СПОСОБ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИКИ ПАТОЛОГИИ СТРУКТУР СРЕДНЕГО И ВНУТРЕННЕГО УХА
METHOD OF DIFFERENTIAL DIAGNOSTICS OF PATHOLOGY OF MIDDLE AND INNER EAR STRUCTURES

Изобретение относится к медицине, в частности к оториноларингологии, и касается способов дифференциальной диагностики структур среднего и внутреннего уха по регистрации изменений их реактивных сопротивлений.
Известным способом дифференциальной диагностики патологии внутреннего уха является регистрация отоакустической эмиссии. Было доказано, что рецепторные клетки спирального органа благодаря наличию в них актиномиозиновых волокон [1] обладают свойством в покое или при действии звука приходить в состояние высокочастотной «вибрации», которое приводит к колебанию эндо- и перилимфы, в результате чего образуется кинетическая энергия, распространяющаяся как волновой процесс через внутреннее и среднее ухо. Барабанная перепонка под влиянием этой энергии начинает излучать очень слабый широкополосный звук на частотах 500-4000 Гц, что может быть зарегистрировано с помощью чувствительного микрофона, введенного в наружный слуховой проход [1]. Этот процесс может быть отражением физиологического состояния рецепторных структур и базальной мембраны органа Корти.
Недостаток данного способа состоит в том, что при регистрации активной деятельности рецепторных клеток улитки по звуковосприятию не учитываются реактивные сопротивления звукопроводящих сред и структур среднего и внутреннего уха по передаче обратной кинетической энергии. Остаются не ясными механоакустические процессы, приводящие к нарушению звукопроведения и звуковосприятия и изменяющие параметры регистрации отоакустической эмиссии. В силу этих причин открытый феномен [1] используется узко для диагностики нейросенсорной тугоухости и не используется для дифференциальной диагностики патологических состояний, связанных с нарушением звукопроведения во внутреннем и среднем ухе.
m
s
m
m
Известен также способ разработки теоретической модели акустического сопротивления [2]. По этой модели полное акустическое сопротивление (импеданс) Z представляет собой взаимодействие активного сопротивления R, положительного реактивного сопротивления массы X и отрицательного реактивного сопротивления жесткости X Поскольку вся масса структур среднего и внутреннего уха обладает свойством инерции, то приложение силы F к массе М приводит к ускорению массы А согласно формуле F=МА, где А - ускорение. Если применяемая сила меняется по синусоиде, то X будет связано с частотой по формуле X=2 πfМ где f - частота.
s
s
m
Реактивное сопротивление жесткости, если применять синусоидальный стимул, будет связано с частотой по формуле X=S/2πf. Поскольку компоненты жесткости и массы различаются на π по фазе, то чистое реактивное сопротивление равно разнице между ними, при условии, что X превышает X, что наблюдается в нормальном ухе. Комплексное акустическое сопротивление (импеданс) Z системы следует из взаимодействия R и чистого X. Соотношение между Z, R и Х можно представить в виде [2]:
.
Переходя к зависимости от частоты, получаем,
где ω=2πf.
Недостаток данного способа в том, что он представляет собой теоретическую модель, не подтвержденную экспериментально, и, следовательно, не может быть использован для дифференциальной диагностики патологических состояний среднего и внутреннего уха. Кроме того, данный способ не совсем корректен, поскольку А является ускорением не массы, а системы под действием только силы упругости, и так же не рассматривается изменение реактивного сопротивления вязкости и соответствующей резонансной частоты.
Известен также способ исследования отоакустической эмиссии в норме [3]. В рассматриваемом способе обсуждаются результаты исследований в группе людей с нормальным слухом. Подтверждается улитковое происхождение вызванной отоакустической эмиссии. Кроме того, указывается, что состояние среднего уха в значительной мере влияет на характеристики эмиссии. Как правило, дисфункция среднего уха приводит к снижению амплитуды эмиссии и изменению ее частотного спектра и даже к невозможности ее зарегистрировать.
Недостаток данного способа в том, что в нем не указаны критерии использования метода вызванной отоакустической эмиссии в дифференциальной диагностике патологии среднего и внутреннего уха. Кроме того, не описывается биофизический механизм, лежащий в основе дифференциальной диагностики и определяющий, что с изменением давлений в системах среднего и внутреннего уха соответственно изменяются реактивные сопротивления жесткости и/или вязкости звукопроводящих сред.
Известен способ исследования отоакустической эмиссии в дифференциальной диагностике нейросенсорной тугоухости [4]. В рассматриваемом способе обсуждаются особенности метода в диагностике болезни Меньера, кохлеарной и ретрокохлеарной тугоухости. Проводится дифференциальная диагностика между нейросенсорной тугоухостью, при которой изменяются частотные и амплитудные показатели эмиссии и ретрокохлеарной тугоухостью, при которой эти показатели сохраняются в пределах нормы.
Недостаток данного способа в том, что в нем не учитываются изменения биофизического состояния звукопроводящих сред среднего и/или внутреннего уха на показатели эмиссии, в связи с чем не приводится дифференциальной диагностики заболеваний среднего уха и смешанной тугоухости.
Данный способ взят за прототип, как наиболее близкий аналог.
Целью изобретения является создание эффективного способа дифференциальной диагностики патологии структур среднего и внутреннего уха по регистрации изменений их реактивных сопротивлений.
Эта цель достигается тем, что по изменению показателей продукта искажения устанавливают изменение реактивных сопротивлений звукопроводящих сред и/или повреждение рецепторных структур улитки, на основании чего проводят дифференциальную диагностику заболеваний не только внутреннего, но и среднего уха; так при снижении амплитуды продукта искажения отоакустической эмиссии в низкочастотном диапазоне и смещении резонансной частоты в сторону высокочастотного диапазона устанавливают увеличение реактивного сопротивления упругости и диагностируют патологию среднего уха: хронический серозный средний отит, тимпаносклероз, адгезивный средний отит, тимпанальную форму отосклероза и патологию внутреннего уха: болезнь Меньера с повышением внутрилабиринтного давления; при снижении амплитуды продукта искажения отоакустической эмиссии в высокочастотном диапазоне и смещении резонансной частоты в сторону низкочастотного диапазона устанавливают увеличение реактивного сопротивления вязкости и диагностируют патологию среднего уха: хронический слизистый средний отит и патологию внутреннего уха: гидропс лабиринта при болезни Меньера; при снижении амплитуды или отсутствии регистрации продукта искажения отоакустической эмиссии в высокочастотном и речевом диапазоне и смещении резонансной частоты в сторону низкочастотного диапазона, устанавливают увеличение реактивного сопротивления вязкости и диагностируют патологию внутреннего уха: острую или хроническую нейросенсорную тугоухость; при снижении амплитуды и отсутствии регистрации продукта искажения отоакустической эмиссии на всем диапазоне частот устанавливают сочетанное изменение реактивных сопротивлений в системах среднего и внутреннего уха и диагностируют смешанную тугоухость.
Способ реализуется следующим образом:
Во время обследования наружный слуховой проход обтурируется специальным вкладышем с вставленным зондом, в корпусе которого размещены миниатюрные микрофон и телефон. Акустический стимул, состоящий из двух тональных сигналов, посылается в ухо через наружный слуховой проход, воздействуя на барабанную перепонку. Ее движения, в свою очередь, обуславливают колебания слуховых косточек и звуковую волну во внутреннем ухе. При этом в ответ на такое раздражение генерируются микрофонные потенциалы двух начальных тонов и дополнительного третьего. Полученный третий тон называют продуктом искажения отоакустической эмиссии, который улавливается высокочувствительным микрофоном, усредняется и подвергается измерениям специальным аппаратом - GSI-60.
Регистрация продукта искажения записывается в виде графиков на фиг.1а, б - 4а, б. Она отражает зависимость интенсивности продукта искажения от частоты стимуляции.
Считается, что он является суммарным результатом акустических преобразований в проводящей системе среднего и механических процессов во внутреннем ухе. При сравнительном анализе параметров выявлено соответствие изменений показателей продукта искажения отоакустической эмиссии изменениям физических характеристик системы среднего и внутреннего уха, таких как упругость и вязкость. В зависимости от физиологических свойств системы меняется значение резонансной частоты. Поиск продукта искажения направлен на установление резонансной частоты. Ее биофизическая основа устанавливается следующими соображениями.
С биофизической стороны среднее ухо, как колебательная система, в норме обладающая упругостью, отвечает на звуковую стимуляцию в соответствии со своим реактивным сопротивлением. Внутреннее ухо, имеющее такие элементы звукопроведения, как пери-, эндо- и кортилимфа, на звуковые колебания реагирует преимущественно в соответствии с реактивным сопротивлениям вязкости. При патологии ответ усложняется за счет изменений условий звукопроведения и/или звуковосприятия: изменения реактивных сопротивлений или появлением дополнительных.
1
2
1
2
1
2
y
в
Барабанная перепонка, являясь нелинейной структурой ([3], фиг.5 и 10, элемент 1) в ответ на стимул битональным звуком с частотами f и f (f<f), по Гельмгольцу, порождает третью гармонику (комбинационный тон) частотой f=2f-f. На ее амплитуду оказывают влияние структуры, связанные с барабанной перепонкой: слуховые косточки, мышцы и сухожилия среднего уха, жидкости и мембраны внутреннего. Механические свойства этих структур в первом приближении легко моделируются конструкцией из одного активного и двух реактивных модулей: упругого и вязкого элементов, соединенных последовательно так называемой моделью Максвелла. На фиг.5 отображено моделирование структур среднего и внутреннего уха активным R (элемент 3) и реактивными: упругим Z (элемент 2) и вязким Z (элемент 4) модулями.
a
a,o
a,o
a
o
Модуль R, по сути, является активным сопротивлением, которое возникает при движении стремени в окне преддверия улитки. При переменной силе F=Fsin(ωt) (с частотой f, циклической, или круговой, частотой ω=2πf и амплитудным значением F), пропорциональной скорости, F=rv, где r - коэффициент трения, имеем скорость v=vsin(ωt) с амплитудой . На таком модуле колебания точки приложения силы и ее скорости имеют одинаковую частоту и совпадают по фазе (фазовый сдвиг φ=0); фазовое соотношение амплитуд приложенной силы и скорости движения элемента (векторная диаграмма) представлено на фиг.6а - фазовое соотношение амплитуд приложенной силы и скорости движения составляющих активного сопротивления.
a
Механическая работа А в подобном модуле производится за счет звуковых волн при действии силы F на пути ds и по определению ,
где ds=vdt, так что за период Т
.
a
При этом мощность N, развиваемая этой силой за период Т, . Положительные значения мощности за все время действия силы означают, что механическая энергия полностью и необратимо превращается в другие виды (в тепло) и рассеивается, что отображено на фиг.6б - графики временных изменений силы F(t0), скорости движения v(t) и мощности N(t) для активного сопротивления R.
Такое сопротивление называется активным (резистансом).
o
y
Слуховые косточки среднего уха совершают механические колебания, и само среднее ухо может моделироваться упругим модулем - пружиной (модель Гука). Для такого элемента по закону Гука σ=Еε механическое напряжение  прямо пропорционально относительной деформации , где Е - модуль упругости материалов среднего уха, S - средняя площадь поперечного сечения, ℓ - длина элемента в ненапряженном состоянии, Δℓ - его абсолютная деформация при действии силы F, или, что то же самое, смещение колеблющихся точек от положения равновесия.
Скорость колебаний структур среднего уха при таком подходе можно считать равной скорости абсолютной деформации упругого элемента Δℓ, т.е.  или d(Δℓ)=vdt, откуда
,
где для гармонических колебаний постоянная интегрирования С=0, а амплитуда колебаний . Тогда сила упругости
где  - средняя жесткость упругого элемента. Таким образом, развиваемая в таком модуле сила упругости с амплитудным значением  отстает по фазе от скорости колеблющихся структур среднего уха на угол .
y
На фиг.7, а отображено фазовое соотношение амплитуд приложенной силы и скорости движения элемента для реактивного сопротивления упругости Z.
y
Ее мощность за период равна нулю: в системе с упругим элементом нет необратимых превращений энергии: если в одну четверть периода колебаний система потребляет передаваемую ей энергию, то в следующую четверть она возвращает полностью всю потребленную ею энергию источнику волны. На фиг.7б отображены графики временных изменений силы F(t0, скорости движения v(t) и мощности N(t) для реактивного сопротивления упругости Z).
Силы, развивающиеся при этом, называются реактивными.
y
Упругое реактивное сопротивление Z (или, как принято его называть, сопротивление жесткости) в таком элементе:
обратно пропорционально частоте звуковой волны и зависит от геометрии и упругих свойств самого элемента.
в,o
o
в
Наличие жидкостей и подвижных мембран во внутреннем ухе допускает его моделирование вязким элементом (моделью Ньютона), для которого по формуле Ньютона сила вязкого (жидкого) трения , где η - коэффициент вязкости жидкости (перилимфы),  - площадь соприкасающихся ее слоев,  - градиент скорости при поперечной координате модуля z. Но приращение скорости жидкости  тогда  где коэффициент  - определяется геометрией улитки и условиями смещения в ней жидкости друг относительно друга, так что . С учетом  имеем, что сила, развивающаяся при этом, также называемая реактивной, равна , а ее амплитуда F=kηvω, причем сама сила опережает по фазе скорость колебания частиц среды подобного элемента на угол , что отображено на фиг.8а - фазовое соотношение амплитуд приложенной силы и скорости движения элемента (векторная диаграмма) для реактивного сопротивления вязкости Z.
в
Мощность этой силы за период оказывается равной нулю: в системе с вязким элементом нет необратимых превращений энергии - если в одну четверть периода колебаний система потребляет передаваемую ей энергию, то в следующую возвращает полностью потребленную энергию источнику волны. На фиг.8б отображены графики временных изменений силы F(t), скорости движения v(t) и мощности N(t) для реактивного сопротивления вязкости Z. Вязкое реактивное сопротивление (или, как принято его называть, сопротивление массы) при этом
прямо пропорционально частоте и зависит от геометрии и вязких свойств элемента.
y
в
y
в
Для такой системы, как реальное ухо, в котором все виды сопротивлений существуют одновременно, можно определить общий импеданс и установить фазовое соотношение приложенной силы и скорости движения частиц структур уха. На фиг.9 отображены фазовые соотношения приложенных сил и скорости движения частиц структур уха, в котором все виды сопротивлений существуют одновременно: а - для Z>Z; δ - для Z<Z.
При этом механическое напряжение σ в каждом элементе одинаково
во
ву
вв
σ=σ=ε,
а для деформации ε в каждый момент времени выполняется условие
о
у
в
ε=ε+ε,
причем скорость деформации
.
Биоматематическое решение такой системы ограничим нахождением минимума импеданса и резонансной частоты: этого окажется достаточным, так как, по нашему предположению, резонансная частота - это та частота, на которой эффект отоакустической эмиссии становится наиболее выраженным. Для амплитудных значений сил имеем:
Вследствие наличия фаз между ними общая сила
,
где Z - импеданс системы. Сдвиг по фазе между силой (импедансом) и скоростью определяется соотношением:
y
в
При изменении частоты звуковой волны можно добиться того, чтобы в системе F=F. В этом случае общий импеданс Z=r становится минимальным, частота при этом, называемая резонансной, равна
Таким образом, резонансная частота прямо пропорциональна квадратному корню жесткости структур среднего уха и обратно пропорциональна квадратному корню вязкости структур внутреннего уха.
y
e
r
В реальном ухе наряду с колебательным смешением жидкостей во внутреннем ухе существуют колебательные процессы, вызванные связями мембран улиткового протока со слуховыми рецепторами (в большей степени с наружными волосковыми клетками [1]). Отдельным частотам, на которых пациент испытывает недостаточность слуха, во внутреннем ухе нет соответствующих нормально работающих слуховых рецепторов. ответственных за восприятие громкости тонов, - наружных волосковых клеток, утративших свои функции или погибших. Поэтому на поврежденном участке изменяется взаимодействие мембран улиткового протока с рецепторами. Учитывая этот аспект, можно предположить наличие в улитковом протоке дополнительного упругого модуля. включенного параллельно вязкому модулю (модель Кельвина - Фойгта). На фиг.10 отображен вариант моделирования структур среднего и внутреннего уха активным R (элемент 3) и реактивными: упругим Z (элемент 2) и дополнительными (вязким Z (элемент 4) и с дополнительным упругим Z (элемент 5) модулями).
Для подобной модели для обоих модулей - упругого и вязкого - одинаково их удлинение:
o
y
в
ε=ε=ε
и скорость деформации
,
а общее механическое напряжение равно сумме напряжений на каждом из них, т.е.
во
ву
вв
σ=σ+ε,
само же ухо следует рассматривать как модель Зинера.
Возможна и противоположная ситуация, при которой изменяется реактивное сопротивление среднего уха за счет появления в барабанной полости вязкого (жидкостного) элемента, что также приводит к нарушению звукопроведения.
Наиболее сложный вариант взаимодействия структур уха может наблюдаться при одновременном существовании всех проявлений патологии среднего и внутреннего уха. Превалирование того или иного сопротивления влечет за собой изменение ответной реакции барабанной перепонки.
Сравнение предлагаемого способа с другими, известными в области медицины, показало его соответствие критериям изобретения.
Так,
- хронический серозный средний отит, тимпаносклероз, адгезивный средний отит, отосклероз, тимпанальная форма, болезнь Меньера с повышением внутрилабиринтного давления диагностируются по снижению амплитуды продукта искажения отоакустической эмиссии в низкочастотном диапазоне и смещению резонансной частоты в сторону высокочастотного диапазона, что устанавливает увеличение реактивного сопротивления упругости. На фиг.1а отображен график восходящего типа в конфигурации «Screen70/70», соответствующий увеличению реактивного сопротивления упругости. На фиг.1б отображена тимпанограмма типа «С» или «As», соответствующая восходящему типу графика регистрации продукта искажения;
- хронический слизистый средний отит, гидропс лабиринта при болезни Меньера диагностируются по снижению амплитуды продукта искажения отоакустической эмиссии в высокочастотном диапазоне и смещению резонансной частоты в сторону низкочастотного диапазона, что устанавливает увеличение реактивного сопротивления вязко. На фиг.2а отображен график регистрации продукта искажения нисходящего типа в конфигурации «Screen70/70», соответствующий увеличению реактивного сопротивления вязкости. На фиг.2б отображена соответствующая тимпанограмма типа «В»;
- острая или хроническая нейросенсорная тугоухость диагностируется по снижению амплитуды или отсутствию регистрации продукта искажения отоакустической эмиссии в высокочастотном и речевом диапазоне и смещению резонансной частоты в сторону низкочастотного диапазона, что устанавливает увеличение реактивного сопротивления вязкости. На фиг.3а отображен график регрессивного типа в конфигурации «Screen70/70», соответствующий увеличению реактивных сопротивлений поврежденных структур внутреннего уха. На фиг.3б отображена соответствующая тимпанограмма типа «А» или «As» (у детей);
- смешанная тугоухость диагностируется по снижению амплитуды и отсутствию регистрации продукта искажения отоакустической эмиссии на всем диапазоне частот, что устанавливает сочетанное изменение реактивных сопротивлений в системах среднего и внутреннего уха. На фиг 4а отображен график продукта искажения смешанного типа, в конфигурации «Screen70/70», соответствующий сочетанному изменению реактивных сопротивлений. На фиг.4б отображены соответствующие тимпанограммы типа: «С», «В», возможно «As», «D», «Е».
Таким образом, по величине ответного сигнала барабанной перепонки и соответственно по показателям отоакустической эмиссии на частоте продукта искажения можно судить о локализации патологии и характере нарушения звукопроведения и звуковосприятия.
Клинический пример
Больной Б., 4 лет, с диагнозом: аденоиды 2-3 степени, хронический аденоидит, двусторонний хронический слизистый средний отит, находился на лечении в сурдологическом кабинете Центра коррекции речи г.Новокуйбышевска в течение 10 дней. Пациенту перед началом лечения было произведено обследование слуха с помощью тимпанометрии, где получена тимпанограмма типа «В» с двух сторон, что свидетельствовало о высоком давлении и наличии жидкости в среднем ухе. С целью подтверждения диагноза и определения глубины поражения по снижению частотного восприятия был применен метод отоакустической эмиссии на частоте продукта искажения. При этом наружные слуховые проходы обтурировались специальным вкладышем с вставленным зондом, в корпусе которого находились микрофон и телефон. Через наружный слуховой проход посылался в ухо акустический стимул, состоящий из двух тональных сигналов, воздействующих на барабанную перепонку. Ее движения, в свою очередь, обусловили колебания слуховых косточек и звуковую волну во внутреннем ухе. Обратный ответ, полученный от структур улитки и среднего уха, так называемый продукт искажения улавливался микрофоном. Результаты показали отсутствие ответа или снижение его амплитуды в сторону высокочастотного диапазона от 1593 Гц до 4031 Гц справа и от 2031 Гц до 4031 Гц слева. Резонансные частоты при этом сместились в сторону низкочастотного диапазона до 812 Гц в пределах установленной конфигурации. Полученные результаты свидетельствуют о повышении реактивного сопротивления вязкости (массы) в системе среднего уха больше справа. После проведенной противоаллергической терапии, механотерапии, физиотерапии с применением муколитических препаратов восстановились до нормы показатели тимпанометрии типа «А» и значительно улучшились амплитудные показатели продукта искажения отоакустической эмиссии. Резонансная частота справа сместилась до 2562 Гц, слева до 2031 Гц. Результаты свидетельствуют о снижении реактивного сопротивления вязкости (массы) в звукопроводящей системе среднего уха после проведенного лечения.
Больной К., 5 лет, с диагнозом: аденоиды 2-3 степени, правосторонний адгезивный средний отит, левосторонний рецидивирующий серозный средний отит, находился на обследовании и лечении в сурдологическом кабинете Центра коррекции речи г.Новокуйбышевска в течение 7 месяцев с момента постановки диагноза. Была проведена аденоидэктомия, после которой установлена тимпанограмма типа «С» с резким снижением давления в среднем ухе с двух сторон. Для уточнения глубины поражения и нарушения частотного восприятия была проведена отоакустическая эмиссия на частоте продукта искажения. В наружные слуховые проходы вставлялся зонд с микрофоном и телефоном в корпусе и с ушным вкладышем для герметизации. В ушной канал посылался акустический стимул через среднее ухо в улитку. Обратный измененный акустический ответ или продукт искажения улавливался микрофоном. Слева диагностировалось снижение амплитудных показателей продукта искажения отоакустической эмиссии в сторону низкочастотного диапазона от 2031 Гц до 812 Гц. Резонансная частота сместилась в сторону высокочастотного диапазона до 4031 Гц в пределах установленной конфигурации. Справа установлено резкое снижение амплитуды продукта искажения на частотах 1593 Гц, 2031 Гц, 4031 Гц. Резонансная частота не установлена. Полученные результаты свидетельствуют о повышении реактивного сопротивления упругости (жесткости) в системе среднего уха, больше справа за счет спаечного процесса. После двух курсов механотерапии, магнитотерапии, физиотерапии с применением ферментных препаратов показатели отоакустической эмиссии с двух сторон установились в пределах нормы, тимпанометрия нормального типа «А». Полученные результаты свидетельствуют о восстановлении до нормы реактивного сопротивления упругости звукопроводящей системы среднего уха в процессе лечения.
Предложенный способ возможно и целесообразно использовать в оториноларингологии для дифференциальной диагностики патологии среднего и внутреннего уха, что позволит оптимизировать лечение и реабилитацию пациентов.
Источники информации
1. Kemp D.T. Stimulated acoustic emissions from within the human auditory system. / D.T.Kemp // J.Acoust. Am., 1978, v.64, №5, p.1386-1391.
2. Гельфанд С.А. Слух: введение в физиологическую и психологическую акустику: / С.А.Гельфанд // М.: Медицина, 1984, 352 с.
3. Пальчун В.Т. Отоакустическая эмиссия: исследование нормы. / В.Т.Пальчун. Ю.В.Левина, О.А.Мельников // Вести оториноларингологии., 1999, №1. с.5-9.
4. Левина Ю.В. Отоакустическая эмиссия в дифференциальной диагностике нейросенсорной тугоухости. Автореф. … дисс. / Ю.В.Левина // М., 1999, с.7-19.