Застосування сфокусованого ультразвуку для диференційної діагностики слуху людини

Ескіз

Файли

Liashko_dys.pdf (17.82 MB)

Дата

2022

Автори

Науковий керівник

Найда, Сергій Анатолійович

Назва журналу

Номер ISSN

Назва тому

Видавець

КПІ ім. Ігоря Сікорського

Анотація

Ляшко Д.О. Застосування сфокусованого ультразвуку для диференційної діагностики слуху людини. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 171 «Електроніка». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», МОН України, Київ, 2022. В дисертації отримано такі нові наукові результати: 1. Проведено огляд сучасних наукових досліджень застосувань сфокусованого ультразвуку в аудіології та методів диференційної діагностики слуху людини. 2. Вперше було розроблено пасивну ультразвукову систему з використанням акустичної фокусуючої лінзи для визначення запалення внутрішнього вуха людини. 3. Проведено експериментальне дослідження сфокусованої ультразвукової системи для диференційної діагностики слуху людини. 4. Розраховано методом чотириполюсників електричні параметри складного електроакустичного п’єзоперетворювача. 5. Вперше проведено аналітичні розрахунки акустичного поля плоскої фазованної багатоелементної решітки п’єзоелементів, в імпульсному режимі роботі, для динамічного фокусування на завитку внутрішнього вуха людини. 6. Удосконалено метод об’єктивного диференційного оцінювання слухової системи людини за допомогою електроенцефалографії, при впливі на систему складним аудіо-сигналом в усьому чутному діапазоні частот. Дисертаційна робота присвячена дослідженню п’єзоелектричного перетворювача для диференційного впливу на слухову систему людини, розрахунку геометричних, акустичних та електричних параметрів п’єзокерамічного перетворювача, дослідженню макету електроакустичної системи, розробці методики експерименту для об’єктивного методу оцінки впливу ряду музичних композицій на ритми головного мозку, зокрема альфа-, бета-, дельта - і тета - ритми. Зміст дисертаційного дослідження викладений у п’яти розділах, у яких представлені результати дослідження. У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету та перераховано задачі дослідження, описані методи дослідження, перераховано задачі дослідження. Окрім того було приведено відомості про наукову новизну та практичне значення одержаних результатів. В першому розділі подано аналітичний огляд літератури, в обсязі якого показано сучасний стан проблемних областей – дослідження стану слуху шляхом застосування сфокусованого ультразвуку, типи конструкцій випромінювача для фокусування ультразвуку (УЗ), аналіз оптимальних параметрів впливу ультразвуком, аналіз досліджень пов’язаних з сприйняття музики в якості стимулюючого матеріалу та нових методів діагностики слуху людини. В другому розділі проведено дослідження з можливості застосування пасивної акустотермометрії для визначення запалення внутрішнього вуха людини. Постійне функціонування систем життєзабезпечення організму відображається в реальному масштабі часу в складній структурі теплового випромінювання з тіла людини (інфрачервоного, мікрохвильового, акустичного, оптичного), в якому міститься фізіологічна інформація. Радіотеплове випромінювання відображає функціональну зміну температури мозку, внутрішніх органів, м'язів, яка характеризує генерацію метаболічного тепла і перерозподіл локальних потоків крові. Інтенсивність його в дециметровому діапазоні хвиль у смузі частот в сотні мегагерц становить Вт/см2. За допомогою багатоканального радіотермографа з точністю вимірювання температури 0,07 оС/с було продемонстровано, що під час сну радіояскравісна температура падає більше, ніж на 1 оС; сплески яскравості, які спостерігаються під час сну, пов'язані зі сновидіннями; під час гіпнозу спостерігалася асиметрія півсфер мозку: яскравість правої більше, ніж лівою. Фізіологічна активність будь-якого внутрішнього 10-12 органу супроводжується збільшенням генерації тепла і притоком крові, що відображається у збільшенні яскравості. Так, тест глюкози і інших ліків вказує на функціональну норму і дозволяє виявляти відхилення на ранній стадії патології. Використовуючи різні рефлекси, фармакологічні і інші тести, аналізувалося функціонування мозку. На довжинах хвиль у вільному просторі 10, 18, і 35 см, просторова розподільна здатність в тілі людини складає 1-2 см. Інтенсивність акустичного випромінювання в мегагерцовом діапазоні частот ще менша. Проте, довжина хвилі випромінювання в цьому діапазоні, а, отже, і просторова розподільна здатність близько 1 мм. Оскільки біологічні тканини прозорі для акустичних хвиль в цьому діапазоні, то глибина проникнення хвиль досягає близько 10 см. В дисертації розрахований одноканальний акустотермометр, що використовує фокусування акустичного випромінювання за допомогою еліптичної (безабераційної) лінзи, який дозволяє отримувати необхідну точність вимірювання температури в реальному масштабі часу не гірше 0,2 оС. Це дозволяє досліджувати функціонування мозку новонароджених і дітей через акустично прозоре "джерельце" до його заростання. В роботі проаналізовано метод використання сфокусованого ультразвуку для дослідження слухової чутливості людини. Суть методу полягає у фокусуванні за допомогою спеціальних акустичних лінз УЗ коливань частотою від 0,5 до 3,5 Мгц, які модулюються по амплітуді тонами звукової частоти від 125 Гц до 8 кГц, в завитку внутрішнього вуха. При цьому пацієнт з нормальних слухом чує чистий тон звукової частоти. Зіставлення традиційних порогових кривих з УЗ аудіограмою створює можливість діагностики сенсоневральною приглуховатості, невриноми VIII слухового нерва на ранніх стадіях захворювання, отосклерозу та ін. Оскільки внутрішнє вухо знаходиться в скроневій кістці, то існування цього методу вказує на акустичну прозорість шляхів до завитки. Оскільки у новонароджених акустична прозорість краща, у тому числі і кісток черепа або місць їх з'єднання, то це відкриває можливість вимірювати температуру в завитці внутрішнього вуха і в центрах біоелектричної активності головного мозку на достатніх відстанях від "джерельця". В розділі також наведені розрахунки з визначенням параметрів фокусуючої системи акустотермометра, а саме матеріалу (полістиролу/оргскло), та форми сферичної або еліптичної, для акустичної лінзи. Показано, що фокусування теплового акустичного випромінювання за допомогою увігнутої еліптичної лінзи дає змогу вимірювати і сканувати глибинну абсолютну температуру тіла за допомогою одноканального акустотермометру. Завдяки розрахованим параметрам можна забезпечити безпечний метод контролю температури у фокальній області при використанні фокусованого УЗ у медичній практиці. В третьому розділі приведені розрахунки циліндричного неперервного хвильового фронту та застосування лінійної багатоелементної решітки п’єзоелементів в електроакустичному перетворювачі для диференційної діагностики завитки внутрішнього вуха людини. Наведено розрахунки геометричних розмірів та акустичного поля для циліндричного хвильового фронту створюваного лінійною багатоелементною решіткою п'єзоелементів. Проведено порівняння теоретичних та експериментальних амплітудно-частотних та фазово-частотних характеристик електричного імпедансу п'єзоперетворювача. Проведені розрахунки розподілу акустичного поля по глибині зі зміною куту відхилення від осі та тривалості імпульсу. З результатів визначили про доцільність використання даного типу електроакустичного перетворювача для диференціальної діагностики слуху людини. З отриманих графіків з'ясували, що при збільшенні коефіцієнта згасання імпульсу призводить до зменшення значень дифракційного максимуму. Також показано, що відносну амплітуду дифракційного максимуму можна зменшити шляхом зменшення тривалості імпульсу та збільшенням кількості п'єзоелементів у робочій групі. Цей тип п'єзоелектричного перетворювача дозволить при зміні кута випромінювання ультразвукової хвилі впливати на всі ділянки завитки людини та обирати певну тривалість для безпечного впливу. Проведено математичний опис п’єзоелементів зі знаходження зв’язку між вхідними електричними та вихідними акустичними величинами в режимі випромінення та навпаки – в режимі прийому. Кожний елемент решітки представлений у вигляді чотириполюсника. Четвертий розділ показує результати розрахунків та наведені конструкції вимірювальних засобів: високочастотного ватметра без активних елементів для вимірювання споживаної п’єзоперетворювачем електричної потужності, радіометра для вимірювання акустичної потужності сфокусованих ультразвукових пучків. За їх допомогою проведено детальне експериментальне дослідження макету електроакустичної системи, а саме отримані частотні залежності випромінюваної акустичної потужності, споживаної електричної потужності та коефіцієнта корисної дії. Показано що розрахована інтенсивність є достатньою як для діагностичного, так і для терапевтичного використання розробленої акустичної системи. Як результат такий тип п'єзоперетворювача дасть можливість відрізняти захворювання середнього вуха людини від захворювань внутрішніх органів слухової системи, а отже проводити диференційну діагностику слухової системи. П’ятий розділ показує результати досліджень спектральних характеристик біоелектричної активності мозку студентів при прослуховуванні складних аудіо- сигналів, а саме, музичних композицій різного компонентно-структурного складу, що відрізняються наявністю мелодійної компоненти і швидкістю відтворення. На основі спектрального аналізу встановлено характерні частоти з найбільшою амплітудою з отриманого спектру, та розподілення композицій на три частотні групи: низькочастотні, середньочастотні та високочастотні. Запропонована методика експерименту для перевірки впливу ряду музичних композицій на ритми головного мозку, зокрема альфа-, бета-, дельта - і тета - ритми. Отримані результати відображені на картах активності мозку за частотами та за діапазонами для ритмів головного мозку, які відповідають активності мозку під час прослуховування кожної композиції. На базі отриманих результатів встановлено необхідність збільшення часу експозиції респондента до дії акустичного сигналу та узагальнено отримані терапевтичні результати. Зазначені досліди були виконані в заглушеній кімнаті на базі кафедри Акустичних та Мультимедійних електронних систем та за участі Інституту кардіології імені академіка М. Д. Стражеска НАМН України. Статистичний аналіз результатів дослідження проводився із застосуванням пакетів прикладних програм Microsoft Excel і PHPStorm. Згідно обробки ЕЕГ-даних вдалося оцінити статистично значущі зміни в ПЕА мозку, пов'язані не тільки з впливом окремих характеристик прослуховуваних композицій, а й виявити взаємний їх вплив на емоційний стан людини. Практичне значення одержаних в дисертаційній роботі результатів полягає в тому, що результати досліджень можуть бути використані для експериментального дослідження впливу на завитку внутрішнього вуха людини та його подальше впровадження в медичних закладах.

Опис

Ключові слова

п’єзоелектричний перетворювач, сфокусований ультразвук, слухова система, чотириполюсник, акустотермометрія, складні аудіосигнали, багатоелементна решітка, акустична лінза, неперервний циліндричний фронт, piezoelectric transducer, focused ultrasound, uditory system, fourpole, acoustothermometry, complex audio signals, multielement array, acoustic lens, continuous cylindrical front

Бібліографічний опис

Ляшко, Д. О. Застосування сфокусованого ультразвуку для диференційної діагностики слуху людини : дис. … д-ра філософії : 171 Електроніка / Ляшко Дарія Олександрівна. – Київ, 2022. – 142 с.

URI

https://ela.kpi.ua/handle/123456789/56019

DOI

Зібрання

Дисертації (АМЕС)
Дисертації (вільний доступ)