Pomiary drgań błony okienka okrągłego metodą laserowej wibrometrii Dopplerowskiej

PAK vol. 57, nr 5/2011 471 Monika KWACZ 1, Jarosław WYSOCKI 2, Maciej MRÓWKA 2 1 POLITECHNIKA WARSZAWSKA, INSTYTUT MIKROMECHANIKI I FOTONIKI, 02-525 Warszawa, ul. św. Andrzeja Boboli 8 2 INSTYTUT FIZJOLOGII I PATOLOGII SŁUCHU MCSM Warszawa/Kajetany, 05-830 Kajetany k. Nadarzyna, ul. Mokra 17 Pomiary drgań błony okienka okrągłego metodą laserowej wibrometrii Dopplerowskiej Dr inż. Monika KWACZ Działalność naukowa: mechanika i mikromechanika, pomiary i modelowanie zjawisk trybologicznych, pomiary i analiza drgań w narządzie słuchu, modelowanie procesu przewodzenia dźwięku w narządzie słuchu, projektowanie i konstrukcja implantów i protezek narządu słuchu. Lek. med. Maciej MRÓWKA Działalność naukowa: otrochirurgia, leczenie operacyjne zaburzeń słuchu, aparaty wszczepialne BAHA, implanty ślimakowe, implanty słuchowe do pnia mózgu, implanty ucha środkowego, protezy twarzoczaszki na zaczepach tytanowych, etyka medyczna. e-mail: m.kwacz@mchtr.pw.edu.pl e-mail: dr.mrowka@gmail.com Dr hab. Jarosław WYSOCKI Działalność naukowa: anatomia i fizjologia narządu słuchu i równowagi, anatomia kliniczna głowy i szyi. e-mail: j.wysocki@ifps.org.pl Streszczenie W artykule opisano wykonane po raz pierwszy w Polsce bezkontaktowe pomiary parametrów drgań błony okienka okrągłego (RW) w świeżych preparatach ludzkiej kości skroniowej wykonane metodą laserowej wibrometrii Dopplerowskiej (LDV). Badania przeprowadzono systemem skanującego wibrometru laserowego PSV 400 (Polytec, Waldbronn, Germany). Pokazano charakterystyki amplitudowo-czestotliwościowe oraz fazowo-czestotliwościowe drgań błony RW dla preparatu w warunkach anatomii prawidłowej (stan fizjologiczny). Charakterystyki wyznaczono w zakresie częstotliwości od 400 Hz do 10000 Hz przy 90 db poziomie natężenia dźwięku podawanego do zewnętrznego przewodu słuchowego. Stwierdzono, że pomiary parametrów drgań błony okienka okrągłego mogą różnicować rezultaty słuchowe osiągane po chirurgicznych operacjach rekonstrukcji łańcucha kosteczek słuchowych, szczególnie w przypadku operacji otosklerozy. Słowa kluczowe: okienko okrągłe, drgania, laserowa wibrometria Dopplerowska, mechanika narządu słuchu. Measurements of round window membrane vibrations with use of Laser Doppler Vibrometer 19-21] regarding methods for temporal bone preparation and a description of the method for preparing such specimens worked out by the authors. Subsections 2.2 and 2.3 deal with description of the research system and measurement procedure used for measurements of the round window membrane vibrations. Section 3 presents the results of experimental investigations on parameters of the round window membrane vibrations performed by the authors. The results are shown in the form of the amplitude frequency characteristics, isoamplitude charts and 3D visualization. In the summary (Section 4) the characteristics of the round window membrane vibrations are analysed and applicability of the conducted investigations to evaluating the hearing results of surgical ossicular chain reconstruction is proved. Keywords: round window, vibration, Laser Doppler Vibrometry, mechanics of hearing. 1. Wstęp Zjawisko przewodzenia fali dźwiękowej z zewnętrznego przewodu słuchowego do struktur ucha wewnętrznego jest złożonym procesem mechanicznym, w którym decydującą rolę odgrywa przewodnictwo powietrzne. W procesie przewodnictwa powietrznego fala dźwiękowa dochodząca do małżowiny usznej kierowana jest przez zewnętrzny przewód słuchowy i padając na powierzchnię błony bębenkowej wywołuje jej drgania (rys. 1). Drgania te są dalej przenoszone przez połączony z błoną bębenkową łańcuch kosteczek słuchowych (młoteczek, kowadełko i strzemiączko). Drgająca podstawa strzemiączka umieszczona w niszy okienka owalnego (OW) ślimaka kostnego i zamocowana podatnym pierścieniem więzadłowym pobudza do drgań płyn perylimfatyczny wypełniający ucho wewnętrzne. Ponieważ płyn perylimfatyczny jest nieściśliwy, oscylacje strzemiączka wywołują drgania błony okienka okrągłego (RW). Abstract The paper describes non-contact measurements of round window (RW) membrane vibration parameters with use of a Laser Doppler Vibrometer (LDV) in freshly dissected specimens of a human temporal bone a procedure conducted in Poland for the first time. In the research the Scanning Laser Vibrometer system - PSV 400 (Polytec, Waldbronn, Germany) - was used. The paper presents amplitude -frequency and phasefrequency characteristics of the RW membrane vibrations in a specimen of correct anatomy (physiological conditions). The characteristics were measured within the 400 Hz 10000 Hz range with a 90 db sound pressure level applied to the external ear canal. It is shown that measurements of the round window membrane vibrations may be a tool for evaluating hearing results of surgical ossicular chain reconstruction, especially in case of otosclerosis operation. In Section 1 an anatomical structure of the organ of hearing is shown (Fig. 1) and measurement methods for the round window membrane vibrations described in literature [1-16] are presented. Section 2 contains description of the measurement method used by the authors. In Subsection 2.1 there is a short review of literature [1, 3, 12, Rys. 1. Fig. 1. Budowa anatomiczna narządu słuchu Anatomic structure of the hearing organ Przyjmuje się, że amplituda drgań podstawy strzemiączka oraz objętość drgającego płynu przy OW są miarą impedancji wejściowej ślimaka [1-4]. Doświadczalnie stwierdzono, że dla częstotli-

472 PAK vol. 57, nr 5/2011 wości poniżej 2000 Hz objętość drgającego płynu przy OW jest taka sama jak przy RW, przy czym drgania te odbywają się w przeciwfazie [5, 6]. W związku z tym, w celu określania stopnia stymulacji ślimaka w zakresie niskich częstotliwości (do 2000 Hz), można wykorzystać objętość drgającego płynu przy RW lub amplitudę drgań błony RW. Jest to szczególnie istotne w sytuacji, gdy rzeczywiste pobudzenie ślimaka jest trudne do przewidzenia, np. po zaimplantowaniu różnego typu protezek, które przekazują energię drgań do ślimaka w zastępstwie unieruchomionej podstawy strzemiączka (operacje stapedotomii lub stapedektomii). W przypadku, gdy nastąpiła zmiana sposobu stymulacji ślimaka, można określić miarę tej stymulacji wykonując pomiary drgań błony RW zachowanej w stanie fizjologicznym. Pomiary drgań błony RW mogą być wykonywane poprzez rejestrację natężenia dźwięku w dźwiękowodzie dołączonym do niszy okienka okrągłego [5] lub metodą holograficzną po pokryciu powierzchni błony warstwą odbijającego proszku [7-9]. Obie wymienione metody wymagają przeprowadzenia skomplikowanych procedur związanych zarówno z prowadzeniem eksperymentu, jak również z analizą uzyskanych wyników pomiarów. W związku z tym, najczęściej stosowaną obecnie metodą pomiarów drgań elementów strukturalnych narządu słuchu jest bezkontaktowa metoda laserowej wibrometrii Dopplerowskiej. Wykorzystanie jednopunktowego laserowego wibrometru Dopplerowskiego (LDV) pozwala ona na oszacowanie drgań na podstawie pomiaru prędkości w wybranym punkcie na powierzchni elementu drgającego. W przypadku brył sztywnych, za jakie można przyjmować elementy łańcucha kosteczek słuchowych, zastosowanie jednopunktowego LDV daje wystarczającą informację o charakterze drgań i pozwala na wyznaczenie charakterystyk amplitudowoczęstotliwościowych badanego elementu [3, 4, 10-13]. Pomiary drgań błony RW, błony bębenkowej lub błony podstawnej w ślimaku za pomocą jednopunktowego LDV wymagają ręcznego ustawiania głowicy laserowej i skupiania wiązki pomiarowej w wybranych punktach na badanej powierzchni błony [6, 14]. Nie zapewnia to wystarczającej powtarzalności pomiarów, szczególnie w przypadku badań eksperymentalnych prowadzonych przed i po wykonaniu procedury implantacji różnego typu protezek. Dlatego, w celu uzyskania pełnej informacji o charakterze drgań całej powierzchni błony, badacze prowadzą pomiary prędkości drgań wykorzystując systemy skanującego wibrometru Dopplerowskiego (SLDV) [15, 16]. Rejestracja drgań odbywa się w tym przypadku w komputerowo wygenerowanych węzłach siatki punktów pomiarowych rozmieszczonych na całej powierzchni błony. SLDV umożliwia automatyczne sterowanie głowicą skanującą, synchroniczny pomiar parametrów sygnału wymuszającego i sygnału mierzonego oraz zapewnia powtarzalność procedury pomiarowej. Impedancja wejściowa ślimaka, a tym samym czułość receptora słuchowego, jest ściśle związana ze sposobem stymulacji płynu perylimfatycznego. Zmiana sposobu stymulacji spowodowana różnorodnymi stanami patologicznymi w obrębie ucha środkowego, rekonstrukcją uszkodzonego łańcucha kosteczek lub implantacją różnego typu protezek, powoduje określoną zmianę impedancji wejściowej ucha wewnętrznego. Za miarę tej impedancji można przyjąć między innymi parametry drgań błony okienka okrągłego. Celem pracy jest weryfikacja hipotezy, że wartości parametrów drgań błony RW określają intensywność przekazywania energii ze struktur ucha środkowego do struktur ucha wewnętrznego, a tym samym mogą różnicować rezultaty słuchowe osiągane po chirurgicznych operacjach rekonstrukcji łańcucha kosteczek słuchowych. W pracy pokazano, że możliwe jest określenie zmiany impedancji wejściowej ślimaka na podstawie pomiarów relatywnych zmian amplitudy prędkości powierzchni błony RW, spowodowanych przeprowadzeniem procedury implantacji protezki strzemiączka (zabieg stapedotomii). Zaprezentowano mody drgań ludzkiej błony RW w przypadku przewodnictwa powietrznego w stanie fizjologicznym, wykazano, że charakter i amplituda drgań błony RW zależą od sposobu stymulacji oraz opisano różnicę w drganiach błony RW dla ucha w stanie fizjologicznym i ucha po implantacji protezki strzemiączka. 2. Metoda pomiarowa badania własne Badania prowadzono w warunkach in vitro wykorzystując odpowiednio przygotowane świeże, pośmiertne preparaty ludzkich kości skroniowych. W literaturze [10, 11, 15-18] wykazano, że funkcjonowanie struktur narządu słuchu w preparatach pośmiertnych jest takie samo jak funkcjonowanie tych struktur w warunkach fizjologicznych pod warunkiem, że spełnione będą następujące wymagania: (i) preparaty kości skroniowej zostaną pobrane ze zwłok w ciągu 48 godzin po śmierci, (ii) preparaty będą zabezpieczone przed wysychaniem i przechowywane bez zamrażania w temperaturze około 5 C do chwili pomiarów, (iii) pomiary będą wykonane w okresie od 1 dnia do 6 dni po śmierci. Badania zostały przeprowadzone w Instytucie Fizjologii i Patologii Słuchu MCSM w Kajetanach i polegały na pomiarze amplitudy oraz fazy drgań błony RW w funkcji częstotliwości (400 Hz 10 khz) przy poziomie natężenia dźwięku o wartości 90 db podawanego do zewnętrznego przewodu słuchowego. Na podstawie wyników badań eksperymentalnych określono charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowe oraz fazowoczęstotliwościowe, których przebiegi zależą od stanu łańcucha kosteczek słuchowych. Przebiegi wyznaczonych funkcji mogą zarówno różnicować patologie ucha środkowego, służyć do optymalizacji konstrukcji protezek narządu słuchu jak również stanowić podstawę do weryfikacji wyników modelowania procesu przewodzenia dźwięku w narządzie słuchu człowieka. 2.1. Przygotowanie preparatu Odpowiednie przygotowanie preparatu kości skroniowej ma zasadnicze znaczenie dla uzyskania wiarygodnych wyników pomiarów parametrów drgań. Zastosowana metoda pomiarowa wykorzystująca system laserowego wibrometru Dopplerowskiego wymaga wykonania takiego dostępu do pola pomiarowego (błony okienka okrągłego), który gwarantuje uzyskanie jak największej intensywności odbitej wiązki światła laserowego. W sytuacji idealnej najlepsze jest zapewnienie prostopadłości padającej wiązki w stosunku do badanej powierzchni drgającej. Ponieważ obiekty biologiczne charakteryzują się nieregularną geometrią, często nie można znaleźć jednego optymalnego ustawienia preparatu względem głowicy pomiarowej i z konieczności oświetlanie pola pomiarowego oraz rejestracja wiązki odbitej odbywają się pod pewnym kątem. Przy analizie wyników pomiarów należy wówczas uwzględnić zależny od tego kąta współczynnik korygujący. W przypadku zbyt dużego rozproszenia wiązki odbitej lub niewystarczającej jej intensywności światła odbitego na badanej powierzchni umieszcza się punkty refleksyjne o powierzchni 0,5 mm 2 i masie 0,04 mg albo szklane odbijające światło mikrokulki o średnicy 50 m (3M, ST. Paul, MN, USA) [3, 12]. Ponieważ masa punktów refleksyjnych i mikrokulek jest kilka rzędów mniejsza niż masa obiektu drgającego nie powoduje to istotnych błędów w wynikach pomiarów. Kolejnym problemem jest zachowanie lub usunięcie części aparatu podtrzymującego układ kosteczek słuchowych: niektórych więzadeł i mięśni śródusznych. W celu uzyskania lepszego wglądu do jamy bębenkowej część badaczy przecina ścięgno mięśnia strzemiączkowego i znosi wyniosłość piramidową [12, 19, 20], usuwa mostek kostny pomiędzy attyką a kanałem półkolistym bocznym wraz z więzadłem tylnym kowadełka [21]. Jak wykazały eksperymenty, nie zmienia to znacząco parametrów mechanicznych układu. Jak podkreślają wszyscy badacze, zabiegiem całkowicie obojętnym dla przenoszenia drgań jest, zapewniające dobry wgląd w niszę okienka owalnego, poszerzenie tympanotomii tylnej poprzez zniesienie sutkowego odcinka kanału nerwu twarzowego wraz z odcinkowym wycięciem przebiegającego w nim nerwu.

PAK vol. 57, nr 5/2011 473 Problemem do rozstrzygnięcia pozostaje, czy kość skroniowa po przygotowaniu do eksperymentu powinna zostać hermetycznie zamknięta. Wszyscy badacze szczelnie zamykają przewód słuchowy zewnętrzny, w którym umieszczają generator dźwięku oraz mikrofon. Zamykają również okienko w przedniej ścianie przewodu słuchowego zewnętrznego, wcześniej przygotowane w celu rejestrowania drgań błony bębenkowej. Stosują do tego celu płytki wykonane ze szkła antyrefleksyjnego. Większość badaczy zamyka także otwór w wyrostku sutkowym oraz zachyłek twarzowy. Puria i wsp. [1] oraz Nakajima i wsp. [20] pozostawili jamę bębenkową otwartą. Puria i wsp. [1] stwierdzili, że dla ruchomości strzemiączka nie ma to większego znaczenia. Ostatnim, ale nie mniej istotnym zagadnieniem, pozostaje zapewnienie odpowiedniej wilgotności preparatu. Autorzy wykonujący badania pomiarowe na płynach ucha wewnętrznego zapewniają stały przepływ płynu (odgazowana sól fizjologiczna) przez otwór wlotowy (najczęściej w przedsionku) i wylotowy (w ślimaku). Badacze nie stosujący otwierania ucha wewnętrznego, poprzestają na odpowiednim nawilżaniu jamy bębenkowej i kości skroniowej. Dla zwilżania preparatu Nakajima i wsp. [20] umieszczali w jamie bębenkowej skrawki gąbki nasączonej solą fizjologiczną. Na potrzeby badań eksperymentalnych parametrów drgań błony okienka okrągłego opracowano oryginalną własną procedurę przygotowania preparatów kości skroniowej uwzględniającą doświadczenia badaczy z kilku wiodących Uniwersytetów (Stanford, Boston, Zurich) oraz dostępną wiedzę literaturową [1, 3, 4, 6, 12, 14]. Kości skroniowe zostały pobrane ze zwłok ludzkich selekcjonowanych w Zakładzie Medycyny Sądowej Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego, nie później niż w trzeciej dobie od zgonu, zgodnie ze standardową metodyką opracowaną przez Schuknechta z zastosowaniem piły oscylacyjnej Strykera. Po pobraniu kości były przechowywane do następnego dnia w roztworze soli fizjologicznej w temperaturze 5ºC. Kolejne etapy przygotowywania preparatów wykonywane były w Pracowni Anatomii Klinicznej Głowy i Szyi MCSM w Kajetanach. Wszystkie kości zostały wstępnie sprawdzone pod mikroskopem operacyjnym w celu wykluczenia ewentualnych stanów patologicznych w obrębie aparatu przewodzącego ucha środkowego. Następnie skrócony i rozwiercony został przewód słuchowy zewnętrzny, aż do pełnej ekspozycji błony bębenkowej. Pozostawiono obrzeże kostne wokół pierścienia bębenkowego, umożliwiające przymocowanie piankowej wkładki usznej wraz z rurką dźwiękowodu. Dokonano ekspozycji okienka okrągłego, znosząc dolną ścianę jamy bębenkowej oraz część tkanki kostnej w okolicy wzgórka, przesłaniającej błonę okienka. W kolejnym etapie przygotowania preparatu wykonana została szeroka tympanotomia tylna, ze zniesieniem mostka, odcięciem ścięgna mięśnia strzemiączkowego, zniesieniem wyniosłości piramidowej oraz sutkowego odcinka kanału nerwu twarzowego, tak aby dobrze widoczna była błona okienka okrągłego oraz podstawa strzemiączka. Wykonano również otwór w przedniej ścianie przewodu słuchowego zewnętrznego, umożliwiający umieszczenie rurki mikrofonu w odległości około 2 mm od błony bębenkowej. Następnie do pozostawionego wokół pierścienia bębenkowego obrzeża kostnego przymocowano za pomocą kleju piankową wkładkę uszną ER3-14A (Etymotic Research, Elk Grove Village, IL, USA) i dołączono do niej adapter głośnika ER3-04 (Etymotic Research, Elk Grove Village, IL, USA). Zamocowano również za pomocą kleju rurkę mikrofonu ER7-14C (Etymotic Research, Elk Grove Village, IL, USA). Podczas wykonywania całej procedury przygotowania preparatu okresowo nawilżano struktury ucha środkowego roztworem soli fizjologicznej w celu utrzymania ich odpowiedniego uwodnienia i zachowania własności mechanicznych odpowiadających anatomii prawidłowej (stan fizjologiczny). Schemat oraz widok przygotowanego do badań preparatu kości skroniowej wykonanego według opisanej wyżej procedury pokazano na rysunku 2. a) b) Rys. 2. Fig. 2. Preparat kości skroniowej w stanie fizjologicznym użyty w pomiarach drgań błony okienka okrągłego: (a) schemat, (b) widok. 1 piankowa wkładka uszna ER3-14A umieszczona w zewnętrznym przewodzie słuchowym, 2 rurka mikrofonu, 3 błona okienka RW uwidoczniona po wykonaniu specjalnego dostępu do hypotympanum Temporal bone preparation in the physiological state used to measure vibration of the round window membrane: (a) scheme, (b) view. 1 foam eartips ER3-14A in the external ear canal, 2 probe tube of the microphone, 3 RW membrane visible after having exposed hypotympanum in a special way W pierwszym etapie badań eksperymentalnych wykonano rejestrację drgań błony okienka okrągłego w warunkach anatomii prawidłowej. Następnie w tym samym preparacie unieruchomiono podstawę strzemiączka w niszy okienka owalnego za pomocą cementu szkłojonomerowego oraz przeprowadzono procedurę stapedotomii z implantacją standardowej protezki strzemiączka typu teflon-piston składającej się z teflonowego tłoczka zakładanego do kalibrowanego otworu wykonanego w unieruchomionej płytce strzemiączka i platynowej tasiemki zapinanej na odnodze długiej kowadełka (rys. 3). Rys. 3. Fig. 3. Schemat zabiegu stapedotomii z implantacją protezki typu teflon-piston (na schemacie, w celu większej przejrzystości pominięto cement szkłojonomerowy unieruchamiający płytkę strzemiączka i skrzep krwi żylnej uszczelniający otwór wokół protezki) oraz strzemię i protezka strzemiączka na tle miarki z podziałką 1 mm: (a) anatomia okolicy strzemiączka 1 odnoga długa kowadełka, 2 staw kowadełkowostrzemiączkowy, 3 ścięgno mięśnia strzemiączkowego, 4 suprastruktura strzemiączka, 5 płytka strzemiączka, (b) odcięty mięsień strzemiączkowy i usunięta suprastruktura strzemiączka, (c) wykonany kalibrowany otwór w płytce strzemiączka, (d) założona proteza typu teflon-piston, której teflonowy tłoczek umieszczony jest w otworze płytki strzemiączka, a platynowa tasiemka zapięta na odnodze długiej kowadełka Diagram of the stapedotomy with teflon-piston prosthesis implantation (on the diagram, for clarity, omitted: glass-ionomer cement used for stapes footplate immobilization and venous blood clot sealing the hole around the prosthesis) and the stapes and the prosthesis against the ruler with a scale of 1 mm (a ) anatomy of the stapes area: 1 - long crus of the incus, 2 incudo-stapedial joint, 3 stapedial muscle tendon, 4 suprastructure of the stapes, 5 stapes footplate, (b) stapedial muscle tendon is amputated and the suprastructure of the stapes is removed, (c) calibrated hole in the stapes footplate is made, (d) teflon-piston type prosthesis is placed: the teflon piston is placed in the footplate hole, and the platinum ribbon is fixed to the long crus of the incus

474 PAK vol. 57, nr 5/2011 Procedurę implantacji wykonano bez naruszania błony bębenkowej wykorzystując przygotowane dojście poprzez tympanotomię tylną poszerzoną o wspomniany wcześniej sutkowy odcinek kanału nerwu twarzowego wraz z odcinkowym wycięciem przebiegającego w nim nerwu. Bezpośrednio po założeniu protezki strzemiączka wykonano ponowną rejestrację drgań błony okienka okrągłego. Relatywna zmiana zarejestrowanych parametrów drgań wykazała istotną różnicę w poziomie stymulacji ślimaka spowodowaną przeprowadzoną procedurą implantacji. b) 2.2. System pomiarowy Schemat funkcjonalny stanowiska pomiarowego zbudowanego w oparciu o bezkontaktowy system pomiaru drgań wykorzystujący technikę laserowej wibrometrii Dopplerowskiej (LDV) pokazano na rys. 4. Stanowisko pomiarowe umożliwia generowanie i podawanie akustycznego sygnału wejściowego do głośnika, kontrolę i kalibrację wartości parametrów sygnału wejściowego (częstotliwości i poziomu natężenia dźwięku) oraz pomiar prędkości oraz fazy drgań błony okienka okrągłego. Rys. 5. Fig. 5. System pomiarowy SLDV: (a) schemat blokowy, (b) widok stanowiska badawczego SLDV measurement system: (a) block diagram, (b) view of the measurement stand 2.3. Procedura pomiarowa 2.3.1. Budowa i kalibracja toru akustycznego Przygotowany według opisanej w rozdziale 2.1. procedury preparat kości skroniowej został zamocowany w odpowiednim uchwycie umożliwiającym precyzyjne ustawianie preparatu względem laserowej głowicy pomiarowej. Do adaptera głośnika (ER3-04, Etymotic Research) przyłączonego do piankowej wkładki usznej (ER3-14A, Etymotic Research) dołączono wykalibrowany wcześniej mikrogłośnik (ER-2, Etymotic Research). Charakterystykę częstotliwościową głośnika ER-2 otrzymaną podczas jego kalibracji pokazano na rys. 6. Do głośnika doprowadzono wejściowy sygnał dźwiękowy generowany przez system komputerowy (VIBSOFT, Polytec PI) i wzmocniony za pomocą wzmacniacza akustycznego (Revox A78). Rys. 4. Fig. 4. Schemat funkcjonalny stanowiska pomiarowego do badania drgań błony okienka okrągłego Functional diagram of the test stand for measurements of RW membrane vibrations Stanowisko jest częścią komputerowo sterowanego systemu pomiarowego (rys. 5) umożliwiającego pomiary, opracowanie, wizualizację i interpretację otrzymanych wyników. System pomiarowy zbudowano w oparciu o komercyjny skanujący wibrometr laserowy SLDV PSV 400 firmy Polytec GmbH, Waldbronn, Germany, (www.polytec.com). Szczegółowy opis systemu pomiarowego oraz jego parametry zamieszczono w [22]. a) Rys. 6. Fig. 6. Charakterystyka częstotliwościowa głośnika ER-2 (Etymotic Research) Frequency characteristic of the ER-2 (Etymotic Research) loudspeaker Do zamocowanej w preparacie rurki mikrofonu (ER7-14C, Etymotic Research) dołączono system mikrofonu pomiarowego ER-7C (Etymotic Research), którego charakterystykę pokazano na rys. 7. Sygnał wyjściowy z mikrofonu po wzmocnieniu podawany był na jeden z torów wejściowych systemu skanującego wibrometru laserowego PSV400. Stanowił on zwrotny sygnał kontrolny informujący o rzeczywistym poziomie natężenia dźwięku (SPL) w zewnętrznym przewodzie słuchowym w odległości około 2 mm od błony bębenkowej. Na podstawie zmierzonej przez mikrofon wartości poziomu natężenia dźwięku dokonywano korekcji

PAK vol. 57, nr 5/2011 475 wzmocnienia wejściowego sygnału akustycznego podawanego do głośnika, tak aby zachowana była stała wartość 90 db SPL dla każdej z częstotliwości pomiarowych. a) b) c) Rys. 7. Fig. 7. Charakterystyki częstotliwościowe mikrofonu ER-7C (Etymotic Research) Frequency characteristics of the ER-7C (Etymotic Research) probe microphone System sterujący wibrometru zaprogramowano na generowanie kolejno wejściowego sygnału akustycznego o częstotliwościach środkowych kolejnych pasm tercjowych: 400 Hz, 500 Hz, 630 Hz, 800 Hz, 1000 Hz, 1250 Hz, 1600 Hz, 2000 Hz, 2500 Hz, 3150 Hz, 4000 Hz, 5000 Hz, 6300 Hz, 8000 Hz, 10000 Hz. Kolejno dla tych częstotliwości wykonywane były pomiary prędkości drgań w punktach równomiernie rozmieszczonych na powierzchni błony okienka okrągłego. 2.3.2. Budowa i kalibracja toru optycznego Rys. 8. Fig. 8. (a) Widok części stanowiska pomiarowego, (b) widok okienka okrągłego (RW) bez siatki punktów pomiarowych, (c) widok okienka okrągłego (RW) z nałożoną siatką 93 punktów pomiarowych (a) Photo of the part of the test stand, (b) the RW without a grid of measurement points, (c) the RW with 93 measurement points Sygnał akustyczny podawany do zewnętrznego przewodu słuchowego preparatu kości skroniowej wymusza drgania błony bębenkowej i pobudza do drgań łańcuch kosteczek słuchowych. Drgania łańcucha kosteczek przenoszone są przez płyn perylimfatyczny i wywołują drgania błony okienka okrągłego (RW) (rys. 1). Ponieważ błona RW posiada skomplikowaną geometrię w celu oszacowania stopnia pobudzenia ślimaka należało zmierzyć drgania w wielu punktach rozmieszczonych na całej powierzchni tej błony. Pierwszym etapem było odpowiednie ustawienie laserowej głowicy skanującej względem preparatu kości skroniowej. Jak napisano w rozdz. 2.1. w optymalnym ustawieniu powinna zostać zapewniona prostopadłość padającej wiązki światła laserowego w stosunku do badanej powierzchni drgającej. Zadanie to było niezwykle trudne do zrealizowania i stanowiło najbardziej czasochłonny etap eksperymentu. O właściwym ustawieniu głowicy laserowej względem preparatu świadczyło wystarczające natężenie światła powracającego do głowicy po odbiciu od badanej powierzchni. Zastosowanie głowicy skanującej OFV 505, charakteryzującej się dużą czułością, pozwoliło na wykonywanie pomiarów bez konieczności nanoszenia na powierzchnię RW odblaskowych mikrokulek. Próby zastosowania laserowego wibrometru jednopunktowego zakończyły się niepowodzeniem z powodu zbyt słabego sygnału powracającego do głowicy. Zastosowanie mikrokulek z pewnością umożliwiłoby pomiar, jednak wiązałoby się z koniecznością precyzyjnego, ręcznego ułożenia mikrokulek na powierzchni RW, co byłoby czynnością czasochłonną i skomplikowaną technicznie. Nie byłoby również możliwe tak precyzyjne jak w przypadku głowicy skanującej uzyskanie informacji o parametrach drgań na całej powierzchni RW. Po ustawieniu głowicy komputerowo wygenerowano siatkę punktów pomiarowych obejmującą całą powierzchnię błony RW oraz niewielki sąsiadujący z nią obszar ślimaka kostnego. Na rys. 8 pokazano widok części stanowiska pomiarowego oraz widok pola pomiarowego bez siatki oraz z siatką 93 punktów pomiarowych. Podczas automatycznego procesu pomiarowego wiązka światła laserowego wychodząca ze skanującej głowicy pomiarowej była skupiana w kolejnych punktach pomiarowych, a następnie mierzona była prędkość oraz faza drgań w wybranym punkcie. Wszystkie dane pomiarowe zostały automatycznie zapisane na dysku komputera i poddane obróbce w celu wizualizacji i wyznaczenia charakterystyk amplitudowo-częstotliwościowych oraz fazowo-częstotliwościowych. 3. Wyniki pomiarów Poniżej zaprezentowano wyniki własnych badań eksperymentalnych parametrów drgań błony okienka okrągłego (RW) w czterech fizjologicznych świeżych preparatach kości skroniowej wykonane opisaną w rozdziale 2 metodą laserowej wibrometrii Dopplerowskiej. Wyniki otrzymano dla przewodnictwa powietrznego przy kalibrowanym poziomie natężenia dźwięku w zewnętrznym przewodzie słuchowym o wartości 90 db w zakresie częstotliwości od 400 Hz do 10 khz. Charakter drgań błony RW wyznaczono na podstawie pomiarów przemieszczenia w węzłach siatki pomiarowej. Charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowe Preparatu 1 dla punktów znajdujących się na powierzchni błony RW pokazano na rys. 9. W zakresie niskich częstotliwości od 500 Hz do 2 khz amplituda przemieszczenia wszystkich punktów pomiarowych jest o 10-15 razy większa niż w zakresie częstotliwości od 2 khz do 10 khz. Widoczne są charakterystyczne częstotliwości rezonansowe aparatu przewodzącego ucha środkowego. Spadek amplitudy drgań powyżej 2 khz jest związany z różną fazą drgań poszczególnych punktów pomiarowych błony RW, co pokazano na wykresach izoamplitudowych (rys. 10) oraz w postaci trójwymiarowej wizualizacji 3D (rys. 11).

476 PAK vol. 57, nr 5/2011 Rys. 9. Fig. 9. Amplituda przemieszczenia 34 punktów błony okienka okrągłego dla 90 db SPL w zewnętrznym przewodzie słuchowym. Wyniki dla Preparatu 1 w stanie fizjologicznym dla przewodnictwa powietrznego Magnitude of displacement of 34 measurement points on the RW membrane for sound pressure equal to 90 db SPL in the external ear canal. The result is from specimen Preparat 1 (physiological state) stimulated with AC Przykładową trójwymiarową wizualizację amplitudy przemieszczenia i fazy drgań dla dwóch preparatów kości skroniowej przy częstotliwościach 1 khz, 2 khz, 4 khz i 8 khz oraz 90 db SPL w zewnętrznym przewodzie słuchowym pokazano na rys. 11. Pomimo zachowania identycznych warunków pomiarowych (częstotliwość i poziom natężenia dźwięku podawanego do zewnętrznego przewodu słuchowego oraz kierunek padania wiązki laserowej na powierzchnię błony RW), widoczne są różnice w wartościach amplitudy przemieszczenia pomiędzy badanymi preparatami wynikające ze zmienności osobniczej. Na zmienność osobniczą decydujący wpływ mają przede wszystkim kształt, pole powierzchni i podatność błony RW, parametry dynamiczne łańcucha kosteczek słuchowych wraz z aparatem więzadłowym oraz podatność błony bębenkowej. Pomimo osobniczych różnic w amplitudzie przemieszczeń, na podstawie analizy obrazów wizualizacji 3D można zauważyć ogólną prawidłowość znacznego spadku amplitudy drgań oraz pojawienia się różnej fazy drgań w różnych obszarach błony RW po przekroczeniu częstotliwości 2 khz. Wyniki pomiarów drgań błony RW dla czterech preparatów kości skroniowej w stanie fizjologicznym dla przewodnictwa powietrznego przy 90 db SPL w zewnętrznym przewodzie słuchowym pokazano na rys. 10. Charakter drgań przedstawiono w postaci linii izoamplitudowych przemieszczenia dla wybranych częstotliwości pomiarowych: 1 khz, 2 khz, 4 khz i 8 khz. Dla częstotliwości 1 khz maksymalna amplituda przemieszczenia w środkowym obszarze błony RW wynosiła średnio 25 nm natomiast dla częstotliwości 2 khz, 4 khz i 8 khz odpowiednio: 10 nm, 1,6 nm oraz 0,6 nm. Rozrzut wartości maksymalnej amplitudy drgań był związany między innymi z różną wielkością i kształtem błony RW dla poszczególnych preparatów, co jest cechą charakterystyczną obiektów biologicznych wykazujących zmienność osobniczą. Na podstawie szczegółowej analizy otrzymanych wykresów izoamplitudowych stwierdzono, że drgania punktów pomiarowych rozmieszczonych na całej powierzchni błony RW dla wszystkich badanych preparatów w zakresie niskich częstotliwości były drganiami jednofazowymi. Powyżej częstotliwości 1250 Hz 2000 Hz faza drgań dla punktów położonych w różnych obszarach błony RW była różna. Rys. 11. Porównanie trójwymiarowej wizualizacji amplitudy drgań błony okienka okrągłego dla Preparatu 1 oraz Preparatu 2 dla przewodnictwa powietrznego przy częstotliwościach 1 khz, 2 khz, 4 khz i 8 khz oraz 90 db SPL podawanego do zewnętrznego przewodu słuchowego Fig. 11. Comparison of three-dimensional visualization of vibration amplitude for the round window membrane of Preparat 1 and Preparat 2 for air conduction stimulation at frequencies of 1 khz, 2 khz, 4 khz, 8 khz and 90 db SPL in the external ear canal Rys. 10. Izoamplitudy drgań błony okienka okrągłego dla czterech preparatów kości skroniowej dla przewodnictwa powietrznego przy 90 db SPL w zewnętrznym przewodzie słuchowym. Wyniki dla częstotliwości: 1 khz, 2 khz, 4 khz i 8 khz Fig. 10. Vibration pattern (isoamplitudes) of the RW in four temporal bone specimens stimulated with AC sound of sound pressure level of 90 db SPL in the external ear canal. The results shown for four frequencies: 1, 2, 4 and 8 khz Amplitudę przemieszczenia powierzchni okienka okrągłego Preparatu 1 w czasie jednego cyklu drgań przy różnych częstotliwościach pomiarowych pokazano na rys. 12. Wyniki przedstawiono w postaci trójwymiarowych wizualizacji obrazujących amplitudę przemieszczenia 93 punktów pomiarowych błony RW dla ośmiu równomiernie rozłożonych odstępów czasowych tj. co 1/8 T (gdzie T czas trwania jednego okresu drgań, T=2 /f). Dla częstotliwości 1 khz i 2 khz drgania wszystkich punktów błony RW zachodzą w tej samej fazie i mają porównywalne wartości amplitudy przemieszczenia, przy czym widoczna jest różnica w umiejscowieniu obszarów błony RW charakteryzujących się największymi wartościami amplitudy przemieszczenia. Dla częstotliwości 4 khz i 8 khz można zauważyć istotną różnicę w fazie drgań poszczególnych punktów pomiarowych, szczególnie widoczną dla częstotliwości 4 khz. Dla 8 khz efekt zróżnicowania fazy jest mniejszy, co ma związek ze znacznym spadkiem maksymalnej amplitudy przemieszczenia z 1,5 nm przy 4 khz do 0,5 nm przy 8 khz. Analizując pokazane na rys. 12 wizualizacje należy również zwrócić uwagę na około sześciokrotne zmniejszenie maksymalnej amplitudy przemieszczenia błony RW dla czę-

PAK vol. 57, nr 5/2011 477 stotliwości 4 khz (odpowiednia wartość amplitudy wynosi 1,5 nm) w odniesieniu od częstotliwości 2 khz (odpowiednia wartość amplitudy wynosi 10 nm). perylimfatycznego. Efektem zmniejszonej stymulacji płynu perylimfatycznego w stanie po implantacji w porównaniu ze stanem fizjologicznym, w przypadku operacji otochirurgicznych wykonywanych w warunkach iv-vivo, może być niepełne zamknięcie rezerwy ślimakowej i związane z tym osiągnięcie rezultatów słuchowych wykazujących niedosłuch typu przewodzeniowego. 5. Wnioski Wyniki przeprowadzonych badań eksperymentalnych pokazują charakter drgań błony okienka okrągłego w świeżych preparatach ludzkiej kości skroniowej w stanie fizjologicznym. Otrzymane charakterystyki stanowią podstawę do różnicowania rezultatów słuchowych osiąganych po chirurgicznych operacjach rekonstrukcji łańcucha kosteczek słuchowych. Planowana jest kontynuacja badań mająca na celu szczegółowe określenie zmian częstotliwościowych charakterystyk impedancji wejściowej ślimaka, spowodowanych implantacją protezki strzemiączka (zabieg stapedotomii), na podstawie pomiarów relatywnych zmian fazy i amplitudy prędkości lub amplitudy przemieszczenia błony RW. Wyniki badań eksperymentalnych będą stanowiły podstawę do szczegółowej analizy oraz modelowania i symulacji procesu przewodzenia dźwięku przez fizjologiczne, patologiczne i rekonstruowane struktury ucha środkowego. Ostatecznym rezultatem podjętych badań powinno być opracowywanie nowej konstrukcji protezki strzemiączka zapewniającej optymalne pobudzenie do drgań płynu perylimfatycznego. Autorzy składają podziękowania Panu Dyrektorowi prof. dr hab. med. Henrykowi Skarżyńskiemu za użyczenie pomieszczeń Pracowni Anatomii i Patomorfologii Klinicznej Głowy i Szyi MCSM w Kajetanach w celu przeprowadzenia badań eksperymentalnych, Profesorowi John J. Rosowskiemu z Uniwerytetu Harvard-MIT w Bostonie, Profesorowi Sunil Puria z Uniwerytetu Stanford w Kaliforni, Doktorowi Joe Sim oraz Doktorowi Michail Chatzmichalis z kliniki ORL Szpitala Uniwersyteckiego w Zurichu za udzielenie cennych wskazówek i rad odnośnie sposobu przygotowania preparatu kości skroniowej do badań eksperymentalnych. Praca finansowana z Projektu Badawczego MNiSW Nr N N518 377637. Rys. 12. Trójwymiarowa wizualizacja amplitudy drgań błony okienka okrągłego dla Preparatu 1 w czasie jednego cyklu drgań przy różnych częstotliwościach pomiarowych: 1 khz, 2 khz, 4 khz i 8 khz. Wyniki dla przewodnictwa powietrznego przy 90 db SPL w zewnętrznym przewodzie słuchowym. T czas trwania jednego okresu drgań (T = 2 /f) Fig. 12. Vibration pattern (3D visualization) of the RW membrane in specimen Preparat 1 shown as eight snapshots of one period for frequencies: 1, 2, 4 and 8 khz. The results shown for AC stimulation of sound pressure level of 90 db SPL in the external ear canal. T the period of vibration (T = 2 /f) 4. Podsumowanie W pracy pokazano wyniki własnych badań eksperymentalnych parametrów drgań błony okienka okrągłego (RW). Celem badań była weryfikacja hipotezy, że wartości parametrów drgań błony RW określają intensywność przekazywania energii ze struktur ucha środkowego do struktur ucha wewnętrznego, a tym samym mogą różnicować rezultaty słuchowe osiągane po chirurgicznych operacjach rekonstrukcji łańcucha kosteczek słuchowych. Badania zostały przeprowadzone w Instytucie Fizjologii i Patologii Słuchu MCSM w Kajetanach i polegały na pomiarze amplitudy przemieszczenia oraz fazy drgań błony okienka okrągłego w funkcji częstotliwości i natężenia dźwięku podawanego do zewnętrznego przewodu słuchowego. Badania wykonano w preparatach fizjologicznych oraz w tych samych preparatach po zaimplantowaniu protezki strzemiączka. Analiza wyników badań eksperymentalnych wykazała około pięciokrotne zmniejszenie amplitudy drgań błony RW w preparacie po zaimplantowaniu protezki w odniesieniu do amplitudy drgań w preparacie fizjologicznym. W związku z tym można sądzić, że w wyniku przeprowadzenia standardowej procedury implantacji, nastąpiła istotna zmiana parametrów biomechanicznych aparatu przewodzącego ucha środkowego, która spowodowała znaczącą zmianę impedancji wejściowej ślimaka oraz istotny spadek poziomu stymulacji płynu 6. Literatura [1] Puria S., Peake W., Rosowski J.J. (1997): Sound-pressure measurements in the cochlear vestibule of human-cadaver ears, J. Acoust. Soc. Am. 101 (5), 2754-2770. [2] Slama M.C.C. (2008): Middle ear pressure gain and cochlear input impedance in the chinchilla, Thesis (S.M.) Massachusetts Institute of Technology, 2008. [3] Aibara R., Welsh J.T., Puria S., Goode R.L. (2001): Human middleear sound transfer function and cochlear input impedance, Hearing Research 152 (1-2), 100-109. [4] Merchant S.N., Ravicz M.E., Rosowski J.J. (1996): Acoustic input impedance of the stapes and cochlea in human temporal bones, Hearing Research 97 (1-2), 30-45. [5] Kringlebotn M. (1995): The equality of volume displacement in the inner ear windows, J. Acoust. Soc. Am. 98, 192-196. [6] Stenfelt S., Hato N., Goode R.L. (2004): Fluid volume displacement at the oval and round windows with air and bone conduction stimulation, J. Acoust. Soc. Am. 115, 797-812. [7] Khanna S.M., Tonndorf J. (1971): The vibratory pattern of the round window in cat, J. Acoust. Soc. Am. 50, 1475-1483. [8] Nomura Y. (1984): Otological significance of the round window, Adv. Oto. Rhino. Laryngol. 33, 1-162. [9] Rosowski J.J., Cheng J.T., Ravicz M.E., Hulli N., Hernandez-Montes M., Harrington E, Furlong C. (2009): Computer-assisted timeaveraged holograms of the motion of the surface of the mammalian tympanic membrane with sound stimuli of 0.4-25 khz, Hearing Research 253 (1-2), 83-96. [10] Goode R.L., Ball G., Nishihara S. (1993): Measurement of umbo vibration in human subjects - method and possible clinical applications, Am J Otol 14, 247-251.

478 [11] Goode R.L., Ball G., Nishihara S., Nakamura K. (1996): Laser Doppler Vibrometer (LDV) - A new clinical tool for the otologist, Otol Neurotol 17 (6), 813-822. [12] Voss S.E., Rosowski J.J., Merchant S.N., Peake W.T. (2000): Acoustic responses of the human middle ear, Hearing Research 150, 43-69. [13] Nakajima H.H., Ravicz M.E., Rosowski J.J., Peake W.T., Merchant S.N. (2005a): Experimental and clinical studies of malleus fixation, Laryngoscope 115 (1), 147-154. [14] Stenfelt S., Hato N., Goode R.L. (2004b): Round window membrane motion with air conduction and bone conduction stimulation, Hearing Research 198 (1-2), 10-24. [15] Huber A.M., Linder T., Ferrazzini M., Schmid S., Dillier N., Fisch U. (2000): Intraoperative scanning laser Doppler interferometry, in Recent Developments in Auditory Mechanics, edited by H. Wada, T. Takasaka, K. Ikeda, K. Ohyama, T. Koike, World Scientific, Singapore, 10-14. [16] Huber A.M., Schwab C., Linder T., Stoeckli S.J., Ferrazzini M., Dillier N., Fisch U. (2001b): Evaluation of Eardrum Laser Doppler Interferometry as a Diagnostic Tool, Laryngoscope 111 (3), 501-507. [17] Rosowski J.J., Davis P.J., Merchant S.N., Donahue K.M., Coltrera M.D. (1990): Cadaver Middle Ears as Models for Living Ears: Comparison of Middle Ear Input Immitance, Ann Otol Rhinol Laryngol 99, 403-412. PAK vol. 57, nr 5/2011 [18] Nishihara S., Goode R.L. (1997): Measurement of tympanic membrane vibration in 99 human ears, In: Research and Otosurgery: Proceedings of the International Workshop on Middle Ear Mechanics in Research and Otosurgery, ed. K.B. Huttenbrink, Dresden University Press, Dresden, Germany, 91-93. [19] Chien W., Ravicz M.E., Rosowski J.J., Merchant S.N. (2007): Measurements of human middle- and inner-ear mechanics with dehiscence of the superior semicircular canal, Otol. Neurotol. 28, 250-257. [20] Nakajima H.H., Ravicz M.E., Merchant S.N., Peake W.T., Rosowski J.J. (2005): Experimental ossicular fixations and the middle ear s response to sound: evidence for a flexible ossicular chain, Hearing Research 204, 60-77. [21] Hato N., Welsh J., Goode R., Stenfelt S. (2001): Acoustic role of the buttress and posterior incudal ligament in human emporal bones, Otolaryngol. Head Neck./Surg., 274-278. [22] Kwacz M., Wysocki J., Mrówka M. (2011): System pomiarowy do badań eksperymentalnych mechaniki ucha środkowego, Pomiary Automatyka Kontrola 57 (1), 25-29. otrzymano / received: 17.12.2010 przyjęto do druku / accepted: 04.04.2011 artykuł recenzowany INFORMACJE