Застосування сфокусованого ультразвуку для диференційної діагностики слуху людини
| dc.contributor.advisor | Найда, Сергій Анатолійович | |
| dc.contributor.author | Ляшко, Дарія Олександрівна | |
| dc.date.accessioned | 2023-05-24T08:27:13Z | |
| dc.date.available | 2023-05-24T08:27:13Z | |
| dc.date.issued | 2022 | |
| dc.description.abstract | 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. | uk |
| dc.description.abstractother | Liashko D.O. The use of focused ultrasound for differential diagnosis of human hearing. - Qualification scientific work on the right of manuscript. Thesis for the degree of Philosophy Doctor, in specialty 171 “Electronics”. - National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2021. The dissertation shows the following first scientific results: 1. A review of modern scientific research of focused ultrasound in audiology and methods of differential diagnosis of human hearing was conducted. 2. A passive ultrasound system using an acoustic focusing lens was developed for the first time to detect human inner ear inflammation. 3. An experimental study of a focused ultrasound system for differential diagnosis of human hearing was conducted. 4. The electrical parameters of a complex electroacoustic piezoelectric transducer have been calculated by the four-pole method. 5. For the first time the analytical calculations of the acoustic field of the flat phased multielement lattice of piezoelements in the pulse mode of operation for dynamic focusing on the helix of the human inner ear have been carried out. 6. An improved method for objective differential assessment of the human auditory system by means of electroencephalography, when the system is exposed to a complex audio signal in the entire audible frequency range. The dissertation work is devoted to the study of piezoelectric transducer for differential impact on the human auditory system, calculation of geometric, acoustic and electrical parameters of the piezoceramic transducer, study of the layout of the electroacoustic system, development of experimental methodology for an objective method of assessing the impact of a number of musical compositions on the rhythms of the brain, in particular alpha, beta, delta and theta rhythms. The content of the dissertation research is set out in five chapters, which present the results of the study and the justification of the main results of the work. The introduction substantiates the relevance of the dissertation work, formulates the purpose and lists the objectives of the study, describes the research methods used, lists the tasks set for the study. In addition, information on the relevance, scientific novelty and practical significance of the results obtained was given. The first chapter presents an analytical review of the literature, which shows the current state of the problem areas - the study of the state of hearing by using focused ultrasound, types of emitter designs for focusing ultrasound (US), analysis of the optimal parameters of ultrasound exposure, analysis of studies on the perception of music as a stimulating material and new methods of diagnosing human hearing. The second chapter shows the possibility of using passive acoustothermometry to determine the inflammation of the human inner ear. The constant functioning of the body's life support systems is reflected in real time in a complex structure of thermal radiation from the human body (infrared, microwave, acoustic, optical), which contains physiological information. Radio-thermal radiation reflects functional changes in the temperature of the brain, internal organs, muscles, which characterizes the generation of metabolic heat and redistribution of local blood flow. Its intensity in the decimeter wave range in the frequency band of hundreds of megahertz is about W/cm2. Using a multichannel radiothermograph with a temperature measurement accuracy of 0.07 oC/s, it was demonstrated that during sleep, the radio brightness temperature drops by more than 1 oC; the bursts of brightness observed during sleep are associated with dreams; during hypnosis, the asymmetry of the brain hemispheres was observed: the brightness of the right is greater than the left. Physiological activity of any internal organ is accompanied by an increase in heat generation and blood flow, which is reflected in the increase in brightness. Thus, the test of glucose and other drugs indicates the functional norm and allows to detect deviations at an early stage. Using various reflexes, pharmacological and other tests, brain functioning was analyzed. At wavelengths in free space of 10, 18, and 35 cm, the spatial resolution in the human body is 1-2 cm. The intensity of acoustic radiation in the megahertz frequency range is even less. However, the wavelength of radiation in this range, and, consequently, the spatial resolution is about 1 mm. Since biological tissues are transparent to acoustic waves in this range, the penetration depth of the waves reaches about 10 cm. In the dissertation, a single-channel acoustothermometer using the focusing of acoustic radiation by means of an elliptical (aberration-free) lens is calculated, which allows to obtain the required accuracy of temperature measurement in real time not worse than 0.2 oC. This allows to study the functioning of the brain of newborns and children through an acoustically transparent "source" before its overgrowth. The paper analyzes the method of using focused ultrasound to study human auditory sensitivity. The essence of the method is to focus with the help of special acoustic lenses ultrasound vibrations with a frequency of 0.5 to 3.5 MHz, which are modulated in amplitude by tones of sound frequency from 125 Hz to 8 kHz, in the cochlea of the inner ear. In this case, a patient with normal hearing hears a pure tone of sound frequency. Comparison of traditional threshold curves with an ultrasound audiogram makes it possible to diagnose sensorineural hearing loss, neurinoma of the VIII auditory nerve in the early stages of the disease, otosclerosis, etc. Since the inner ear is located in the temporal bone, the existence of this method indicates sufficient acoustic transparency of the pathways to the cochlea. Since in newborns this transparency is even greater, including the skull bones or their junctions, it opens the possibility to measure the temperature in the cochlea and in the centers of bioelectrical activity of the brain at sufficient distances from the "source". In the second section, the calculations are presented to determine the parameters of the focusing system of the acoustothermometer, namely the material (polystyrene/plexiglass) and the shape of the spherical or elliptical acoustic lens. It is shown that the focusing of thermal acoustic radiation by means of a concave elliptical lens makes it possible to measure and scan the deep absolute temperature of the body using a single-channel acoustothermometer. Thanks to the calculated parameters, it is possible to provide a safe method of temperature control in the focal area when using focused ultrasound in medical practice. The third chapter presents the calculations of a cylindrical continuous wavefront and the use of a multielement array in an electroacoustic transducer for the differential diagnosis of the human inner ear cochlea. The calculations of geometrical dimensions and acoustic field for a cylindrical wavefront created by a linear multielement array of piezoelectric elements are presented. Theoretical and experimental amplitude-frequency and phase-frequency characteristics of the electrical impedance of the piezoelectric transducer are compared. The calculations of the acoustic field distribution along the depth with the change of the angle of deviation from the axis and the pulse duration were carried out. The results determined the feasibility of using this type of electroacoustic transducer for differential diagnosis of human hearing. From the graphs obtained, it was found that an increase in the pulse attenuation coefficient leads to a decrease in the values of the diffraction maximum. It is also shown that the relative amplitude of the diffraction maximum can be reduced by reducing the pulse duration and increasing the number of piezoelectric elements in the working group. This type of piezoelectric transducer will allow changing the angle of ultrasonic wave radiation to affect all parts of the human curl and choose a certain duration for safe exposure. A mathematical description of the piezoelectric elements is carried out to find the relationship between the input electrical and output acoustic quantities in the radiation mode and vice versa - in the receiving mode. Each element of the array is represented as a four-pole. The fourth chapter shows the results of calculations and the designs of measuring instruments: a high-frequency wattmeter without active elements for measuring the electrical power consumed by the piezoelectric transducer, a radiometer for measuring the acoustic power of focused ultrasonic beams. With their help, a detailed experimental study of the model of the electroacoustic system was carried out, namely, the frequency dependences of the radiated acoustic power, the consumed electric power and the efficiency were obtained. It is shown that the calculated intensity is sufficient for both diagnostic and therapeutic use of the developed acoustic system. As a result, this type of piezoelectric transducer will make it possible to distinguish diseases of the middle ear from diseases of the internal organs of the auditory system, and therefore to conduct differential diagnosis of the auditory system. The fifth chapter shows the results of studies of the spectral characteristics of the bioelectrical activity of the brain of students when listening to complex audio signals, namely, musical compositions of different component-structural composition, differing in the presence of melodic components and playback speed. On the basis of spectral analysis, the characteristic frequencies with the highest amplitude from the obtained spectrum are determined, and the compositions are divided into three frequency groups: low-frequency, mid-frequency and high-frequency. An experimental methodology is proposed to test the effect of a number of musical compositions on the rhythms of the brain, in particular alpha, beta, delta and theta rhythms. The obtained results are displayed on the maps of brain activity by frequencies and ranges for brain rhythms that correspond to brain activity during listening to each composition. Based on the results obtained, the need to increase the time of exposure of the respondent to the acoustic signal was established and the therapeutic results obtained were summarized. These experiments were performed in a silenced room on the basis of the Department of Acoustic and Multimedia Electronic Systems and with the participation of the Institute of Cardiology named after Academician M.D. Strazhesko of the National Academy of Medical Sciences of Ukraine. Statistical analysis of the study results was performed using Microsoft Excel and PHPStorm software packages. According to the processing of EEG data, it was possible to estimate statistically significant changes in the brain EEG associated not only with the influence of individual characteristics of the listened compositions, but also to identify their mutual influence on the emotional state of a person. The practical significance of the results obtained in the dissertation is that the results of the research can be used for experimental study of the effect on the cochlea of the human inner ear and its further implementation in medical institutions. | uk |
| dc.format.extent | 142 с. | uk |
| dc.identifier.citation | Ляшко, Д. О. Застосування сфокусованого ультразвуку для диференційної діагностики слуху людини : дис. … д-ра філософії : 171 Електроніка / Ляшко Дарія Олександрівна. – Київ, 2022. – 142 с. | uk |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/56019 | |
| dc.language.iso | uk | uk |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | uk |
| dc.publisher.place | Київ | uk |
| dc.subject | п’єзоелектричний перетворювач | uk |
| dc.subject | сфокусований ультразвук | uk |
| dc.subject | слухова система | uk |
| dc.subject | чотириполюсник | uk |
| dc.subject | акустотермометрія | uk |
| dc.subject | складні аудіосигнали | uk |
| dc.subject | багатоелементна решітка | uk |
| dc.subject | акустична лінза | uk |
| dc.subject | неперервний циліндричний фронт | uk |
| dc.subject | piezoelectric transducer | uk |
| dc.subject | focused ultrasound | uk |
| dc.subject | uditory system | uk |
| dc.subject | fourpole | uk |
| dc.subject | acoustothermometry | uk |
| dc.subject | complex audio signals | uk |
| dc.subject | multielement array | uk |
| dc.subject | acoustic lens | uk |
| dc.subject | continuous cylindrical front | uk |
| dc.subject.udc | 534.75 | uk |
| dc.title | Застосування сфокусованого ультразвуку для диференційної діагностики слуху людини | uk |
| dc.type | Thesis Doctoral | uk |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Liashko_dys.pdf
- Розмір:
- 17.82 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
- Опис:
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 9.1 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: