СПОСОБ УСТАНОВЛЕНИЯ КООРДИНАТНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ ВОЛОСКОВЫХ КЛЕТОК НА БАЗИЛЯРНОЙ ПЛАСТИНКЕ ПЕРИФЕРИЧЕСКОГО ОТДЕЛА СЛУХОВОГО АНАЛИЗАТОРА ЧЕЛОВЕКА Российский патент 2002 года по МПК A61B5/12 

Изобретение относится к медицинской технике и практике, в частности к оториноларингологии, конкретно к моделированию процессов, происходящих в периферическом отделе слухового анализатора.

Установлено, что во внутреннем ряду периферического отдела слухового анализатора стандартного уха человека содержится порядка 3000-3500 волосковых клеток [1], линейно расположенных на базилярной пластинке [3]. Характер же их распределения не установлен. Можно только высказать предположения о среднем расстоянии между ними [3]. Но данная величина оказывается далекой от истинной, что затрудняет выяснение физиологических функций этих клеток. Поэтому вопрос о координатном распределении волосковых клеток внутреннего ряда на базилярной пластинке является весьма актуальной теоретической проблемой и практической задачей.

Целью дачного изобретения является построение биофизического способа установления координатного распределения внутренних волосковых клеток на базилярной пластинке периферического отдела слухового анализатора и установления расстояния между ними.

Аналогом предлагаемого способа является электронная микроскопия [2]. Однако ее точность не превышает рассчитанных средних значений. К тому же установить значение расстояния между внутренними волосковыми клетками во всех отделах улиткового протока весьма затруднительно ввиду колоссального числа волосковых клеток и достаточно большой длины базилярной пластинки. Поэтому удовлетворить потребности современной науки в решении указанной проблемы электронная микроскопия не может.

Сущность изобретения заключается в следующем:
Существующая в настоящее время экспериментальная модель (Н.F. Schuknecht, 1979; цитируется по [4]) в подходе к разработке проблемы слуховых ощущений по представлениям Н.Не1mholtz (1863; [5], в изложении по [6]) феноменологически определяет распределение по частотам координат базилярной пластинки, воспринимающих звук соответствующей частоты. С помощью методов математической статистики и компьютерной системы МаthCAD [7] можно показать, что экспериментальная модель по Schuknecht's scale с ее дискретными результатами [4] (фиг. 1, а, для некоторых фиксированных частот 20, 200, 2000, 20000 Гц) представляется функционально аналитическим соотношением (фиг.1, б)
Δl_s(f) = L_o•2^2lg(f/fmo), (1)
где Δl_s(f) - отсчитываемая от апекса улиткового протока координата базилярной пластинки стандартной длины L_o=32 мм, на которой расположена волосковая клетка, воспринимающая звук частотой f при максимальной воспринимаемой ухом частоте звука f_mo=20 кГц. Schuknecht's sca1е совпадает с экспериментальными данными G. Bekesy ([8], по [1]) и является биофизической шкалой соответствия распределения по частотам координат базилярной пластинки, воспринимающих звук соответствующей частоты.

Используя метод наименьших квадратов, можно установить аналитическое соответствие частоты поступающего в ухо звука (в герцах) высоте воспринимаемого слухом тона (в мелах) [3]. Оно определяется функционально соотношением (график функции представлен на фиг.2)

где Р(f) - высота воспринимаемого слухом тона для поступающего в ухо звука частотой f при максимальной воспринимаемой ухом частоте f_mо=20 кГц, которой соответствует максимально воспринимаемая слухом высота тона Р_o-3252 мел, рассчитанная для выполнения декларативного условия [9], что при стандартной частоте f_ст=1000 Гц опорная высота тона Р(f_ст)=1000 мел и при f_o=20 Гц Р(f_o)= 0 мел. Следует отметить, что высота тона является целочисленной величиной, причем максимальное значение высоты тонов, воспринимаемых слухом Р_о=3252 мел, точно соответствует числу волосковых клеток внутреннего ряда, а значит, за восприятие высоты тона ответственны именно эти клетки.

С помощью представленного соотношения (2) можно рассчитать диапазон частот Δf(P), который слух воспринимает как тон одной высоты P(Δf). Число тонов Р_о, воспринимаемых человеком, определяет количество этих интервалов в общем звуковом диапазоне, и по величине совпадает с числом внутренних волосковых клеток N_mо на базилярной пластинке, а номер тона P(Δf) можно отождествить с порядковым номером внутренней волосковой клеткой на базилярной пластинке, отсчитываемым от ее апекса.

Установив при помощи соотношения (2) значения частот, соответствующих целочисленным значениям высот тонов Р или номерам волосковых клеток внутреннего ряда N, при помощь формулы

появляется возможность в согласии с соотношением (1) определить координаты волосковых клеток в соответствии с их номерами на базилярной пластинке Δl_S(N) при отсчете от ее апекса.

Формулы (3) и (1) устанавливают координатное распределение внутренних волосковых клеток на базилярной пластинке периферического отдела слухового анализатора человека.

Очевидное равенство
Δl(N+1)-Δl(N) = λ(N), (4)
определяет λ(N) как расстояние между соседними волосковыми клетками наружного ряда.

На фиг. 3 представлен способ расчета координатного распределения внутренних волосковых клеток на базилярной пластинке и расстояний между ними. В блоке а) даны начальные условия и приведены установленные соотношения (1), (3), (4). Далее представлены результаты расчета искомых величин для всего звукового диапазона в обычном и логарифмическом масштабе для Δl(N) в блоке б) и для λ(N) в блоке в). Другие блоки в укрупненном масштабе иллюстрируют графически указанные соотношения для первого (блок в), последнего (блок г) и срединного (блок д) десятков волосковых клеток.

Неоднородность координатного расположения (распределения внутренних волосковых клеток на базилярной пластинке элегантно поддерживается физиологическим и психофизическим подходом в его трактовке. Узость базилярной пластинки в ее базальной части требует белеет разреженного на ней распределения волосковых клеток, что и подтверждается расчетами их распределения для последнего (блок д) фиг.3) десятка волосковых клеток, для которого расстояние между ними составляет интервал от 0,007 до 0,374 мм. Напротив, уширение базилярной пластинки к апексу позволяет более плотное распределение волосковых клеток; однако, наблюдаемое естественное сокращение длины базилярной пластинки в ее апикальной части вследствие разрушения из-за постоянного воздействия звуковых волн при плотном распределении клеток приведет к уничтожению клеток в значительном количестве; поэтому природой предусмотрено в этой части базилярной пластинки неплотное их распределение с интервалом от 0,026 до 0,015 мм для первого их десятка (блок г) фиг.3). Что же касается остальных клеток, то можно отметить, что для подавляющего их большинства (блок в) фиг.3) среднее расстояние в большом диапазоне от 0,004 мм в области тысячного мела (тысячной клетки в отсчете от апекса) до 0,006 мм в областях более восьмидесятого и менее двух тысяч ста двадцатого мела, где их распределение почти равномерное.

Источники информации
1. Гистология. /Под ред. В.Г. Елисеева, Ю.И. Афанасьева, Е.А. Юриной. - М.: Медицина. - 1983.

2. Албертс В., Брей Д., Льюис Дж., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки. Т. 5. /Пер. с англ. - М.: Мир. - 1987. - С. 121 - 123.

3. Гельфанд С. А. Слух: введение в психологическую и физиологическую акустику. /Пер. с англ. - М.: Медицина. - 1984.

4. Schuknecht Н. F. Раthоlоgу оf thе Еаr. А Сommonwealth Fund Book./ Harward Univ. Press. - Cambridgem Massachusets. - 1974.

5. Нelmholz Н. L. F. Diе Lehre von Tonempfindungen. Drauns - chweig. - 1863. - (Рус. пер. Петрова. - СПб. - 1875).

6. Руководство по оториноларингологии. /Под ред. И.Б. Солдатова. - М.: Медицина. - 1994.

7. Дьяконов В.П. Справочник по МаthCAD РLUS 6.0 РRО. - М.: СК Пресс. - 1997.

8. Stevens S.S. Volkman J. Тhе relation оf рitch tо freguency: А revised scale. // Amer. J. Psych - 1940. - V. 52. - Р. 329 - 353.

9. Русаков И.Г. // БСЭ. - Т. 16. - 1974. - С. 38-39.

Способ может быть использован в медицине, а именно в отоларингологии. Представляют аналитическое соответствие частоты поступающего в ухо звука высоте воспринимаемого слухом тона. Отождествляют высоту тона с номером волосковой клетки внутреннего ряда. Устанавливают координатное распределение внутренних волосковых клеток на базилярной пластинке периферического отдела слухового анализатора человека методом наименьших квадратов. Способ позволяет повысить точность исследования. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ установления координатного распределения внутренних волосковых клеток на базилярной пластинке периферического отдела слухового анализатора человека, отличающийся тем, что методом наименьших квадратов устанавливают аналитическое соответствие высоты воспринимаемого слухом тона частоте поступающего в ухо звука, отождествляют номер тона с порядковым номером внутренней волосковой клетки на базилярной пластинке, отсчитываемым от ее апекса, определяют диапазон частот, воспринимаемых слухом как тон одной высоты, и его номер в общем звуковом диапазоне, рассчитывают координатное распределение волосковых клеток на базилярной пластинке, отсчитывая от ее апекса. 2. Способ установления координатного распределения внутренних волосковых клеток на базилярной пластинке периферического отдела слухового анализатора человека по п. 1, отличающийся тем, что, устанавливая координатное распределение внутренних волосковых клеток на базилярной пластинке, рассчитывают расстояния между любыми произвольными волосковыми клетками внутреннего ряда.