СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И РАСЧЕТА ЛИНЕЙНЫХ ПАРАМЕТРОВ НАРУЖНОГО СЛУХОВОГО ПРОХОДА УХА ЧЕЛОВЕКА Российский патент 2002 года по МПК A61B5/00 

Изобретение относится к медицинской технике и практике, в частности к оториноларингологии, конкретно к аудиологическим методам исследования слуха человека.

Известно [1] , что в результате интерференции волн одинаковой частоты и амплитуды, распространяющихся навстречу друг другу, образуются стоячие волны. Если этот эффект наблюдается для столба газа (воздуха) в цилиндрической трубке-резонаторе (фиг.1), то в ней, как следствие интерференции, устанавливаются стоячие волны, причем у закрытого конца трубки располагаются пучности звукового давления Δp = Δp_o (или, что то же самое, узлы смещения звуковых волн s=0), а у открытого - узлы звукового давления Δр=0 (или пучности смещения волн s=s_o). При этом, если прямая волна S_d(x, t) с амплитудой S_o описывается уравнением
S_d(x, t)=S_osin(ωt-kx),
то отраженная волна S_r(x, t) будет иметь вид
S_r(x,t) = S_o•sin(ωt+kx+φ),
где φ_o - начальная фаза отраженной волны. Их результирующая S_w(x, t), равная

устанавливает уравнение стоячей волны.

Амплитуда стоячей волны S_ст
S_ст = 2S_o|cos(kx+φ_o/2)|,
увеличивается, а значит, увеличивается их энергия, пропорциональная квадрату амплитуды волны, и интенсивность. Если интенсивность бегущей волны

то для стоячей волны в максимумах

она увеличивается за счет ее ослабления в узлах стоячей волны. Ощущением увеличения интенсивности звука ухом человека, как усиление его громкости, устанавливается факт существования стоячих волн в таком резонаторе.

При заданной длине трубки-резонатора L и скорости распространения звука v по известным соотношениям [1] можно рассчитать частоту стоячей волны и ее длину или, что то же самое, частоту самой звуковой волны и ее длину где n=1,2,3,....

При этом частоты стоячих волн ν_ст. принимают только определенные, дискретные, значения, называемые собственными, или характеристическими, частотами резонатора.

Феномен возникновения стоячих волн проявляется и для наружного слухового прохода уха человека [2]. Колебания воздуха в таком резонаторе можно уподобить колебаниям газа в трубке, закрытой с одного конца и открытой с другого. Но при этом решается задача, обратная [1], для которой по установленной частоте звука ν или характеристической его частоте ν_ст производится расчет длины L наружного слухового прохода

где n=1, 2, 3,... .

В настоящее время именно этот метод служит для расчета длины наружного слухового прохода уха человека [3]. По экспериментальным данным для стандартного уха человека при температуре воздуха t=20^oС, для которой скорость распространения звука v= 342 м/с, значение характеристической частоты, определенное по аудиометрической кривой, составляет ν_ст=3150 Гц. Такая частота соответствует величине длины наружного слухового прохода уха человека, вычисленной с использованием формулы (1) при n=1, равной L=2,71 см.

Целью данного изобретения является обоснование и построение (на основе аудиометрических исследований слуха и биофизических процессов в наружном слуховом проходе) способа определения и расчета биофизических линейных параметров наружного слухового прохода уха человека: минимальную (проксимальную), максимальную (дистальную) и апикальную (пупочную) длину наружного слухового прохода.

В качестве аналога способа определения и расчета биофизических линейных параметров наружного слухового прохода уха человека рассматривается задача, обратная физической [1] по определению частоты стоячей волны по известной длине трубки, в которой возникают стоячие волны, и аудиометрия как способ установления спектральной характеристики уха на пороге слышимости [4]
Сущность данного изобретения заключается в следующем:
Аудиометрическая практика показывает [2-4], что максимальная чувствительность уха, определяющаяся по восприятию минимума звуковой энергии (интенсивности звука или звукового давления) при характеристической частоте наружного слухового прохода как трубки-резонатора, располагается в диапазоне 2-5 кГц. Для этих частот на общее звуковое давление на барабанную перепонку накладывается добавочное, обусловленное появлением стоячих волн, за счет чего увеличивается и громкость звука на этих частотах. Поэтому при аудиометрии на пороге слышимости необходимо снижать уровень интенсивности звука, что соответствует появлению дополнительного экстремума (минимума) на аудиограмме (фиг.2). Это означает, что аудиометрический метод исследования слуха позволяет по аудиограмме определить частоту максимального восприятия звуковой энергии (интенсивности звука или звукового давления), соответствующую характеристической частоте •ν_ст, и рассчитать среднее значение длины L наружного слухового прохода уха человека.

Но такой подход не полностью учитывает биофизические процессы, происходящие в наружном слуховом проходе, и позволяет рассчитать только так называемую среднюю длину наружного слухового прохода без уточнения физического смысла данного понятия.

Утверждение (О. В. Самойлов, 1986), что резонансная кривая наружного слухового прохода уха человека, как звукового резонатора, имеет уплощенную форму (объективно). Однако приведенное объяснение природы данного феномена небольшой величиной его добротности, как колебательной системы, не вполне корректно. Наружный слуховой проход (фиг.3) замыкается изнутри барабанной перепонкой, имеющей форму конуса с основанием, совпадающим с плоскостью ее кольца и составляющим с осью прохода некоторый угол (J.A.Donaldson, J.M. Niller, 1983). Отражение от барабанной перепонки звуковых волн, участвующих в образовании стоячих, происходит не ото всей поверхности перепонки сразу.

Расстояние от открытого конца прохода (фиг.4) до барабанной перепонки, как длина трубки-резонатора, не является постоянной величиной. Поэтому для такой резонирующей системы, как наружный слуховой проход, частоты ν_ст (длины λ_ст) стоячих волн не являются характеристическими в физическом смысле. По этой же причине для такой колебательной системы в отличие от [1] также не будет (и не должно) наблюдаться дискретности значений частот резонатора.

Биофизическое моделирование стоячих волн в трубке с косым основанием показывает, что частоты ν_ст,i звуковых волн, участвующих в образовании стоячих волн в наружном слуховом проходе, в этом случае будут составлять определенный диапазон •Δν_ст.
Такой же эффект будет просматриваться и на барабанной перепонке, на аудиограмме отождествляемый с диапазоном максимальной чувствительностью уха.

Экспериментальное установление опорных частот диапазона максимальной чувствительности уха: ν_min, ν_apex, ν_max позволяют ввести в практику медицины новые, линейные, параметры для описания наружного слухового прохода (фиг. 4), дать им определение и графическое представление, указать способ их расчета (для n=1):
1) проксимальная (минимальная) длина наружного слухового прохода L_prox - минимальное расстояние от его начала до барабанной перепонки (этому значению соответствует минимальная частота из установленного диапазона чувствительности уха ν_min)
L_prox = v/(4ν_max),
2) апикальная длина наружного слухового прохода L_apex - расстояние по его продольной оси от его начала до апекса (пупка, umbo) барабанной перепонки (этому значению соответствует пиковая частота на аудиограмме - частота минимума на аудиограмме ν_apex)
L_apex = v/(4ν_apex),
3) дистальная длина наружного слухового прохода L_dist - максимальное расстояние от его начала до барабанной перепонки (этому значению соответствует минимальная частота из установленного диапазона ν_min)
L_dist = v/(4ν_min).
Так, для пациента, для которого приведена экспериментальная аудиограмма (фиг. 5), математический расчет, проведенный в системе MathCAD PLUS 6.0/7.0/2000 Pro [6], для экспериментально установленных частот ν_k=2,8; 3,0, 3,2, 3,6, 4,0 кГц, дает следующие результаты: L_prox=2,138, L_арех=2,672, L_dist= 3,054 см. На этой же иллюстрации представлен профиль (продольный разрез) наружного уха пациента.

Эти величины дают наглядное представление о строении наружного слухового прохода и неинвазивный способ расчета его линейных параметров.

ЛИТЕРАТУРА
1. Яворский Б.И., Детлаф А.А. Справочник по физике. - М.: ФМ. - 1990.

2. Физиология сенсорных систем. / Под ред. А.И. Батуева. - М., - Медицина. -1976.

3. Robinson D.W., Dadson R.S. // Brit. J. Appl. Phys. - 1956. - V.7. - P. 166-181.

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

5. Медицинская биофизика. /Под ред. О.В. Самойлова. - Л.: ВМА. - 1986.

6. Дьяконов В.П. Справочник по MathCAD PLUS 6.0 PRO. - М.: СК Пресс. - 1997.

Изобретение относится к медицине. Представлено биофизическое моделирование процесса образования стоячих волн в наружном слуховом проходе (как трубке-резонаторе с косым расположением основания), с помощью которого дано объяснение появления на аудиограмме диапазона максимальной чувствительности уха на пороге слышимости. Устанавливаются новые - линейные параметры наружного слухового прохода: его минимальная (проксимальная) длина L_dist- минимальное расстояние от начала прохода до кольца барабанной перепонки, которому соответствует максимальная частота из установленного диапазона чувствительности уха ν_min, L_prox=v/(4ν_max); средняя (апикальная, пупочная) длина прохода L_apex - расстояние по его продольной оси от начала до апекса (пупка) барабанной перепонки, которому соответствует частота минимума на аудиограмме ν_apex, L_apex= v/(4ν_apex); максимальная (дистальная) длина прохода L_dist - максимальное расстояние от его начала до барабанной перепонки, которому соответствует минимальная частота из установленного диапазона ν_min, L_dist= v/(4ν_min). Изобретение обеспечивает неинвазивный способ расчета линейных параметров строения наружного слухового прохода. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Способ определения и расчета линейных параметров наружного слухового прохода уха человека, основанный на задаче, обратной физической по определению частоте звуковой волны при известной длине трубки-резонатора, в которой возникают стоячие волны, тональной пороговой аудиометрии как клиническом методе исследования спектральной характеристики уха на пороге слышимости и констатации экспериментально установленного косого расположения барабанной перепонки по отношению к продольной оси наружного уха, отличающийся тем, что на основе физического и биофизического методов исследования звуковых процессов в наружном ухе (приводящих к появлению стоячих волн и их регистрации ухом как усиление громкости звука в диапазоне, отождествляемом с диапазоном максимальной чувствительности уха) в медицинскую практику вводят новые - линейные - параметры наружного слухового прохода и устанавливают их биологический смысл: его минимальную (проксимальную) длину - минимальное расстояние от начала прохода до кольца барабанной перепонки; среднюю (апикальную) длину - расстояние по его продольной оси от начала до апекса (пупка) барабанной перепонки; максимальную (дистальную) длину - максимальное расстояние от его начала до барабанной перепонки. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что экспериментально, по аудиограмме, устанавливают диапазон частот максимальной чувствительности уха и определяют его граничные (минимальное и максимальное) и пиковое значения: максимальную частоту ν_min и по формуле L_prox= v/(4ν_max) производят расчет минимальной (проксимальной) длины наружного слухового прохода; тем же способом определяют минимальную и пиковую частоты того же диапазона ν_min и ν_apex, и по формулам L_dist= v/(4ν_min) и L_apex= v/(4ν_apex) производят расчет максимальной (дистальной) и средней (апикальной) его длины соответственно.