Способ установления эффекта возрастной эволюции улиткового протока внутреннего уха человека и определения биофизических параметров его временных изменений

 

Способ может быть использован в медицине, а именно в отоларингологии. Аудиометрически исследуют слух. Определяют максимально воспринимаемую ухом частоту звука. Рассчитывают линейный коэффициент возрастной эволюции k(t) по математической формуле. Вычисляют частотный коэффициент возрастной эволюции r(t) по математической формуле с учетом k(t). Рассчитывают длину улиткового протока L(t) по максимально воспринимаемой ухом частоте звука по математической формуле с учетом r(t). Способ позволяет повысить точность определения. 3 ил.

Изобретение относится к медицинской технике и практике, в частности к оториноларингологии, конкретно к аудиометрическим методам исследования слуха.

Известно [1 - 6], что улитка внутреннего уха человека действительно напоминает по форме улитку - конусообразную спираль с завитками. Ее высота приблизительно равна 5 мм, диаметр у основания около 9 мм и длина ее средней части около 35 мм. Отмечается [7] , что после рождения улитка (уточнение: ее костное образование) не развивается.

Анатомо-морфологические и гистологические структуры внутреннего уха представлены из трех отдельных камер, заполненных пери-, эндо- и кортилимфой, имеющих различный химический состав и физиологические (функциональные) свойства [8].

Заключенный в улитку улитковый проток совпадает с ней по форме и имеет длину порядка 32 мм. Собственно улитковый проток внутреннего уха состоит из эндолимфатической камеры (ограниченной покровной, сетчатой и преддверной мембранами, той частью костного лабиринта улитки, которая несет сосудистую полоску, и зубчатой частью базилярной пластинки, покрытой клетками Гензена и Клаудиса) и кортилимфатической (ограниченной базилярной пластинкой и системой двух мембран - покровной и сетчатой, которую следует рассматривать [9] как достаточно прочное и слитное соединение, надежно отделяющее содержимое этой камеры от других, но также и достаточно мягкое, что позволяет покровной мембране совершать колебательные движения относительно волосковых клеток).

Базилярная пластинка, благодаря которой осуществляется восприятие звуковой энергии, поскольку на ней располагаются волосковые клетки, - переменная по ширине и толщине [4]. При этом апикальный участок ее ответственен за восприятие низких звуковых частот, а противоположный - базальный - за восприятие высоких частот [3 - 6].

Слуховые эффекты сопровождаются, особенно с возрастом, изменением диапазона воспринимаемых ухом частот звука. При этом отмечается, что для слуха разных людей свойствен различный порог восприятия верхних частот (высоких тонов) поступающего в ухо звука. Как правило, отмечается снижение его величины, особенно с возрастом: по данным [10] снижение порога восприимчивости верхних частот составляет после 40 лет около 80 Гц через каждые полгода жизни человека. Указывается также [11] о существовании эффекта, который можно назвать "апикально-базальным" парадоксом: он проявляется потерей уха воспринимать звуки высокой частоты при разрушениях апикальной части базилярной пластинки, ответственной за восприятие низких звуков.

Этиология и механизмы этих экспериментально установленных феноменов восприятия звука не установлены.

Проблема природы изменения диапазона восприятия ухом звука с установлением биофизических механизмов и характеристик этого временного (возрастного) процесса является важной диагностической, лечебной и профилактической задачей.

В оториноларингологической практике решение этой проблемы не представлено.

В качестве аналога способа установления эффекта возрастной эволюции улиткового протока внутреннего уха человека и определения биофизических параметров его временных изменений рассматривается метод аудиометрии как метод исследования спектральной характеристики уха на пороге чувствительности [11].

Целью данного изобретения является установление на основе аналогов и аудиометрических исследований слуха эффекта возрастной эволюции улиткового протока внутреннего уха человека, разработка его биофизических механизмов и характеристик и физиологическая интерпретация его законов.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Можно показать, что в перилимфатической камере выполняются соотношения распределения скорости звука по частотам и координат базилярной пластинки как функции воспринимаемой ухом частоты звука, так, что устанавливается связь длины L базилярной пластинки с воспринимаемой ею максимальной (верхней пороговой) частотой f_m звука в сравнении с длиной L_o = 32 мм стандартной базилярной пластинки, воспринимающей максимальную частоту f_mo = 20 кГц: Это соотношение (1) соответствует экспериментам G. Bekesy [11] для базилярной пластинки. Но она является структурной единицей улиткового протока внутреннего уха, также как и остальные его составляющие: преддверная, покровная и сетчатая мембраны, эндо- и кортилимфатические камеры (протоки).

Поэтому данное соотношение (1) можно расширить не только как простую связь длины базилярной пластинки с воспринимаемой ею максимальной частотой звука, но и как линейно-частотный закон (закон соответствия длины частоте) для улиткового протока и его структур.

Биофизический подход к проблеме предполагает, что звуковые волны, действуя в течение всей жизни человека на структуры улиткового протока, производят непрерывное разрушение его незакрепленной у геликотремы апикальной части, укорачивая его длину. Этот процесс обусловлен естественным развитием человека и может быть усилен рядом внешних и внутренних факторов: физических (температурой среды и организма, интенсивностью звука, другими воздействиями), физиологических (повышением давления крови и внутриушных жидкостей), фармакологических, временных (возрастных).

По этой причине улитковый проток и соответственно базилярная пластинка (как основная, несущая на себе волосковые клетки, генерирующие нервные импульсы, приводя к слуховым ощущениям) и другие его структурные единицы естественным образом в апикальной части разрушаются и длина их непрерывно сокращается. Следствием линейно-частотного закона (1) является снижение максимальной частоты f_m воспринимаемого человеком звука. Проявлением этого является апикально-базальный парадокс.

Пусть звуковые волны действуют на апикальную часть улиткового протока от момента рождения человека в течение t лет. За это время его длина уменьшится от первоначальной (стандартной) L_o = 32 мм до L < L_o. Назовем целостностью улиткового протока (базилярной пластинки) величину W = L / L_o (2) и примем, что целостность улиткового протока (базилярной пластинки) определяется только временем жизни человека, исключая влияние на его величину патологических процессов, т.е. W = f(t).

По прошествии времени t от рождения длина улиткового протока (базилярной пластинки) составит L = L_o f(t) (3) и изменится на L = L - L_o. Соотношение (3) предполагает, что естественный ход процесса ведет к тому, что величина разрушения ( -L) прямо пропорциональна длине улиткового протока (базилярной пластинки) и длительности процесса t -L = kLt, (4) где положительный коэффициент k (с единицей измерения [k] = 1 год^-1) определяет относительное уменьшение длины улиткового протока (базилярной пластинки) при его возрастной эволюции (естественном старении) за единицу времени
Этот коэффициент k можно определить также и как скорость линейного разрушения улиткового протока (базилярной пластинки) при его естественном развитии.

Установим течение возрастной эволюции (естественного развития, старения) улиткового протока (базилярной пластинки). Переходя в (5) к бесконечно малым, получаем дифференциальное уравнение

Интегрируя (6) в пределах для t от 0 до t и для L от L_o до L, получаем закон возрастной эволюции, или линейно-временной закон развития улиткового протока (базилярной пластинки)
L = L_o e^-kt (7)
Величину коэффициента k можно определить, используя соответствие (1) между длиной базилярной пластинки и верхней пороговой границей воспринимаемого ухом звука f_m при стандартной f_mo = 20 кГц, соотношения (1) и (7) привести к виду с одинаковым основанием, и приравнять правые их части. При этом получим
lg(f_m/f_mo) = - kt/(2 ln2) (8)
откуда

Интерпретацию замечания G. Bekesy [10] о скорости снижения указанной границы следует уточнить предположением, что убыль частоты осуществляется не линейно, а как однопроцентное изменение от существующей за год.

Тогда, используя (9) для f_mo = 20 кГц, f_m = 19,8 кГц и t = 1 год, получаем k = 0,0060 год^-1.

На фиг. 1 представлена математическая интерпретация полученных результатов, выполненных в системе MathCAD [14].

В блоке a) приведены начальные (на момент рождения человека) стандартные данные для L_o и f_mo. В блоке b) приведено также значение f_m, соответствующее верхней пороговой частоте через год после рождения и дана ее величина f_m = 19,8 кГц. В блоке c) задан цикл расчета, приведена формула расчета L как функции времени L(t) и представлены результаты расчет в графической форме.

На фиг. 2 представлено продолжение математических расчетов.

В блоке d) определена аналитически целостность улиткового протока (базилярной пластинки) как функция времени W_L(t) и установлен графически ее временной характер. То же самое относится к новым, вводимым нами другим характеристикам улиткового протока, каждая из которых по-своему уточняет временной процесс развития внутреннего уха человека: величина F_L(t) и степень (показатель) E_L(t) уменьшения с возрастом длины улиткового протока (базилярной пластинки) в блоках e) и f) соответственно, линейный коэффициент возрастной эволюции улиткового протока (базилярной пластинки) k(t) с графической интерпретацией в виде ln(L(t)/L_o) в блоке g).

С другой стороны, преобразование соотношения (8) приводит к тому, что
f_m = f_mo 10^-kt/(2*ln2) = f_mo e^-kt/2(*lg2)
Окончательно получаем
f_m = f_mo e^-rt (10)
где r = k/(2lg2) может быть интерпретирован как коэффициент звукопотерь базилярной пластинкой высокочастотного диапазона (коэффициент ВЧД-звукопотерь с единицей измерения [r] = 1 год^-1). При тех же условиях коэффициент ВЧД-звукопотерь r = 0,0100 год^-1. Соотношение (10) определим как частотно-временной закон возрастной эволюции улиткового протока внутреннего уха человека.

На фиг. 3 представлено продолжение математических расчетов.

В блоке h) определен аналитически частотно-временной закон возрастной эволюции улиткового протока (базилярной пластинки) внутреннего уха человека как функция f(t) и коэффициент ВЧД-звукопотерь r(t) с графической интерпретацией в виде ln(f(t)/f_mo.

Анализ изменения биофизических параметров и физиологических особенностей улиткового протока внутреннего уха человека и его структурных единиц и частот восприятия ухом звука определяет динамику их возрастных изменений при нормальном течении процесса возрастной эволюции человека.

ЛИТЕРАТУРА
1. Привес М. Г. , Лысенко Н.К., Бушкович В.И. Анатомия человека. / Под ред. М.Г. Привеса. - М.: Медицина. - 1985.

2. Human Anatomy and Physiology. / 3 Ed. E.N. Marieb. The Benjamin Commings Publishing Company, Inc. - California. - 1995.

3. Физиология человека. / Под ред. Г.И.Косицкого. // Изд. - 3. - М.: Медицина. - 1985.

4. Физиология человека: Compendium. / Под ред. Б.И. Ткаченко и В.Ф. Пятина. - Спб. - 1996.

5. Основы физиологии. / Под ред. П. Стерки. - М.: Мир. - 1984.

6. Гистология. / Под ред. В.Г. Елисеева, Ю.И. Афанасьева, Е.А. Юриной. - М.: Медицина. - 1983.

7. Ундриц В. Ф. , Темкин Я.С., Нейман Л.В. Руководство по клинической аудиологии. - М.: Медгиз. 1962.

8. Шипов А.А., Кондрачук А.В., - Сиренко С.П. Биомеханика вестибулярного аппарата. - М.: Изд. фирма Слово. - 1997.

9. Laurence М. // Laryngoscope, - 1966. - V, 76. - Р. 1318 - 1337.

10. Bekesy G. Experiments in Hearing. - N.J.: McGraw - Hill. 1960.

11. Гельфанд С. А. Слух: введение в психологическую и физиологическую акустику. / Пер. с англ. - М.: Медицина. - 1984.

12. Дьяконов В.П. Система MathCAD. - М.: Радио и связь. - 1993.

Формула изобретения

Способ определения временных изменений биофизических параметров улиткового протока внутреннего уха человека, отличающийся тем, что аудиометрически исследуют слух, определяют максимально воспринимаемую ухом частоту звука, рассчитывают линейный коэффициент возрастной эволюции k(t) по формуле

где f_mo = 20 кГц - максимальная частота звука, воспринимаемая стандартной базилярной пластинкой длиной L_o = 32 мм;
f_m - воспринимаемая ухом максимальная частота звука;
t - время от рождения,
вычисляют частотный коэффициент возрастной эволюции r(t) по формуле r(t)=k(t)/2ln2, проводят расчет длины улиткового протока L(t) по максимально воспринимаемой ухом частоте звука по формуле L(t) = L_oe^-kt.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3