Способ реабилитации слуха с использованием ультразвукового излучения

Изобретение относится к области медицины, а именно к отоларингологии. Через заушную поверхность головы человека контактным способом осуществляют облучение улитки внутреннего уха сфокусированным ультразвуковым излучением (УЗ). Амплитуду УЗ излучения модулируют электрическим сигналом микрофонным приемником звука. Сам микрофон располагают вблизи ультразвукового излучателя, обеспечивая бинауральность слуха. При этом электрические выходные сигналы микрофона фильтруют в частотном диапазоне 0,5÷5 кГц, частоту ультразвуковых колебаний устанавливают не менее 100 кГц, а величину интенсивности ультразвукового излучения устанавливают не выше 0,1 Вт/см² и обеспечивают формирование радиационного давления в улитке внутреннего уха не менее 2·10^-4 Па. Способ позволяет восстановить слуховые ощущения и компенсировать нарушение функции среднего уха, что достигается за счет модуляции УЗ излучения слуховыми сигналами от микрофона и создания при этом необходимого радиационного давления в улитке. 2 ил.

 

Предлагается способ реабилитации слуховых ощущений человека при отосклерозе, основанный на воздействии радиационного давления (РД) ультразвукового (УЗ) излучения непосредственно на внутреннее ухо.

Известно [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7], что отосклероз есть двусторонний очаговый процесс в костном лабиринте уха, сопровождающийся разрастанием и нарушением подвижности слуховых косточек, способный привести к полной потере слуха.

В сообществе ЛОР-специалистов в настоящее время сформировалось устойчивое мнение, что медикаментозного лечения отосклероза не существует. Все мероприятия по реабилитации тугоухости, вызванной отосклерозом, являются хирургическими на среднем ухе, названные стапедопластикой или калиброванной стапедомией. В процессе этой операции удаляется патологический косточковый очаг, который заменяется протезами головки и арки стремени.

Существует мнение [7, 8], что возникновение отосклероза связано с наследственной неполноценностью ушного лабиринта, которая выражается в повышенной чувствительности к УЗ. Так как у больных отосклерозом выявлено снижение содержания многих биоактивных элементов в костном веществе, в частности в стремени, то появилось предложение и медикаментозной поддержки организма в лечении отосклероза. При этом авторы медикаментозного лечения остаются приверженцами и хирургического лечения, считая его наиболее эффективным. Такая позиция объясняется тем, что длительность медикаментозного лечения (введение внутрь костного вещества препаратов кальция, фосфора, фтористого натрия по 20 мг 2 раза в день) в течение 1-2 лет может отставать от хронического развития отосклероза, ухудшающего слух.

Следует также привести перечень противопоказаний к хирургическому лечению отосклероза и перечень возможных послеоперационных осложнений, с которыми знакомят пациентов в Израильском госпитале Ихаилов [6].

Противопоказания при хирургическом лечении:

- общее тяжелое состояние пациента,

- одно ухо слышащее,

- низкий резерв функции улитки внутреннего уха,

- тиннитус или головокружение,

- наличие активных очагов отосклероза.

Перечень возможных послеоперационных осложнений:

- паралич половины лица,

- головокружения в послеоперационный период,

- рвота,

- выделение перилимфы из уха,

- повреждение звукового лабиринта среднего уха,

- воспаление структур внутреннего уха.

Несмотря на превосходно сделанную операцию впоследствии могут проявиться осложнения в виде:

- полной глухоты оперированного уха,

- длительного головокружения,

- постоянного ощущения шума или гудения в оперированном ухе,

- паралича половины лица в виде повреждений веточек лицевого нерва.

Так как по статистическим данным отосклерозом страдает около 1-2% населения земного шара [6], то становится очевидным, что оказать хирургическую помощь многим больным невозможно. Но и те больные, кому такая помощь оказана, страдают неизвестностью и страхом потерять слух из-за отсутствия гарантийных статистических данных о сроке службы установленного косточкого протеза, мембраны входного уха и овального окна улитки.

Таким образом, способ реабилитации слуха при отосклерозе, основанный на хирургической операции по замене косточковой системы его протезом, может рассматриваться как аналог предлагаемого способа.

Техническим решением предлагаемого способа является исключение хирургической операции в процессе реабилитации (восстановления) слуховых ощущений при отосклерозе.

В соответствии с предложенным способом реабилитации слуха при отосклерозе с использованием УЗ излучения улитку внутреннего уха облучают контактным способом через заушную поверхность головы человека, амплитуду УЗ излучения модулируют электрическим сигналом микрофонного приемника звука, а сам микрофон располагают вблизи УЗ излучателя, обеспечивая бинауральность слуха, при этом электрические выходные сигналы микрофона фильтруют и формируют сигналы модуляции в частотном диапазоне 0,5÷5,0 кГц, частоту УЗ колебаний устанавливают не менее 100 кГц, а величину интенсивности УЗ излучателя не выше 0,1 Вт/см², обеспечивая формирование РД в улитке внутреннего уха не менее 2·10^-4 Па.

Сущность предлагаемого способа поясняется следующими чертежами.

Фиг.1 - семейство кривых равной громкости в зависимости от частоты звука;

Фиг.2 - «A» - функциональная схема устройства, реализующая предложенный способ, где 1 - источник питания устройства, 2 - ультразвуковой генератор с излучателем и системой фокусировки УЗ, 3 - микрофон, 4 - частотный фильтр и формирователь сигнала модуляции; направление стрелок указывает функциональную зависимость блоков; «B» - иллюстрация воздействующего УЗ излучения модулированного электрическим акустическим сигналом с указанием максимальной мощности излучателя.

Как следует из описания, предложенный способ основан на использовании явления, которое называется РД и которое возникает на преградах на пути распространения УЗ излучения. Механизм возникновения РД достаточно подробно рассмотрен в работах [9, 10, 11, 12] и относится к звуковым эффектам 2-го порядка. Авторы не обнаружили из известной литературы публикации о практическом применении этого эффекта.

Звуковые колебания, например УЗ как явление 1-го порядка, представляют собой чередование сжатий и разряжений в среде распространения. При этом принято считать, что величины сжатия и разряжения, создающее УЗ, равны и формируют в двух точках среды, расположенных двух от друга на расстоянии λ_зв/2 (λ_зв - длина волны УЗ), максимальное напряжение. Именно это напряжение и используют при воздействии УЗ на ткани и органы человека в медицинской диагностической и лечебной практике.

Однако УЗ колебание как явление 1-го порядка на поверхности препятствий не создает постоянно направленной силы (в направлении распространения УЗ).

РД выражается в том, что поверхность препятствия на пути УЗ испытывает постоянное давление по величине и направлению, которое прямо пропорционально мощности УЗ излучения и подобно световому давлению, открытому Лебедевым П.Н. в 1903 г.

Мощность этого постоянного РД в 103 раз меньше мощности УЗ излучения.

Физическое толкование появления РД изложено в [10, 11] и связано с явлениями, в которых сопротивление движению частиц среды в область разряжения из области сжатия будет меньше, чем в случае, когда частицы движутся из области разряжения в область сжатия. Именно эта разность в сопротивлении среды и является причиной появления постоянного давления в направлении распространения звуковой волны.

Авторы согласны с приведенным физическим толкованием описанных причин появления РД.

Таким образом, предложенный способ базируется на двух физических предпосылках, связанных с использованием УЗ излучения:

- зависимость РД от интенсивности УЗ излучения;

- использование УЗ как несущего при доставке к нужному внутреннему органу давления, изменяющегося по амплитуде и частоте по определенному закону, сигнал.

Наличие костной проводимости в костной слуховой системе человека практически используется при диагностировании тугоухости человека. Костная проводимость звуковых волн при воздушном воздействии существенно меньше костной проводимости того же звука при контактном воздействии на кости черепа человека. Это связано с существенной разницей акустического сопротивления воздуха и костей черепа (понятно, что при равенстве акустических сопротивлений передача звука осуществляется беспрепятственно).

В [13] показано, что отражение звуковых волн на границе двух сред с различными значениями акустического сопротивления определяется зависимостью

$${\alpha }_{отр}={\left|\frac{Z_{пад}-Z_{отр}}{Z_{пад}+Z_{отр}}\right|}^2={\left|\frac{\Delta P_{пад}}{\Delta P_{отр}}\right|}^2\left(1\right),$$

где Z_пад и Z_отр - соответственно акустические сопротивления среды с падающей и отраженной волной, а ΔP_пад и ΔР_отр - соответственно давления падающей и отраженной волн.

На примере прохождения УЗ излучения из воздуха в воду и из воды в воздух можно показать роль значений акустических сопротивлений (Z_ак=ρ_ср·с_зв, где ρ_ср - плотность среды распространения, с_зв - скорость распространения звука в среде). Так ρ_возд=1,29 кг/м³, с_{зв.возд.}=340 м/с, ρ_воды=10³ кг/м³, с_{зв.воды}=1500 м/с и α_отр=0,999.

Действительно опыт показывает, что из воды в воздух из воздуха в воду звук практически не проходит из-за полного отражения на границе этих сред.

Внутреннее ухо человека, которое находится в височной области головы, объединяет в себе орган равновесия и орган слуха - улитку. Костный канал улитки представляет собой сужающуюся к концу трубку, свернутую в 2,5 оборота витка в виде улитки.

Предлагаемый способ основан на отражении УЗ излучения от границы кость улитки - жидкость внутри улитки, которое и формирует РД.

Акустическое сопротивление внешней костной основы улитки можно принять равным 160·10⁵ кг/м²·с, а акустическое сопротивление перилимфы улитки равным 15·10⁵ кг/м²·с. В этом случае коэффициент отражения на границе кость улитки - ее жидкость, рассчитанная по (1), составят ~0,7.

Эффект возбуждения жидкости улитки РД подобен аналогичному ее возбуждению при костной проводимости звука. Такое возбуждение обеспечивает возникновение резонансных явлений на поверхности основной мембраны, расположенной вдоль всей улитки в виде «рельефа». Этот «рельеф» возбуждает нервные волоски клеток, расположенные на основной мембране в несколько слоев, образуя орган Корти. Результатом взаимодействия «рельефа» основной мембраны с элементами органа Корти является преобразование акустических сигналов в электрические. Электрические сигналы по слуховым нервам передаются к слуховым участкам мозга, вызывая ощущение слуха.

Следует еще раз отметить, что доля звуковой энергии, попадающая в улитку за счет костной проводимости при контактном воздействии много больше энергии, попадающей в улитку через воздух.

Оценим величину интенсивности УЗ излучения, направленного на улитку, которое обеспечивает перилимфе улитки РД, равное 2·10^-4 Па. Как показано на фиг.1, указанное давление на порядок превышает минимальный порог слышимости человека, равный 2·10^-5Па, в частотном диапозоне 0,5÷5,0 кГц. Указанные значения характерны для нормально функционирующей всей слуховой системы человека.

Слуховые косточки в слуховом канале среднего уха представляют собой своеобразный трансформатор звукового давления. Эффект рычага обеспечивает увеличение силы давления при передаче его от молоточка к стремени в ~1,3 раза. Кроме этого, эффективная площадь поверхности входной барабанной перепонки много больше поверхности стремени, что также приводит к увеличению давления, обеспечивая значение общего коэффициента трансформации по давлению (по данным Бекеши), равное (15÷20):1 [14].

Таким образом, усиление средним ухом звукового давления в 20 раз должно быть учтено при расчете мощности УЗ излучения, и принятое давление 2·10^-4 Па должно быть увеличено до значения 4·10^-3 Па. Так как РД на три порядка меньше давления УЗ излучения, то величину давления источника следует принять равной 4 Па, что соответствует интенсивности ~0,1 Вт/м² или 10^-5 Вт/см². Полученное значение интенсивности также должно быть увеличено по мнению авторов на два порядка за счет:

- малого значения коэффициента полезной площади улитки 0,25÷0,35, который определяет долю из общего потока УЗ излучения, взаимодействующую с перилимфой улитки;

- возможных потерь УЗ излучения в костях на пути к улитке.

В результате рабочее значение мощности Уз излучения должно быть не менее 10^-3 Вт/см².

В многочисленных открытых публикациях на запросы «Биологическое воздействие УЗ», «Лечение отосклероза», «Тугоухость» и др. уровень УЗ излучателей, не превышающий 0,5 Вт/см², отнесен к малым значениям интенсивности, которые широко используются в медицинской практике [15, 16, 17, 18, 19, 20].

Это позволяет авторам утверждать, что рабочие значения интенсивности УЗ излучателей для реализации предложенного способа являются безопасными для человека.

Выбор частоты УЗ излучателя в предложенном способе определяется необходимостью удовлетворять следующим требованиям:

- частота УЗ излучения, являясь «несущей», должна не менее чем в 20 раз превосходить верхнюю частоту сигнала модуляции (авторами предложена частота f_в.мод.=5 кГц);

- частота должна обеспечивать минимальное поглощение костями черепа при контактном методе воздействия;

- иметь по возможности малые линейные размеры, учитывающие физиологические особенности размеров головы.

По мнению авторов, нижняя граница частотного диапазона УЗ излучателя должна быть равна 100 кГц, а верхнее значение может быть установлено в процессе экспериментальных исследований зависимости потерь УЗ излучений от частоты УЗ в костях. В процессе таких исследований частотный диапазон может иметь верхнюю границу до ~1 ГГц.

Необходимо отметить, что частота в 100 кГц использована при УЗ стимуляции головного мозга человека [21, 22]. В частности в работе [21] использовалась интенсивность УЗ излучения примерно 1÷2 Вт/см², что в 100 раз превышает расчетное значение интенсивности, рекомендованное в предлагаемом способе.

В настоящее время достигнутый уровень УЗ приборостроения как по разнообразию применения, так и по параметрам (интенсивность, частота, фокусировка, режим работы и др.) позволяет авторам надеяться, что при создании устройства, реализующего предложенный способ, могут быть использованы детали, элементы и схемы от действующих УЗ приборов. Поэтому авторы считают достаточным привести функциональную схему такого устройства в упрощенном виде, изображенную на фиг.2. На фиг.2 «A» источник питания 1 обеспечивает электропитанием УЗ излучатель 2, микрофон 3 и формирователь сигнала модуляции 4. Направление стрелок, соединяющих блоки, указывает их функциональную зависимость. Фиг.2 «B» иллюстрирует вид воздействующего УЗ излучения, промодулированного электрическим акустическим сигналом с указанием рабочего значения интенсивности излучения.

Как уже отмечалось, УЗ излучатель располагают в заушной части головы, и облучение улитки осуществляют контактным способом. Микрофон следует располагать вблизи УЗ излучателя для обеспечения бинауральных свойств восприятия звука, позволяющих определять направление на источник звука. Такое расположение УЗ излучателя и микрофона следует соблюдать и в случае заболевания отосклерозом обоих ушей пациента.

По мнению авторов в устройстве может быть предусмотрено отключение УЗ излучателя при отсутствии на выходе микрофона выходного сигнала (отсутствии акустического сигнала).

Таким образом, предложенный способ реабилитации слуха при отосклерозе исключает общепринятый хирургический метод лечения этого заболевания.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Преображенский Б.С, Темкин Я.С, Лихачев А.Г. «Болезни уха, горла, носа». - М.: Медицина, 1968 г.

2. http://www.krasotaimedicina.ru (СМ-клиника) «Тугоухость».

3. http://www.diagnos.ru «Отосклероз», 2012 г.

4. http://www.gutaclinic.ru «Отосклероз. Лечение отосклероза», 2012 г.

5. http://www.lechim-uxo.ru «Лечим ухо. Признаки, лечение, операция отосклероза», 2013 г.

6. http://www.ichilov./net/ENT disease/otosclerosis (госпиталь Ихилов, Израиль) «Отосклероз», 2012 г.

7. http://www.XServer.ru «Отосклероз».

8. Солдатов И.Б. «Лекции по отолорингологии», уч. пособие. - М.: Медицина, 1994 г.

9. Розенберг Л.Д. «Применение ультразвука». - М.: АНСССР, 1957 г.

10. Красильников В.А., Крылов В.В. «Введение в физическую акустику». - М.: Наука, 1984 г.

11. Прохоров А.М. (гл. редактор) «Физическая энциклопедия». - М.: Наука, 1983 г.

12. Колесников А.Т. «УЗ измерения». - М.: Наука, 1970 г.

13. Под ред. Сапожкова А.М. «Акустика» справочник. - М.: Радиосвязь, 1989 г.

14. Фахитов Ш.Я., Ковалгин Ю.А., Фадеев А.А., Щевьев Ю.П. «Акустика» уч. для ВТУЗов. - М.: Гор. линия - Телеком, 2009 г.

15. ГОСТ 12.1.003-86 СБТ «Шум, общие требования безопасности», раздел «Воздействие УЗ излучения».

16. http://www.avicena.narod.ru/techno/ultrasound.htm «Лечение ультразвуком», 2008 г.

17. http://www.do2.gendocs.ru «Терапевтическое применение УЗ», 2013 г.

18. ГОСТ 12.2.051-80 ССБТ «Система стандартов безопасности труда. УЗ технологическое оборудование. Требования безопасности».

19. Гигиенические нормы СеН ПиН 2.2.4/2.1.8.582-96 «Гигиенические требования при работах с источниками воздушного и контактного УЗ промышленного, медицинского и бытового назначения».

20. http://www.readitall.ru/medezine/0038/htm «Биологическое воздействие УЗ».

21. Каркищенко Н.Н., Чайванов Д.Б., Вартанов А.П. «Об эффективности и безопасности УЗ-й транскранальной стимуляции головного мозга человека». - М.: Биомедтехника, №2, 2011 г.

22. http://bt-test.ru/advices/ultrazvukom_lechat_ne_tolko_delfiny/ «Ультразвуком лечат не только дельфины», Алмазова Ю., 2012 г.

Способ реабилитации слуха при отосклерозе с использованием ультразвукового излучения, отличающийся тем, что через заушную поверхность головы человека контактным способом осуществляют облучение улитки внутреннего уха сфокусированным ультразвуковым излучением, амплитуду которого модулируют электрическим сигналом микрофонным приемником звука, а сам микрофон располагают вблизи ультразвукового излучателя, обеспечивая бинауральность слуха, при этом электрические выходные сигналы микрофона фильтруют в частотном диапазоне 0,5÷5 кГц, частоту ультразвуковых колебаний устанавливают не менее 100 кГц, а величину интенсивности ультразвукового излучения устанавливают не выше 0,1 Вт/см² и обеспечивают формирование радиационного давления в улитке внутреннего уха не менее 2·10^-4 Па.