Одеський національний медичний університет Кафедра Біофізики, інформатики та медапаратури Методична розробка

студентам 1 курсу щодо вивчення теми:

Акустика, фізика слуху

Затверджено

на методичній нараді кафедри

Протокол № від “ ” 2010 р.

Зав. кафедрою

Перезатверджено

на методичній нараді кафедри

Протокол № від “ ” 2010 р.

Зав. кафедрою

Одеса - 2010 р.

1. Тема: “Біоакустика” – 2 год.

2. Актуальність теми, професійна спрямованість:

Актуальність вивчення даної теми обумовлено широким використанням акустичних явищ, законів акустики у життєдіяльності організму людини та під час взаємодії людини з оточуючим середовищем. Питання, якими займається акустика, є дуже різноманітними. Так, фізична акустика вивчає характеристики звукових коливань та фізичні явища, що обумовлюють ті чи інші характеристики звуку. Промислова акустика вивчає розповсюдження звуків у приміщеннях, вплив інфразвукових та звукових коливань на працездатність людини, що є одним з важливих питань гігієни праці.

Біологічна акустика розглядає питання звукового та ультразвукового спілкування тварин, вивчає механізм локації, досліджує також проблеми шумів, вібрацій, їх вплив на життєдіяльність людини.

Фізіологічна акустика досліджує можливості органів слуху, їх побудову та дію. За останній час у зв’язку з розвитком кібернетики перед фізіологічною акустикою повстала дуже важлива проблема аналізу та синтезу звукової річи людини. Ця проблема є важливою при проектуванні роботів-маніпуляторів та ЕОМ, що реагують на голос оператора.

В медицині широко використаються звукові та ультразвукові методи дії на організм людини та різноманітні діагностичні методи.

3. Навчальні ціли заняття:

В результаті даного заняття студенти повинні:

Знати:

- природу звукових хвиль та особливості їх розповсюдження в біооб’єктах;

• основні фізичні характеристики звукової хвилі;

• фізичні процеси, що тривають в біооб’єктах під дією звуків чутного діапазону, інфразвуку та ультразвуку;

• основні характеристики слухового спочуття;

• побудова вуха та функціональні особливості окремих частин слухового апарату людини;

• біофізичні основи механізму виникнення слухових почуттів;

• принцип дії, фізичні основи та призначення медичних приладів, заснованих на законах акустики;

• поняття дисперсії порогу чутності та больового порогу;

• побудову аудіометру та методики проведення тональної та надтональної аудіометрії.

• основні звукові методи дослідження в медицині;

• галузі застосування інфразвуку та ультразвуку в медицині.

Вміти:

• застосовувати закон Вебера-Фехнера для визначення рівня сили звуку по відомим значенням інтенсивності звуку;

• застосовувати закон Вебера-Фехнера для находження інтенсивності звуку по відомим значенням рівня сили звуку;

- проводити роботу з аудіометром, зняття аудіограми на порозі чутності;

- проводити інтерпретацію аудіограми, одержаної для повітряної та кісткової провідності звуку;

- використати відповідні формул інтенсивності звуку, рівня сили звуку, швидкості розповсюдження звуку (ультразвуку), акустичного опіру для підрахунку даних величин при діагностичних дослідженнях;

- використати криві рівної гучності для визначення рівня гучності звуків визначеної частоти по значенням рівня сили звуку.

4. Шляхи реалізації цілей заняття:

Для реалізації цілей заняття для студента є необхідними базисні знання:

1. Поняття про основні акустичні поняття – звук, види звуку – тон, шум, звуковий удар.

2. Уявлення про основні характеристики хвильових процесів, зв’язок між ними та їх одиниці вимірювання в СІ.

3. Фізичний зміст явища резонансу.

4. Уявлення про основні характеристики звуку, різниця між об’єктивними та суб’єктивними характеристиками.

5. Вирази для інтенсивності, гучності, звукового тиску та їх одиниці вимірювання в СІ.

6. Уявлення про акустичний опір.

7. Поняття реверберації звуку, час реверберації.

5. Завдання з еталонами відповідей (для самоперевірки студентами початкового рівня знань).

1. Яка фізична величина вимірюється у Вт/м²?

2. Яка фізична величина вимірюється у белах?

3. Яка фізична величина вимірюється у децибелах?

4. Яка фізична величина вимірюється у фонах?

5. Швидкість розповсюдження звуку залежить від частоти.

А. Правильно В. Неправильно.

6. Акустична провідність – це величина, зворотна до акустичного опіру.

А. Правильно В. Неправильно.

А. Рівень інтенсивності звуку; В. Рівень гучністи звуку; З. Інтенсивність звуку; Д. Енергія звукових коливань.

Відповіді: 1-З; 2-А,В; 3-А; 4-В; 5-В; 6-А

6. Інформацію для закріплення базисних знань-вмінь можна знайти у посібниках:

1. Ландсберг Г.С. Елементарний учбовник фізики, 1971, т.1, с. 48-59, 126-127.

2. Ремізов А.Н. Медична та біологічна фізика, 1987, с. 151-169.

3. Ремізов А.Н. Медична та біологічна фізика, 1982, с. .

7. Зміст учбового матеріалу даної теми:

Основні поняття даної теми: звук, ультразвук, інфразвук, звукосприймальний апарат, поріг чутності, поріг больового почуття, реверберація, бінауральний ефект, аудіометрія, аудіограма.

Основні фізичні явища та процеси: розповсюдження звуку, робота різних відділів звукосприймального апарату, перетворення акустичних сигналів в біоелектричні, акустичний опір, реверберація.

Основні формули та закони: формули для зв’язку між об’єктивними та суб’єктивними характеристиками (закон Вебера-Фехнера), для часу реверберації, звукового тиску та акустичного опору.

Основні фізичні величини: амплітуда, частота, звуковий тиск, інтенсивність, гучність, час реверберації.

Основні методики медико-біологічних досліджень: аудіометрія, ехокар- діографія.

Основні медичні прилади: ехокардіограф, аудіометр, аналізатор, стетоскоп.

Основні поняття акустики.

1. Акустика – галузь фізики, що вивчає коливання та хвилі в пружному середовищі. Часто під акустикою розуміють галузь фізики, що вивчає звук. Звук – це пружні коливання та хвилі з частотами від 16 до 20000Гц (20кГц), які сприймаються органами слуху людини. Якщо частота є нижчою за 16Гц, то такий звук має назву інфразвук, а якщо частота перевищує 20кГц – це ультразвук. В обох випадках такі хвилі не сприймаються людиною як звук, що можна чути, але вони здатні оказувати вплив на організм (про це далі буде говоритись більш подрібно). Звуки розповсюджуються в газах, рідинах та твердих тілах. Під час проходженні звуків через межу двох середовищ вони можуть відбиватися та заломлюватися; закони відбиття та заломлення звуку є подібними до таких для світла.

2. Різноманітність звуків нескінченна, але усі вони можуть бути розподілені на три групи.

а) Музикальні звуки, або тони – звуки, що є періодичними процесами. До них відносяться, наприклад, голосні звуки річі. Якщо цей процес – гармонічний, тон має назву простого, або чистого. Якщо коливання негармонічні (ангармонічні), то тон має назву складного. Складний тон можливо розкласти на прості; найменша частота такого розкладення має назву частоти основного тона, інші гармоникі (обертони) мають частоти, кратні до цей величини. Набір частот з вказаним значенням їх відносної інтенсивності має назву акустичного спектру. .

б) Шуми – звуки, які відрізняються складною залежністю від часу. До них відносяться согласні звуки річі, шум моря, багато техногенних звуків.

з) Звукові удари – короткочасні звукові дії, наприклад, в результаті вибуху.

Фізичні характеристики звуку можуть бути розподілені на дві категорії: об’єктивні та суб’єктивні.

3. Об’єктивними називаються такі характеристики, які можуть бути кількісно оцінені якимось приладом незалежно від враження людини. Найважливішими об’єктивними характеристиками звуку є: 1) частота звуку, 2) звуковий тиск p, та 3) інтенсивність I. Звуковий тиск, що виникає під час проходженні звукових хвиль в рідкому або газовому середовищі, залежить від густини середовища , швидкості частинок середовища, що створюють коливання, v, та швидкості хвилі у середовищі c: .

Інтенсивність звуку I визначається вектором Умова. Для плоскої хвилі інтенсивність пов’язано зі звуковим тиском залежністю:

(1).

Вухо людини здатне сприймати звуки у дуже широкому діапазоні інтенсівностей. Для частоти 1кГц цей діапазон - від , абоПа (так званийпорог чутності) і до , абоПа (порог больового почуття). Ці величини відрізняються у разів, тому для розрахунків та графічного представлення цих величин краще використати логарифмічну шкалу. Порог чутностіприймають за початковий рівень шкали, а будь-яку іншу інтенсивністьI виражають через десятинний логарифм її відношення до та вимірюють у Белах (Б) :

, або, через звуковий тиск, (2).

Дуже поширеними є менші одиниці – децибели (дБ). Під час їх використанні:

, або (3).

4. Суб’єктивними називають характеристики, що залежать від сприяття людини. До них відносяться: 1) висота звуку, 2) тембр та 3)гучність. Висота звуку залежить головним чином від частоти основного тону, а тембр визначається спектральним складом звуку. Гучність звуку характеризує рівень слухового сприяття. Вона пов’язана з інтенсивністю т. з. психофізичним законом Вебера – Фехнера.

За цим законом, під час збільшенні інтенсивності звуку в геометричній прогресії (тобто в однакову кількість разів) його гучність зростає лише в арифметичній прогресії (тобто на однакову величину), тобто гучність звуку пропорційна логарифму його інтенсивності.

, де - порог чутності (4).

Одиниця виміряння гучності – Фон (Ф). Значення коефіцієнту k суттєво залежить від частоти та інтенсивності звуку. Рахують, що за частоту 1кГц k=1. В цьому випадку наведена формула є ідентичною формулі для рівня інтенсивності, та їх шкали співпадають, тобто гучність можна вимірять в белах та децибелах.

, (5).

Під час інших частотах звуку гучність можна вимірити, порівнюючи звук, що досліджують, зі звуком частотою 1 кГц, який можна створити за допомогою звукового генератора. Інтенсивність цього звуку підбирають такою, щоб виникло слухове враження, аналогічне враженню від гучності звуку, що досліджується. Під час цьому рівень інтенсивності звуку з частотою 1кГц, виміряний приладом, буде дорівнювати гучності звуку, що досліджується (в фонах).

Біофізика слуху.

5. Мозок людини сприймає звукову інформацію за допомогою слухової системи. Для розгляду механізму роботи цієї системи слуховий апарат звичайно розподіляють на три частини - зовнішнє, середнє та внутрішнє вухо. До системи внутрішнього вуха відноситься також вестибулярний апарат, хоч його робота і не є пов’язаною з сприяттям звуків.

Зовнішнє вухо складається з вушної раковини та зовнішнього слухового проходу. Наявність двох звукоприймачів (вух) дозволяє людині визначити напрямок на джерело звуку (бінауральний ефект), якщо це джерело розташоване в сагітальній плоскості.

Середнє вухо служить для передачі внутрішньому вуху як можна більшій інтенсивності звуку. В той же час середнє вухо повинно обмежувати інтенсивність, якщо її рівень для внутрішнього вуха є надто великим. Після слухового проходу, звукова хвиля попадає на барабанну перепонку (площа S=64) та спричиняє її коливання. Барабанна перепонка механічно пов’язана із системою слухових кісточок, в яку входятьмолоточок, наковальня та стрім’ячко. Таким чином, механічні коливання барабанної перепонки передаються молоточку, а від нього через наковальню – стрім’ячку, яке пов’язане з овальним вікном внутрішнього вуха (площа S=3). Під час необхідності ослаблення інтенсивності звуку робиться шляхом рефлекторного розслаблення м’язів кісточок середнього вуха.

Звукосприймаюча частина внутрішнього вуха є кістковим створенням в вигляді конусовидного спиралю з 2.75 оборотами, довжиною близько 35 мм – так звана улітка. Внутрішню полость улітки заповнено рідиною, яка, таким чином, передає коливання від барабанної перепонки через систему слухових кісточок. Принцип дії улітки міститься в тому, що в ній коливання рідини – перілімфи – сприймаються системою кортієвих струн, які з’єднано з розвітвленнями слухового нерва. Таким чином, кортієв орган перетворює коливання рідини в електричний сигнал. Потім цей сигнал по слуховому нерву передається в відповідний центр мозку.

Вухо людини здатне сприймати звуки в широкому діапазоні частот, але внутрі цього діапазону існує різниця в здатності сприяття звуку, в залежності від його частоти. Проходячи по зовнішньому слуховому проходу, звукова хвиля частково відбивається від барабанної перепонки. В результаті інтерференції падаючої та відбитої хвиль виникає акустичний резонанс. Під час довжині слухового проходу людини (в середньому) 23 мм резонанс буде виникати під час частоті:

кГц

За досвідом, порог чутності у людини на цій частоті найменший.

Звукові методи дослідження.

В медицині використовується цілий спектр звукових методів дослідження. До них відносяться, наприклад, аудіометрія, аускультація, перкусія, фонокардіографія та інші. Звук може використовуватися як джерело інформації про стан внутрішніх органів людини. Слухові методи дослідження належать до самих древніших в історії медицини, однак, вони до цього часу зберігають своє значення в клінічній практиці.

Аускультація (з лат. – “вислухування”) – один з методів акустичної діагностики. Аускультація робиться за допомогою приладу – стетоскопа, або фонендоскопа. Принцип роботи приладу міститься в тому, що до тіла хворого прикладається пола капсула з мембраною, що передає звук. Внутрі полої капсули виникає резонанс стовбуру повітря, в результаті чого звук підсилюється та передається по гумовим трубкам до вух лікаря.

Аускультація легенів дозволяє діагнозувати ряд захворювань по характерним дихальним шумам. За допомогою аускультації можна судити про стан серцевої діяльності (прослухування тонів та шумів серця), діяльності органів травлення (перистальтика шлунку та кішечника), прослуховувати серцебиття плоду.

Іншим розповсюдженим методом звукових досліджень є перкусія. В цьому методі вислуховують звучання окремих частин тіла (перкуторні звуки), що виникають під час їх простукування. Тіло людини можна представити як сукупність газонаповнених, рідких та твердих органів та тканин. Під час удару по поверхні тіла виникають коливання в широкому діапазоні частот. Деякі з них швидко загасають; але якщо частоти коливань співпадають з частотами власних коливань полостей організму, виникає резонанс, коливання підсилюються та становляться добре чутними. По тону перкуторних звуків досвідчений лікар може судити про стан та топографію внутрішніх органів.

Під час діагностики стану серцевої діяльності може проводитись графічна регістрація тонів та шумів серця. Цей метод має назву фонокардіографії (ФКГ). Одержана таким шляхом періодична крива має назву фонокардіограма, а прилад – фонокардіограф. Фонокардіограф складається з мікрофону, підсилювача, системи частотних фільтрів та регіструючого приладу.

7. В медицині ультразвуковим називають діапазон частот від 20кГц до Гц. Прилади, що створюють ультразвук, називаютьсяультразвуковими (УВ) випромінювачами. Найбільш розповсюджені електромеханічні випромінювачі. В них використається явище зворотного п’єзоефекту, яке міститься у механічній деформації кристалічних тіл під дією електричного поля. Відповідно, на підставі прямого п’єзоефекту можна створити приймач ультразвуку.

Ультразвук має широке поле медичних застосувань. Усі вони можуть бути розділені на діагностичні та терапевтичні. Частина цих застосувань обумовлена деякими особливостями його розповсюдження. Так, швидкість розповсюдження ультразвуку суттєво залежить від стану середовища. Це дозволяє використати ультразвук для досліджень у галузі молекулярної біології, конкретно – для вивчення молекулярних властивостей речовини. Маючи довжину хвилі значно меншу, ніж у звичайного звуку, ультразвук має інші умови дифракції та відбивається від предметів, які не є перешкодою для звукової хвилі. Ультразвук добре відбивається від поверхні полих органів, меж “м’яз - надкісниця – кість”. Це дозволило розробити методику ультразвукової локації (інтроскопії), або дослідження (УЗД), за допомогою якої можна визначати положення, форму та розміри неоднорідних включень в тілі людині. В дослідженнях використовується як неперервне УЗ-випромінювання (під час якого проводиться дослідження стоячої хвилі, яка виникає під час інтерференції падаючої та відбитої від межі розділу хвиль), так і імпульсне (безпосереднє застосування принципу локації – визначення відстані до об’єкту по відомій швидкості імпульсу та часу ходу). Ці методи використовуються під час енцефалографії, для ультразвукової кардіграфії, в офтальмології.

Субєктивні (психоакустичні) дослідження.

Психоакустичні методи складають основу сучасної аудіометрії. Вони передбачають обстеження слуху за допомогою "“живої"” мови, камертонів і спеціальних електроакустичних приладів – аудіометрів. Обстеження слуху за допомогою мови та камертонів називається акуметрією. Методи вимірювання гостроти чутності мають назву аудіометрії. За допомогою спеціального приладу (аудіометра) можна визначати поріг слухового сприяття пацієнта на різних частотах. В результаті одержують криву – графік залежності порігу слухового сприяття від частоти, ця крива має назву аудіограми. Різниця між аудіограмою пацієнта та нормальною кривою порігу слухового сприяття дає можливість діагностувати хвороби органів слуху.

1. Порігова тональна аудіометрія.

Тональний аудіометр дозволяє визначати слухові пороги шляхом повітряної та кісткової провідності в більш широкому діапазоні частот та з більшою точністю, ніж дослідження слуху камертонами. Наявність на тональній аудіограми різниці між рівнями порогів повітряної та кісткової провідності (кістково-повітряний інтервал) вважають за аудіологичний симптом кондуктивної туговухості.

2. Дослідження слуху ультразвуком.

Для дослідження слухової функції використається ефект виникнення почуття дуже високого тона під час дії ультразвуком на поверхню голови або шиї. Доказано, що пороги слухового почуття ультразвуку (до 225кГц) підвищуються при нейросенсорній туговухості та суттєво не змінюються при кондуктивній туговухості. Недоліком методу є той факт, що слухові почуття ультразвуку не підлягають маскуванню шумом, внаслідок чого важко запобігти помилок, пов’язаних з перепрослуховуванням.

3. Дослідження слуху модульованим ультразвуком.

Суть метода міститься у використанні сфокусованого та модульованого за амплітудою ультразвуку з несучою частотою близько МГц. УЗ фокусується на внутрішнім вусі та викликає виникнення тональних почуттів, висота яких відповідає частоті амплітудної модуляції. Дана методика могла б бути використана для проведення високочастотної аудіометрії шляхом кісткової провідності. Однак для цього необхідно доказати, що не виникає втрат енергії коливань частоти, що модулюється, за межи внутрішнього вуха.

4. Надпорігова тональна аудіометрія.

Цей метод дозволяє виявляти феномен прискореного та уповільненого збільшення гучності у хворих з нейросенсорною туговухістю. Метод засновано на вимірянні порогів слухового дискомфорту, тобто виникнення неприємних (надто гучних) слухових почуттів при звукових стимулах великої інтенсивності. У пацієнтів з нормальним слухом та хворих з нейросенсорною туговухістю різниця між слуховими порогами та порогами слухового дискомфорту є 90-100дБ. Метод використається при односторонній та двосторонній туговухості. Недоліком метода є те, що не кожний хворий є здатним точно оцінить виникнення слухового дискомфорту.

5. Речова аудіометрія.

Речові аудіограми регіструють в двохкоординатній системі, де по осі абсцис відмічають рівень інтенсивності речових стимулів для частоти 1кГц, по осі ординат – розбірливість річи (% правильно промовлених хворим річових стимулів).

Об’єктивні методи дослідження слуху.

З метою об’єктивного дослідження слуху найчастіше використають умовно-рефлекторні та електрофізиологичні методи, у тому числі засновані на реєстрації та аналізі слухових викликаних потенціалів (СВП). Цим терміном визначаються біоелектричні коливання, які виникають під час звукових роздратовувань в слуховій системі та можуть бути зареєстровані за допомогою цифрових комп’ютерів. З електроакустичних методів широко використається акустична імпедансометрія.

1. Акустична рефлексометрія.

Суть метода міститься у використанні звукових стимулів, які викликають рефлекторне скорочення стрім’янного м’язу. У пацієнтів з нормальним слухом скорочення цього м’язу виникає при рівні інтенсивності в 80-90дБ, при чому акустична стимуляція одного вуха викликає скорочення стрім’яних м’язів у обох вухах. Встановлено близькість порогів акустичних рефлексів до порогу слухового дискомфорту. Точне визначення цього рівня має велике значення в слухопротезуванні, особливо у дитячому віці. Можливість отримання за допомогою акустичної рефлексометрії відомостей про максимально допустимий рівень інтенсивності звукових стимулів, що генерує слуховий апарат, набуває важливого значення при підборі та регулюванні слухових апаратів у дитин молодшого віку.

2. Об’єктивна аудіометрія по слуховим викликаним потенціалам.

У відповідь на звукові стимули біоелектрична активність виникає не тільки у нейронах специфічного слухового шляху, але і в нейронах сітковидної субстанції ствола мозку, інших підкоркових структур кори великого мозку. Потенціали дії слухового нерву можуть бути записані у відповідь на одноразові слухові роздратування при розміщенні електродів у області середнього вуха. Однак інші різновиди СВП вивчають при розміщенні електродів на поверхні черепу, тобто на значній відстані від підкоркових та коркових очагів нервової активності. У зв’язку з тим, що у таких випадках амплітуда СВП дорівнює близько мкВ та навіть нВ та вони “перекриваються” потенціалами іншого походження, знайти їх можливо тільки шляхом автоматичної комп’ютерної обробки даних, отриманих при багаторазовому повторенні звукових стимулів. При цьому враховується характерна особливість СВП–виникнення їх через визначений латентний період після початку звукових стимулів.

Перспективним напрямком розвитку метода дослідження СВП є реєстрація пов’язаних з ними змін магнітного поля головного мозоку за допомогою датчиків з надпроводячими магнітами.

3. Акустична імпедансометрія.

У теперішній час проводять виміряння акустичної провідності при різних тисках повітря в зовнішньому слуховому проході (тимпанометрія) або при виникненні рефлекторних скорочень стрім’янного м’язу (акустична рефлексометрія).

Величину акустичної провідності середнього вуха розраховують як різність між загальною акустичною провідністю зовнішньому слуховому проході при атмосферному тиску та при значенні тиску 200мм.вод.ст. Одержану величину визначають як абсолютну акустичну провідність (дана величина може бути визначена також за тимпанограмою).

4. Дослідження вентиляційної функції слухової труби при перфорації барабанної перепонки.

Тимпанометрія дозволяє визначити рівень тиску у полостях середнього вуха, зокрема, точно вимірити від’ємний тиск, який свідчить про порушення вентиляційної функції слухової труби. Даний метод використають також для контролю ефективності лікувальних мір (терапевтичних та хірургічних), які використають при порушенні вентиляції середнього вуха. З метою дослідження вентиляційних властивостей слухової труби використають також метод тубосонометрії. Суть методу міститься у вимірянні тиску в зовнішньому слуховому проході під час глотальних рухів.

У теперішній час широке розповсюдження отримав метод туборезистометрії, заснований на вимірянні потоку повітря, проходячого крізь просвіт слухової труби при глотальних рухах та підвищенні тиску в обтурированому зовнішньому слуховому проході. За отриманими даними визначають радіус просвіту слухової труби.

5. Рентгенологічні методи дослідження слуху.

Незважаючи на усі переваги традиційних методів рентгенографії вісочної кістки, інформації, що отримується за ії допомогою, недостатньо для того, щоб судити про важкість отосклеротичного процесу, та виявляти невеликі за об’ємом патологічні зміни (доброякісні пухлини) в галузі внутрішнього слухового проходу. В зв’язку з цим було використано принципово нові методи дослідження: тонкошарова томографія з мінімальній товщиною “зрізів” - близько 0,2-0,3мм та комп’ютерна томографія. За допомогою комп’ютерної томографії визначають демінерализацію кісткової тканини в активних отосклеротичних очагах. Завдяки цьому є можливим судити про розповсюдження отосклеротичного процесу та про динаміку його розвитку.

Таким чином, об’єктивна аудіометрія дає можливість зробити висновки про наявність фактору ризику, тобто підвищену ймовірність розвитку туговухості або глухоти. Раннє виявлення дефекту слуху має велике значення, оскільки дозволяє провести профілактичні міри та в ранній термін почати слухову реабілітацію.