способ измерения амплитуды колебаний барабанной перепонки

Формула изобретения

Способ измерения амплитуды колебаний барабанной перепонки, включающий возбуждение колебаний барабанной перепонки при звуковом воздействии с разной частотой и интенсивностью воздействия, облучение барабанной перепонки сфокусированным лазерным излучением, отличающийся, тем, что отраженное излучение от перепонки направляют в резонатор лазера, регистрируют изменения мощности лазерного излучения в виде электрического сигнала, разлагают зарегистрированный сигнал на спектральные компоненты, изменяют интенсивность звукового воздействия до прекращения роста амплитуды спектральной компоненты, имеющей максимальное значение, амплитуду колебаний барабанной перепонки _изм рассчитывают с использованием полученных спектральных составляющих сигнала из уравнения

где - длина волны лазерного излучения, J_m - функция Бесселя первого рода m-го порядка, S_m·max и _max - максимальное значение m-й гармоники спектра зарегистрированного сигнала и соответствующее ему значение амплитуды колебаний барабанной перепонки, S_n·изм - значение n-й гармоники спектрального ряда при искомой амплитуде _изм, при этом n и m - номера спектральных гармоник, должны быть либо четными, либо нечетными одновременно.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области медицинской диагностики и может быть использовано для определения амплитуды колебаний барабанной перепонки с целью диагностики возможных причин отклонений в слуховой функции пациента.

Известен способ объективного исследования слуха и устройство для его реализации. Данный способ можно использовать для определения амплитуды колебаний барабанной перепонки. Он заключается в съеме пульсовой характеристики сонной артерии, зависящей от амплитуды колебаний барабанной перепонки, определении и регистрации частот спектра сигнала пульса сонной артерии, регистрации изменения спектральных составляющих пульсовой характеристики сосудов кровообращения уха относительно спектра сигнала пульса сонной артерии и оценке слуха по зафиксированным изменениям спектральных составляющих пульсовой характеристики сосудов кровообращения уха относительно спектрального состава пульсовой характеристики внутренней сонной артерии, питающей кровеносные сосуды слухового аппарата(см. Патент на изобретение РФ №2110953 Способ объективного исследования слуха и устройство его реализации / Климашов Б.М., опубл 20.05.1998, Бюл. №6).

Однако данный способ имеет сложную техническую реализацию, а амплитуда колебаний барабанной перепонки определяется косвенным методом, поэтому данный способ имеет низкую точность.

Также известен способ определения амплитуды колебаний барабанной перепонки, заключающийся в прикреплении к барабанной перепонке деревянного стержня, соединенного со слюдяной мембраной, на которой закреплена катушка из медной проволоки, через катушку пропускается синусоидальный электрический ток звуковой частоты, катушка помещается в магнитное поле и вибрирует при пропускании тока звуковой частоты, калибровка зависимости амплитуды колебаний катушки от пропускаемого через нее тока проводится с помощью микроскопа и аппроксимируется для малых токов (см. Генрих Г. Кобрак. «Среднее ухо», Государственное издательство медицинской литературы, Москва, 1963 г., 456 с.).

Недостатками данного способа являются требование полного затвердевания клея, скрепляющего барабанную перепонку и деревянный стержень, а также тот факт, что метод является контактным и требует предварительной калибровки и аппроксимации данных, что уменьшает достоверность полученных результатов.

Наиболее близким является способ определения амплитуды колебаний барабанной перепонки iv vitro, заключающийся в разделении пучка лазерного источника на два, один из которых сдвигают по частоте, направлении обоих пучков на барабанную перепонку, регистрации интерференционной картины отраженных пучков и определении амплитуды колебаний барабанной перепонки по характеру интерференционной картины (см. J.-F. Willemin, S. Khanna, R. Dandliker. Heterodyne Interferometer for Cellular Vibration Measurement / Acta Oto-Laryngologica, Suppl. 467, Stockholm, Sweden, 1989, 279 p., Р.35-42).

Однако данный способ не позволяет проводить измерения амплитуды колебаний барабанной перепонки in vivo из-за сложной технической реализации, требующей препарирования измеряемых объектов.

Задача настоящего способа заключается в повышении чувствительности проводимых измерений при обеспечении возможности проведения измерений in vivo.

Поставленная задача достигается тем, что способ определения амплитуды колебаний барабанной перепонки включает возбуждение колебаний барабанной перепонки под действием звукового воздействия с возможностью изменения как интенсивности, так и частоты звукового воздействия, облучение барабанной перепонки лазерным излучением, направление отраженного излучения в резонатор лазера, регистрацию изменения мощности лазерного излучения в виде электрического сигнала, разложение зарегистрированного сигнала на спектральные компоненты, изменение интенсивности звукового воздействия до прекращения роста амплитуды спектральной компоненты, имеющей максимальное значение, расчет амплитуды колебаний барабанной перепонки _изм с использованием полученных спектральных составляющих сигнала из уравнения

где - длина волны лазерного излучения, J_m - функция Бесселя первого рода m-го порядка, S_m и _max- максимальное значение m-ой гармоники спектра зарегистрированного сигнала и соответствующее ему значение амплитуды колебаний барабанной перепонки, S_n·изм - значение n -ой гармоники спектрального ряда при искомой амплитуде _изм, при этом n и m должны быть либо четными, либо нечетными одновременно.

Предлагаемый способ поясняется чертежами.

Фиг.1. Схема измерительной системы: 1 - барабанная перепонка, 2 - расширительная воронка, 3 - полупроводниковый лазер, 4 - источник тока, 5 - фотодетектор, 6 - усилитель, включающий в себя фильтр переменного сигнала, 7 - аналого-цифровой преобразователь, 8 - компьютер, 9 - генератор звуковых колебаний, 10 - звуковозбудитель.

Фиг.2. Теоретическая зависимость максимального спектрального значения амплитуды гармоники от амплитуды колебаний объекта, номера на графике указывают на номер максимальной гармоники в спектре.

Фиг.3. Вид части автодинного сигнала и его спектр при уровне звукового давления на барабанную перепонку, превышающем порог слышимости на 50 дБ.

Фиг.4. Вид части автодинного сигнала и его спектр при уровне звукового давления на барабанную перепонку, превышающем порог слышимости на 20 дБ.

Фиг.5. Вид части автодинного сигнала и его спектр при уровне звукового давления на барабанную перепонку, превышающем порог слышимости на 10 дБ.

Способ заключается в следующем.

На барабанную перепонку 1 (фиг.1) направляют когерентное излучение от источника света 3, запитываемого от источника тока 4 измерительной системы, для обеспечения прямой видимости барабанной перепонки используют расширительную воронку 2, преобразуют отраженное от объекта излучение в электрический сигнал, например, с помощью фотоприемника 5. Для возбуждения колебаний барабанной перепонки используют звуковозбудитель 10, который работает от генератора звуковых колебаний 9. Предварительно обрабатывают электрический сигнал с помощью усилителя 6, включающего в себя фильтр переменного сигнала, и аналого-цифрового преобразователя 7, записывают полученный сигнал в компьютер 8 в виде файла. Полученный таким образом сигнал раскладывают в спектральный ряд. Изменяют интенсивность звукового воздействия до прекращения роста амплитуды спектральной компоненты, имеющей максимальное значение. Амплитуду колебаний барабанной перепонки рассчитывают с использованием следующих теоретических предпосылок.

Переменная составляющая интерференционного сигнала записывается в виде (см. Коронкевич В.П., Соболев B.C., Дубинцев Ю.Н. Лазерная интерферометрия. - Новосибирск, Наука. 1983. 212 с.)

где t - время, - фаза сигнала, А - амплитудный коэффициент, зависящий от интенсивностей интерферирующих лучей и передаточной характеристики регистрирующей аппаратуры, f(t) - функция, характеризующая продольные движения объекта, которая для гармонических колебаний записывается в виде

- длина волны лазерного излучения, и - амплитуда и частота колебаний объекта.

Можно рассматривать только переменную нормированную составляющую интерференционного сигнала

Функцию U(t) можно представить в виде разложения в ряд по функциям Бесселя (см. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Вагарин В.А., Васильев М.Р. Оптические гомодинные методы измерений // Зарубежная радиоэлектроника. 1995. N6. С.43-48):

Как видно из выражения (4), интерференционная компонента сигнала состоит из постоянной компоненты cos·J ₀(), гармоники на основной частоте и составляющих на более высоких гармониках основной частоты.

Для гармонических колебаний объекта значения гармоник спектра S зарегистрированного сигнала детектора прямо пропорциональны функциям Бесселя J_2n () и J_2n-1() и связаны с ними соотношениями

На фиг.2 приведена теоретическая зависимость максимального значения амплитуды спектральной гармоники от амплитуды колебаний объекта. В зависимости от амплитуды колебаний объекта в спектре сигнала максимальным значением амплитуды будут обладать гармоники с различными номерами.

Используя зависимость, приведенную на фиг.2, определяют амплитуду колебаний барабанной перепонки в соответствии с номером гармоники с максимальной амплитудой полученного спектрального ряда.

Используя полученный спектральный ряд для известного значения амплитуды колебаний барабанной перепонки в качестве нормировочного определяют значение неизвестной амплитуды колебаний барабанной перепонки из соотношения

где - длина волны лазерного излучения, S_m·max - максимальное значение спектральной гармоники S_m нормировочного спектрального ряда, _max - значение амплитуды колебаний барабанной перепонки, вычисляемое по нормировочной кривой фиг.2, в соответствии со значением S_m·max, _n·изм - значение n-ой гармоники спектрального ряда при искомой амплитуде _изм, n и m - номера спектральных гармоник S_n·изм S_m·max, соответственно, как видно из соотношений (5), n и m должны быть либо четными, либо нечетными одновременно.

При помощи данного метода возможно измерять собственные колебания барабанной перепонки как в отсутствии внешнего воздействия, так и определять амплитуды колебаний барабанной перепонки при различных уровнях интенсивности внешнего звукового воздействия,

Для определения амплитуды колебаний барабанной перепонки пациента на выбранных частотах последовательно увеличивали звуковое давление с помощью звуковозбудителя. В результате проведения измерений были получены следующие результаты: на фиг.3-5 приведен вид автодинного сигнала и его спектр для различных уровней звукового давления. Как видно из фиг.3, в спектре автодинного сигнала максимальную амплитуду имеет гармоника, соответствующая утроенной частоте колебаний звуковозбудителя. Изменяя интенсивность звукового воздействия, добивались прекращения роста амплитуды третьей гармоники спектрального ряда. Уровень звукового давления оказался при этом превышающим порог слышимости на 50 дБ. С использованием нормировочной зависимости, приведенной на фиг.2, была определена амплитуда колебаний барабанной перепонки, составившая величину, равную 226 нм. С уменьшением звукового давления (фиг.4) до величины, превышающей порог слышимости на 20 дБ, наблюдалось увеличение амплитуды первой гармоники спектра автодинного сигнала, соответствующей частоте колебаний объекта. Амплитуда колебаний барабанной перепонки, вычисленная с использованием соотношения (6), составила 117 нм. Далее уровень звукового давления был уменьшен до величины, превышающей порог слышимости на 10 дБ, при этом был получен автодинный сигнал, приведенный на фиг.5. Амплитуда колебаний барабанной перепонки, вычисленная с использованием соотношения (6), составила 39 нм.

Автодинный сигнал и его спектр на других частотах звуковозбудителя у здорового пациента изменялись аналогичным образом, что свидетельствовало о неизменности характера картины вибраций барабанной перепонки.

Предложенный метод и созданная аппаратная реализация позволяют определять вибрационные характеристики барабанной перепонки во всем диапазоне звуковых частот и диагностировать отклонения от нормы.