126 PRACE ORYGINALNE / ORIGINALS The methodology of measurements of ossicular chain movability during tympanoplasty using Laser Doppler Vibrometry SUMMARY Laser Doppler vibrometry can potentially be applied in the measurement of the acoustic conductivity of the middle ear during The article presents the test procedure developed at the Department of Otolaryngology, Medical University of Warsaw for the displacement measurement of the conductive elements of the middle ear. tympanotomy. During the measurements, ER-2 speakers generated conductivity of the middle ear was measured on the back branch of the stapes, round window. Laser Doppler Vibrometer was used to measure velocity of each selected elements of the ear. In four experiments were assessed the intraoperative availability of measurement points, the impact of laser beam vibration measured point, intra- and interindividual variability of the method. For all measured frequencies intra-individual differences were no velocity values in various temporal bones. Changing the angle of the laser Laser Doppler vibrometry can be used to measure motion of the middle ear sound conductivity with very good repeatability of amplitude of measurement during surgery. To maintain the sensitivity of - Laser Doppler Vibrometer, a closed tympanoplasty, ossicular chain mobility / Pomimo zwiększającej się liczby publikacji dyskusyjna pozostaje użyteczność laserowej wibrometrii dopplerowskiej (LWD) w praktyce klinicznej. Jest ona bardzo czułą, bezkontaktową metodą pomiaru ruchomości elementów ucha środkowego w zakresie częstotliwości od 100 Hz do 25 000 Hz, pozwalającą uwidocznić wychylenia do 0,0001 μm [1]. Najczęściej stosowany jest laser helowo-neonowy, którego wiązka zostaje nakierowana na elementy ucha środkowego. Promień światła po odbiciu się od punktu pomiarowego jest przechwycony przez fotokomórkę głowicy urządzenia i przekształcony w sygnał elektryczny o napięciu proporcjonalnym do zmiany prędkości punktu. W otologii ta informacja pozwala na ocenę przewodności akustycznej elementów ucha środkowego. Laserowa wibrometria dopplerowska może znaleźć swoje miejsce w diagnostyce audiologicznej obok audiometrii impedancyjnej jako alternatywna, ale nie tożsama, metoda pomiaru podatności błony bębenkowej [2, 3]. Dodatkowo pozwala ona na uzyskanie informacji o ruchomości uwidocznionego układu kosteczek słuchowych [4]. Nowa technika diagnostyczna musi spełnić określone kryteria wdrożenia do praktyki klinicznej. Musi być dobrze zbadana pod względem prawidłowości metody,
PRACE ORYGINALNE / ORIGINALS 127 być łatwa do wykorzystania w warunkach klinicznych, nie wymagać dużych nakładów środków związanych zakupem i eksploatacją. Dodatkowo używane wyposażenie i jego zastosowanie powinny być wystandaryzowane, aby uzyskać możliwość porównania wyników w warunkach klinicznych. Istnieją dane doświadczalne potwierdzające porównywalność pomiarów w przy użyciu typowego oprzyrządowania [4 7]. Wciąż spornym tematem pozostaje śródoperacyjna powtarzalność pomiarów, wpływ zmiany kąta pomiaru na amplitudę odpowiedzi oraz konieczność używania elementu odblaskowego. Celem pracy jest przedstawienie procedury badawczej opracowanej w Katedrze i Klinice Otolaryngologii WUM do pomiarów ruchomości elementów przewodzeniowych ucha środkowego. Procedura została przygotowana w sposób pozwalający na jej implementowanie do warunków klinicznych. W pracy użyto 14 świeżo mrożonych preparatów kości skroniowych pobranych w ciągu 24 godzin od zgonu. Średni wiek dawcy preparatu wynosił 69,7 roku (kobiety 69,3, mężczyźni 65,0, min. 51 lat, maks. 84 lat). Przed pomiarami na preparatach kości skroniowych wykonano typowy dostęp chirurgiczny jak w przypadku tympanoplastyki typu zamkniętego z antromastoidektomią i tympanotomią tylną. Nerw twarzowy, przewód słuchowy zewnętrzny, struna bębenkowa, mięsień strzemiączkowy zostały zachowane. Pomiary wykonano za pomocą sytemu laserowej wibrometrii dopplerowskiej składającej się z głowicy lasera OVF 505, która generuje wiązkę światła, połączonej z kontrolerem OVF 5000 konwertującym sygnał analogowy do cyfrowego za pomocą analizatora SCADAS oraz laptopu z oprogramowaniem Test Xpress. Słuchawki ER2 wytwarzały falę akustyczną o zadanej częstotliwości pobudzającej łańcuch kosteczek słuchowych. LWD jest bezkontaktowym sposobem mierzenia ruchomości badanych obiektów. Ten system wykorzystuje efekt Dopplera, stosując do pomiarów falę o długości fali 633 nm. Wiązka czerwonego lasera helowo-neonowego generowana przez głowicę (w naszym przypadku OVF 505) odbija się od ruchomego punktu pomiarowego, zmieniając częstotliwość w zależności od jego prędkości. Po powrocie do głowicy jest konwertowana na sygnał elektryczny zawierający informacje o zmianie mierzonej prędkości. Analizator zamienia sygnał analogowy na cyfrowy, który jest następnie kierowany do komputera. Mierzona prędkość jest wprost proporcjonalna do częstotliwości oraz przesunięcia mierzonego punktu zgodnie ze wzorem v=2π*f*d (v prędkość, d wychylenie, f częstotliwość). Dlatego opisując prędkość danego punktu, możemy pośrednio opisywać jego wychylenie. Analizy statystyczne wykonano w programie Statistica 8.0. (Ryc. 1). Ryc. 1. The laser system for measurement of ossicular chain mobility description in the text Eksperyment 1 W tej części doświadczenia zbadano powtarzalność metody w obrębie tego samego preparatu kości skroniowej. Łańcuch kosteczek słuchowych był pobudzany przez słuchawki ER2 generujące sygnał sinusoidalny o częstotliwościach 1, 2, 4, 8 khz. Badanie przeprowadzono po naniesieniu na strzemiączko aluminiowej folii odblaskowej o wymiarach ok. 1x1 mm. Wykonano dwa pomiary prędkości mierzonego punktu pobudzanego dźwiękiem o zadanej częstotliwości. Każdy pomiar trwał 1 sekundę i zawierał 50 zliczeń. Następnie testem Wilcoxona dla par zbadano istotność statystyczną różnic między dwoma kolejnymi badaniami. Odpowiedź mierzona laserową wibrometrią dopplerowską spełniała określone kryteria. Największa wartość oczekiwanej odpowiedzi z przedziału -50Hz +50Hz musiała być wyższa niż każda wartość średniej szumów tła wziętej z miejsca odległego o 250, 255, 260 Hz od czoła odpowiedzi z obu stron. Tak na przykład, dla fali pobudzającej łańcuch kosteczek słuchowych o częstotliwości 2000 Hz do odpowiedzi zaliczano sygnał którego najwyższa wartość była pobierana przez program z przedziału 1950 2050 Hz i jego amplituda była większa niż średnie natężenie szumu mierzonego na częstotliwościach 1740 Hz, 1745 Hz,1750 Hz, 2250 Hz, 2255 Hz i 2260 Hz powiększonego o wartość 3 odchyleń standardowych. Eksperyment 2 W tej części doświadczenia zbadano dostępność elementów ucha środkowego w typowym dostępie śródoperacyjnym i międzyosobniczą powtarzalność metody. Łańcuch kosteczek słuchowych był pobudzany przez słuchawki ER2 generujące sygnał sinusoidalny o częstotliwościach 1 khz, 2 khz, 4 khz, 8 khz. Badanie
128 PRACE ORYGINALNE / ORIGINALS Tabela I. przeprowadzono po naniesieniu na strzemiączko aluminiowej folii odblaskowej o wymiarach ok. 1x1 mm. W niniejszej pracy zachowano jednostki prędkości: metr na sekundę (m/s). W pojedynczym pomiarze wykonano w ciągu 2 sekund 100 zliczeń prędkości mierzonego punktu pobudzanego dźwiękiem o zadanej częstotliwości. Odpowiedź mierzona laserową wibrometrią dopplerowską musiała spełniać kryteria jak w eksperymencie 1. Eksperyment 3 W części tej badano wpływ zmiany kąta padania lasera na amplitudę ruchomości badanego punktu. Na membranę głośnika MDR-E818LP naniesiono kwadracik folii odblaskowej aluminiowej 3x3 mm. W trakcie trwania eksperymentu został wygenerowany ton o częstotliwości 500, 2000, 4000 Hz i natężeniu 70 db. Pomiar prędkości wychylenia membrany przeprowadzono za pomocą głowicy lasera OFV 505 umieszczonego na wypoziomowanym statywie z kątomierzem. W trakcie badania zmieniano kąt padania promienia lasera o 10, 30. Po każdej zmianie kąta pomiar zostawał powtórzony. Wykonywano 100 zliczeń w pojedynczym pomiarze jak w eksperymencie 2. Następnie dla każdego zliczenia określano spadek amplitudy po zmianie kąta padania lasera. Eksperyment 4 W pracy użyto 3 świeżo mrożonych preparatów kości skroniowych pobranych w ciągu 24 godzin od zgonu. Przed pomiarami wykonano na preparatach kości skroniowych typowy dostęp chirurgiczny jak do tympanoplastyki typu zamkniętego z antromastoidektomią i tympanotomią tylną. Zostały zachowane nerw twarzowy, przewód słuchowy zewnętrzny, struna bębenkowa, mięsień strzemiączkowy. Łańcuch kosteczek słuchowych był pobudzany przez słuchawki ER2 generujące złożony sygnał sinusoidalny o częstotliwości 1 8 khz i natężeniu 70 db. W pierwszej fazie został przeprowadzony pomiar ruchomości na odnodze tylnej strzemiączka, okienku okrągłym, promontorium, błonie bębenkowej w okolicy pępka. W drugiej fazie naniesiono na punkty pomiarowe aluminiową folię odblaskową o wymiarach 1x1 mm. Następnie pomiary zostały powtórzone po założeniu folii aluminiowej. Eksperyment 1 We wszystkich przypadkach badanych w części eksperymentalnej udało się zmierzyć ruchomość strzemiączka z dostępu przez tympanotomię tylną. Podczas dwóch 1-sekundowych pomiarów zostało wykonane po 50 zliczeń wartości prędkości drgań strzemiączka. Wartość procentowa odbitej wiązki promienia laserowego stanowiła 80 100% sygnału padającego i jest to wskaźnik umożliwiający uzyskanie powtarzalnych pomiarów (Tab. I). W teście Wilcoxona dla par nie wystąpiły różnice istotne statystycznie między wartościami prędkości ruchu strzemiączka otrzymanymi w trakcie dwóch pomiarów (p=0,41 dla 1000 Hz, p=0,82 dla 2000 Hz, p=0,56 dla 4000 Hz, p=0,51 dla 8000 Hz). Średnia amplituda maksymalnej wartości prędkości ruchów strzemiączka dla natężenia 84 db i częstotliwości 1000 Hz wynosiła 0,1926 m/s (SD 0,002) i 0,1920 m/s (SD 0,002). Świadczy to o małych wahaniach odbieranego sygnału. Dla natężenia 84 db i częstotliwości 2000 Hz średnie amplitudy maksymalnej wartości prędkości ruchów strzemiączka wynosiły 0,05436 m/s (SD 0,0012) i 0,05437 m/s (SD 0,0009), a dla częstotliwości 4000 Hz wartości te wynosiły odpowiednio 0,0481 m/s (SD 0,0013) i 0,0484 m/s (SD 0,0019), dla 8000 Hz 0,0609 m/s (SD 0,009) i 0,0606 m/s (SD 0,009). Dla progowego natężenia dźwięku wynoszącego 59 db dla częstotliwości 1000 Hz, 2000 Hz, 4000 Hz, 8000 Hz i odchylenie standardowe nie przekraczało 17,6% wartości średniej prędkości ruchu strzemiączka (dla częstotliwości 1000 Hz średnia 0,016338 m/s; SD 0,000938) (Tab. II).
PRACE ORYGINALNE / ORIGINALS 129 Tabela II. ment Seria Stosunek sygnału do szumów (SSDS) dla częstotliwości 1000 Hz i natężenia 84 db wynosił 65. Dla pozostałych częstotliwości wartości SDS wynosiły odpowiednio: 2000 Hz 30, 4000 Hz 22, 8000 Hz 45 (Tab. III). Przy natężeniu sygnału akustycznego 84 db 100% zliczeń maksymalnej prędkości strzemiączka było interpretowanych jako sygnał. Dla wartości progowych odsetek ten wynosił 80%. Wartości wychyleń były istotnie statystycznie większe niż szumy tła dla wszystkich pomiarów (p<0,001). Eksperyment 2 We wszystkich przypadkach badanych w części eksperymentalnej udało się zmierzyć ruchomość odnogi tylnej strzemiączka z dostępu przez antromastoidektomię z tympanotomią tylną. Możliwa okazała się wizualizacja promotorium, stawu kowadełkowo- -strzemiączkowego oraz niszy okienka okrągłego. Maksymalna możliwa różnica kątów padania promienia lasera mierzonego przez tympanotomię wynosiła średnio 12,07 (SD 1,94). Jego ograniczeniami były poziom nerwu twarzowego i tylna ściana przewodu słuchowego zewnętrznego. W trakcie doświadczenia podczas 2-sekundowego pomiaru zostało wykonane 100 zliczeń wartości prędkości strzemiączka. Wartość procentowa odbitej wiązki promienia lasera stanowiła 80 100% sygnału padającego. Średnia wartość prędkości ruchów strzemiączka wynosiła 0,15 m/s (SD 0,055) dla natężenia 84 db i częstotliwości 1000 Hz. Odpowiednio średnia prędkość ruchu strzemiączka dla 2000 Hz wynosiła 0,12 m/s (SD 0,08), dla 4000 Hz 0,10 m/s (SD 0,05), a dla 8000 Hz 0,0779 m/s (SD 0,049). Istnieje duży rozrzut międzyosobniczy wyników pomiarów (Ryc. 2). Eksperyment 3 Zmiana kąta padania wiązki lasera prostopadłej do powierzchni głośnika o 30 doprowadza do zmniejszenia amplitudy sygnału średnio o 27,22% (SD 4,11) dla 500 Hz, 27,43% (SD 3,97) dla 1000 Hz, 29,04% (SD 2,72) dla Ryc. 2. Velocity amplitude of the back branch of the stapes as values of wave frequency caused by the ER-2 earphones and generated ossicular chain vibration. The vertical axis represents the maximum velocity the back branch of the stapes. In all greater than the average value 2000 Hz, 35,78% (SD 2,18) dla 4 khz. Zmiana kąta padania promienia lasera o 10 zmniejsza amplitudę średnio o 8,26% (SD 3,8) dla 500 Hz, 8,13% (SD 3,8) dla 1000 Hz, 8,49% (SD 7,5) dla 2000 Hz, 6,19% (SD 6,9) dla 4000 Hz (Tab. IV). Eksperyment 4 Niezależnie od miejsca pomiaru nie udało się uzyskać odbicia ze śluzówki jamy bębenkowej i błony bębenkowej. Po założeniu fragmentu folii aluminiowej wartość procentowa odbitej wiązki laserowej wynosiła od 80 100%. Występowały różnice w odbiciu w zależ-
130 PRACE ORYGINALNE / ORIGINALS Tabela III. Tabela IV. Results of the percentage decrease in the amplitude of the measured point velocity, depending on changes in the urement. ności od miejsca pomiaru. Największe wartości odbicia zostały zmierzone na promontorium i wynosiły średnio 92,14% (SD 11,21). Na odnodze tylnej strzemiączka średnie wartości odbicia wynosiły 86,42% (SD 13,36), a na błonie bębenkowej w okolicy pępka 82,14% (SD 20,06). Najmniejsze średnie wartości intensywności odbicia zostały zarejestrowane na okienku okrągłym 54,28% (SD 12,83) (Tab. I). Położenie elementu odblaskowego na stawie kowadełkowo-strzemiączkowym w pobliżu błony bębenkowej utrudniało uzyskanie satysfakcjonującego odbicia. Po zmoczeniu solą fizjologiczną folia odblaskowa traciła swoje zdolności do odbicia. Celem pierwszorzędowym operacji tympanoplastycznych jest usunięcie przewlekłego stanu zapalnego ucha środkowego [8]. Następnie po ocenie szkód spowodowanych przez chorobę następuje próba poprawy słuchu. Wynik słuchowy po operacji jest oceniany w audiometrii tonalnej [9]. Zamknięcie rezerwy ślimakowej świadczy o prawidłowym funkcjonowaniu protezy łańcucha kosteczek słuchowych. Istnieje potrzeba śródoperacyjnej oceny ruchomości kosteczek słuchowych. Dzięki niej można modyfikować kształt i ułożenie protezki, tak aby uzyskać optymalną przewodność akustyczną. Końcowe dane pomiaru mają odpowiedzieć na pytanie, czy proteza porusza się poprawnie. Efekt końcowy to możliwie dokładne zamknięcie rezerwy ślimakowej. Jakie metody pomiaru mogą być stosowane w tym celu? Audiometria tonalna i inne subiektywne metody szacowania słuchu nie mogą być wykorzystywane ze względu na znieczulenie ogólne. Niezwykle interesującym narzędziem do oceny słuchu są obiektywne metody elektrofizjologiczne: elektrocochleografia, ABR. Wymagają one dobrego funkcjonowania ślimaka i wyższych części układu słuchu. Idea śródoperacyjnej oceny poprawności rekonstrukcji łańcucha kosteczek słuchowych od lat stanowi wyzwanie dla naukowców i klinicystów [1, 5, 6, 10, 11]. Na przestrzeni kilkudziesięciu lat powstawało szereg wspomagających chirurga sposobów pomiaru ruchomości łańcucha kosteczek słuchowych. Początkowo wykorzystywano do doświadczeń metodę dotykową [12 14], wykorzystującą właściwości włosa ludzkiego. Wraz z rozwojem myśli technicznej zastosowanie w otochirurgii znalazły bezdotykowa metoda wideo, piezoelektryczna [15], laserowa wibrometria dopplerowska [1, 4, 6, 16, 17]. Równolegle zmieniały się sposoby przygotowania warunków pomiarowych. Bekesy oraz Kirikae używali preparatów kości skroniowych z wysuszonym lub usuniętym ślimakiem, co mogło wpływać na wyniki pomiarów [12, 13]. Huber stwierdził w swoich doświadczeniach mniejszą o ok. 5 10 db ruchomość strzemiączka mierzoną śródoperacyjnie poniżej 2 khz względem pomiarów in vitro. Istotne dla powtarzalności pomiarów eksperymentalnych okazało się nawilżanie preparatu kości skroniowych [18]. Z drugiej strony badania Rosowskiego nie stwierdziły statystycznie znamiennej różnicy w ruchomości pępka błony bębenkowej mierzonych eksperymentalnie i na bloku operacyjnym. Ruggero i Temchin stwierdzili, że
PRACE ORYGINALNE / ORIGINALS 131 różnice między pomiarami in vivo i in vitro są wynikiem pośmiertnego spadku napięcia mięśni. Innym wytłumaczeniem mogą być różnice metodologiczne w trakcie pomiarów. W naszym badaniu, aby odtworzyć warunki pomiaru zbliżone do naturalnych, użyto świeżo mrożonych preparatów kości skroniowych pobranych w ciągu 24 godzin od zgonu. Uzyskano w naszym doświadczeniu bardzo dobry SSDS pozwalający na łatwe wyekstrahowanie sygnału zarówno przy dużych, jak i przy progowych amplitudach prędkości mierzonych na kościach skroniowych. Metoda ekstrakcji odpowiedzi z odbieranego sygnału jest stosowana powszechnie w elektrofizjologii. Porównanie amplitudy danych wychodzących z uśrednionymi i powiększonymi o wartości 3 odchyleń standardowych wartościami szumów tła daje czułość i swoistość metody na poziomie 97%. Procedura pomiarowa zastosowana w badaniach różni się od metod zastosowanych w piśmiennictwie, przez co występuje trudność w porównaniu wyników poszczególnych prac [1, 5, 11, 19]. Maksymalna możliwa zmiana kąta padania promienia lasera w trakcie pomiarów w eksperymencie jest zależna od szerokości tympanotomii tylnej, umiejscowienia przewodu słuchowego zewnętrznego i zatoki esowatej i wynosi ok. 10, co daje maksymalną zmianę amplitudy pomiaru o 6 9%. Zazwyczaj jednak następuje zmiana rzędu 3 5. Tak mała miara kąta zmienia wartość amplitudy o ok. 1,5% i może być zaniedbana. Na strzemiączko, analogicznie do wcześniejszych prac naniesiono fragment folii odblaskowej [1, 4, 11]. Pozwala to na uzyskanie odbitego sygnału stanowiącego 80 100% natężenia wiązki padającej, a w konsekwencji zwiększenie SSDS. Obserwacja ta stoi w opozycji do innych obserwacji śródoperacyjnych [15], w których uzyskano satysfakcjonujące odbicie od śluzówki okolicy główki strzemiączka. Laserowa wibrometria dopplerowska może być użyta do pomiarów ruchomości układu przewodzącego ucha środkowego, ponieważ daje bardzo dobrą powtarzalność pomiarów. Niewielka zmiana kąta padania wiązki laserowej, jak w przypadku pomiarów przez tympanotomię tylną, nie zmienia istotnie w warunkach śródoperacyjnych wartości parametrów drgań kosteczek słuchowych. Dla zachowania odpowiedniej czułości odpowiedzi konieczne jest zastosowanie fragmentu folii odblaskowej. Istnieją jednak duże różnice międzyosobnicze w amplitudzie pomiarów, co może utrudniać śródoperacyjną interpretację wyników. Dlatego konieczne są dalsze badania, które ustalą znaczenie wartości referencyjnych wybranych punktów pomiarowych. 1. Goode RL et al. Laser Doppler vibrometer (LDV) a new clinical tool for the otologist. Am J Otol, 1996;17(6): 813 22. 2. Buunen, TJ, Vlaming MS. Laser Doppler velocity meter applied to tympanic membrane vibrations in cat. J Acoust Soc Am, 1981;69(3):744 50. 3. Szymanski M et al. Vibrations of the human tympanic membrane measured with Laser Doppler Vibrometer. Otolaryngol Pol, 2009;63(2):182 5. 4. Hato N, Stenfelt S, Goode RL. Three-dimensional stapes footplate motion in human temporal bones. Audiol Neurootol, 2003;8(3):140 52. 5. Asai M, Huber AM, Goode RL. Analysis of the best site on the stapes footplate for ossicular chain reconstruction. Acta Otolaryngol, 1999;119(3):356 61. 6. Goode RL, Ball G, Nishihara S. Measurement of umbo vibration in human subjects method and possible clinical applications. Am J Otol, 1993;14(3):247 51. 7. Nuttall AL, Dolan DF, Avinash G. Laser Doppler velocimetry of basilar membrane vibration. Hear Res, 1991;51(2):203 13. 8. Sokolowski J et al. Method of ossicular chain valuation. Experimental measurement and clinical application. Otolaryngol Pol, 2009;63(5):432 6. 9. Kowalska-Śliwińska RM. Audiologia kliniczna. Mediton, Łódź, 2005, s. 448. 10. Goode RL. Middle ear transmission disorders by laser- Doppler vibrometry. Acta Otolaryngol, 1994;114(6):679 81. 11. Heiland KE et al. A human temporal bone study of stapes footplate movement. Am J Otol, 1999;20(1):81 6. 12. Békésy GV. Experiments in hearing. McGraw-Hill Book Co., New York, 1960, 745. 13. Kirikae I. The structure and function of the middle ear. University of Tokyo Press, Tokyo, 1960. 14. Gundersen T. Protheses in the ossicular chain experimental and cinical studies. University Park Press, Baltimore, 1971. 15. Hato N et al. A new tool for testing ossicular mobility during middle ear surgery: preliminary report of four cases. Otol Neurotol, 2006;27(5):592 5. 16. Ball GR, Huber A, Goode RL. Scanning laser Doppler vibrometry of the middle ear ossicles. Ear Nose Throat J, 1997;76(4):213 222. 17. Sokolowski J et al. Round window s movability measurements with helping of LDV in evaluation of ossicular chain functioning]. Otolaryngol Pol, 2010;64(7):77 80. 18. Mehta R et al. Middle-ear mechanics of Type III tympanoplasty (stapes columella): I. Experimental studies. Otol Neurotol, 2003;24(2):176 85. 19. Stasche N, Foth HJ, Hormann K. Laser Doppler vibrometry of the tympanic membrane. Possibilities for objective middle ear diagnosis. HNO, 1993;41(1):1 6.