VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV MECHANIKY TĚLES, MECHATRONIKY A BIOMECHANIKY FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF SOLID MECHANICS, MECHATRONICS AND BIOMECHANICS VLIV EXOSTÓZ NA PŘENOS ZVUKOVÝCH SIGNÁLŮ LIDSKÝM UCHEM DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR Bc. ŠÁRKA VALIŠOVÁ BRNO 2014

2 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV MECHANIKY TĚLES, MECHATRONIKY A BIOMECHANIKY FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF SOLID MECHANICS, MECHATRONICS AND BIOMECHANICS VLIV EXOSTÓZ NA PŘENOS ZVUKOVÝCH SIGNÁLŮ LIDSKÝM UCHEM INFLUENCE OF EXOSTOSES ON EAR SOUND TRANSFER FUNCTION DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Bc. ŠÁRKA VALIŠOVÁ doc. RNDr. KAREL PELLANT, CSc. BRNO 2014

3 Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky Akademický rok: 2013/2014 ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE student(ka): Bc. Šárka Vališová který/která studuje v magisterském navazujícím studijním programu obor: Inženýrská mechanika a biomechanika (3901T041) Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma diplomové práce: v anglickém jazyce: Vliv exostóz na přenos zvukových signálů lidským uchem Influence of exostoses on ear sound transfer function Stručná charakteristika problematiky úkolu: Přenos zvuku z okolního prostředí do místa smyslového vnímání (tj. vnitřního ucha) lze simulovat pomocí MKP modelů. Pomocí těchto modelů pak lze pak studovat přenosové vlastnosti jednotlivých částí lidského ucha, provádět analýzy vlivu některých ušních onemocnění na sluch popř. provádět predikce účinnosti chirurgických zásahů v oblasti zevního a středního ucha. Cíle diplomové práce: a) Vypracování rešerše z literatury zaměřené na audiologii a na mechaniku lidského ucha b) Metodické srovnání audiologického vyšetřování vzdušného a kostního sluchu a algoritmu výpočtu přenosové funkce lidského ucha c) Analýza audiologických vyšetření pacientů s výskytem exostóz d) Srovnání výsledků audiologie s výsledky matematického modelování na 2D modelu lidského ucha

4

5 ABSTRAKT Exostózy jsou povrchové kostní výrůstky v zevním zvukovodu lidského ucha. Hlavním úkolem diplomové práce je zjistit, jaký vliv může mít zúžení zevního zvukovodu exostózami na mechanický přenos zvuku do vnitřního ucha. Úloha byla řešena pomocí MKP modelování v systému ANSYS. Pro výpočet byl použit 2D model normálního ucha, který byl převzat z diplomové práce B. Ouali: Development of 2D finite element model of human ear (VUT v Brně, 2009). Na modelu, který zahrnoval akustický subsystém zevního zvukovodu, elastický bubínek, středoušní dutinu se sluchovými kůstkami a dutinu vnitřního ucha s vnitroušní přepážkou, byly provedeny úpravy zevního zvukovodu simulující různá stádia jeho zúžení exostózami odlišných poloh. Konečnoprvkovou analýzou byl sledován jejich vliv na přenosovou charakteristiku akustického systému pro vzdušné i kostní vedení zvuku. Na závěr byla provedena analýza výsledků a získané poznatky z konečnoprvkových modelací byly porovnány a audiometrickým vyšetřením pacientů s výskytem exostóz. KLÍČOVÁ SLOVA Sluch, zevní zvukovod, exostóza, kostní vedení zvuku, vzdušné vedení zvuku, MKP modelování, audiometrie ABSTRACT Exostoses are surface periosteophyte inside the external auditory canal of the human ear. The main objective of the diploma thesis is to determine the potencial impact of the narrowing of external auditory canal by exostoses on the mechanical sound transmission into the internal ear. The task was solved by FEM modelling in the ANSYS system. The simple finite element 2D model of the normal human ear was used and it has been taken from the diploma thesis B Ouali: Development of 2D finite element model of human ear (BUT Brno, 2009). At the model, including the external ear canal, elastic eardrum, otitis cavity with otitis ossicles and the cavity of the internal ear with internal ear partition, the alterations simulating different size of narrowing a and different positionig of exostoses were done. The influence of the exostoses on the sound transfer characteristics for air sound transmission and for bone sound transmission was discused. The results were analysed and compared with audiology. KEYWORDS Hearing, external auditory canal, exostosis, bone sound transmission, air sound transmission, FEM modelling, audiometry VALIŠOVÁ, Šárka Vliv exostóz na přenos zvukových signálů lidským uchem: diplomová práce. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky, s. Vedoucí práce byl doc. RNDr Karel Pellant, CSc.

6

7 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že svou diplomovou práci na téma Vliv exostóz na přenos zvukových signálů lidským uchem jsem vypracovala samostatně pod vedením vedoucího diplomové práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené diplomové práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této diplomové práce jsem neporušila autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhla nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědoma následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení 152 trestního zákona č. 140/1961 Sb. Brno (podpis autora)

8

9 PODĚKOVÁNÍ Děkuji vedoucímu diplomové práce doc. RNDr. Karlu Pellantovi, CSc. za účinnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc a další cenné rady při zpracování mé diplomové práce. Děkuji MUDr. Janu Mejzĺıkovi za poskytnutí audiologických vyšetření pacientů a cenných rad pro zpracování mé diplomové práce. V Brně dne (podpis autora)

10

11 OBSAH Úvod 19 1 Morfologie lidského ucha Zevní ucho Střední ucho Vnitřní ucho Činnost lidského ucha Funkce zevního zvukovodu Funkce středního ucha Funkce vnitřního ucha Princip kostního vedení zvuku Hladina hlasitosti zvuku Základní typy sluchových poruch Převodní porucha sluchu a kostní vedení za patologických změn Percepční porucha sluchu Vyrovnání hlasitosti Šelesty Základní audiologická vyšetření Audiometrie, prahová audiometrie Diskuze vlivu exostóz na sluch Vliv exostóz na možnou změnu modálních vlastností zevního zvukovodu Normální zvukovod Zvukovod s exostózami Numerické řešení vlivu změny pohltivosti stěn zevního zvukovodu Absorpční vlastnosti měkkých tkání [10] Změna pohltivosti stěny zevního zvukovodu v systému ANSYS Výpočet přenosové funkce vzdušného vedení pro zvukovod s exostózami Vliv exostóz na hodnoty tlaku na bubínek Vliv exostóz na hodnoty tlaku v kochley Vliv exostóz na vibrace bazilární membrány v kochley Simulace kostního vedení zvuku Kinematické buzení řetězce osikulárních kůstek Diskuze zkreslení zvukového vjemu pacientů s exostózami při audiologickém vyšetření pomocí sluchátek Analýza audiologických vyšetření pacientů s exostózami Analýza audiologických vyšetření vzdušného vedení zvuku Analýza audiologických vyšetření kostního vedení zvuku Závěr 67 Literatura 69

12 Seznam použitého lékařského názvosloví 71 Seznam symbolů, veličin a zkratek 73

13 SEZNAM OBRÁZKŮ 1.1 Lidské ucho [1] Směrový účinek ucha [2] Rozdíl mezi akustickým tlakem před zevním zvukovodem a uvnitř zvukovodu před bubínkem [15] Vibrace kochleární přepážky při stimulaci různými frekvencemi zvuku [15] Schéma kmitání bazilární membrány podle vlnových teorií (Z - zvukovod, t - bubínek, db - dutina bubínková, k - oválné okénko, o - kulaté okénko, sv - scala vestibuli, st - scala tympani, h - helikotrema, a - kmitání bazilární membrány při hlubokých tónech, b - při středních tónech, c - při vysokých tónech) [2] Rozkmitání bazilární membrány při stimulaci různými frekvencemi zvuku [15] Pohyby okének ve fázi komprese a dilatace [2] Cesty kostního vedení [2] Křivky stejné hladiny hlasitosti podle Fletchera a Munsona [3] Schéma vyrovnání hlasitosti (A - percepční vada, B - převodní vada, P - pravé ucho, L - levé ucho s normálním sluchem) [2] Typy nedoslýchavostí [4] Typy módů kavit [3] Akustické módy polouzavřené kavity [3] Geometrie zvukovodu První tři módy zdravého zvukovodu Geometrie numerického modelu zevního zvukovodu s exostózami (rozměr v mm) První tři módy zvukovodu s exostózami - středně velké umístěny proti sobě První dva módy zvukovodu s exostózami - velké umístěny proti sobě První tři módy zvukovodu s exostózami - středně velké umístěny na začátku zvukovodu a vzájemně od sebe posunuty První tři módy zvukovodu s exostózami - středně velké umístěny na konci zvukovodu a vzájemně od sebe posunuty První tři módy zvukovodu s exostózami - velké umístěny na začátku zvukovodu a vzájemně od sebe posunuty První tři módy zvukovodu s exostózami - velké umístěny na konci zvukovodu a vzájemně od sebe posunuty Schéma impedanční trubice při experimentu [10] Průběhy akustických tlaků u stojatého vlnění (a - akusticky tuhá stěna, b - testovaný vzorek měkké tkáně ) [10] D konečnoprvkový model lidského ucha [9] Zvukovod s tenkou vrstvou nových fluidních elementů Přenosová funkce zevního zvukovodu při různé pohltivosti stěn Relativní přenosová funkce zevního zvukovodu L pr pro případ různé pohltivosti stěn

14 4.18 Zjemnění sítě v oblasti maximálního zúžení Přenosová funkce zevního zvukovodu L pa pro případ exostóz nacházejících se v blízkosti vstupu do zevního zvukovodu Přenosová funkce zevního zvukovodu L pa pro případ exostóz nacházejících se v blízkosti bubínku Relativní přenosová funkce L pra zevního zvukovodu pro případ exostóz nacházejících se na vstupu do zvukovodu Relativní přenosová funkce L pra zevního zvukovodu pro případ exostóz nacházejících se v blízkosti bubínku Průměrné hodnoty relativní přenosové funkce L pra zevního zvukovodu způsobené exostózami. Zahrnuty jsou různé velikosti a polohy exostóz v zevním zvukovodu Přenosová funkce do oblasti vnitřního ucha L pb pro případ exostóz nacházejících se v blízkosti vstupu do zevního zvukovodu Přenosová funkce do oblasti vnitřního ucha L pb pro případ exostóz nacházejících se v blízkosti bubínku Relativní přenosová funkce L prb zevního zvukovodu pro případ exostóz nacházejících se na vstupu do zvukovodu Relativní přenosová funkce L prb zevního zvukovodu pro případ exostóz nacházejících se v blízkosti bubínku Průměrné hodnoty relativní přenosové funkce L prb do oblasti vnitřního ucha způsobené exostózami. Zahrnuty jsou různé velikosti a polohy exostóz v zevním zvukovodu Průměrné hodnoty relativní přenosové funkce L pra zevního zvukovodu způsobené exostózami modelovanými přímo proti sobě. Zahrnuty jsou různé velikosti a polohy exostóz v zevním zvukovodu. [8] Konečnoprvkový model lidského ucha se zvukovodem s exostózami Vibrace bazilární membrány na frekvenci 256 Hz - vzdušné vedení zvuku Vibrace bazilární membrány na frekvenci 1024 Hz - vzdušné vedení zvuku Vibrace bazilární membrány na frekvenci 8192 Hz - vzdušné vedení zvuku Maximální výchylky bazilární membrány v případě vzdušného vedení normálního zvukovodu a zvukovodu s exostózami Pokles maximálních výchylek A maxn - A maxe bazilární membrány v důsledku přítomnosti exostóz pro vzdušné vedení zvuku Konečnoprvkové modely lidského ucha s uvažovanými okolními tkáněmi zevního zvukovodu Kinematické buzení řetězce osikulárních kůstek vibracemi lebky Hodnoty výchylek vibrací lebky na frekvencích 200, 400 a 800 Hz [2] a proložení mocninnou funkcí y = 0, 1284x 2, Maximální výchylky bazilární membrány v případě vzdušného vedení normálního zvukovodu a zvukovodu s exostózami při buzení vibracemi lebky

15 4.40 Pokles maximálních výchylek A maxn - A maxe bazilární membrány v důsledku přítomnosti exostóz pro kostní vedení zvuku při buzení vibracemi lebky Buzení osikulárních kůstek radiálními kmity stěny zvukovodu Maximální výchylky bazilární membrány v případě vzdušného vedení normálního zvukovodu a zvukovodu s exostózami při buzení vibracemi stěn zvukovodu Pokles maximálních výchylek A maxn - A maxe bazilární membrány v důsledku přítomnosti exostóz pro kostní vedení zvuku při buzení vibracemi stěn zvukovodu Křivky podílu tlaku membrány sluchátka a tlaku při vstupu zvuku do zvukovodu Audiogramy při obturaci zvukovodu. Silné křivky znázorňují sluchový práh při obturaci zvukovodu a slabé křivky značí sluchový práh po výplachu zvukovodu. [2] Audiogramy pacientů - vzdušné vedení zvuku - před operací Střední hodnoty audiogramů pacientů - vzdušné vedení zvuku - před operací a po zhojení Audiogramy pacienta č.8 pro kostní vedení zvuku před operací a po operaci Audiogramy pacienta č.26 pro kostní vedení zvuku před operací a po operaci

16

17 SEZNAM TABULEK 3.1 Symbolika používaná v audiogramech [4] Hodnocení závažnosti poruchy sluchu [4] Vypočtené hodnoty prvních tří modálních frekvencí Srovnání vypočtených hodnot prvních tří modálních frekvencí pro analytické řešení a řešení numerické Hodnoty prvních tří modálních frekvencí zvukovodu s exostózami - středně velké umístěny proti sobě Hodnoty prvních dvou modálních frekvencí zvukovodu s exostózami - velké umístěny proti sobě Hodnoty prvních tří modálních frekvencí zvukovodu s exostózami - středně velké umístěny na začátku zvukovodu a vzájemně od sebe posunuty Hodnoty prvních tří modálních frekvencí zvukovodu s exostózami - středně velké umístěny na konci zvukovodu a vzájemně od sebe posunuty Hodnoty prvních tří modálních frekvencí zvukovodu s exostózami - velké umístěny na začátku zvukovodu a vzájemně od sebe posunuty Hodnoty prvních tří modálních frekvencí zvukovodu s exostózami - velké umístěny na konci zvukovodu a vzájemně od sebe posunuty Vypočtené součinitelé zvukové pohltivosti α pro dané hodnoty parametru tlumení MU Materiálové charakteristiky okolních tkání zevního zvukovodu [14].. 57

18

19 ÚVOD Predikce účinnosti prováděných chirurgických zákroků v oblasti zevního a středního ucha je jednou ze základních úloh matematického modelování mechaniky ucha. Problém exostóz, tj. novotvarů v oblasti zevního zvukovodu, je přitom vhodným tématem, protože změny sluchu v tomto případě jsou podmíněny pouze mechanickými příčinami a lze přitom vyloučit změny sluchu podmíněné percepcí. Důležitou částí je konfrontovat výsledky zpracování audiologických vyšetření s numerickou simulací vzdušného a kostního vedení zvuku v systému ANSYS, která začíná být v oblasti medicíny stále více využívána. Formulace problému Lidé, kteří se dlouhodobě vystavují působení studené vody (např. závodní plavci či potápěči), bývají často postihováni nárůstem exostóz v zevním zvukovodu ucha. Exostózy mají značný vliv na změnu sluchu. Již v bakalářské práci [8] bylo paradoxně zjištěno, že se sluch po chirurgickém odstranění těchto výrůstků zhoršil v pásmu frekvencí do 2 khz. I když se tento efekt zdá být málo výrazný, tak zřejmě nemusí být zcela zanedbatelný z důvodu toho, že oblast 1 khz je pro člověka důležitá z hlediska srozumitelnosti lidské řeči. Jelikož se zvuk do vnitřního ucha šíří několika cestami, jak vzdušným vedením tak i kostním vedením, může numerická simulace pomocí MKP objasnit, které složky vedení zvuku se za uvedených patologických změn stávají dominantní a zjistit tak možnou příčinu snížení sluchu při ablaci (chirurgickém odstranění) exostóz. Cíle řešení Cílem řešení je stanovit, do jaké míry je vhodné odstraňování exostóz z důvodu zlepšení sluchu pacientů. V této souvislosti se práce zaměřuje na: 1) Vliv zvýšené absorpce zvukových vln na stěnách zvukovodu po zhojení. Parametrické výpočty s různou hodnotou MU. 2) Simulace kostního vedení pomocí buzení vibracemi lebky a vibracemi stěn zvukovodu. 3) Srovnání výsledků matematického modelování s audiologickým vyšetřením pacientů. 19

20

21 1 MORFOLOGIE LIDSKÉHO UCHA Zvuk je mechanické vlnění v látkovém prostředí, které je schopno vyvolat sluchový vjem. Vodič zvuku (obyčejně vzduch) zprostředkuje spojení mezi zdrojem zvuku a jeho přijímačem, kterým je např. lidské ucho. Obr. 1.1: Lidské ucho [1] Ucho (Obr.1.1) dělíme na rovnovážné ústrojí a ústrojí sluchové. Funkcí rovnovážného ústrojí je vnímání zvuků z okolí. Lidský sluch dokáže vnímat zvuk v rozsahu Hz, přičemž nejcitlivější je v oblasti frekvence lidského hlasu, tj Hz. Ucho je stavebně komplikované a skládá se ze tří hlavních částí: zevní ucho, střední ucho a vnitřní ucho. [5] 1.1 Zevní ucho Zevní ucho slouží ke vstupu a transformaci zvuku ze zevního vzdušného prostředí přes středoušní dutinu do tekutiny ve vnitřním uchu. Skládá se z boltce, který zachycuje a směřuje akustické vlny do zvukovodu, zevního zvukovodu a bubínku. Ušní boltec vytváří výrazný akustický stín pro zvuky přicházející zezadu a umožňuje tak lokalizovat zvuky v předozadní rovině. Zevní zvukovod představuje trubici v průměru dlouhou 25 mm, průběh zvukovodu v horizontálním směru je esovitý, průsvit nepravidelně eliptický (střední světlost je 6,6 7,8 mm) a objem zvukovodu je 1,2 ml. V zevní třetině je zvukovod tvořen chrupavčitým podkladem a ve vnitřních dvou třetinách podkladem kostěným [6]. Přechodem mezi zevním uchem a středním uchem je bubínek zasazený do bubínkové kosti. Má tvar mělké nálevky o průměru 8 21

22 10 mm a jeho plocha činí 55 mm 2. Ke středu bubínku je přirostlá rukojet kladívka. [15] 1.2 Střední ucho Střední ucho sestává z dutiny středoušní, sluchových kůstek (kladívko, kovadlinka, třmínek), sluchové (Eustachovy) trubice a dutin mastoidního výběžku. Středoušní dutina je malý štěrbinovitý prostor zasazený ve spánkové kosti. Hlavní výplní středoušní dutiny jsou sluchové kůstky ležící v horní polovině dutiny a utvářejí pohyblivý mechanismus. Hlavička kladívka je pevně skloubena s tělem kovadlinky, jejíž výběžek je spojen jemným kloubem se třmínkem (stapes). Dvě raménka třmínku nasedají na oválnou ploténku (s průměrnou plochou 3,2 mm 2 ), která je přirostlá k membráně oválného okénka vedoucího do vnitřního ucha. Převodní aparát obklopuje vzduch, což je nejvhodnější prostředí s nejmenším odporem pro vibrující sluchové kůstky. Sluchové kůstky jsou zavěšeny pomocí pěti jemných vazů (ligamenta). Upínají se na ně také dva drobné svaly. [5] [15] 1.3 Vnitřní ucho Vnitřní ucho je umístěno v pyramidě spánkové kosti. Nachází se zde sít kanálků a dutinek tvořících kostěný labyrint, který je vyplněn čirou tekutinou (perilymfou). Kostěný labyrint tvoří ochranou schránku pro mnohem menší labyrint blanitý. Oba labyrinty jsou složeny z vestibulární a hlemýžd ové části. Hlemýžd ovou část blanitého labyrintu tvoří tenká, dlouhá slepě uzavřená trubička, která je vsazena do kostěné spirály. Zde je uložen vlastní sluchový orgán (Cortiho orgán) s bazilární membránou. Vnitřní ucho obsahuje epitel (krycí tkáň tvořenou buňkami) dvojího typu v hlemýžd ové části je epitel sluchového čidla (akustické vlnění přeměňuje na nervové impulzy) a ve vestibulární části je epitel rovnovážného čidla. [5] [15] 22

23 2 ČINNOST LIDSKÉHO UCHA 2.1 Funkce zevního zvukovodu Zevní ucho přivádí zvukové vlnění k bubínku. Ušní boltec je u člověka nepohyblivý (některá zvířata dokáží boltcem pohybovat a zlepšují tím směrové slyšení). Boltec má u člověka směrovací funkci pouze pro zvuky o frekvenci vyšší než 500 Hz. Pro hluboké tóny do 200 Hz se směrový účinek ucha vůbec neprojevuje, nebot jejich vlnová délka je velká ve srovnání s rozměry hlavy, a tím více ve srovnání s rozměry zevního ucha. Na (Obr.2.1) je patrné, že je směrová funkce sluchového orgánu závislá na frekvenci. Při vysokých tónech již malá změna úhlu znamená značnou změnu v intenzitě sluchového vjemu. [2] [15] Obr. 2.1: Směrový účinek ucha [2] Délka zvukovodu je však významným parametrem, na kterém je založeno posuzování rezonančních vlastností zevního zvukovodu. Zvukovod představuje jednostranně uzavřenou kavitu, kde vznikají zvukové rezonance v případech vlnění, kdy délka zvukové vlny představuje asi čtyřnásobek délky trubice. Rezonanční frekvence, které odpovídají délce vlny 9 12 cm, je Hz. Vzhledem k tomu, že zvukovod není ideální rovná trubice, posunuje se rezonanční kmitočet k vyšším hodnotám, tj Hz. Rezonanční zvýšení intenzity zvuku v tomto případě dosahuje asi 12 db. [15] Rozdíl mezi akustickým tlakem před zevním zvukovodem a uvnitř zvukovodu těsně před bubínkem ukazuje Obr.2.2. Při patologických změnách může být zvukovod uzavřen (mazová zátka, atrézie, exostózy), což vede ke zvýšení sluchového prahu. Práh je zvýšen především pro vysoké tóny (> 2 khz), kdežto tóny hlubší jsou tlumeny daleko méně. [15] 23

24 Obr. 2.2: Rozdíl mezi akustickým tlakem před zevním zvukovodem a uvnitř zvukovodu před bubínkem [15] 2.2 Funkce středního ucha Středoušní systém zabezpečuje optimální přenos zvukové energie ze zevního zvukovodu do tekutiny vnitřního ucha. Specifickým rysem této funkce je, že zvuk přechází z prostředí plynného (vzduch) do prostředí kapalného (perilymfatická tekutina). Tento převod energie mezi dvěma rozdílnými prostředími je spojen se ztrátou energie, která musí být vyrovnána zesilovací činností středoušního převodního systému. Kolik energie bude na rozhraní dvou prostředí pohlceno nebo přeneseno závisí na poměru impedancí obou prostředí. Akustická impedance je obecně poměr tlaku (popř. síly) a rychlosti kmitání částic [3]. Je to vlastně komplexní odpor, nebot se skládá ze složky reálné rezistence a složky imaginární reaktance. Změna ve složce reálné způsobuje změnu v amplitudě akustického vlnění a změna ve složce imaginární mění fázový posun zvukové vlny. Účinnost přenosu akustické energie β ve středouší lze vypočítat dle vztahu (2.1) [15] β = 4r (r + 1) 2 (2.1) kde β je výsledný koeficient přenosu a r je poměr akustické impedance vzduchu a perilymfy. Na základě současných znalostí je možno říci, že v oblasti nízkých frekvencí je akustická impedance lidského ucha závislá především na impedanci středoušní dutiny, ve středním frekvenčním spektru (2 9 khz) závisí na impedanci vnitřního ucha a ve vysokých frekvencích impedance závisí na hmotnosti středoušních kůstek. [15] Ke kompenzaci úbytku akustické energie (asi 30 db) slouží tři mechanismy, z nichž je patrně nejpodstatnější pákový systém, který vzniká nestejnoměrným zakřivením bubínku při pohybech kůstek. Dále je nutné si uvědomit, že akustické vibrace vodního prostředí se liší od vibrací ve vzduchu. Vlnění ve vzduchu má malý tlak s velkou výchylkou, naopak ve vodě je výchylka malá a tlak velký. Středoušní převodní systém tedy nekompenzuje pouze úbytek akustické energie mezi přechodem oběma prostředími, ale zároveň mění složky výchylky a tlaku zvukového vlnění. [15] 24

25 2.3 Funkce vnitřního ucha Z bubínku je zvukový tlak převeden řetězcem sluchových kůstek do oválného okénka, kde se akustické vibrace přenášejí do nitroušních tekutin. Protože je kapalina nestlačitelná, tlaková změna se vyrovnává na membráně kulatého okénka, která kmitá v protifázi k pohybům třmínku. Při pomalých pohybech třmínku postupuje tlak z vestibula do scala vestibuli až k helikotrematu a odtud zpět spodním prostorem scala tympani až ke kulatému okénku. Zvukový tlak se tedy vyrovnává kolem kochleární přepážky, aniž by s ní pohnul. Při rychlejších změnách tlaku (v rozsahu sluchu) se tlak nestačí vyrovnat až přes helikotrema, ale vyrovnává se rozkmitáním přepážky. Obecně platí, že vyšší kmitočty rozkmitají membránu blíže třmínku než kmitočty nižší a čím je frekvence vyšší, tím je větší výchylka a rozkmitá se užší oblast přepážky. [15] Jak vyplývá z poznatků kochleární mechaniky, vznikají v závislosti na frekvenci v určitém místě bazilární membrány vibrace o maximální amplitudě. G. von Békésy se podrobně zabýval touto problematikou a při jeho pokusech se mu podařilo prokázat existenci postupující vlny. Postupující vlna se po membráně šíří velmi rychle a maxima rozkmitu dosahuje v závislosti na frekvenci v charakteristickém místě. Vibrace kochleární přepážky při stimulaci různými frekvencemi zvuku jsou ukázány na Obr.2.3 a Obr.2.4. [2] [15] Obr. 2.3: Vibrace kochleární přepážky při stimulaci různými frekvencemi zvuku [15] Békésy dále dokázal, že se postupující vlna šíří po bazilární membráně jednosměrně, tj. od báze k apexu. Rychlost postupující vlny směrem od báze klesá následkem rozdílné tuhosti bazilární membrány v podélném směru. Dále je dle Obr.2.5 patrné, že je útlum amplitudového maxima směrem k vyšším frekvencím značný a naopak směrem k frekvencím nižším je mnohem méně výrazný. [15] 25

26 Obr. 2.4: Schéma kmitání bazilární membrány podle vlnových teorií (Z - zvukovod, t - bubínek, db - dutina bubínková, k - oválné okénko, o - kulaté okénko, sv - scala vestibuli, st - scala tympani, h - helikotrema, a - kmitání bazilární membrány při hlubokých tónech, b - při středních tónech, c - při vysokých tónech) [2] Obr. 2.5: Rozkmitání bazilární membrány při stimulaci různými frekvencemi zvuku [15] 2.4 Princip kostního vedení zvuku Nejúčinnějším vedením zvuku je vzdušné vedení, kdy se vibrace převádí přes bubínek a sluchové kůstky k labyrintu. Tekutina labyrintu se však rozvlní i přímým přenosem zvuku lebečními kostmi - tzv. kostním vedením. Zvuk velké intenzity rozvibruje všechna pevná tělesa, na které tento zvuk dopadá. Kostní vedení se však může uplatnit i ve větší míře, a to u sluchových poruch převodního rázu. [2] Zvuková vlna v kosti je střídavé zvýšení a snížení tlaku (stejně jako u vzdušného vedení), tedy zhuštění a zředění kostní tkáně. Tato změna tlaku se projeví jako střídavá komprese a dilatace labyrintu, který rychle mění svůj objem. Při kompresi se tekutina labyrintu snaží unikat ven cestou nejmenšího odporu, což má za následek vyklenutí oválného a kulatého okénka směrem ven. Při dilataci se tekutina nasává opět zpět a okénka se naopak vtlačí dovnitř. Komprese a dilatace jsou schématicky znázorněny na Obr.2.6. [2] 26

27 Obr. 2.6: Pohyby okének ve fázi komprese a dilatace [2]. Také experimentálně bylo dokázáno, že je při kostním vedení mechanismus vzniku podráždění bazilární membrány stejný jako při vzdušném vedení. [2] Bazilární membrána je tak při kostním vedení zvuku drážděna na stejných místech jako při vedení vzdušném. Experiment probíhal tak, že se kostním vibrátorem zaváděl čistý tón (pro kostní vedení) a tentýž tón se zaváděl i do obou uší za pomoci sluchátka (pro vedení vzdušné), přičemž se fáze a intenzita tohoto tónu mohla libovolně měnit. V každém uchu se tak podařilo najít takovou fázi i intenzitu, která způsobila v labyrintu opačné vlnění, než jaké vzniklo při kostním vedení zvuku. Interferencí se poté vlnění v labyrintu vyrušilo. Vyšetřovaný tak neslyšel nic, i když vlnění bylo jak ve zvukovodu, tak i v kosti. [2] I když mechanismus dráždění bazilární membrány je totožný, jistý rozdíl mezi vzdušným a kostním vedením je. Při vzdušném vedení se pohybuje oválné a kulaté okénko v opačné fázi, přesuny tekutiny ze scala vestibuli do scala tympani jsou maximální. Při kostním vedení se obě okénka pohybují ve stejném směru (tedy ve stejné fázi).pohyb tekutiny je tedy dán pouze rozdílem velikostí posuvů. [2] Kromě komprese a dilatace kostní tkáně kmitá lebka jako celek. Do frekvence 800 Hz kmitá lebka posuvným střídavým pohybem ve směru působící síly od vibrátoru. Jestliže pak frekvence překročí 800 Hz, intenzita vibrací je různá na různých místech lebky. Tímto zjištěním byl poté stanoven práh kostního vedení ve výchylce. Pro tón 200 Hz má sluchový práh hodnotu 5, 10 8 cm, pro tón 400 Hz je výchylka 4, cm a při 800 Hz je 1, cm. [2] Dále bylo zjištěno, že sluchový vjem má různou fázi, jestliže se vibrátor přiloží na různá místa lebky. Z míst protilehlých je fáze téměř opačná. Je to způsobeno setrvačností sluchových kůstek, kdy sluchové kůstky jsou ve středním uchu relativně volně zavěšeny (pomocí dvou svalových šlach) a mohou se tedy pohybovat. Z kinematického hlediska můžeme středoušní kůstky přirovnat ke hmotnému bodu připevněnému ke stěnám středního ucha za pomoci pružin. Při vibracích lebky (resp. kostí obklopujících středoušní dutinu) se sluchové kůstky opožd ují v kmitání 27

28 způsobeného setrvačností své hmoty. Vzniká relativní pohyb mezi plošinkou na třmínku a cochleárním promotoriem a vytváří podnět pro vstup volného vzruchu do cochlei. Tím se přidává ke složce způsobené kompresí a dilatací další složka. Zatímco se třmínek na jedné straně k labyrintu přibližuje, na druhé straně se oddaluje. Pohyby se tak dějí v opačné fázi. Se vzrůstající frekvencí může mít pak setrvačný efekt středoušních kůstek větší vliv na vnímání zvuků pomocí kostního vedení. [2] Rozvlnění, které vzniká následkem komprese a dilatace, je v obou labyrintech současné, kdežto vlnění vzniklé následkem setrvačnosti kůstek má v obou uších fázi opačnou. Obě složky (komprese a setrvačnosti) se však v každém uchu sčítá vektorově podle fáze. [2] Podobně jako setrvačnost kůstek může působit i setrvačnost dolní čelisti. Čelist představuje poměrně velkou hmotu, která je relativně volně připojena k lebeční spodině v blízkosti sluchového orgánu. Dolní čelist se také díky setrvačnému efektu opožd uje ve vibracích a vykonává pohyby oproti zvukovodu a bubínkové dutině. Způsobená střídavá komprese labyrintu, bubínkové dutiny a zvukovodu modifikují pohyby kůstek a následkem toho i tlaky v labyrintu. To do značné míry ovlivňuje zvukovod, je-li uzavřen či ucpán. Tlakové změny se tak nemohou prostřednictvím zvukovodu vyrovnat s okolním vzduchem. [2] Je tedy patrné, že kostní vedení má více složek, které se vzájemně kombinují Obr.2.7. Obr. 2.7: Cesty kostního vedení [2] 28

29 1. Střídavá komprese labyrintu Přímé buzení (od vibrátoru nebo ladičky) v labyrintu cochlei pomocí šíření zvukové (tlakové) vlny v kosti. Bazilární membrána je rozkmitána následkem různé impedance obou okének.komprese není závislá na umístění vibrátoru a nastává v obou uších prakticky současně. [2] 2. Setrvačnost sluchových kůstek Vedle komprese a dilatace vykonává celá lebka i posuvný střídavý pohyb (k vibrátoru a zpět). Zpožděním kmitání sluchových kůstek dochází ke kmitání třmínku oproti pouzdru labyrintu (jako u vzdušného vedení). Tato složka je závislá na umístění vibrátoru (tedy směru vibrací). [2] 3. Komprese bubínkové dutiny Vzniká podobně jako komprese labyrintu. Následkem objemových změn bubínkové dutiny vznikají změny tlaku vzduchu, jež rozpohybují bubínek a tedy přispějí k celkovému vjemu při vzdušném vedení. Je to vlastně zvuk, který se kostí šíří přímo do bubínkové dutiny. Tato složka nezávisí na poloze vibrátoru. [2] 4. Střídavá komprese zvukovodu Zcela obdobné objemové změny zvukovodu, které se projeví pulzací tlaku - čili jako zvuk. Při otevřeném zvukovodu je tato složka malá, nebot tlakové změny se většinou vyrovnají otevřeným zvukovodem s okolním vzduchem. Při ucpaném zvukovodu (např. exostózou, zánětem...) však tato složka vyniká, nebot vzduch nemůže ze zvukovodu unikat. Tato složka nemění fázi při změně polohy vibrátoru. [2] 5. Relativní kmitání dolní čelisti Vzniká následkem setrvačného efektu její hmoty a volného kloubního uložení blízko sluchového orgánu. Přispívá ke střídavé kompresi labyrintu (avšak fáze závisí na poloze vibrátoru), ke střídavé kompresi zvukovodu (složkou, která je závislá na poloze vibrátoru) a ke střídavé kompresi bubínkové dutiny (také v závislosti na poloze vibrátoru). [2] 6. Setrvačnost perilymfy V důsledku vibrací labyrintového pouzdra dojde k relativním pohybům mezi perilymfou a stěnami kanálku hlemýždě. Perilymfa pak může unikat okénky, do aquaductus cochleae nebo stlačením cév labyrintu. Tyto pohyby jsou však značně tlumeny viskozitou perilymfy. [2] Všechny tyto složky se ve sluchovém orgánu podle své výchylky a fáze sčítají. Výsledné vlnění bazilární membrány se tedy může podle polohy přiložení vibrátoru lišit. [2] Lateralizace sluchového vjemu Existují dva principy lateralizace sluchového vjemu: rozdíl intenzity podráždění v obou uších a časový rozdíl podráždění. Jestliže přicházejí periodické vzruchy do ústředního nervstva z obou sluchových orgánů současně a se stejnou intenzitou, sluchový vjem není lateralizován a zvuk slyšíme uprostřed. Nesouhlasí-li však časové vjemy přesně, slyšíme zvuk právě v tom uchu, ve kterém akustický děj časově předbíhá. U čistých tónů je časový předstih vyjádřen předstihem fáze tohoto tónu. Při vzdušném vedení se již při předstihu 0,1 ms objevuje první vychýlení a při předstihu 1 ms se nám zdá, že slyšíme zvuk pouze v jednom uchu, i když je ve skutečnosti zvuk v obou uších stejně hlasitý. V případě rozdílných intenzit je v 29

30 obou uších všeobecně známý směrový účinek. Lateralizaci při kostním vedení z mastoideu (místo, kde je tón slyšet nejhlasitěji na frekvenci 500 Hz [4]) můžeme vysvětlit předně tak, že v přivráceném uchu je větší intenzita zvuku. Je to způsobeno tím, že na straně přivrácené k vibrátoru se mnohem více uplatní složky vzdušného vedení než na uchu opačném (není to však způsobeno různým rozkmitáním labyrintu). Je také pravděpodobné, že se zde uplatňují i složky setrvačnostní - kůstek a dolní čelisti. Tyto složky jsou závislé na místě přiložení vibrátoru, kdy při přiložení na místa opačná (protilehlá) mají téměř opačnou fázi. Je tedy možné, že se složka setrvačnostní u přivráceného ucha přičítá ke složce kompresní a u odvráceného ucha se od ní odčítá. Na přivráceném uchu tak vzniká intenzivnější sluchový vjem a lateralizace je interpretována jako rozdíl intenzit mezi oběma ušima. [2] Hladina hlasitosti zvuku Lidské vnímání hlasitosti čistých tónů závisí na jejich frekvenci. Tuto závislost vyjadřuje tzv. svazek křivek stejné hladiny hlasitosti (Obr.2.8), kde například zvuk o intenzitě 50 db a o frekvenci 1000 Hz se zdá být zhruba stejně hlasitý jako zvuk o intenzitě 80 db na frekvenci 35 Hz. [3] Obr. 2.8: Křivky stejné hladiny hlasitosti podle Fletchera a Munsona [3] 30

31 3 ZÁKLADNÍ TYPY SLUCHOVÝCH PORUCH Vyšetřováním funkce sluchu a poruchami sluchové funkce u pacientů se zabývá lékařský obor audiologie. Snížení sluchu může být zpočátku skryté, při náhodném vyšetření sluchu se zjistí zvýšení sluchového prahu, zpravidla na 4 khz. Výraznější poruchu sluchu pacient objeví při zhoršeném slyšení, především zhoršenou srozumitelností řeči. Vzniklá nedoslýchavost se může postupně zhoršovat. [15] Sluchové vady se dělí na tři typy. Převodní vada, kdy je vada v převodním aparátu sluchového systému, počínaje zevním zvukovodem až k oválnému okénku. Percepční vada, kdy je porucha v činnosti vláskových buněk a dalších funkčních elementů vnitřního ucha a porucha vláken sluchového nervu. Třetím typem vady je vada centrální, vznikající lézemi sluchové dráhy (počínaje kochleárním jádrem). [15] 3.1 Převodní porucha sluchu a kostní vedení za patologických změn Mezi příčiny způsobující poruchu převodního aparátu patří např. exostózy, perforace bubínku, středoušní záněty, otoskleróza... Při jakékoliv takové poruše se nejprve objeví zvýšení impedance převodního sluchového aparátu, ve vážnějších případech se projeví porucha až úplnou ztrátou funkce. Výsledkem poruchy převodního systému bývá obvykle rovnoměrná ztráta sluchu v celé frekvenční oblasti, nejčastěji o 40 db, maximálně o 60 až 70 db. Jestliže je ztráta sluchu větší než uvedená hranice, bývá obvykle příčinou i percepční porucha. Důležitým faktorem z diagnostického hlediska je však skutečnost, že kostní vedení je u převodní poruchy neporušeno. Kostní vedení je porušeno pouze u percepční a centrální vady, a to ve stejné míře jako vedení vzdušné. [15] Vyšetřením sluchu kostním vedením se vlastně obchází převodní aparát a vyšetřuje se, jak na zvukové vibrace reaguje přímo labyrint. Je-li jeho citlivost normální, můžeme usuzovat, že labyrint je nepoškozen a sluchovou poruchu je možno v takovém případě přičíst převodnímu aparátu. Proto vyšetření kostního vedení umožňuje rozlišit převodní vadu sluchu od vady percepční. [2] V kapitole 2.4 již byly popsány jednotlivé cesty kostního vedení (str. 31). Ukázalo se, že se uplatňují vibrace labyrintu dvojího typu, a to střídavá dilatace a komprese a pohyb celé lebky i s labyrintem ve směru kmitajícího vibrátoru. Zde je však zastoupena i cesta vzdušného vedení, nebot dochází i ke střídavé dilataci a kompresi zvukovodu a bubínkové dutiny a tyto pohyby se přenášejí do labyrintu řetězcem středoušních kůstek. Teprve po zavedení audiometrie (vyšetření sluchového prahu) se ukázalo, že je kostní vedení zvuku u převodních vad normální nebo mírně zeslabeno. Zlepšení kostního vedení je jen zcela výjimečně, a to pouze v případě, je-li zevní zvukovod uzavřen (z patologického hlediska např. exostózou). V tomto případě dochází na nízkých frekvencích skutečně ke zřetelnému zlepšení kostního vedení zvuku [13]. Vzniklý jev je označován jako okluzní efekt, který vzniká na principu Helmholtzova rezonátoru. Při uzavření zvukovodu se podstatně změní aerotympanální 31

32 složka zvuku vedená bubínkem a sluchovými kůstkami, nebot střídavá komprese zvukovodu se nemůže vyrovnat do okolního vzduchu. [2] Nejdůležitější složkou je tady složka kostního vedení, která vzniká střídavou kompresí labyrintu. Slyšení je zde způsobeno různou impedancí oválného a kulatého okénka. 3.2 Percepční porucha sluchu Mezi percepční poruchy sluchu řadíme poruchy, při nichž patologický proces postihuje blanitý labyrint a jeho elementy, především vláskové buňky. Při percepční poruše sluchu může být pokles sluchu rovnoměrný na všech frekvencích, bývá však výraznější na frekvencích vyšších. Typická percepční porucha je tzv. profesionální nedoslýchavost z nadměrného působení hluku, která se vyznačuje typickým poklesem sluchu na frekvenci 4000 Hz. Stejně tak i v případě poruchy funkce sluchového nervu může být pokles sluchu rovnoměrný na všech frekvencích nebo větší na vyšších frekvencích. [15] 3.3 Vyrovnání hlasitosti Vyrovnávání hlasitosti souvisí s poruchou funkce vláskových buněk. Vysvětluje se rozdílným prahem pro podráždění vnitřních a vnějších vláskových buněk, kdy vnitřní vláskové buňky mají práh až o 50 db vyšší než vnější vláskové buňky. Znamená to tedy, že ucho při nízkých absolutních intenzitách zvuku vyžaduje velké přírůstky intenzity, aby je zaznamenalo, zatímco po překročení určitého prahu způsobí velmi malá zvýšení intenzity značné přírůstky hlasitosti. U pacienta se projevuje tak, že při normální intenzitě řeči pacient nedoslýchá nebo vůbec neslyší, kdežto hlasitý hovor a křik může vnímat velmi nepříjemně. Grafické vyjádření vyrovnání hlasitosti při vadě na pravém uchu ve srovnání s normálním sluchem na uchu levém ukazuje Obr.3.1. [15] 3.4 Šelesty Šelesty v uších jsou sluchové vjemy, které vznikají bez vnějšího zvukového podnětu. Příčinou šelestů jsou pravděpodobně zvuky vznikající činností cév ve vnitřním uchu, dále dýchací pohyby, srdeční činnost atd. Z audiologického hlediska je podstatné, že jakékoliv šelesty vyvolávají zvýšení sluchového prahu, zvláště když mají tónový charakter či charakter úzkopásmového šumu. Šelest, který je vyvolán patologickým procesem ve středouší, zvyšuje sluchový práh pro vzdušné i kostní vedení, přesněji maskuje práh pro kostní vedení. [15] 3.5 Základní audiologická vyšetření Audiologie je definována jako věda o sluchu, umožňuje diagnostikovat, ohodnotit a určit příčinu sluchové vady. [4] 32

33 Obr. 3.1: Schéma vyrovnání hlasitosti (A - percepční vada, B - převodní vada, P - pravé ucho, L - levé ucho s normálním sluchem) [2] Vyšetřovací audiologické metody je možné dělit na metody subjektivní, kdy záleží na dobré spolupráci vyšetřovaného pacienta a na metody objektivní, kde se využívá vyšetření korově vyvolaných odpovědí, kmenově vyvolaných odpovědí a elektrocochleografie. [4] [15] Audiometrie, prahová audiometrie Audiometrie je technika vyšetření sluchového prahu pomocí speciálních testů. Audiometrické vyšetření zachycuje subjektivní vjem vyšetřovaného pacienta na přesně definovaný zvukový podnět (intenzita, frekvence, charakter podnětu tón, šum, slovo, věta). Nejvyužívanější audiometrickou metodou vyšetření sluchového prahu se stala prahová audiometrie. [4] Standardní vyšetření se provádí pomocí audiometru v akusticky tiché komoře s malým dozvukem a zvýšenou pohltivostí stěn. Zvuková stimulace vzdušnou cestou se uskutečňuje sluchátky, kostní vedení se vyšetřuje kostním vibrátorem. [15] Standardně se vyšetřuje práh pro sedm kmitočtů, které mají rozdíly jedné oktávy: 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 a 8000 Hz. Podle potřeby lze vyšetřit i další tóny, např a 5000 Hz. Tóny nižší než 125 Hz a vyšší než 8000 Hz se nepoužívají, nebot kontrola akustického tlaku v těchto frekvencích je velmi obtížná. [15] Grafickým znázorněním výsledku sluchových testů je audiogram, kde práh sluchu definuje křivka spojující prahové intenzity různých frekvencí. Výsledek prahu sluchu je zapsán do audiogramu a porovnán s křivkou normálního sluchu (reprezentováno 0 v audiogramu). Porovnáním obou křivek se dostane sluchová ztráta. Používané symboly pro pravé a levé ucho se liší, barevně by se měly lišit také (pravé ucho červeně, levé modře), avšak ve většině případů se barevné rozdíly nedodržují. Symbolika používaná v audiogramech je v Tab [4] 33

34 Vzdušné vedení Kostní vedení pravé ucho o [ nebo < levé ucho x ] nebo > Tab. 3.1: Symbolika používaná v audiogramech [4] Změna prahu slyšitelnosti v db Hodnocení závažnosti poruchy 15 db HL Normální sluch db HL Velmi lehká porucha db HL Lehká porucha db HL Mírná porucha db HL Mírná až středně těžká porucha db HL Těžká porucha 91 db HL a více Velmi těžká porucha Tab. 3.2: Hodnocení závažnosti poruchy sluchu [4] V průběhu vyšetřování sluchového prahu může dojít k přeslechu tónů do nevyšetřovaného ucha. Přeslech nastává při intenzitě vyšší než 50 db, zvláště při vyšetřování prahu pro kostní vedení. Proto je audiometr vybaven šumovým generátorem, který se používá k maskování, tj. ohlušení nevyšetřovaného ucha. K ohlušení nevyšetřovaného ucha se používá NB šum (úzkopásmový šum) nebo WB šum (bílý šum). [4] [15] Obecné zhodnocení audiogramu Při posuzování výsledků vyšetření prahu sluchu (HL - Hearing Level) vzdušného a kostního vedení posuzujeme [4] vztah mezi těmito prahy. Za normálních okolností sleduje práh kostního vedení práh vedení vzdušného, tj. je stejný jako práh vzdušného vedení nebo je odchylka max. ± 5 db. U percepční nedoslýchavosti dochází ke zvýšení prahu sluchu u vzdušného i u kostního vedení. U převodní nedoslýchavosti je ztráta ve vzdušném vedení, práh kostního vedení je normální. U smíšené nedoslýchavosti je zvýšený práh vzdušného i kostního vedení. Z rozdílu mezi vzdušným a kostním prahem určujeme kochleární rezervu. Tyto stavy jsou vykresleny na (Obr.3.2). [4] [15] Na základě audiometrického vyšetření jsme schopni posoudit i závažnosti sluchové poruchy nebo vady. Hodnocení závažnosti poruchy sluchu udává Tab [4] Pokud audiometrické vyšetření prokáže převodní poruchu sluchu, musíme příčinu nedoslýchavosti objasnit až dalšími speciálními audiometrickými testy, např.měření akustické impedance, vyšetřování nadprahové hlasitosti a adaptace nebo slovní audiometrie. [4] [15] 34

35 Obr. 3.2: Typy nedoslýchavostí [4] a) normální sluch b) percepční nedoslýchavost c) převodní nedoslýchavost d) smíšená nedoslýchavost > - kostní vedení o - vzdušné vedení 35

36

37 4 DISKUZE VLIVU EXOSTÓZ NA SLUCH 4.1 Vliv exostóz na možnou změnu modálních vlastností zevního zvukovodu Normální zvukovod Analytické řešení Vzhledem k tomu, že je příčný průřez zvukovodu mnohem menší než vlnová délka odpovídající audiofrekvencím, můžeme zevní zvukovod sluchového ústrojí považovat za jednoduchou akustickou kavitu tvaru válce, který je na jednom konci otevřený a na konci druhém uzavřený. Akustické módy lze pozorovat dvojím způsobem, tj. průběhem akustických tlaků nebo průběhem kmitání (posunutí) vzduchových částic. Platí, že kde je akustický tlak nulový, je kmitavý pohyb částic maximální a naopak (Obr.4.1). [3] Obr. 4.1: Typy módů kavit [3] Dále platí, že u otevřeného konce trubice je akustický tlak nulový, nebot zde se nemohou vytvářet žádné tlakové změny a u uzavřeného konce trubice se naopak vytváří maximální akustický tlak. Základní akustický mód má z tohoto důvodu čtvrtinu délky akustické vlny v kavitě (Obr.4.2). [3] Pro vlnovod ve formě polouzavřené trubice s rovným koncem je možné nalézt podle [7] hodnoty modálních frekvencí analyticky dle vztahu (4.1) f i = c 0(iπ π 2 ) 2πL (4.1) kde c 0 je rychlost zvuku, i je index dané vlastní frekvence a L je délka rovné trubice. Výsledky pro vyšetřovaný zvukovod dle Obr.4.3 jsou v tabulce Tab

38 Obr. 4.2: Akustické módy polouzavřené kavity [3] Obr. 4.3: Geometrie zvukovodu Numerické řešení Výše uvedený vztah (4.1) byl ověřen modální analýzou v systému ANSYS. Na jednoduchém 2D modelu zevního zvukovodu dle Obr.4.3 (kavita vyplněna 2D akustickými prvky FLUID29) byla provedena modální analýza ve frekvenčním rozsahu 0-20 khz. Na pevných stěnách zvukovodu bylo zamezeno posuvům UX a UY a na vstupu do zvukovodu byl aplikován nulový tlak. V daném frekvenčním rozsahu byly zjištěny tři vlastní frekvence, které byly v Tab. 4.2 porovnány s analytickým řešením. Na Obr.4.4 byly poté zobrazeny první tři vlastní tvary kmitů (tj. tvary akustických módů) Analýza výsledků modálních vlastností normálního zvukovodu Z porovnání analytických a numerických výpočtů je patrné, že se výsledky obou řešení téměř shodují, resp. tvary akustických módů zvukovodu se shodují s výše popsanou teorií. 38

39 Číslo vlastní frekvence Vypočtená hodnota vlastní frekvence [Hz] , , ,24 Tab. 4.1: Vypočtené hodnoty prvních tří modálních frekvencí Č. vl. frekvence Analytické řešení [Hz] Numerické řešení [Hz] Sm. odchylka , ,43 0, , ,7 2, , ,3 11,53 Tab. 4.2: Srovnání vypočtených hodnot prvních tří modálních frekvencí pro analytické řešení a řešení numerické Obr. 4.4: První tři módy zdravého zvukovodu Zvukovod s exostózami K původnímu modelu jednoduché kavity byly dotvořeny oboustranné exostózy v podobě vyříznutí dvou polokruhů dvěma způsoby. V prvním případě jsou exostózy umístěny přímo proti sobě dle [8] a dráha postupné vlny se nemění, v případě druhém byly exostózy vzájemně od sebe posunuty, čímž se dráha postupné vlny prodlužuje. Geometrie přetvořených kavit pro vzájemně od sebe posunuté exostózy je na Obr.4.5. Dále byla provedena modální analýza zvukovodu s exostózami ve frekvenčním rozsahu 0 20 khz. Okrajové podmínky byly aplikovány analogicky s normálním zvukovodem. Hodnoty vlastních frekvencí v daném frekvenčním rozsahu byly pro jednotlivé situace zaznamenány do Tab. 4.3 Tab Odpovídající tvary módů jsou na Obr Obr Analýza výsledků modálních vlastností zvukovodu s exostózami Srovnáním hodnot prvních tří vlastních frekvencí zvukovodů s exostózami (Tab. 4.3 Tab. 4.8) s normálním zvukovodem je patrné, že se ve většině případů hodnoty vlastních frekvencí snížily oproti vlastním frekvencím normálního zvukovodu. Dále lze říci, že středně velké exostózy (vzájemně od sebe posunuty) modelované na konci 39

40 Obr. 4.5: Geometrie numerického modelu zevního zvukovodu s exostózami (rozměr v mm) Číslo vlastní frekvence Hodnota vlastní frekvence [Hz] , , ,9 Tab. 4.3: Hodnoty prvních tří modálních frekvencí zvukovodu s exostózami - středně velké umístěny proti sobě Číslo vlastní frekvence Hodnota vlastní frekvence [Hz] , ,1 Tab. 4.4: Hodnoty prvních dvou modálních frekvencí zvukovodu s exostózami - velké umístěny proti sobě Číslo vlastní frekvence Hodnota vlastní frekvence [Hz] , , Tab. 4.5: Hodnoty prvních tří modálních frekvencí zvukovodu s exostózami - středně velké umístěny na začátku zvukovodu a vzájemně od sebe posunuty 40

41 Číslo vlastní frekvence Hodnota vlastní frekvence [Hz] , , ,7 Tab. 4.6: Hodnoty prvních tří modálních frekvencí zvukovodu s exostózami - středně velké umístěny na konci zvukovodu a vzájemně od sebe posunuty Číslo vlastní frekvence Hodnota vlastní frekvence [Hz] , , ,7 Tab. 4.7: Hodnoty prvních tří modálních frekvencí zvukovodu s exostózami - velké umístěny na začátku zvukovodu a vzájemně od sebe posunuty Číslo vlastní frekvence Hodnota vlastní frekvence [Hz] , , ,3 Tab. 4.8: Hodnoty prvních tří modálních frekvencí zvukovodu s exostózami - velké umístěny na konci zvukovodu a vzájemně od sebe posunuty Obr. 4.6: První tři módy zvukovodu s exostózami - středně velké umístěny proti sobě Obr. 4.7: První dva módy zvukovodu s exostózami - velké umístěny proti sobě 41

42 Obr. 4.8: První tři módy zvukovodu s exostózami - středně velké umístěny na začátku zvukovodu a vzájemně od sebe posunuty Obr. 4.9: První tři módy zvukovodu s exostózami - středně velké umístěny na konci zvukovodu a vzájemně od sebe posunuty Obr. 4.10: První tři módy zvukovodu s exostózami - velké umístěny na začátku zvukovodu a vzájemně od sebe posunuty Obr. 4.11: První tři módy zvukovodu s exostózami - velké umístěny na konci zvukovodu a vzájemně od sebe posunuty 42

43 zvukovodu se nejvíce blíží hodnotami vlastních frekvencí i tvary kmitů na těchto frekvencích normálnímu zvukovodu - viz. Tab. 4.2, Tab. 4.6 a Obr.4.4, Obr Numerické řešení vlivu změny pohltivosti stěn zevního zvukovodu Absorpční vlastnosti měkkých tkání [10] Mezi základní parametry sluchového traktu patří jeho geometrie, velikost a akustické vlastnosti, tj. akustická pohltivost a akustická impedance měkkých tkání. Tyto vlastnosti mohou mít vliv na vlastní šíření zvukových vln. Pro zjištění vlivu akustických vlastností na šíření zvukových vln byla provedena experimentální analýza akustických vlastností měkkých tkání. Zkušební vzorky ve formě kruhových destiček zahrnovaly měkké části hovězího a vepřového vokálního traktu, které jsou z pohledu sledovaných akustických vlastností velmi podobné lidským. Při měření akustických vlastností sledovaných vzorků byla použita impedanční trubice s frekvenčními rozsahy Hz. Schéma impedanční trubice je na (Obr.4.12). Obr. 4.12: Schéma impedanční trubice při experimentu [10] Reproduktor generuje akustickou vlnu o zvolené frekvenci f a amplitudě akustického tlaku A. Vlna se šíří trubicí a odráží se od testovaného vzorku. Obě tato vlnění se sčítají, interferují. Stav stojatého vlnění probíhající trubicí popisují fáze interference mezi dopadajícími a odraženými vlnami. Pokud dopadají vlny na zcela odrazivý povrch, mají stejnou amplitudu jako vlny odražené a interferenční vlnění má nulový akustický tlak v uzlu vlnění a dvojnásobnou amplitudu v kmitně. Při absorbování části akustické energie sledovaným vzorkem mají dopadající i odražená vlna různé amplitudy akustického tlaku (dopadající A a odražená B). Amplituda akustického tlaku v uzlu referenčního vlnění pak již nemá nulovou hodnotu (Obr.4.13). Absorpce navíc způsobuje fázový posun vlnění v důsledku odrazů. Amplitudy akustického tlaku interferenčního vlnění v uzlech a kmitnách byla měřena mikrofonem, který byl připojen k vozíku a pohyboval se po měřícím pravítku. Amplitudy A, B akustických tlaků dopadající a odražené vlny nelze měřit přímo a samostatně, ale jako výsledné hodnoty stojatých vln v trubici, tj. hodnoty (A + B), (A - B). Výsledky experimentální analýzy akustických vlastností sledovaných vzorků ukázaly, že součinitelé zvukové pohltivosti u těchto vzorků vykazují velmi nízké hodnoty 43

44 Obr. 4.13: Průběhy akustických tlaků u stojatého vlnění (a - akusticky tuhá stěna, b - testovaný vzorek měkké tkáně ) [10] téměř v celém sledovaném frekvenčním rozsahu, tj Hz. V tomto frekvenčním rozsahu se akustické charakteristiky velmi málo mění a lze tedy konstatovat, že součinitelé akustické pohltivosti měkkých tkání traktu se pohybují v rozsahu hodnot 0,03 α 0,15. Nízké hodnoty součinitelů absorpce jsou nutnou vlastností sluchového traktu, nebot akustická vlna jím musí procházet s nejmenšími akustickými ztrátami. Akustický výkon tedy musí být bez větších ztrát zaveden z okolního vnějšího prostoru do vnitřního ucha. Je nutno připomenout, že změny rezonančních frekvencí sluchového traktu včetně všech dutin jsou u jednotlivých lidí způsobovány odlišnými tvary těchto dutin a nikoliv hodnotami absorpčních koeficientů vnitřních povrchů Změna pohltivosti stěny zevního zvukovodu v systému ANSYS Koeficient absorpce vyjadřuje ztrátu elastické energie na rozhraní dvou prostředí (v tomto případě struktura - tekutina). V ANSYSu se zadává pomocí bezrozměrné konstanty MU, tzv. boundary admitance admitance rozhraní. Nabývá hodnot [0;1]. Jeho fyzikální podstata je obdobná jako v případě lomu světla na rozhraní dvou prostředí. Pro MU = 0 dochází k absolutnímu odrazu a při MU = 1 k absolutní absorpci prostředí. Model zevního zvukovodu, kde se měnila pohltivost stěn, byl vytvořen na 2D modelu lidského ucha vytvořeného v systému ANSYS. Výpočtový 2D model lidského ucha byl převzat z diplomové práce [9], který zahrnoval akustický subsystém zevního zvukovodu, elastický bubínek, středoušní dutinu se sluchovými kůstkami a dutinu vnitřního ucha. 2D konečnoprvkový model lidského ucha je zobrazen na Obr Absorpce stěny byla realizována za pomoci tenké vrstvy fluidních elementů na obvodu zvukovodu. Fluidní elementy (FLUID29) tenké vrstvy se lišily od zbylých fluidních elementů trubice přidáním parametru tlumení MU k materiálovým charakteristikám. Přidaný parametr byl postupně měněn: MU = 0,01, MU = 0,0025 a MU = 0 (viz. kapitola [10]), přičemž MU = 0 představuje úplnou odrazivost stěny zvukovodu. Detail zvukovodu s tenkou vrstvou nových fluidních elementů je zobrazen na Obr

45 Obr. 4.14: 2D konečnoprvkový model lidského ucha [9] Obr. 4.15: Zvukovod s tenkou vrstvou nových fluidních elementů Parametr tlumení MU, zadávaný v systému ANSYS v rámci materiálových charakteristik, odpovídá koeficientu pohltivosti β. Ze zvolených hodnot parametru MU lze ze vztahu (4.2) [11] [12] přepočtem odvodit součinitel zvukové pohltivosti α (4.3). MU = β = α = α 2 1 α α + 2 (4.2) 4 β (1 + β) 2 (4.3) Vypočtené součinitelé zvukové pohltivosti pro dané hodnoty parametru tlumení MU jsou zaznamenány v tabulce Tab Na modelu byla poté provedena harmonická analýza v rozsahu 0 Hz 15 khz s krokem 100 Hz. Na obvod zvukovodu byly položeny výchylky UX a UY rovny nule. Aby byla vytvořená tenká vrstva s MU parametrem aktivní, bylo nutné na obvod 45

46 Hodnota parametru tlumení MU Vypočtená hodnota α 0,01 0, ,0025 0,00995 Tab. 4.9: Vypočtené součinitelé zvukové pohltivosti α pro dané hodnoty parametru tlumení MU zvukovodu aplikovat impedanci IMPD = 1. Na vstupu do zvukovodu bylo zavedeno buzení tlakem o amplitudě p 0 = 1 Pa. Jako výstup z harmonické analýzy byla zvolena závislost hodnoty tlaku p A na frekvenci pro nod těsně před středem bubínku. Takto stanovovaná přenosové funkce zevního zvukovodu tak byla vyjádřena v db pomocí vztahu (4.4). Vypočtené přenosové funkce byly zaneseny do grafu na Obr L p = 20 log p A (4.4) p 0. kde p A je zjištěný akustický tlak těsně před bubínkem pro zvukovod se zvýšenou absorpcí a p 0 je akustický tlak na vstupu do zevního zvukovodu. Obr. 4.16: Přenosová funkce zevního zvukovodu při různé pohltivosti stěn V případě exostóz je možné předpokládat zvýšení pohltivosti stěn zevního zvukovodu po jejich operaci, proto byly provedeny parametrické výpočty pro různé hodnoty MU. Pro účely sledování změny sluchu za přítomnosti exostóz v zevním zvukovodu pak byla vyhodnocena dle vztahu (4.5) relativní přenosová funkce. L pr = 20 log p A (4.5) p n. kde p A je zjištěný akustický tlak před bubínkem pro zvukovod se zvýšenou absorpcí a p n je akustický tlak pro zvukovod bez absorpce. Relativní přenosové funkce byly poté vyneseny do grafu na Obr

47 Obr. 4.17: Relativní přenosová funkce zevního zvukovodu L pr pro případ různé pohltivosti stěn Analýza výsledků změny pohltivosti stěn zevního zvukovodu Z grafů na obrázku Obr.4.16 a Obr.4.17 vyplývá, že změna pohltivosti stěn zevního zvukovodu ovlivňuje intenzitu zvuku hlavně na rezonančních frekvencích zvukovodu, převážně je přitom však zatlumen druhý akustický mód zevního zvukovodu. Čím se pohltivost stěn zvyšuje, tím se snižuje hodnota tlaku před bubínkem. 4.3 Výpočet přenosové funkce vzdušného vedení pro zvukovod s exostózami Model zevního zvukovodu s exostózami byl opět vytvořen na 2D modelu [9]. Exostózy na modelu představují dva polokruhy, které jsou pomocí booleovských operací odečteny od zevního zvukovodu. Namodelované exostózy jsou vzájemně od sebe posunuty, čímž se jednak zužuje průsvit zvukovodu a jednak se prodlužuje dráha postupující zvukové vlny. Pro výpočty harmonických analýz zvukovodu s exostózami byly vytvořeny dvě modelové situace předpokládaného nárůstu oboustranných exostóz v zevním zvukovodu (vždy ve třech variantách zúžení průsvitu zvukovodu). Model zevního zvukovodu s nově vzniklými exostózami v různých modelových situacích je zobrazen na Obr.4.5 (viz. kapitola 4.1.2). Modely byly vytvořeny tak, aby doplňovaly poznatky získané z bakalářské práce [8], kde byly oboustranné exostózy modelovány jako dva protilehlé polokruhy bez vzájemného posunu. Dále musela být zajištěna průchodnost akustických vln velmi malým průsvitem při situaci, kdy exostóza téměř ucpala zvukovod. Tato podmínka byla zajištěna změnou velikosti elementů v oblasti maximálního zúžení. Model části takto upraveného zvukovodu je na Obr

48 Obr. 4.18: Zjemnění sítě v oblasti maximálního zúžení Vliv exostóz na hodnoty tlaku na bubínek Na vytvořeném modelu akustického subsystému byla v systému ANSYS provedena harmonická analýza, která zjišt uje přenosovou funkci studovaného systému. Z matematického hlediska se jedná o zjištění odezvy daného systému na jednotkovou hodnotu vstupní veličiny (stejné pro všechny frekvence). Harmonická analýza byla provedena v rozsahu 0 15 khz s krokem 100 Hz. Na obvodu trubice (normálního zvukovodu i zvukovodu s exostózami) byly položeny výchylky UX a UY rovny nule, parametr tlumení MU = 0 a na konci trubice byl uvažován elastický bubínek. Na vstupu do zvukovodu bylo aplikováno buzení tlakem o amplitudě p 0 = 1 Pa, což odpovídá kolmo dopadající rovinné vlně. Jako výstup z harmonické analýzy byla zvolena závislost hodnoty tlaku p A na frekvenci pro nod 0,5 mm před středem bubínku (což je místo používané při lékařském měření akustického tlaku v lidském zvukovodu), tj. přenosová funkce zevního zvukovodu. Byly provedeny parametrické výpočty pro různé polohy exostóz a pro různé jejich velikosti, tedy pro různá zúžení zvukovodu (resp. prodloužení dráhy postupující akustické vlny). Vypočtené přenosové funkce dle vztahu (4.4) (viz. kapitola 4.2.2) byly vykresleny v grafech na Obr Obr Aby bylo možné posoudit vliv exostóz na sluch při vzdušném vedení, byly sledovány relativní přenosové funkce L pra pro jednotlivé polohy exostóz vůči hodnotám tlaku pro normální zvukovod. Relativní přenosové funkce byly určeny dle vztahu (4.5) (viz. kapitola 4.2.2). Vypočtené relativní přenosové funkce L pra jsou na Obr Obr U pacientů bylo vzhledem k variabilitě exostóz pro odhad srovnání s audiogramy provedeno zprůměrování křivek relativních přenosových funkcí L pra (Obr.4.23) Vliv exostóz na hodnoty tlaku v kochley Druhým vyšetřovacím místem byl nod B pod třmínkem v těsné blízkosti vstupu do vnitřního ucha. Vypočtené přenosové funkce dle vztahu (4.6) byly vykresleny v grafech na Obr Obr

49 Obr. 4.19: Přenosová funkce zevního zvukovodu L pa pro případ exostóz nacházejících se v blízkosti vstupu do zevního zvukovodu Obr. 4.20: Přenosová funkce zevního zvukovodu L pa pro případ exostóz nacházejících se v blízkosti bubínku Obr. 4.21: Relativní přenosová funkce L pra zevního zvukovodu pro případ exostóz nacházejících se na vstupu do zvukovodu 49

50 Obr. 4.22: Relativní přenosová funkce L pra zevního zvukovodu pro případ exostóz nacházejících se v blízkosti bubínku Obr. 4.23: Průměrné hodnoty relativní přenosové funkce L pra zevního zvukovodu způsobené exostózami. Zahrnuty jsou různé velikosti a polohy exostóz v zevním zvukovodu 50

51 L p = 20 log p B (4.6) p 0. kde p B je zjištěný akustický tlak pod třmínkem pro zvukovod s exostózami a p 0 je akustický tlak na vstupu do zevního zvukovodu. Obr. 4.24: Přenosová funkce do oblasti vnitřního ucha L pb nacházejících se v blízkosti vstupu do zevního zvukovodu pro případ exostóz Obr. 4.25: Přenosová funkce do oblasti vnitřního ucha L pb nacházejících se v blízkosti bubínku pro případ exostóz V tomto případě vztah (4.7) reprezentuje relativní přenosovou funkci L prb do oblasti vnitřního ucha. L p = 20 log p B (4.7) p n. kde p B je zjištěný akustický tlak pod třmínkem pro zvukovod s exostózami a p n je zjištěný akustický tlak pod třmínkem pro normální zvukovod. Vypočtené relativní přenosové funkce L prb jsou na Obr Obr Z grafů byla poté stanovena křivka průměrných hodnot (Obr.4.28). 51

52 Obr. 4.26: Relativní přenosová funkce L prb zevního zvukovodu pro případ exostóz nacházejících se na vstupu do zvukovodu Obr. 4.27: Relativní přenosová funkce L prb zevního zvukovodu pro případ exostóz nacházejících se v blízkosti bubínku Obr. 4.28: Průměrné hodnoty relativní přenosové funkce L prb do oblasti vnitřního ucha způsobené exostózami. Zahrnuty jsou různé velikosti a polohy exostóz v zevním zvukovodu. 52

53 Obr. 4.29: Průměrné hodnoty relativní přenosové funkce L pra zevního zvukovodu způsobené exostózami modelovanými přímo proti sobě. Zahrnuty jsou různé velikosti a polohy exostóz v zevním zvukovodu. [8] Vliv exostóz na vibrace bazilární membrány v kochley V dalším kroku byl posuzován vliv exostóz na vibrace bazilární membrány. Na modelech normálního ucha [9] a zvukovodu s exostózami dle Obr.4.30 byla provedena harmonická analýza ve frekvenčním rozsahu Hz, s počtem kroků 64, tak aby se mohly sledovat výchylky bazilární membrány na audiofrekvencích. Obr. 4.30: Konečnoprvkový model lidského ucha se zvukovodem s exostózami Na obvodu normálního zvukovodu i zvukovodu s exostózami byly položeny výchylky UX a UY rovny nule a na vstupu do zvukovodu bylo aplikováno buzení tlakem o amplitudě 1 Pa. Jako výstup z harmonické analýzy byly zvoleny výchylky na jednotlivých audiofrekvencích, z nichž pak byly stanoveny hodnoty maximálních výchylek. Pro názornost jsou na Obr Obr.4.33 zobrazeny vibrace bazilární membrány 53

54 na jednotlivých audiofrekvencích. Srovnání křivek maximálních výchylek na jednotlivých audiofrekvencích pro normální zvukovod (A maxn ) a zvukovod s exostózami (A maxe ) byl znázorněn v grafu na Obr Změna maximální výchylky zvukovodu s exostózami a normálního zvukovodu byla vykreslena v grafu na Obr Obr. 4.31: Vibrace bazilární membrány na frekvenci 256 Hz - vzdušné vedení zvuku Obr. 4.32: Vibrace bazilární membrány na frekvenci 1024 Hz - vzdušné vedení zvuku Analýza výsledků vibrací bazilární membrány při vzdušném vedení zvuku Z grafů na Obr.4.34 a Obr.4.35 je patrné, že exostózy nejvíce ovlivňují vibrace bazilární membrány ve frekvenčním pásmu 2-5 khz, což je oblast frekvence lidského 54

55 Obr. 4.33: Vibrace bazilární membrány na frekvenci 8192 Hz - vzdušné vedení zvuku Obr. 4.34: Maximální výchylky bazilární membrány v případě vzdušného vedení normálního zvukovodu a zvukovodu s exostózami 55

56 Obr. 4.35: Pokles maximálních výchylek A maxn - A maxe bazilární membrány v důsledku přítomnosti exostóz pro vzdušné vedení zvuku hlasu. Ve frekvenčním pásmu 2-3,8 khz se maximální výchylky bazilární membrány pro zvukovod s exostózami zvyšují a důsledkem toho dochází ke zlepšení sluchu. Nejvýraznější je rozdíl na audiofrekvenci 2896 Hz, kdy je zřejmě maximální výchylka až 1,5 krát větší. 4.4 Simulace kostního vedení zvuku Jak již bylo zmíněno v kapitole 2.4, existuje několik cest kostního vedení zvuku. V bakalářské práci [8] byl ze zpracování audiologických vyšetření pacientů s exostózami i z výsledků numerického modelování zjištěn paradox, že po odstranění exostóz dochází na nízkých frekvencích ke zhoršení sluchu. Pro posouzení vlivu exostóz na kostní vedení byly provedeny simulace dvou základních mechanizmů, a to vibracemi lebky, což odpovídá buzení na Obr a vibracemi zvukovodu prostřednictvím tloušt kových (radiálních) kmitů stěny zevního zvukovodu, což odpovídá buzení na Obr Na modelech normálního ucha [9] a zvukovodu s exostózami dle Obr.4.30 bylo zapotřebí kolem zvukovodu domodelovat část chrupavky, která tvoří zevní třetinu podkladu zvukovodu a část kostěného podkladu, který tvoří zbylé dvě třetiny podkladu zvukovodu. Použité materiálové charakteristiky pro chrupavku a kost spánkovou [14] jsou zapsány do tabulky Tab Nově vzniklé modely pro simulaci kostního vedení zvuku jsou zobrazeny na Obr Aby byl umožněn přenos mezi rozhraním struktura - vzduch ve zvukovodu, byla na obvod zvukovodu aplikována fluid-strukturní interakce (FSI) Kinematické buzení řetězce osikulárních kůstek Řetězec osikulárních kůstek je uchycen k lebce přes membrány bubínku, oválného okénka a za pomoci pěti jemných vazů (které je možné uvažovat za pružiny). Takové 56

57 Hustota Modul pružnosti v tahu Poissonova konst. [kg/m 3 ] [P a] [ ] elast. chrupavka , ,45 kost spánková , ,3 Tab. 4.10: Materiálové charakteristiky okolních tkání zevního zvukovodu [14] Obr. 4.36: Konečnoprvkové modely lidského ucha s uvažovanými okolními tkáněmi zevního zvukovodu buzení může být uvažováno za buzení kinematické. Kinematické buzení bylo realizováno dvěma způsoby. Nejprve byly aplikovány výchylky ve stejném směru, což mělo simulovat buzení řetězce při vibracích lebky (Obr.4.37). Poté byly aplikovány výchylky ve směru proti sobě (vždy do středu zvukovodu), což mělo simulovat buzení řetězce při vibracích zvukovodu(obr.4.41) Buzení vibracemi lebky Na modelech s uvažovanými okolními tkáněmi byla opět provedena harmonická analýza ve frekvenčním rozsahu Hz (64 kroků). Velikost výchylky (Obr.4.37) byla stanovena ze závislosti velikosti výchylek při vibracích lebky jako celku na určitých frekvencích, s tím, že známé hodnoty výchylek [2] (Obr.4.38) byly proloženy mocninnou funkcí. Pro budící výchylku byla brána hodnota pro 500 Hz UY = 4, mm. Jako výstup z harmonické analýzy byly zvoleny výchylky na jednotlivých audiofrekvencích, z nichž pak byly stanoveny hodnoty maximálních výchylek. Srovnání křivek maximálních výchylek na jednotlivých audiofrekvencích pro normální zvukovod a zvukovod s exostózami je znázorněn v grafu na Obr Relativní změna maximální výchylky zvukovodu s exostózami a normálního zvukovodu je vykreslena v grafu na Obr Buzení vibracemi zvukovodu Na modelech s uvažovanými okolními tkáněmi byla opět provedena harmonická analýza ve frekvenčním rozsahu Hz (64 kroků). Hodnota výchylky (Obr.4.41) 57

58 Obr. 4.37: Kinematické buzení řetězce osikulárních kůstek vibracemi lebky Obr. 4.38: Hodnoty výchylek vibrací lebky na frekvencích 200, 400 a 800 Hz [2] a proložení mocninnou funkcí y = 0, 1284x 2,398 Obr. 4.39: Maximální výchylky bazilární membrány v případě vzdušného vedení normálního zvukovodu a zvukovodu s exostózami při buzení vibracemi lebky 58

59 Obr. 4.40: Pokles maximálních výchylek A maxn - A maxe bazilární membrány v důsledku přítomnosti exostóz pro kostní vedení zvuku při buzení vibracemi lebky byla opět UY = 4, mm. Jako výstup z harmonické analýzy byly zvoleny výchylky na jednotlivých audiofrekvencích, z nichž pak byly stanoveny hodnoty maximálních výchylek. Srovnání křivek maximálních výchylek na jednotlivých audiofrekvencích pro normální zvukovod a zvukovod s exostózami je znázorněn v grafu na Obr Relativní změna maximální výchylky zvukovodu s exostózami a normálního zvukovodu je vykreslena v grafu na Obr Obr. 4.41: Buzení osikulárních kůstek radiálními kmity stěny zvukovodu Analýza výsledků kostního vedení Z grafů na Obr.4.39 a Obr.4.40 je patrné, že exostózy mají velmi malý vliv na kostní vedení při buzení vibracemi lebky. Nepatrné zlepšení sluchu nastává ve frekvenční oblasti 1 kh a 5 kh. Z grafů na Obr.4.42 a a Obr.4.43 je však patrné, že zhoršení sluchu kostního vedení při odstranění exostóz lze do značné míry přiřadit složce buzení vibracemi stěn zevního zvukovodu, kdy dochází k objemovým změnám zvukovodu, které se projeví pulzací tlaku, tedy mechanizmus šíření zvuku je obdobný jako při vzdušném vedení. Zlepšení sluchu nastává ve frekvenční oblasti okolo 1 khz, výraznější zlepšení pak nastává ve frekvenční oblasti okolo 3 khz. 59

60 Obr. 4.42: Maximální výchylky bazilární membrány v případě vzdušného vedení normálního zvukovodu a zvukovodu s exostózami při buzení vibracemi stěn zvukovodu Obr. 4.43: Pokles maximálních výchylek A maxn - A maxe bazilární membrány v důsledku přítomnosti exostóz pro kostní vedení zvuku při buzení vibracemi stěn zvukovodu 60

61 4.5 Diskuze zkreslení zvukového vjemu pacientů s exostózami při audiologickém vyšetření pomocí sluchátek Audiometrické vyšetření sluchu za pomoci sluchátek probíhá tak, že je budící signál v místě membrány reproduktoru přizpůsoben, aby do vstupu do zvukovodu vcházel akustický tlak se stejnou amplitudou pro každou frekvenci. Takový postup se aplikuje jak pro normální sluchové ústrojí, tak pro sluchové ústrojí s patologickými změnami (např. zvukovod s exostózami). Při patologických změnách se ovšem mění přenosová charakteristika a do vstupu do zvukovodu už nepřichází konstantní tlak na každé frekvenci. Je tedy patrné, že audiogramy pro normální sluch nejsou srovnatelné s audiogramy sluchu za patologických změn. Křivka sluchového prahu pro sluch za patologických změn by měla mít tedy jiné nulové hodnoty na audiofrekvencích než křivka sluchového prahu pro normální zvukovod, budící tlak ze sluchátek by se měl tedy při audiologickém vyšetření poškozeného sluchu upravovat. K tomu poslouží korekce, které přizpůsobí budící tlak v sluchátku pro vyšetření poškozeného sluchu tak, aby bylo vyšetření srovnatelné s vyšetřením normálního sluchu. Ve spolupráci s Petrem Hájkem byl podle postupu v jeho diplomové práci [16] odhadnut možný efekt zkreslení vyšetření pacientů s exostózami. Jak je zřejmé z Obr.4.44, na 4 khz ke zkreslení docházet může. Porovnáním s audiogramy pacientů pro vzdušné vedení zvuku na Obr.4.46 by se dalo říct, že se na 4 khz tento efekt objevuje. Obr. 4.44: Křivky podílu tlaku membrány sluchátka a tlaku při vstupu zvuku do zvukovodu 61

62 4.6 Analýza audiologických vyšetření pacientů s exostózami V bakalářské práci [8] byl zpracován soubor audiologických vyšetření 19 pacientů ORL oddělení Pardubické krajské nemocnice, které poskytl MUDr. Jan Mejzlík, Ph.D. Audiogramy zaznamenávaly práh slyšitelnosti pro vzdušné a kostní vedení na audiofrekvecích (125, 256, 512, 1024, 2048, 2896, 4096, 5792 a 8192 Hz). Ukázka audiologických vyšetření pacientů pro vzdušné vedení je na Obr Z audiogramů byly stanoveny křivky středních hodnot popisující sluch pacientů ve stádiu před operací, těsně po operaci a po zhojení, jak pro vzdušné vedení zvuku tak pro vedení kostní. Na Obr.4.47 jsou zobrazeny křivky středních hodnot vzdušného vedení zvuku u sledovaných pacientů před operací a po zhojení Analýza audiologických vyšetření vzdušného vedení zvuku Křivka průměrných hodnot vlivu exostóz na sluch při vzdušném vedení (Obr.4.23) ukazuje, že pro frekvence nižší než 3 khz je ovlivnění exostózami menší než pro frekvence vyšší než 3 khz. Sluch se vlivem exostóz na nízkých frekvencích (do 2 khz) zlepšuje, a to až o 5 db. Výsledky simulace modelu exostóz vzájemně od sebe posunutých se shodují s výsledky simulace modelu exostóz umístěných přímo naproti sobě (viz. Obr.4.29 [8]). Výsledná křivka průměrných hodnot (Obr.4.28) naopak ukazuje, že pro tlak měřený těsně pod třmínkem na nízkých frekvencích (do 3 khz) exostózy sluch ovlivňují více, sluch se zlepšuje o db. Křivky souhlasí s křivkou středních hodnot audiogramů pacientů před operací z Obr Dále je z audiologického hlediska patrné, že dle Obr.4.45 [2] obturace zevního zvukovodu má za následek, že vzdušné vedení zvuku s frekvencí klesá. To dokládá i křivka průměrných hodnot (Obr.4.28) a křivka středních hodnot audiogramů pacientů z Obr Analýza audiologických vyšetření kostního vedení zvuku Z audiogramu na Obr.4.45 [2] je patrné, že se při obturaci zvukovodu kostní vedení zlepší, a to hlavně na nízkých frekvencích. Jelikož byly střední hodnoty pro kostní vedení stanovovány z velmi malého počtu pacientů (pro stav po zhojení pouze dva), bude objektivnější porovnávat výsledky přímo s konkrétními dvěma případy vyšetřených pacientů, viz. Obr.4.48 a Obr Z těchto důvodů byly pro účely srovnání použity i výše zmiňované hodnoty audiologického vyšetření pacienta s obturací zvukovodu. Je patrné, že u obou případů opět exostózy zlepšují kostní vedení na nízkých frekvencích. Z frekvenční závislosti maximálních výchylek bazilární membrány normálního zvukovodu a zvukovodu s exostózami, kde byl řetězec osikulárních kůstek buzen 62

63 Obr. 4.45: Audiogramy při obturaci zvukovodu. Silné křivky znázorňují sluchový práh při obturaci zvukovodu a slabé křivky značí sluchový práh po výplachu zvukovodu. [2] vibracemi lebky (Obr.4.39), je patrné, že tento mechanizmus buzení není citlivý na přítomnost exostóz. Z frekvenční závislosti maximálních výchylek bazilární membrány normálního zvukovodu a zvukovodu s exostózami, kde byl řetězec osikulárních kůstek buzen vibracemi zvukovodu (Obr.4.42), je však patrné, že je toto buzení při exostózách hlavním mechanizmem kostního vedení. Kostní vedení zde dává na 2 khz větší výchylku, což je srovnatelné i s hodnotami udávanými v audiogramu na Obr.4.45 [2]. Porovnáním této frekvenční závislosti s audiogramy na Obr.4.48 a Obr.4.49 můžeme konstatovat, že se ve všech případech kostní vedení zlepší na nízkých frekvencích. U audiogramů se však kostní vedení zlepší na nízkých frekvencích zhruba do 1 khz, kdežto u výpočtového modelu je zlepšení na frekvencích 2-4 khz. Jelikož byla pro kostní vedení uvažována pouze jedna modelová situace možného nárůstu exostóz v zevním zvukovodu (zúžení zvukovodu na 2 mm, umístění exostóz naproti sobě ve středu zvukovodu), pro zpřesnění by tedy bylo vhodné uvažovat více modelových situací. 63

64 Obr. 4.46: Audiogramy pacientů - vzdušné vedení zvuku - před operací Obr. 4.47: Střední hodnoty audiogramů pacientů - vzdušné vedení zvuku - před operací a po zhojení 64