούν στο αντίστοιχο ηλςκτρολογικό και με αυτόν το τρόπο να δημιουργηθεί το σιοδύναμο κύκλωμα του μέσου ωτός. Τα στοιχεία της μάζας, δυσκαμψίας και αδράνειας από βιολογικά στοιχεία γίνονται στοιχεία ηλεκτρολογικού κυκλώματος. Χ μ Χ μ : Μάζα +90 ο Χ δ : Δυσκαμψία -90 ο R R : Τριβή 0 ο Χ δ Σχήμα 2. 7 Διανυσματικό διάγραμμα μηχανολογικού συστήματος Στις υψηλές συχνότητες το σύστημα καθορίζεται κυρίως από τη μάζα, ενώ στις χαμηλές συχνότητες από τη δυσκαμψία. Όταν η μάζα αντίστοιχα αυξάνεται τότε και η αντίσταση σε υψηλές συχνότητες αυξάνεται. Όταν η μάζα και η δυσκαμχία εξισωθούν, το σύστημα καθορίζεται από την τριβή. Η συχνότητα στην οποία γίνεται αυτό είναι η συχνότητα συντονισμού του συστήματος ή η ιδιοσυχνότητα. Αν σε ένα τέτοι σύστημα αυξηθεί η μάζα τότε η ιδιοσυχνότητά του θα μειωθεί. Αντιθέτως αν αυξηθεί η δυσκαμψία, τότε η ιδιοσυχνότητα θα μειωθεί [5]. Επειδή το σύστημα το οποίο πραγματεύεται αυτή η διατριβή είναι το μέσο ους, αυτό είναι η ιδιοσυχνότητα του μέσου ωτός. Αυτό έχει παρατηρηθεί ότι συμβαίνει σε συχνότητες περίπου 1000 Hz. Παρόλα αυτά δεν παρατηρείται κορεσμός στο 38

39 σύστημα. Δεδομένης της καμπύλης που διαμορφώνεται η συμπεριφορά του μέσου ωτός θα μπορούσε να παραλληλιστεί με αυτή ενός χαμηλοπερατού φίλτρου. 39

40 2.5 ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1] J.Tonndorf and S.M.Khanna, The Tympanic Membrane as a Part of the Middle Ear Transformer, Fowler Memorial Laboratory, College of Physicians & Surgeons, Columbia University, New York, NY, USA, 1971, Vol. 71, No. 1-6, Pages [2] E.G.Wever, M.Lawrence, K.N.Smith, The middle ear in sound conduction, Arch Otolaryngol. 1948;48(1): [3] H.L. Helmholtz, The sensation of tones (translated by Ellis AJ, 1954), New York, Dover, 1877 [4] G. Békésy, Experiments in hearing, New York, McGraw-Hill,1960 [5] J. Zwislocki, Analysis of the middle-ear function. Part 1: Input impedance, Journal of Acoustical Society of America, 34: , 1962 [6] S.Puria, Measurements of human middle ear forward and reverse acoustics: Implications for otoacoustic emissions, J. Acoust. Soc. Am. Volume 113, Issue 5, pp , [7] S.N.Merchant, M.E.Ravicz, S.E.Voss, W.T.Peake and J.J.Rosowski, Middle ear mechanics in normal, diseased and reconstructed ears, The Journal of Laryngology & Otology, Volume 112, Issue 08, August 1998, pp [8] G.Vlaming, L.Feenstra, Studies on the mechanics of the normal human middle ear, Clinical Otolaryngology & Applied Sciences, vol. 11, issue 5, pp , 1986 [9] K.B.Huttenbrink, The mechanics of the middle-ear at static air pressures: The role of the ossicular joints, the function of the middle ear muscles and the behavior of stapedial prostheses, Acta Oto-laryngologica, Vol. 105, No. s451, Pages 1-35, [10] S.N.Merchant, M.E.Ravicz, S.E.Voss, W.T.Peake and J.J.Rosowski, Analysis of middle ear mechanics and application to diseased and reconstructed ears, Am J Otol., ,

41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο : ΤΥΜΠΑΝΟΜΕΤΡΙΑ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Γενικά χαρακτηριστικά Η τυμπανομετρία είναι η εξέταση η οποία ελέγχει την κατάσταση του μέσου ωτός, την κινητικότητα του τυμπανικού υμένα και τη διαδικασία μεταβίβασης των οσταρίων. Αυτό επιτυγχάνεται με τη δημιουργία διαφοροποιήσεων στην πίεση του αέρα στο έξω ους. Είναι ένας αντικειμενικός έλεγχος της λειτουργίας του μέσου ωτός και δεν προσφέρει μια πλήρη ακουολογική εξέταση. Είναι περισσότερο μία μέτρηση της μεταφοράς ενέργειας κατά μήκος του μέσου ωτός. Η εξέταση δε χρησιμοποιείται για να εκτιμηθεί η ευαισθησία της ακοής και τα αποτελέσματα πρέπει να εκτιμηθούν σε συνδυασμό με καθαρά τονική ακουομετρία. Είναι πολύ σημαντικό εργαλείο στη διαδικασία της ακουομετρικής αξιολόγησης. Όσον αφορά στην αξιολόγηση απώλειας ακοής, η τυμπανομετρία προσφέρει σαφή διαφοροποίηση μεταξύ νευροαισθητήριας και αγώγιμης απώλειας ακοής όταν αυτό δεν είναι προφανές. Αυτό γίνεται μέσω δύο εξετάσεων: Την Weber και την Rinne [1]. Αυτές οι εξετάσεις παρέχουν μία ξεκάθαρη γραφική αναπαράσταση της σχέσης μεταξύ της πίεσης του αέρα στον έξω ους και την εμπέδηση του τυμπανικού υμένα και του μέσου ωτός. Η μέτρηση της εμπέδησης εξετάζει την ακουστική αντίσταση του μέσου ωτός. Όταν ένα ηχητικό κύμα προσκρούει στον τυμπανικό υμένα, το μεγαλύτερο μέρος του ανακλάται αλλά μέρος του περνάει μέσω του μέσου ωτός στο έσω ους. Με τη βοήθεια αυτών των εξετάσεων μπορεί να γίνει έλεγχος της ακεραιότητας της τυμπανικής μεμβράνης (αν υπάρχει διάτρηση ή όχι), να διαπιστωθεί αν δυσλειτουργεί η Ευσταχιανή σάλπιγγα και αν υπάρχει υγρό στο αυτί (συχνή πάθηση στα παιδιά), να εκτιμηθεί αν υπάρχουν ουλές στην τυμπανική μεμβράνη από παλιές φλεγμονές 41

42 (ωτίτιδες) και να ελεγχθούν τα ακουστικά αντανακλαστικά [2]. Η εξέταση γίνεται με τη βοήθεια ενός βύσματος που τοποθετείται στην είσοδο του έξω ακουστικού πόρου (στο αυτί), είναι ανώδυνη και πολύ εύκολη και διαρκεί λίγα δευτερόλεπτα για το κάθε αυτί. Το ακοόγραμμα είναι μια ειδική εξέταση με την οποία ελέγχεται η ακουστική ικανότητα του ασθενούς. Με άλλα λόγια, μπορούμε με το ακοόγραμμα να δούμε αν η ακοή βρίσκεται εντός φυσιολογικών ορίων ή υπάρχει κάποιου βαθμού βαρηκοΐα. Στην δεύτερη περίπτωση, μπορούμε να ελέγξουμε αν αυτή η βαρηκοΐα οφείλεται σε βλάβη του ακουστικού νεύρου ή του συστήματος μεταφοράς του ήχου ή και στα δύο. Η εξέταση είναι απλή, γίνεται μέσα σε ειδικά διαμορφωμένο - ηχομονωμένο θάλαμο και διαρκεί λίγα λεπτά. Ο ασθενής φορώντας ακουστικά προσπαθεί να αναγνωρίσει διαφορετικής έντασης και συχνότητας ήχους που του δίνονται, και πατώντας ένα διακόπτη να ενημερώσει για το ποιους ήχους ακούει. Στη συνέχεια οι απαντήσεις καταγράφονται και αξιολογούνται, προσφέροντας μια εκτίμηση για την κατάσταση της ακοής του εξεταζόμενου Τυμπανόγραμμα Ακουόγραμμα Η τυμπανομετρία χρησιμοιείται συστηματικά σε κλινικές εξετάσεις από τις αρχές της δεκαετίας του 70. Τα εργαλεία ακουστικής αγωγιμότητας της πρώτης γενιάς μετρούσαν μόνο το μέγεθος της ακουστικής αγωγιμότητας χρησιμοποιώντας ένα απλό καθετήρα τόνων χαμηλών συχνοτήτων σε μία συχνότητα. Η επόμενη γενιά μπορύσε να εκτελεί μετρήσεις σε δύο συχνότητες [3]. Με την εισαγωγή των ηλεκτρονικών υπολογιστών στον τομέα, οι μετρήσεις ακουστικής αγωγιμότητας έγιναν πιο εξελιγμένες και αυξήσαν σε μεγάλο βαθμό την κατανόηση των δεδομένων που αποκομίζονταν. Πριν αναλυθεί περαιτέρω η λειτουργία του ακουογράμματος υπάρχουν κάποιες ορολογίες που πρέπει να θεωρούνται δεδομένες. 42