Hallás biofizikája

Ismétlés Biofizika részei: Molekuláris biofizika: biológiai anyag molekuláris szerkezetének leírása Biológiai anyagtan: biológiai anyagok fizikai és mechanikai tulajdonságainak meghatározása Biológiai működés fizikája: különböző életjelenségek fizikai, mechanikai modellezése

Receptorok típusai (Barócsi)

Hang Jellemzők: Időbeli periodicitás Periódus idő (T) Frekvencia (f=1/T) Térbeli periodicitás Hullámhossz (l) 0-20 Hz Infrahang, 20 Hz-200 kHz Hallható tartomány, 20kHz<Ultrahang Amplitúdó Intenzitás (I, W/m2) hallásküszöb: 10-12 W/m2 (mérve 1000 Hz-en) maximális intenzitás (ami még rövid ideig, fájdalom nélkül kibírható): 10 W/m2 13 nagyságrend Térbeli longitudinális hullám Rugalmas közegben terjed

Relatív intenzitás (n-dB) Definíció: az az intenzitásszint (n ), mely a relatív intenzitások logaritmusának 10-szerese 𝑛=10 𝑙𝑔 𝐼 𝐼 0

Hang jellemzői - hangosság Nem csak a hang intenzitása! Magába foglalja a hang érzékelésének erősségét. A hang intenzitását módosítani kell a fül érzékenységével az adott frekvenciára.

Hang jellemzői - hangmagasság Definíció: Hangmagasság = a hang frekvenciája Példa, a közép C = 261.6 Hz “A hangmagasság a rezgés frekvenciájától függ úgy, hogy a magasabb hangnak a magasabb frekvencia felel meg “ (Galilei)

Hang jellemzői – Hang színezete A hang pszichoakusztikai tulajdonsága A hang azon tulajdonságait írja le, amelyek azonos hangosság és hangmagasság mellett is különböző (hegedű, zongora, fuvola)

Hang (hangszínezet) fajtái: szinuszos hang a legegyszerűbb tiszta hang p(t) = pmax⋅ sin(ωt +ϕ)

Hang fajtái: zenei hang p(t) = p1⋅ sin(ωt) + p2 sin(2ωt) + p3 sin(3ωt) +... Fourier analízis: felbontja a jelet frekvencia komponensekre Inverz Fourier transzformáció: A különböző frekvenciakomponensek szinuszos komponenseiből szintetizálható bármilyen időbeli függvény.

Hang fajtái: zaj Definíció: több eltérő frekvenciájú és intenzitású jel zavaró összessége. Leírása: színképekkel (egy szám nem elegendő) Típusai: Fehér zaj: a teljes vizsgált frekvenciatartományban (emberi érzékelő esetén 20 Hz –20 kHz) a hangnyomásszintje állandó Szürke zaj: egy jól meghatározott, szűk frekvenciatartományban folytonos hangnyomásszint van, míg az összes többi frekvencián nem mérhető hangnyomásszint Színes zaj: olyan zajokat, melyek frekvenciája határozottan nem állandó értékű, de gyakorlatilag jól meghatározható frekvenciasávba esik

Hallás Mechanoreptor szükséges – egyensúlyozás is Gerincesekre jellemző Általában csak egyensúlyozás Hangrezgés érzékelés Madarak első fejlett (több esetben térbeli hallás) Emlősökre jellemző elsősorban

Fül felépítése Külső fül: hanggyűjtő Középfül: mechanikus erősítő Belső fül: érzékelő

Külső fül Fülkagyló: térbeli információk gyűjtése Külső hallójárat: 25 mm hosszú, 7 mm széles egyik végén nyitott a másik végén a dobhártyával lezárt csó (orgonasíp) Dobhártya: a hang okozta nyomásváltozás megrezegted, mint egy dob felületét épp hallható hang amplitúdója 10-11 m, ami csak 30 %-kal nagyobb , mint a levegő termikus rezgéséből származó random fluktuáció.

Középfül Feladata: Hang erősítése Kalapács Üllő Kengyel A dobhártya rezgéseit a hallócsontocskák (üllő, kalapács és kengyel) adják tovább egy kisebb hártyára (ovális ablak), a belső fül felé. A külső és középfül közege levegő, míg a belső fül folyadékkal telt. A levegő víz határfelületen igen nagy a hang Ra reflexiója – a nagy akusztikus-impedancia különbség miatt (99%) (1% lépne be a fülbe) A kisebb területre koncentrálódó regés miatt: 17x Emelőkar funkció miatt: 1.3x Összesen : 22x nyomás növekedés

Belső fül spirálisan feltekeredő cső, 2,5 fordulat, 35 mm hossz vízszerű anyaggal töltve ovális ablak, kerek ablak 10mm alaphártya oszt ketté: alul: dobi csatorna felül: felső csatorna (átjárás) egyensúlyszerv csiga

Alaphártya Békésy teória(Nobel-díj) 1. A hang stimulus felületi hullámot kelt, amely az ovális ablaktól a csiga tetejéig terjed. 2. A terjedési sebesség csökken (45 m/s- 2 m/s) a hártya növekvő szélességével és lazaságával. 3. A fázis-késéssel érkező hullámok utolérik az előzőt, az amplitudó megnő, majd hirtelen lecsökken. 4. A burkológörbe maximumának helye a basilar membran-on függ a hang frekvenciájától, az amplitudója pedig az intenzitásától. 5. A a basilal membran rezgése elmozdítja a Corti szerv szőrsejtjeit, elektromos potenciálváltozás indul.

Corti-szerv érzősejtekből épül fel: >12000, három sorba rendezett külső, >3000 egysoros belső szőrsejt támasztósejtekkel rögzített 4 sornyi szőrsejt az alapmembrán teljes (~32 mm) hosszát kitölti periodikus csoportokba rendeződve. Az alaphártya nincs kifeszítve, hanem erőmentes gélszerű réteget alkot.

Receptorok a Corti-szervet az alaphártya elmozdulása deformálja a szőrsejteket és a fedőhártyát elmozdítja a fedőhártya a csuklópontja körül mozdul el, a szőrsejtek szőreire (sztereocilliumaira) ez nyíróerő, azaz a szálak eldölnek szőrsejtek a hallás mechano-elektromos átalakítói

Érzékelés biofizikája 1) A szőrök megdőlése – nyugalmi állapotukhoz képest – megfeszíti, vagy ellazítja az őket összekötő rostokat. A rostok feszülnek, ha a dőlés a leghosszabb szőr irányába történik. 2) A rostok megfeszülése a deformáció-vezérelt K+-csatornákat nyitja, a K+ ionok az extracelluláris térből a szőrsejt belsejébe áramlanak. A rostok ellazulása ezen bezáródását eredményezi. Nyugalmi állapotban bármelyik szőr (egyetlen) K+- csatornájának nyitási valószínűsége 5…10%. 3) A beáramló ionok depolarizálják a szőrsejtet. A csatornák záródása hiperpolarizációt okoz. 4) A feszültségvezérelt Ca2+-csatornák a depolarizációra kinyitnak, a Ca2+ ionok az extracelluláris térből a sejtbe áramlanak. A hiperpolarizáció a Ca2+-csatornák bezáródását eredményezi. 5) A Ca2+-koncentráció emelkedésére a vezikulák serkentő neurotranszmittert ürítenek a szinaptikus résbe. A Ca2+-koncentráció csökkenésére a transzmitterleadás csökken. 6) A serkentő neurotranszmitter hatására az afferens (elmenő) neuron depolarizálódik: tüzelési frekvenciája megnő. A transzmitterleadás csökkenése a tüzelés frekvenciáját csökkenti.

Szőrsejtek további feladatai A külső szőrsejtek átalakítók és aktív erősítőként Szőrsejt hosszát változtatva a rezgéssel azonos fázisban tud mozogni Nincs gerjedés ( precíz hangolás- nincs felharmonikus kombináció) A teljes frekvenciatartományra a hallórendszer átvitele nemlineáris, és kompresszív. Nagy frekvencia tartomány, de adaptálódik kisebbre

Hallási problémák Halláskárosodás: a hallásérzékenység bizonyos mértékű romlása Három csoport: Vezetéses – a hangrezgések továbbításáért felelős hangvezető rendszer elemeinek sérülése/betegsége Idegi vagy percepciós halláscsökkenés - a hallóideg, a hallópálya, a hallókéreg vagy a belső fül (csiga) idegelemei károsodnak Kevert típusú -  egyidejűleg fennáll mindkét típusú halláskárosodás Lehetséges okok: Ideiglenes hallászavar Idegen test/tumor a hallójáratban, robbanás okozta sérülés a dobhártyán, folyadék a középfülben (Eustach-kürt eltömődése) Kezelést vagy műtétet követően nincs szükség hallókészülékre Időskori hallászavar (presbyacusis) A 65 év feletti emberek esetében 30-40%-os a hallászavarok előfordulása A fül egyes részei elvesztik rugalmasságukat, a szőrsejtek elhalnak Először magasabb frekvenciák érzékelését érinti Tartós zajhatás okozta hallászavar A hallócsontok vagy a belső fül sérülései (pl. baleset következtében) Betegségek Krónikus fertőzés a középfülben Autoimmun betegségek (lupus) Otoszklerózis (a kengyel elveszti mozgásképességét) Gyógyszer mellékhatás (pl Aszpirin, intravénás antibiotikumok) Idegi halláscsökkenés (neuronitisz) Öröklött A hallóideg vírusos gyulladása Fertőzés, toxinhatás, sérülés

Hallásvizsgálatok Célja a halláskárosodás szintjének és eredetének (vezetéses vagy idegi) megállapítása Hangvillás vizsgálat Audiometria (audiogram elkészítése) Hallásküszöb meghatározása (csontvezetés is) Akusztikus impedancia-vizsgálat (timpanometria)  A dobhártya és hallócsontláncolatnak a hangrezgésekkel szembeni ellenállásának mérése Otoakusztikus emisszió (OAE) A cochlea szőrsejtjeinek aktív működése során keletkező hangjelenség vizsgálata Agytörzsi válaszok vizsgálata (BERA) A hallóideg akusztikus ingerlése következtében létrejövő agyi idegimpulzusokat mérik Ideális a hallóideg, illetve a hallópálya sérülésének differenciál diagnosztikai elkülönítésére http://acusticus.hu/hallasvizsgalatok

Hallás segítő készülékek Külső hallókészülékek Csontvezetéses hallókészülékek Középfül implantátum Cochlear implantátum Agyi stimulátor http://www.hearingaids123.com/wp-content/uploads/2011/03/digital-hearing-aids-2.jpg

Hallásjavító eszközök és implantátumok A hallászavar súlyossága és típusa szerint: HA (hearing aid): külső hallókészülék BAHA (bone anchored hearing apparatus):Csontvezetéses hallókészülékek MES (middle ear surgery): középfül műtét MEI (middle ear implant): középfül implantátum DACS (direct acoustic cochlear stimulation): közvetlen akusztikus cochleáris stimuláció CI (cochlear implant): cochleáris implantátum Agyi idegstimulációs implantátum (auditory brainstem implant) C. Stieger, Implantable Hearing Systems: Development and Evaluation of Two Concepts, Dissertation, University of Neuhâtel, Switzerland, 2006

Külső hallókészülék (Hallókürt) Az elektronikus készülékek megjelenése előtt: Hallókürt Az erősítés mértéke kb. megegyezik a bemeneti és a kimeneti felület arányával Az hallókürt működésének első leírása Jean Leurechonin francia jezsuita papa és matematikus nevéhez fűződik (1634) A 18. században terjed el széles körben, különböző kialakításokkal Az első és egyben utolsó hallókürtöt gyártó cég: F. C. Rein and Son of London (1800-1963) https://s-media-cache-ak0.pinimg.com/236x/d2/38/ca/f3de.jpg Forrás: http://www.daviddarling.info/encyclopedia/L/Leurechon.html

Külső hallókészülék (Hearing aid) https://newgenerationhearing.files.wordpress.com/2010/03/zenithroyalml.jpg 1890-es évek: első készülékek – minimális erősítés 1898: Első valódi hallókészülék (Miller Reese Hutchinson - Akouphone) Szénmikorofon használata Gyenge erősítés, de hordozható 1920-as évek: megjelennek a vákuumcsövek, ezzel lehetővé válik az elektromos jelek hatékonyabb erősítése – de a nagy méret miatt nem hordozhatók 1940-es évek: a vákuumcsövek miniatűrizációja, de a szükséges elemek még mindig túl nagyok 1952: Microtone Transimatic – Az első tranzisztoros erősítésű hallókészülék megjelenése 1970-es évek: mikroprocesszoros készülékek 1975-től: Többcsatornás változatok – lehetőség az egyes frekvenciasávok erősítésére 1980-as évek: valós idejű feldolgozásra képes hallókészülékek 1990-es évek: a technika lehetővé teszi az apró, hallójáratba helyezhető készülékek gyártását Zenith „Royal M” (1954) https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_hearing_aids#/media/File:Traditional_hearing_aids.jpg

Külső hallókészülék (Hearing aid) Kimeneten akár 130 dB hangszint Felépítés: Mikrofon Analóg/digitális jelerősítő és feldolgozó egység Szűrők Hangerő szabályozók Egyéb funkciók (pl. kompresszió) Hangszóró a fülben Analóg hallókészülékek Lineáris erősítés, korlátozott szűrési lehetőség Kevesebb személyre szabási lehetőség Digitális hallókészülékek DSP - digital signal processing Testreszabási lehetőségek a beteg igényeinek megfelelően: Sound smoothing: zavaró háttérzajok szűrése Csak bizonyos frekvenciaszintek erősítése Digital speech enchancement (DSE): beszédhangok felismerése és erősítése Adaptív iránymikrofon http://www.hearingcentral.com/wp-content/uploads/2014/10/analogue-vs-digital3.gif http://electronicdesign.com/site-files/electronicdesign.com/files/archive/electronicdesign.com/files/29/16874/fig1.gif http://uj.acusticus.hu/hallokeszulekek.php?p=3

Hallókészülékek típusai Jellemzők: Akkumulátor élettartam Erősítés Szűrési képesség Egyéb funkciók Kialakítás Kialakítás szerint Fülmögötti készülékek (BTE) – főleg súlyos halláscsökkenés esetén Hallójárati készülék (ITE, ITC) – kis, közepes, és enyhén súlyos halláscsökkenés esetén Mélyhallójárati készülék (CIC) – közepes halláscsökkenés esetén https://en.wikipedia.org/wiki/Hearing_aid#/media/File:HearingAidTypes.jpg

Csontvezetéses hallókészülék Alapelv:  a hangokat a csont közvetítésével egyenesen a belső fülbe továbbítja, ezzel áthidalva a külső és középfület Első rendszer megjelenése: 1977 A rendszer elemei: Kisméretű titán implantátum Illesztési felület Beszédprocesszor Ma már teljesen a bőr alá ültethető változat is elérhető Vezetéses hallászavarok és féloldali siketség kiküszöbölésére A titán csavart 3 hónappal előtte ültetik be (osszeointegráció) Előnyök: Nincs elzárt hallójárat 360 fokos hangérzékelési képesség visszanyerése Műtét előtt kipróbálható http://www.jameshearing.co.uk/wp-content/uploads/2014/01/Bone-Conduction-Hearing-Aid.jpg https://www.virginiamason.org/images/listen/baha.gif

Csontvezetéses hallókészülék Akkumulátor Erősítő Mikrofon http://www.northlandent.net/assets/baha02.png 1: Koponyacsont 2: Fejbőr 3: Titán csavar 4: Illesztési felület 5: Feldolgozó egység csatlakozó 6: Elektromechanikus aktuátor 7: Levegő http://ent.uci.edu/images/BAHA.h4.jpg

Passzív középfül protézis A sérült hangvezetés helyreállítására szolgál (pl. otoszklerózis esetén) Teljes/részleges protézis: az összes hallócsont vagy csak egy csont helyettesítése Anyaga: titán (arany, kerámia) Műtéti eljárás: Mikroszkópon keresztül A sérült csont(ok) eltávolítása Implantátum méretre vágása Implantátum behelyezése Kalapács és üllő protézis Kengyel Dirk Beutner, Karl-Bernd Hüttenbrink: Passive and active middle ear implants GMS Current Topics in Otorhinolaryngology - Head and Neck Surgery 2009, Vol. 8, ISSN 1865-1011 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3199819/pdf/CTO-08-09.pdf

Aktív középfül implantátumok 1935: Dr. Alvar Wilska vasreszeléket szór egy beteg dobhártyájára, majd mágneses teret hoz létre a közelében – a beteg hangokat hall 1950: Rutschmann kicsi, 10 mg tömegű mágneseket ragaszt a kalapács csontra, így stimulálva a hallócsontokat 1970: Első valóban aktív implantátumok behelyezése Alapelv: A hallócsontok mozgatása/rezgetése beültetett aktuátorral A rendszer részei: (1) Mikrofon vagy rezgésszenzor (2) Processzoros feldolgozó egység (3) Vezeték (4) Aktuátor (piezoelektromos/mágneses) Nincs hangszóró! Előnyök: Kiváló hanghűség A fülcsatorna szabad marad Kiküszöböli a feedback hatást (a hangszóró által kibocsátott hangot nem érzékeli a mikrofon) Bizonyos modelleknél a beteg akár úszhat is Hátrányok: Drága, műtéti eljárást és pontos beültetést igényel A rendelkezésre álló hely szűkös, ami befolyásolja ez elérhető erősítést Akkumulátor üzemidő/töltés hossza (vezeték nélküli töltés) http://www.earcentergreensboro.com/physicians/images/Esteem-graphic.jpg

Aktív középfül implantátumok Piezoelektromos aktuátorral Középsúlyos hallásproblémához Max 90-110 dB a kimeneten Általában kisebb Elektronikai szempontból egyszerűbb kialakítás A legtöbb modell MRI-kompatibilis Kisebb hatékonyság A piezokristály méretváltozása arányos az eredeti mérettel Két konfiguráció Monomorf: egy kristály Bimorf: két réteg ellentétes polaritással, így az aktuátor elhajlik Elektromechanikus aktuátorral Nagyobb, de hatékonyabb Kb. 50 mg tömegű mágnes rögzítése az egyik hallócsontra Általában csak részlegesen implantált, az elektromágnest nem ültetik be Közvetlen cochleáris stimuláció: az aktuátor közvetlenül az ovális ablakhoz kapcsolódik Csonthoz rögzítő elem Bőr alá ültetett processzor Elektromágneses (NiFe) aktuátor http://www.deskeng.com/de/img/innovation-with-the-multiphysics-touch_1.jpg http://www.ece.ncsu.edu/erl/microrobotics/actuation/bimorph.jpg

Aktív középfül implantátumok (Példák) Külső mágnes Hallócsontra rögzített mágnes Rion Device (piezoelektromos) http://www.alpfmedical.info/tympanic-membrane/images/4589_324_186-rion-device-ear.jpg Soundtech Direct System (elektromágnese) https://encrypted-tbn2.gstatic.com/imBvPwIWWfjIRRhQtR0jlUVXtAWyAoGPNEphyiBGg MET (Middle ear transducer) (piezoelektromos) http://www.medgadget.com/img/6534344ear1.jpg

Cochleáris implantátum Első kísérletek: 1800: Count Volta áramot vezet át saját fülein, ekkor „a víz forrására hasonlító” hangot hall 1950: Első direkt stimuláció a hallóidegen (Lundberg) 1961: Első beültetett (arany) elektróda a csigába (John Doyle és William House) 1964: Első több csatornás elektróda beültetése (Blair Simmons) Mára több százezer beültetett implantátum A rendszer részei: (1) Mikrofon (2) Külső feldolgozó egység és tápforrás (3) Vezeték (4) Jeltovábbító áramkör (5) Implantált vevő (6) Elektróda a csigában (7) Hallóideg http://www.chicagoear.com/Cochlear%20Implants/how_implant_works.html

Cochleáris implantátum A mikrofon által észlelt, és a processzáló egység által feldolgozott jel a csigába 18-26 mm hosszan felvezetett elektródába jut Mivel a csigában lévő különböző receptorok különböző frekvenciára érzékenyek, többcsatornás elektródákat alkalmaznak Cél: az átlapolódás elkerülése, vagyis hogy egy elektróda csak egy bizonyos területet stimuláljon Bipoláris elektródák használata, amelyek kisebb, koncentráltabb területet stimulálnak Probléma: a felvezetett elektróda nem érintkezik tökletesen az alaphártyával http://www.medel.com/data/editor/image/FLEX-Electrodes/Electrode-in-Cochlea.jpg http://www.rehab.research.va.gov/jour/08/45/5/images/rebscherf11.jpg http://www.hearnet.org.au/wp-content/uploads/2012/09/Cochlear-implant-improvements.jpg A felvezetés menete

Automatic gain control Jelfeldolgozás Korábban: CA (compressed analog) elv Akusztikus jelek spektrális és időbeli jellemzőinek figyelembevétele A mikrofon által érzékelt hangok sávszűrővel szűrve Az egyes frekvenciák csatornák (általában 4-6) szerint erősíthetők Probléma: ha egyszerre több elektróda is stimulál, átfedhetik/zavarhatják egymást, ezzel rontva a hangfelismerés hatékonyságát és a hangtisztaságot Automatic gain control Aage R. Møller: Cochlear and Brainstem Implants, S. Karger, 2006

Jelfeldolgozás Megoldás: CIS (continous interleaved sampling) elv Csak spektrális jellemzők figyelembe vétele Az elektródákat bifázisú impulzusokkal vezérli Egyszerre mindig csak egy elektróda stimulál (a különböző csatornák jelei időben eltolódnak) Előfeldolgozás: a beszéd főbb frekvenciakomponenseinek meghatározása Sávszűrés (CA elvhez hasonlóan) Erősítés, majd nemlineáris (a széles – 90 dB-nél szélesebb – dinamika tartomány miatt általában logaritmikus) leképezés A leképzett jel modulálása egy bifázisú impulzussal Aage R. Møller: Cochlear and Brainstem Implants, S. Karger, 2006

Agyi/idegi stimuláció 1979: Első kísérletek olyan betegekkel, akiknek a belső füle vagy a hallóidegei sérültek Alapelve hasonló a cochleáris imlantátumokéhoz, de a csigában található receptorok helyett közvetlenül a hallóideget stimulálja A hallóidegen belül is elkülönülnek a mély/közepes/magas hangok érzékeléséért felelős pályák Az elektródák behelyezése rendkívül nehéz és kockázatos Eddig mintegy 500 beteg kapott ilyen eszközt, a többség a hallását visszakapta, de a beszéd megértése nem képes (az elektródák nem képesek a különböző frekvenciákért felelős pályák megfelelő stimulációjára) Két fajta elektróda: Tűs elektróda Gomb alakú elektródák szilikonos hordozón

Agyi/idegi stimuláció Külső mikrofonos egység Gombszerű elektródák A beültetés menete https://courses.cit.cornell.edu/psych431_nbb421/student2008/mjb249/ABI.jpg http://harvardabi.org/auditory%20brainstem%20implant%20(ABI).png

Összefoglalás Hallás – melyik receptor Hang definíciója, tulajdonságai Fül felépítése Szőrsejtek, mint repectorok