DE19781937B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen des akustischen Energieflusses in einem Ohrkanal - Google Patents

Abstract

System zum Messen des akustischen Energieflusses in einem Hohlraum, umfassend: ein Signalprozessormittel; ein Meßfühlermittel (400), das mit dem Signalprozessormittel verbunden ist; ein Hohlraumeichmittel (300) mit einer Vielzahl an Eichholräumen mit ungleichen Längen, wobei das Meßfühlermittel (400) in den Hohlraum einführbar ist und ein periodisches Signal über das Meßfühlermittel (400) in den Hohlraum aussendbar ist, um das Frequenzverhalten des Hohlraums zu messen und dieses zum Signalprozessormittel zu übertragen, wobei das Meßfühlermittel (400) danach in jeden Eichhohlraum eingeführbar ist und ein periodisches Signal in jeden der Eichhohlräume aussendbar ist, um das Frequenzverhalten der einzelnen Eichhohlräume zu messen und dieses zum Signalprozessormittel zu übertragen, und wobei von dem Signalprozessormittel der akustischen Energiefluß des Hohlraums unter Verwendung des gemessenen Hohlraumfrequenzverhaltens und des Frequenzverhaltens der Eichhohlräume berechenbar ist, ein Ohrhörermittel (440), das trennbar mit dem Meßfühlermittel (400) verbunden ist, wobei das Ohrhörermittel (440) ein weiches, elastisches Material umfaßt, um eine luftdichte Abdichtung zwischen dem Meßfühlermittel (400) und dem Hohlraum sowie zwischen dem Meßfühlermittel (400) und den Eichhohlräumen zu ermöglichen, wobei das Ohrhörermittel (440) weiter ein Schallübertragungsrohrmittel (450) umfaßt, das sich entlang der Achse des Ohrhörermittels (440) erstreckt, um das periodische Signal in den Hohlraum oder in die Eichhohlräume zu übertragen, wobei das Hohlraumeichmittel (300) weiter umfaßt: eine L-förmige Sockel- und Ständerkonfiguration (310), wobei der Ständer (310) eine kreisförmige Bohrung (340a) besitzt; einen Zylinder (320), der sich vom Ständer (310) nach außen hin erstreckt und die Vielzahl von Eichhohlräumen (350a, 350b, 350c, 350d) mit ungleichen Längen ...

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System und eine Vorrichtung zum präzisen und raschen Messen des akustischen Energieflusses an verschiedenen Punkten innerhalb des menschlichen Ohrkanals.
• Die wichtigste Aufgabe der meisten Diagnosemittel auf dem Gebiet der Audiologie ist die Durchführung einer präzisen Messung des Breitband-Energieflusses im Mittelohr, der vom Energiefluß des Ohrkanals abgeleitet wird. Der Energiefluß pro Flächeneinheit ist als akustische Intensität bekannt. Eine präzise Messung der akustischen Intensität ist für eine verbesserte klinische Diagnose im Hinblick auf Erkrankungen des menschlichen Hörsystems notwendig. Präzision alleine reicht jedoch für ein klinisch akzeptables Diagnosesystem nicht aus. Die Messungen müssen rasch und auf kostengünstige Art und Weise durchführbar sein. Diagnosemittel, wie zum Beispiel die Luftleitungsaudiometrie, die Knochenleitungsaudiometrie, die Reizantwortaudiometrie und gehörakustische Emissionen sind stark von einer präzisen Messung des akustischen Schallfeldes abhängig. Insbesondere ist die akustische Intensität ein erwünschtes Maß. Die akustische Intensität ist ein Maß für den Energiefluß pro Flächeneinheit. Unglücklicherweise ist die direkte Messung der Intensität extrem schwierig.
• Ein leichter erhältliches Maß ist jenes des Schalldrucks im Gegensatz zur akustischen Intensität. Druckmeßgeräte finden in der Audiologie breite Anwendung. Der Druck ermöglicht jedoch nur dann eine Intensitätsbestimmung, wenn keine stehenden Wellen vorhanden sind, das heißt, wenn die Energie nur in eine Richtung fließt, nämlich in Schallfeldern, die keine akustischen Reflexionskomponenten besitzen. In Schallfeldern mit akustischen Reflexionskomponenten werden stehende Wellen erzeugt, und eine Druckmessung ist daher unwirksam.
• Wenn keine Reflexionen vorhanden sind, ist der Energiefluß proportional zum Quadrat des Druckes, multipliziert mit der Fläche entlang des Ohrkanals. In einem geeichten Druckfeld ohne Reflexionen kann die Leistung von der Frequenz unabhängig sein. Sind jedoch Reflexionen im Ohrkanal vorhanden, dann ist die Kanalimpedanz eine Funktion der Position im Ohrkanal, selbst wenn das Druckfeld geeicht ist. In diesem Fall charakterisiert das Quadrat des Druckes nicht den Energiefluß. Der Schalldruck und die akustische Intensität besitzen eine komplexe Beziehung, wenn Reflexionen im Ohrkanal vorhanden sind. Somit ist es nicht möglich, durch eine einzelne Druckmessung den akustischen Energiefluß im Ohrkanal zu bestimmen, sofern der Quellumformer/Schallwandler („source transducer”) nicht charakterisiert wurde. Bei dem „source transducer” handelt es sich um eine kleine Kombination aus Lautsprecher und Empfänger, die im Ohrkanal angeordnet wird. Zu diesem Zweck sind mindestens zwei unabhängige Messungen erforderlich. Für die Charakterisierung ist es notwendig, den Leerlaufdruck und die Quellimpedanz des „source transducer” zu bestimmen. Die Verwendung von Druck als Maß der Signalstärke berücksichtigt jedoch nicht den Leerlaufdruck des „source transducer” oder die Impedanz des „source transducer”, und es kann daher damit auch nicht die tatsächliche akustische Intensität in einem Ohrkanal bestimmt werden, in dem stehende Wellen aufgrund von Reflexion vorhanden sind.
• In den frühen Tagen der Audiometrie (etwa um 1930) wurden Schalldruckpegel in einem freien Feld (das heißt in einem Feld frei von stehenden Wellen) geeicht, in welchem der Schalldruck und die akustische Intensität gleich sind. Schon bald fanden über dem Ohr angeordnete Kopfhörer aufgrund ihrer einfacheren Anwendbarkeit, ihrer akustischen Isolation und der verringerten Niederfrequenz-Eichveränderlichkeit breite Anwendung. Diese Kopfhörer wurden typischerweise mit Hilfe eines standardmäßigen Akustikkopplers (das heißt ein künstliches Ohr) geeicht. Bei diesem Eichverfahren wurde fälschlicherweise davon ausgegangen, daß die akustische Impedanz des Kopplers im wesentlichen gleich ist wie jene des zu überprüfenden Ohrs. In der Folge gab es beträchtliche Schwierigkeiten bei der Entwicklung einer praktischen und dennoch vernünftigen Möglichkeit der präzisen Feststellung von Gehörverlust. Ein praktisches Problem, das sich bei der Bestimmung der ”normalen Hörschwelle” ergab, war, daß unterschiedliche Werte für die Hörschwelle bei ein und derselben Person mit Hilfe unterschiedlicher audiometrischer Kopfhörer, wie zum Beispiel dem amerikanischen Kopfhörer TDH-39 und dem britischen STL-Kopfhörer, erhalten wurden, obgleich beide Kopfhörer am selben Standardkoppler geeicht wurden.
• Ein praktischer Kompromiß wurde im Jahr 1969 mit der Normierung der Internationalen Standard-Referenznull für Audiometer erzielt. Diese Norm ist nun allgemein anerkannt. Zum Messen des Hörpegels ist es notwendig, einen Standard-Kopfhörer zu verwenden, der in einem Standardkoppler geeicht wurde. Es wird ein Korrekturfaktor benötigt, wenn ein anderer Wandler oder Koppler verwendet wird als das standardmäßige Kopfhörer-Koppler-Paar.
• Der obige Ansatz zum Messen des Hörpegels stellt einen praktischen Kompromiß dar, der bei normalen Ohren von Erwachsenen unter 4 kHz nur mäßig gut funktioniert. Der Einsatz bleibt jedoch mühsam und fehleranfällig. Zu den zwei wichtigen Fehlerquellen gehören der Unterschied in der akustischen Impedanz des Trommelfells und in der Querschnittsfläche des Ohrkanals zwischen verschiedenen Personen, sowie stehende Wellen im Ohrkanal, die sich aus einer ungleichen Impedanz zwischen der Trommelfellimpedanz und der charakteristischen Impedanz des Ohrkanals ergeben. Diese Fehler sind über 4 kHz so groß, daß sie dieses Verfahren unbrauchbar machen.
• Die obengenannten Fehlerquellen sind besonders beim Messen des Hörpegels bei Säuglingen und Kindern aufgrund der geringeren physikalischen Größe ihrer Ohrkanäle und ihrer unterschiedlichen akustischen Impedanz im Vergleich zum Ohr eines normalen Erwachsenen von Bedeutung. Auf ähnliche Weise kann die Messung des Hörpegels beim Vorhandensein einer Mittelohrerkrankung ebenfalls zu einem Fehler führen, da die akustische Impedanz des Mittelohrs wahrscheinlich wesentlich von jener eines normalen Ohrs abweicht. Diese zwei Fehlerquellen finden sich sehr oft in der Kinderaudiologie aufgrund eines häufigen Auftretens von Mittelohrentzündung bei Kindern.
• Ein damit in Zusammenhang stehendes Problem ist das Messen akustischer Signalpegel, die von einer Hörhilfe erzeugt werden. Das Vorhandensein einer Ohrform oder einer im Hörkanal befindlichen Hörhilfe führt zu einer wesentlichen Veränderung des Schallfeldes innerhalb des Ohrkanals. Unter diesen Bedingungen kann der vorhergesagte Ohrkanal-Schalldruckpegel, der von einem Koppler gemessen wird, sehr irreführend sein.
• Aufgrund der Beschränkungen der derzeitigen Technologie bestand ein Ansatz zur Lösung dieses Problems darin, die Präzision der Bestimmung des Druckes anstatt der Intensität im Ohrkanal zu erhöhen. So wurden zum Beispiel innerhalb der letzten zehn Jahre ”Echtohr”-Meßsysteme sehr populär. Diese Systeme bestimmen den Druck im Ohrkanal, um zu versuchen, die Unsicherheit zwischen einem Standardkoppler und dem getesteten Ohr zu verringern. Wenn jedoch stehende Wellen vorhanden sind, ist der Druck im Ohrkanal abseits vom Trommelfell nicht derselbe wie der Druck am Trommelfell, und er ist daher auch nicht in der Lage, den akustischen Energiefluß im Ohrkanal (das heißt die wirkliche Intensität) zu charakterisieren.
• In den letzten fünf bis zehn Jahren haben sich hervorgerufene gehörakustische Emissionen, wie zum Beispiel Verzerrungsprodukte, als wichtiges neues Verfahren zur Charakterisierung der Außenhörzellenfunktion in der Schnecke herausgestellt. Von Verzerrungsprodukten hervorgerufene gehörakustische Emissionen sind kleine, nichtlineare, zurückverlaufende Signale in der Schnecke. Wenngleich diese nichtlineare Messung einen wichtigen positiven Schritt bei der Diagnostizierung von Gehörverlust darstellt, wird sie ebenfalls aufgrund von Mittelohrreflexionen durch stehende Wellen beeinträchtigt. Wenn sich ein Eichmikrofon in einem primären Nulldruck befindet, der von einer reflektierten (zurückverlaufenden) Druckwelle erzeugt wird, die teilweise die nach vorne verlaufende Welle auslöscht, kann sich der Druck am Meßpunkt wesentlich vom Druck an der Ohrtrommel unterscheiden. In jüngerer Zeit wurden stehende Wellen mit 20 dB in Ohren von Erwachsenen, die mit einem Einführungssignalgeber/-wandler (insertion transducer) versiegelt waren, bei nur 3,5 kHz beobachtet. Unter diesen Bedingungen ist die akustische Intensität des Ohrkanals nicht richtig geeicht. Da die von Verzerrungsprodukten hervorgerufene gehörakustische Emission und andere klinische Mittel von der Reizintensität abhängen, ist die Zuverlässigkeit der Eichung von großer Bedeutung.
• Dieses Problem wird bei Neugeborenen und Säuglingen aufgrund der Käseschmiere im Kanal innerhalb der ersten Tage nach der Geburt und aufgrund von Mittelohrentzündungen bei Säuglingen und Kleinkindern verschärft.
• In all diesen Fällen kann ein wesentlicher Prozentsatz der akustischen Energie aufgrund krankheitsbedingter Fehlübereinstimmung der Mittelohrimpedanz durch das Mittelohr reflektiert werden.
• Die praktischen Konsequenzen dieses Problems mit den ungleichen Impedanzen sind beträchtlich. Nehmen wir zum Beispiel ein allgemeines Gehörüberprüfungsprogramm für Säuglinge an. Bei 1000 überprüften Neugeborenen sind nur zwei oder drei Fälle mit einer Schneckenschädigung zu erwarten (d. h. 0,2–0,3% der Bevölkerung), und 50 bis 100 Fälle (5–10%) mit einer Art Mittelohrerkrankung (die meistens vorübergehend ist). Bei diesen beiden Gruppen wird der Test bei einem Überprüfungsprogramm mit hervorgerufenen gehörakustischen Emissionen positiv ausfallen. Die Mittelohr-”Positiven” stellen eine große Gruppe an fälschlicherweise Positiven im Hinblick auf eine Gehörschneckenerkrankung dar, die identifiziert werden muß. Dies ist deswegen der Fall, da der nächste Schritt im Prozeß darin besteht, alle positiven Fälle mit Hilfe eines sehr zeitaufwendigeren und kostspieligeren Verfahrens zu beurteilen, wie zum Beispiel durch einen Verhaltenstest und/oder die Auditory Brainstem Evoked Response-Audiometrie (ABER).
• Die Anwendung hervorgerufener gehörakustischer Emissionen als Überprüfungshilfsmittel breitet sich aufgrund der Schnelligkeit und Einfachheit der Testdurchführung und der Objektivität dieser Technik rasch aus. Damit ein Überprüfungsprogramm, bei dem hervorgerufene gehörakustische Emissionen verwendet werden, kostengünstig durchgeführt werden kann, ist es wichtig, daß der hohe Anteil an fälschlicherweise Positiven im Hinblick auf eine Hörschneckenerkrankung aufgrund von Mittelohrproblemen wesentlich reduziert werden kann. Eine wirksame Lösung für dieses Problem bestünde darin, die Gehörschnecken-”Positiven” von den Mittelohr-”Positiven” während der Überprüfung mit den hervorgerufenen gehörakustischen Emissionen zu trennen und geeignete Formen der Auswertung und Intervention für jeden dieser Fälle zu schaffen.
• Alle oben beschriebenen Probleme können entweder vollständig beseitigt oder zumindest wesentlich verringert werden, wenn man den akustischen Energiefluß im Ohrkanal kennen würde. Zusätzlich zu diesen Vorteilen gibt es andere, eher hintergründige Überlegungen für die Entwicklung eines Instruments, das in der Lage ist, den akustischen Energiefluß im Ohrkanal zu messen.
• Beim normalen menschlichen Mittelohr sind die Ohrkanal- und Mittelohrimpedanzen im wesentlichen auf Frequenzen über 800 Hz abgestimmt, wodurch ein wirkungsvoller Energiefluß vom Ohrkanal bis zur Gehörschnecke ermöglicht wird. Die Trommelfellimpedanz ändert sich bei Fehlfunktionen des Mittelohrs, zum Beispiel aufgrund eines statischen Drucks im Mittelohrraum, oder bei ernsteren Bedingungen, wie zum Beispiel bei Veränderungen der Gehörknöchelchenimpedanz aufgrund von Otosklerose, oder Veränderungen der Steifheit der Gehörknöchelchenbänder. Wenn die Impedanzfehlübereinstimmung groß ist, nähert sich die Leistungsreflexion dem Wert 1 (das heißt es werden 100% der Leistung reflektiert). Unter dieser Bedingung ist die akustische Ausgangsintensität nahezu gleich wie die akustische Eingangsintensität, und die Größe der nach vorne gerichteten und der nach hinten gerichteten Wellen ist nahezu gleich. Als Ergebnis dessen wird der Druck bei Frequenzen, die der akustischen Wellenlängen oder der Wellenlängenrundgänge vom Reflexionspunkt aus entsprechen, ausgelöscht. Der Druck ist am Meßpunkt für diese Frequenzen sehr gering, was zu einer falschen Druckeichung führt, da der Ohrkanaldruck am Meßpunkt für diese Frequenz kein hilfreiches oder genaues Maß weder für den Trommelfelldruck noch für die vom Mittelohr und der Schnecke absorbierte Energie ist.
• Die Messung der von Mittelohr und Schnecke absorbierten Energie bietet in der Audiologie viele Vorteile, und zwar besonders bei Frequenzen über 4 kHz, wenn eine Mittelohrerkrankung vorliegt, oder wenn die physische Größe des Ohrs sich stark von einem normalen Ohr eines Erwachsenen unterscheidet. Dies ist typisch für Fälle, bei denen herkömmliche Kopplermessungen zu falschen Beurteilungen des Schalldruckpegels am Trommelfell führen. Von normalen Ohren wurden drei wichtige Beobachtungen abgeleitet. Zum ersten ist eine Nichtübereinstimmung der Mittelohrimpedanz eine große Quelle für Unterschiedlichkeit zwischen verschiedenen Personen. Zum zweiten ist das Mittelohr eines Katzenohrs ein nahezu verlustloses System. Zum dritten hat sich gezeigt, daß der Energiefluß am Hörschwellwert bei einer Wüstenrennmaus unveränderlich ist.
• Die erste Beobachtung identifiziert eine wesentliche physikalische Quelle für Eichungsschwankungen. Die zweite Beobachtung bedeutet, daß nahezu der gesamte Energiefluß in das Mittelohr zur Schnecke hin gerichtet ist. Die dritte Beobachtung stimmt mit der Vorstellung überein, daß der akustische Energiefluß in enger Wechselbeziehung mit den Hörschwellwerten der Schnecke steht.
• Um die vom Mittelohr absorbierte Leistung zu messen, ist es notwendig, die akustische Impedanz des Mittelohrs zu messen. Instrumente, die derzeit in klinischer Verwendung zum Messen der akustischen Impedanz des Ohres stehen, messen jedoch nicht direkt die akustische Impedanz, sondern vielmehr die relative Impedanzgröße, das heißt, die Impedanzgröße relativ zu jener eines normalen Ohrs. Diese Instrumente sind auch häufig auf einige wenige standardmäßige Testfrequenzen (z. B. 220 Hz und 600 Hz) beschränkt und ermöglichen daher keine Messung der akustischen Impedanz über den gesamten Hörfrequenzbereich.
• Fortschritte der jüngeren Zeit bei der Entwicklung von „source transducer” und damit einhergehende Fortschritte bei der computerunterstützten Messung von Schallübertragungseigenschaften im Ohr stellen ein praktisches Mittel zur Messung der akustischen Impedanz und, was noch wichtiger ist, der Schalldruckabsorption durch das Ohr dar. Das Instrument der vorliegenden Erfindung stellt eine wesentliche Verbesserung gegenüber der von Jont. B. Allen, ”Measurement of Eardrum Acoustic Impedance”, Peripheral Auditory Mechanism, Seiten 44–51 (1986), entwickelten Technik dar. Bei Allens Methode werden zwei Signalgeber/Wandler in den Ohrkanal eingeführt. Ein Signalgeber/Wandler erzeugt ein Testgeräusch, während der andere, bei dem es sich um ein Mikrofon handelt, den Druck im getesteten Ohr mißt. Die zwei Signalgeber/Wandler werden danach in vier Hohlräume eingeführt, wo der Hohlraumdruck gemessen wird. Diese Information wird danach analysiert, um eine Bestimmung der Kanalreflexion zu ermöglichen. Das oben beschriebene Meßverfahren wurde bei Tieren, Erwachsenen; an Schläfenbeinen und bei Säuglingen angewandt. Das in Allens Experimenten verwendete Gerät ist jedoch teuer und komplex und daher für einen klinischen Einsatz nicht geeignet.
• Die Schrift US 5 526 819 offenbart ein Meßsystem, wobei zwei akustische Signale unterschiedlicher Frequenz f1 und f2 von zwei Ohrhöhrern in den Ohrkanal abgegeben werden. Ein erste Mikrofon erzeugt ein erstes elektrisches Signal, welches proportional zu einem im Ohr erzeugten Ton mit einer Frequenz von 2·f1–f2 und anderen Körpergeräuschen ist, wobei ein zweites Mikrofon ein zweites elektrisches Signal erzeugt, welches proportional zu den anderen Körpergeräuschen aber im wesentlichen nicht proportional zu dem im Ohr erzeugten Ton mit der Frequenz von 2·f1–f2 ist. Die beiden Signale werden einem Differenzverstärker zugeführt, welcher ein um den Anteil der anderen Körpergeräusche reduziertes Signal einem Analysator zuführt. Aus der Schrift US 5 105 822 A ist ein System mit einer Schallquelle, die ein akustisches Signal mit einer Vielzahl von Frequenzen erzeugt, bekannt, welches über eine Röhre dem Eingang des Ohrkanals eines Ohrs zugeführt wird, die aus dem Ohrinneren stammende Reflexionen absorbiert. Ein Mikrofon ist in der Röhre in dem Ohreingang zum Messen des Schalldrucks angeordnet. Die Schrift DE 26 33 308 A1 offenbart ein elektroakustisches Impedanzmessbrückengerät mit einem akustischen Koppler, zwei Sonden, von denen eine am äußeren Gehörgang eines menschlichen Ohrs und die andere an dem akustischen Koppler angeschlossen ist, einem Tongenerator veränderbarer Frequenzen, von dem den beiden Sonden Tonsignale gleicher Frequenzen zugeführt werden und einem an die Sonden angeschlossenen Komparator, von dem die sich ergebenden Schallpegel verglichen werden, die in dem äußeren Gehörgang und in dem akustischen Koppler vorherrschen.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches Gerät zur Messung der akustischen Intensität im Ohrkanal einer Person zu schaffen, insbesondere ein kosteneffizientes, rasches und präzises System zur Durchführung einer akustischen Intensitätsmessung innerhalb des menschlichen Hörsystems zu schaffen. Ein solches System bietet unter anderem wesentliche Vorteile bei Gehörüberprüfungsprogrammen, die zu einer frühen Erkennung von Ohrerkrankungen führen. Die Erfindung umfaßt ein Signalerzeugungsmittel, ein Meßfühlergerät mit einem Ohrhörer und einem Mikrofon, das am Signalerzeugungsmittel angeschlossen ist, und eine Vielzahl an Eichungshohlräumen mit bekannter Impedanz, die eine Funktion einer unbekannten Durchschnittslänge darstellen. Der Meßfühler wird in den Ohrkanal der Person eingeführt, und das Signalerzeugungsmittel sendet über den Ohrhörer ein periodisches Signal in den Ohrkanal der Person aus. Die Druckreaktion des Ohrkanals wird gemessen und aufgezeichnet. Die Druckreaktionen der Eichungshohlräume werden gemessen, und der Meßfühler wird geeicht, indem die Eichreaktionen berechnet und die unbekannte durchschnittliche Hohlraumlänge gesucht, das heißt aufgelöst, wird. Eine Grundannahme für das Eichverfahren ist die Linearität des geeichten Meßfühlergerätes. Dann kann, ausgehend von der Druckreaktion des Ohrkanals der Person, die akustische Impedanz und die Intensität im Ohrkanal bestimmt werden. Das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zielen auf einen klinischen Einsatz ab, der minimale Schulung verlangt. Nachdem der akustische Energiefluß der Person bestimmt wurde, können Ohrerkrankungen erkannt und eine entsprechende Behandlung empfohlen werden. Eine frühe Erkennung von Ohrerkrankungen kann auch dazu beitragen, weitere Gehörschäden zu verhindern.
• 1 zeigt eine Eicheinrichtung des Standes der Technik zum Messen der Thévenin-Parameter eines Ohrhörers.
• 2 zeigt eine entsprechende elektrische Schaltung, welche die Ausbreitungsmasse M_s ohne den Ausbreitungsmassenbegriff der Schaltkreismodelle der Einrichtung des Standes der Technik von 1 zeigt.
• 3 zeigt eine Eicheinrichtung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
• 4 zeigt ein Meßfühlergerät gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
• 5 und 6 zeigen das Meßfühlergerät gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung einschließlich der Meßfühlerspitze.
• 7 zeigt den Meßfühler und das Eichgerät während der Eichung eines Hohlraums.
• 8 zeigt die Schritte der Durchführung der Leistungsflußmessungen eines Ohrs einer Person.
• 9 zeigt die Schritte des Eichens eines Empfängers innerhalb eines Hohlraums.
• 10 zeigt den Durchfluß des Schalls von einer Punktquelle innerhalb eines Hohlraums, wie zum Beispiel dem Ohrkanal.
• 11 zeigt ein Eichgerät gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.
• 12 ist eine Vorderansicht des Eichgerätes von 11.
• 13 zeigt eine Perspektivansicht des Eichgerätezylinders, der vom Rest des Eichgerätes getrennt ist.
• 14 ist eine Vorderansicht des in 13 gezeigten Zylinders.
• 15 zeigt eine Rückansicht von 11 mit entferntem Zylinder, und sie zeigt auch das Heizelementsystem, das verwendet wird, um die Hohlräume konstant auf Körpertemperatur zu halten.
• Es werden ähnliche Ziffern verwendet, um ähnliche Elemente zu beschreiben, die in verschiedenen Figuren dargestellt sind, welche die Erfindung beschreiben.
• Es wurden Experimente bezüglich der Messung der akustischen Ohrkanalimpedanz und der Ohrkanalreflexion von 0,1 bis 15,0 kHz bei zehn Personen mit normalem Gehör durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Experimente wurden von der Amerikanischen Gesellschaft für Akustik in einem Dokument von Susan E. Voss und Jont B. Allen mit dem Titel ”MEASUREMENT OF ACOUSTIC IMPEDANCE AND REFLECTANCE IN THE HUMAN EAR CANAL”, 95 J. Acoust. Soc. Am. 372 (Januar 1994) aufgezeichnet.
• Ein akustisches Wandlerpaket, wie es gemäß dem Stand der Technik in 1 dargestellt ist, besteht aus einem Ohrhörer und einem Mikrofon, die in einer Schaum-Ohrspitze eingeschlossen sind. Um die akustische Impedanz Z_e(f) des Ohrkanals zu messen, muß das Wandlerpaket geeicht werden. Dies bedeutet, daß die Thévenin-Parameter (2), der Leerlaufquelldruck P₀(f) und die Quellimpedanz Z₀(f) zu messen sind. Nachdem die Thévenin-Parameter bekannt sind, kann die Ohrkanalimpedanz Z_e durch eine Messung des Ohrkanaldrucks P_e bestimmt werden. Aus einer von zwei Hohlraumdruckmessungen P₁(f) und P₂(f) können die zwei Thévenin-Parameter P₀ und Z₀ berechnet werden, wenn die entsprechenden Hohlraumlängen L₁ und L₂ bekannt sind. Das Problem dabei ist, daß diese akustischen Längen, die von der Ausdehnung der Welle (M_s) abhängen, wie dies in 10 dargestellt ist, nicht präzise bekannt sind.
• Wie aus 10 ersichtlich ist, verteilt sich der Schall von der Ausgangsöffnung weg, und die zurückgelegte Länge ist größer als der tatsächliche physikalische Abstand von der Ausgangsöffnung bis zum Ende der Hohlraumröhre. Dies ist ein frequenzabhängiger Effekt, der zu einer effektiven akustischen Länge führt. Es ist möglich, diese akustische Länge hinsichtlich einer Reihe eines Massenbegriffs (M_s) zu kennzeichnen, modelliert als ein elektrischer Induktor 230 in 2. Die Größe dieser Induktanz hängt vom Grad der Ausbreitung ab, was wiederum vom relativen Wandlergeber und der Ohrkanalgeometrie der Person abhängt. Daher ist die Größe dieser Masse für jede Bedingung unbekannt und muß als unbekannter Parameter behandelt werden.
• Obwohl die grundlegenden Gleichungen für die Thévenin-Parameter linear sind, sind der mathematische Suchraum für die Hohlraumlängen (Δ_i = L_i – L₀) und die Ausbreitungsmasse (M_s) nicht linear. Dies führt zu einer Fehleroberfläche mit vielen lokalen Minima und einer nicht einzigartigen Lösung. Es ist bekannt, daß mehrere dimensionale Suchvorgänge problematisch sind. Eine Beschränkung der Hohlraumlängendifferenz (Δ_i = L_i – L₀), welche die Suche nach der Länge auf eine Dimension reduziert, vereinfacht das Problem und führt zu einer einzigartigen globalen Minimumlösung. Die Ausbreitungsmasse (M_s) führt auf wirkungsvolle Weise eine frequenzabhängige Hohlraumlänge ein, die berücksichtigt werden muß, wenn die Thévenin-Parameter eine präzise Darstellung über einen großen Frequenzbereich hinweg ermöglichen sollen. Da die Größe dieser Ausbreitungsmasse (M_s) von der Geometrie des Meßfühlers und der Geometrie des Ohrkanals abhängt, ist es nicht möglich, die Größe der Ausbreitungsmasse (M_s) zuvor zu kennen.
• Die vorliegende Erfindung erhöht die Präzision und Anwendbarkeit des von Allen im Jahr 1986 eingeführten und in Voss und Allen, ”MEASUREMENT OF ACOUSTIC IMPEDANCE AND REFLECTANCE IN THE HUMAN EAR CANAL”, 95 J. Acoust. Soc. Am. 372 (Januar 1994) beschriebenen Eichverfahrens durch Anerkennung der Tatsache, daß die Ausbreitungsmasse (M_s) durch einen einzelnen Parameter gut repräsentiert wird, der mit Hilfe desselben Suchverfahrens bestimmt werden kann, das auch zur Bestimmung der mittleren Hohlraumlänge (L) verwendet wird, und durch Anerkennung der Tatsache, daß die Längenunterschiede Δ_i = L_i – L₀ nicht eine Funktion der Tiefe der Einführung des Ohrhörers in die Meßhohlräume sind.
• Es gibt drei wichtige Erweiterungen des in Voss und Allen beschriebenen Verfahrens, welche das Wesentliche der vorliegenden Erfindung ausmachen. Zum ersten reduziert das Festlegen der Suche nach einer mittleren Hohlraumlänge die Suche von einer vierdimensionalen Suche auf eine eindimensionale Suche. Zum zweiten wird der Effekt von Modi höherer Ordnung in der Nähe des Schallaustritts durch die Suche nach der Ausbreitungsmasse kompensiert. Und schließlich werden die Hohlräume auf gleicher Temperatur gehalten wie der Ohrkanal (das heißt auf Körpertemperatur), und nicht auf Raumtemperatur.
• In Allens vorhergehenden Experimenten des Standes der Technik wurde die Ohrkanalimpedanz von zehn Einzelpersonen gemessen. Diese Messung bestand aus sieben komplexen Frequenzverhalten, nämlich vier abgedichteten Hohlräumen, zwei Widerstandshohlräumen, und dem Ohr der Person. (Siehe 1). Jede einzelne Druckfrequenzverhaltensmessung dauerte 2,6 Sekunden. Vier akustische Längen L₁ bis L₄ für die vier Hohlräume wurden von den gemessenen Hohlraumdrücken mit Hilfe einer Gradientenmethode der kleinsten Quadrate berechnet. Die Hohlraumimpedanzen wurden mit Hilfe akustischer Verlustübertragungsleitungsgleichungen berechnet. Bei jeder Frequenz wurden zwei Ohrhörer-Thévenin-Parameter, nämlich die Quellimpedanz Z_s(ω) und der Leerlaufdruck P_s(ω), oder deren Norton-Äquivalente, Y_s(ω) und U_s(ω), von den vier gemessenen Hohlraumdrücken und den berechneten Hohlraumlastimpedanzen ermittelt, nachdem die akustischen Längen bestimmt worden waren. Die Eichung wurde überprüft, indem die Impedanz der zwei akustischen Widerstände von den zwei Widerstandsdrücken bestimmt wurde. Wenn die gemessenen Widerstandsreflexionsvermögenswerte innerhalb eines Toleranzbereiches lagen, wurde die Ohrkanalimpedanz einer Person vom gemessenen Kanaldruck berechnet. Wenn nicht, wurden die Eichung und die Messungen wiederholt. Somit dienten die Widerstände als Eichkontrolle.
• Das Allen/Voss-Verfahren beruht auf der Kenntnis und der Verwendung der Längen der einzelnen Hohlräume. Dies stellt einen vierdimensionalen Suchraum dar. Die vorliegende Erfindung reduziert diesen Suchraum auf eine Dimension. Diese Reduktion ist möglich, da der Längenunterschied zwischen den vier Hohlräumen, wenn diese paarweise genommen werden, bekannt ist und präzise geregelt werden kann. Dies gilt sogar, obwohl die absoluten Längen von der Spitze des Meßfühlermikrofons bis zu den Enden der Hohlräume nicht bekannt sind. Zum Beispiel sind L₁ – L₀, L₂ – L₀, L₃ – L₀ und L₄ – L₀ bekannt, obwohl L₁, L₂, L₃ und L₄ nicht bekannt sind. Dies ist deshalb der Fall, da die mittlere Einführtiefe L₀ des Ohrhörers in die Hohlräume nicht präzise kontrolliert werden kann. Somit kann die Suche nach den Hohlraumlängen auf die Suche nach nur einer Länge beschränkt werden, wie zum Beispiel auf die Länge des kürzesten Hohlraums der vier Hohlräume. Die Anzahl der Hohlräume, die zur Eichung verwendet werden, kann verändert werden. Eine erhöhte Anzahl an Hohlräumen ermöglicht eine präzisere Längenmessung, erfordert aber mehr Zeit. Testergebnisse haben gezeigt, daß vier Hohlraumlängen ein vernünftiger Kompromiß zwischen Genauigkeit und erforderlicher Zeit zur Durchführung der Messung sind.
• Die zweite Erweiterung der Allen/Voss-Methode korrigiert den Effekt der Schallausbreitung in der Nähe des Schallaustritts. 10 zeigt, wie sich der Schall bei einer Schallpunktquellenöffnung im Ohrkanal ausbreitet. Die Ausbreitung der Schallwellen kann als ein Ausbreitungsmassenbegriff M_s behandelt werden, der in 2 beschrieben ist und der Hohlraumimpedanz hinzugefügt wird. Es ist möglich, diesen unbekannten Massebegriff zu schätzen, indem man ihn sucht, ebenso wie nach der unbekannten mittleren Hohlraumlänge L₀ gesucht wird, wodurch der Restfehler in den überspezifizierten Thévenin-Gleichungen minimiert wird. Das Hinzufügen des unbekannten Parameters M_s führt zu einem zweidimensionalen Suchraum (d. h. L₀ und M_s). Nach dem ”Konvergieren” der zweidimensionalen Suche für die Ausbreitungsmasse M_s und die Gesamtlänge L₀ und das Annehmen bekannter Längenunterschiede kann eine wahlweise endgültige Suche in allen fünf Dimensionen (L₁, L₂, L₃, L₄ und M_s) durchgeführt werden, um das wahre lokale Minimum zu bestimmen.
• Die Ausbreitungsmasse (M_s) führt auf effektive Weise eine frequenzabhängige Länge des Hohlraums ein und muß daher berücksichtigt werden, wenn die Messung über einen großen Frequenzbereich hinweg durchgeführt wird. Da die Größe dieser Masse von der Geometrie des Meßfühlers und des Ohrkanals abhängt, ist es nicht möglich, deren Größe im vorhinein zu kennen. Durch Anerkennung der Tatsache, daß die Größe von einem einzelnen Parameter repräsentiert wird, der durch dasselbe Suchverfahren berechnet werden kann wie jenes, das zum Rückgewinnen der Hohlraumlängen verwendet wird, erhöhen wir die Genauigkeit und Anwendbarkeit des Eichverfahrens wesentlich.
• Die dritte Erweiterung erfordert, daß die Temperatur in den Hohlräumen auf gleicher Höhe gehalten wird wie jene im Ohrkanal. Zuvor befanden sich die Hohlräume auf Raumtemperatur, während der Ohrkanal eine gleiche oder ähnliche Temperaturhöhe aufwies wie die Körpertemperatur. Daher wurde ein kleiner frequenzabhängiger Fehler in den Leerlaufdruck und die Thévenin-Quellimpedanz eingeführt. Durch Beibehaltung der Temperatur der Hohlräume auf Körpertemperatur können diese Fehler beseitigt werden, indem die unerwünschten Frequenzartefakten verringert werden. Die Thévenin-Parameter können bei Temperaturänderung des Signalgebers durch Skalierung der Geschwindigkeit des Schalls in der Schalltransportröhre durch die Quadratwurzel der Temperatur korrigiert werden.
• 3 zeigt ein Eichgerät 300 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Eichgerät 300 ist ein L-förmiger Sockel mit Ständer 310 mit einem Zylinder 320, der drehbar mit dem Ständer 310 verbunden ist und sich von diesem wegerstreckt.
• Der Zylinder 320 besitzt vier Hohlräume, die sich in den Zylinder 320 erstrecken, sowie eine Nullposition L₀. Jeder Hohlraum erstreckt sich um eine andere Länge (L₁, L₂, L₃, L₄) in den Zylinder 320, und dadurch besitzt jeder Hohlraum eine andere Geometrie. Die Nullposition erstreckt sich nicht in den Zylinder 320. Stattdessen verhindert sie, daß die Meßfühler-/Ohrhörerkombination zu tief in das Eichgerät eingeführt werden kann. Nachdem sie eingeführt wurde, wird der Zylinder zu jedem Hohlraum gedreht, und die Messungen werden durchgeführt. Die Hohlräume enden an einer harten Wand oder in einer bekannten akustischen Impedanz.
• Der Ständer 310 besitzt eine kreisförmige Bohrung 340, deren Größe gleich dem Durchmesser der vier Hohlräume ist. Der Zylinder 320 ist mit dem Ständer 310 über eine Schraube verbunden, die durch die gesamte Länge der Achse des Zylinders 320 in und durch die Vorderfläche des Ständers 310 hindurchläuft, so daß der Zylinder mit der Rückseite des Ständers bündig ist und um die eigene Achse gedreht werden kann. Ein Meßfühlerkopfstützbalken 330 erstreckt sich quer über die Vorderfläche des Ständers 310 und besitzt einen ausgeschnittenen, halbkreisförmigen Abschnitt zur Aufnahme des Meßfühlerkopfes. Der ausgeschnittene Abschnitt ist mit der kreisförmigen Bohrung 340 ausgerichtet.
• 4 zeigt eine Meßfühlervorrichtung 400, die im Zusammenhang mit dem Eichgerät 300 von 3 verwendet wird. Das Meßfühlergerät 400 umfaßt ein Meßfühlerkabel, das mit einem digitalen Signalprozessor (DSP) an einem Ende und einem Meßfühlerkopf 420 am anderen Ende verbunden ist. Der Meßfühlerkopf 420 ist zylindrisch geformt und so konstruiert, daß er satt in den ausgeschnittenen Abschnitt des Meßfühlerkopfstützbalkens 330 paßt. Bezugnehmend auf 5 und 6 verjüngt sich der Meßfühlerkopf 420 zu einer Meßfühlerspitze 430. Die Meßfühlerspitze 430 endet mit einem Paar Aufnehmerrohre 460 und einem Mikrofonrohr 470. Ein Ohrhörer 440 mit einem Schallübertragungsrohr 450 ist an der Meßfühlerspitze 430 befestigt. Das Schallübertragungsrohr 450 erstreckt sich länglich durch die gesamte Länge des Ohrhörers 440 und besitzt drei Stecker zur Aufnahme sowohl der Aufnehmerrohre 460 als auch der Mikrofonrohre 470.
• Um die Temperatur der Hohlräume des Eichgerätes auf Körpertemperatur anstatt auf Raumtemperatur zu halten, sind kleine kreisförmige Heizelemente 375 in den vertikalen Teil des Ständers 310 eingebettet. Dadurch kann Wärme auf gleichmäßige Weise zum Zylinder 320 verteilt werden, wodurch Wärmetaschen verhindert werden. Diese Heizelemente 375 werden elektrisch von einem Adapter 385 versorgt, der in das Eichgerät 300 eingesteckt wird. Die Hohlraumtemperatur wird kontinuierlich von einem Temperaturrückmeldeservomechanismus 380 überwacht, der in den Ständer 310 eingebettet ist, um die Hohlräume auf normaler Körpertemperatur zu halten. Eine Temperaturanzeige 390 kann ebenfalls enthalten sein, um den Bediener über die aktuelle Hohlraumtemperatur zu informieren.
• Nachdem ein Ohrhörer 440 mit Schaumspitze auf die Meßfühlerspitze 430 gesteckt wurde, ist das gesamte Meßfühlergerät anwendungsbereit. Es kann verwendet werden, um das Frequenzverhalten eines menschlichen Ohrkanals zu messen, indem der Ohrhörer in das Ohr eines Patienten eingeführt wird und ein periodisches Signal in den Ohrkanal ausgibt, das aufgezeichnet und analysiert wird. Es kann auch dazu verwendet werden, das Frequenzverhalten aller Eichgeräte (350a, 350b, 350c, 350d) zu messen, wie dies in 7 dargestellt ist.
• 8 beschreibt die Schritte bei der Erstellung einer klinischen Diagnose eines Ohrkanals einer Person. Zuerst wird das Testgerät eingerichtet. Das Einrichten besteht aus dem Konfigurieren einer Digitalsignalprozesser-(DSP)-Platte an einem lokalen Computer. Das Meßfühlerkabel 410 wird direkt an der DSP-Platte angeschlossen. Der Computer wird eingeschaltet, und die Flußmeßanwendung wird gestartet. Wie später noch zu beschreiben sein wird, empfängt die Flußmeßanwendung Daten vom Meßfühler 400 und wandelt diese in mehrere Frequenz-, Impedanz-, Reflexions- und Sendestrommessungen um.
• Als nächstes wird das Ohr der Testperson auf Verstopfungen überprüft und unter Beobachtung mit einem Ohrenspiegel gereinigt. Der Meßfühlerkopf 420 mit einem daran befestigten, geeigneten Ohrhörer 440 wird in den Ohrkanal der Person eingeführt. Ein geeigneter Ohrhörer ist einer, der groß genug ist, um den Ohrkanal vollständig abzudichten. Der Meßfühler 400 sollte so tief in den Ohrkanal eingeführt werden, wie dies für die Person noch angenehm ist. Im allgemeinen sind die Schaumspitzen der Ohrhörer aus einem biegsamen Material hergestellt, das vor dem Einführen zusammengedrückt werden kann. Nachdem es eingeführt wurde, dehnt sich der Ohrhörer wieder zu seiner ursprünglichen Form aus, wodurch eine gute Abdichtung erzielt wird. Jeder Ohrhörer besitzt eine andere, aber bekannte Größe, die für die spätere Berechnung der Thévenin-Parameter aufgezeichnet werden muß.
• Das Druckfrequenzverhalten des Ohrkanals der Person wird danach gemessen 820. Die Person wird gebeten, sich einige Sekunden lang ruhig zu verhalten und den Mund leicht geöffnet zu lassen, um zu vermeiden, daß Messungen durch geringfügige Muskelbewegungen rund um das Ohr verfälscht werden. Es wird ein periodisches Signal mit einem gleichförmigen Leistungsspektrum erzeugt und in den Ohrkanal ausgesandt. Bei dem periodischen Signal kann es sich um ein Zirpen, um gleitende Sinustöne oder um Geräusche handeln. Das gleichförmige Leistungsspektrum befindet sich am Sender oder an der Ausgabe des Geräuschübertragungsrohrs 450, wodurch eine Punktquellenausbreitungsmasse des Schalldrucks erzeugt wird. Der eingeführte Meßfühler 400 bestimmt danach das Frequenzverhalten des Ohrkanals, indem das Mikrofon 470 die Daten, die es aufnimmt, über das Meßfühlerkabel 410 zur DSP-Platte überträgt. Es dauert nur einige wenige Sekunden, um das Frequenzverhalten zu bestimmen. Das Frequenzverhalten wird danach analysiert und angezeigt, um zu bestimmen, ob es irgendwo undichte Stellen in der Abdichtung zwischen der Schaumspitze und dem Ohrkanal gegeben hat. Ein offensichtlicher Hinweis auf eine undichte Abdichtung ist eine an den dargestellten Ergebnissen vorhandene scharfe Kerbe zwischen 100 Hz und 300 Hz oder ein niedriger Druck bei weniger als 300 Hz. Wenn eine undichte Abdichtung entdeckt wird, muß der Meßfühler erneut eingeführt und der Test noch einmal durchgeführt werden. Eine weitere Fehlerquelle, die vermieden werden muß, ist ein übermäßiges Bewegen des Meßfühlerkabels 410. Selbst leichte Störungen des Meßfühlerkabels 410 können aufgrund dieses Geräusches zu Fehlern führen.
• Der nächste Schritt besteht im Messen des Frequenzverhaltens der einzelnen Hohlräume 830. Es gibt in der bevorzugten Ausführungsform vier Eichhohlräume, wenngleich auch nur zwei möglich sind. Zusätzliche Hohlräume ermöglichen eine höhere Genauigkeit, aber der Effekt der erhöhten Genauigkeit ist im Vergleich zum Arbeitsaufwand, der bei mehr als vier verwendeten Hohlräumen notwendig ist, vernachlässigbar gering. Das Frequenzverhalten der Hohlräume wird auf dieselbe Art und Weise gemessen wie beim Ohr der Testperson. Der Meßfühler 400, der mit dem Ohrhörer 440 verbunden ist und auf dem Meßfühlerkopfstützbalken 330 ruht, wird in die Bohrung 340 des L-förmigen Ständers in Übereinstimmung mit der Nullposition L₀ eingeführt, bis der Meßfühler nicht mehr weiter eingeführt werden kann. Der Zylinder 320 wird zu einer der vier Hohlraumpositionen gedreht, und das periodische Signal wird in den Eichhohlraum ausgesendet und das Frequenzverhalten gemessen. Dies wird für jeden Hohlraum wiederholt. Wiederum ist es dabei sehr wichtig, für eine leckfreie Dichtung zu sorgen, um präzise Frequenzmessungen zu erhalten.
• Als nächstes wird das Frequenzverhalten 840 des anderen Ohrs der Person in exakt derselben Weise gemessen wie beim ersten Ohr. Wenn aus irgend einem Grund die Ohrspitze für das zweite Ohr gewechselt werden mußte 850, muß auch die neue Spitze in den Eichhohlräumen gemessen werden 860. Andernfalls, wenn dieselbe Spitze zum Messen beider Ohren verwendet wurde, muß der Eichschritt nur einmal durchgeführt werden. Nun haben wir Frequenzverhaltensmessungen für beide Ohren der Person sowie für jeden der vier Eichhohlräume erhalten.
• Nachdem der Prüfer die Größe oder den Typ der Schaum-Ohrspitzen eingibt, wird auf eine bereits bestehende Datendatei zugegriffen, welche die mittlere Länge der Hohlräume L₀, die vier unterschiedlichen Hohlraumlängen (Δ_i = L_i – L₀, i = 1, 2, 3, 4), den Durchmesser der Testhohlräume D und die Ausbreitungsmasse M_s enthält. Diese sieben Parameter werden danach verwendet, um eine Gradientensuche für neue Werte von L₀ und M_s durchzuführen. Die Frequenzverhaltensmessungen für die Eichhohlräume werden in den Leerlaufdruck P_s(ω) und die Quellimpedanz Z_s(ω) des Quellsignalgebers/Schallwandlers umgewandelt. Diese zwei Verhaltenswerte zusammen mit dem im Ohrkanal der Person gemessenen Druckansprechverhalten reichen aus, um die Impedanz und/oder die Reflexion des Ohrkanals der Person zu berechnen.
• Eine wichtige Überlegung bei der Konstruktion des Gerätes ist die Verwendung von Reflexion anstelle von Impedanz bei der Ableitung des akustischen Energieflusses. Die Reflexion wird aus zwei Hauptgründen verwendet. Zum ersten ermöglicht die Reflexion eine direkte Interpretation hinsichtlich des relativen Energieflusses von einer Meßperspektive. Der zweite und wichtigere Grund liegt darin, daß die akustische Impedanzkeine vollständige Beschreibung eines Systems mit nur einerÖffnung liefert (zum Beispiel Trommelfellimpedanz). Durch die Kenntnis der Trommelfellimpedanz ist es zum Beispiel nichtmöglich, zwischen auftreffenden und zurückprallenden Energieflüssen zu unterscheiden, da die Impedanz nur denUnterschied zwischen diesen beschreibt, das heißt zwischen denauftreffenden und den reflektierten. Somit ist die Impedanzeine unvollständige Beschreibung der Energieübertragungsfunktion (übertragen/auftreffend) für ein System mit nur einer Öffnung. Die Druckreflexion definiertjedoch eine Energieübertragungsfunktion sowohl hinsichtlichGröße als auch Phase. Diese Definition erfordert daszusätzliche Konzept eines Leistungsübertragungssystems, das von einer dispersionslosen Übertragungsleitung beschrieben wird, welche eine charakteristische Impedanz (z₀) und eineGeschwindigkeit (c) aufweist, beladen mit Energie mit einerspektralen (ω) und einer räumlichen (x) Komposition gemäß derfolgenden Gleichung:

  

  wobei P₊ die sich nach vorne ausbreitende Druckwelle an der Übertragungsleitung, ω eine Winkelfrequenz, x die Position entlang der Übertragungsleitung und t die Zeit ist.
• Die verfügbare Leistung Π₊ wird hinsichtlich einer nach vorne gerichteten Druckwelle P₊ im Ohrkanal, die sich zum Trommelfell hinbewegt, gemäß der folgenden Gleichung als Leistung definiert:

  

  wobei z₀ = pc/A die charakteristische Impedanz des Ohrkanals ist, p die Dichte der Luft, c die Schallgeschwindigkeit, und A die Querschnittsfläche des Ohrkanals. Auf ähnliche Weise ist die reflektierte oder nach hinten gerichtete Leistung Π aufgrund der Reflexionen und nicht linearen kochleären Mechanismen:

  
• Das Verhältnis zwischen reflektiertem und auftreffendem Druck definiert die Druckreflexion wie folgt:

  
• Und deren Quadratgröße definiert die Leistungsreflexion als:

  

  und die relative absorbierte Leistung ist
• 
• Das normale Ohr absorbiert Leistung von etwa 800 Hz bis 8 kHz. Wenn die relative absorbierte Leistung Π_A/Π₊ kleiner ist als ein bestimmter Schwellwert, wie zum Beispiel 0,25, ist das Ohr oder das Mittelohr funktionsuntüchtig. Typische Werte für die relative absorbierte Leistung liegen über 0,75. Jeder Wert unterhalb dieses Normwertes deutet auf ein Krankheitsbild hin, dessen Schwere von dem Verhältnis der absorbierten Leistung abhängt.
• Abgesehen von der Diagnostizierung von Ohrerkrankungen besteht eine weitere besonders nützliche Anwendung der oben abgeleiteten Messungen darin, Hörhilfen für Personen, die solche benötigen, zu eichen und einzustellen. Bei Personen, die auf Hörhilfen angewiesen sind, kann der akustische Energiefluß in ihren Ohren gemessen werden, um zu bestimmen, wie die Hörhilfevorrichtung genau eingestellt werden muß. Die Verwendung des zuvor beschriebenen Systems und des Verfahrens bietet Anwendern von Hörhilfen eine Möglichkeit, ihre Hörhilfegeräte zu optimieren.
• Eine alternative Eichgerätekonstruktion ist in 11–14 dargestellt. Der Grund dafür liegt darin, Ohrhörer mit unterschiedlichen Größen aufzunehmen. Somit funktioniert das Gerät bei Säuglingen (sehr kleine Ohrhörer), Kindern (kleine Ohrhörer) und Erwachsenen (große Ohrhörer).
• 11 zeigt ein Eichgerät, das jenem ähnlich ist, welches in 3 dargestellt ist. Dieses besitzt jedoch eine zusätzliche Stirnplatte 370, die am senkrechten Abschnitt des Ständers 310 durch vier Schrauben 390 befestigt ist, wobei sich jeweils eine Schraube in jeder Ecke befindet. Die Stirnplatte 370 besitzt einen ”vierblattklee-ähnlich” ausgeschnittenen Abschnitt, der von einem gepolsterten Material 380 umgeben ist. Jedes ”Kleeblatt” ist so konstruiert, daß es die Meßfühler-/Ohrhörer-Kombination aufnehmen kann. Das gepolsterte Material 380, bei dem es sich vorzugsweise um Gummi handelt, dient zum Halten des Meßfühlers 400 während des Eichvorgangs.
• 12 ist eine Vorderansicht von 11. Vier Löcher mit unterschiedlichen Durchmessern (D₁, D₂, D₃, D₄) sind im senkrechten Abschnitt des Ständers 310 dargestellt. Die Schraube 360 dient noch immer als Mechanismus, der den Zylinder 320 mit dem Ständer 310 verbindet und ermöglicht, daß sich der Zylinder dreht. Das erste Paar (kleinerer Durchmesser) der Löcher, D₁ und D₂, benutzt gemeinsam einen konzentrischen Kreis innerhalb des Zylinders 320, während das zweite Paar (größerer Durchmesser) der Löcher, D₃ und D₄, sich einen leicht größeren konzentrischen Kreis innerhalb des Zylinders 320 teilt. Diese konzentrischen Kreise sind bei Betrachtung von 13–14 leicht ersichtlich. 13 ist eine Perspektivansicht der Zylinderbefestigung getrennt vom Rest des Eichgerätes. Der Zylinder 320 ist so drehbar, daß jedes der vier Löcher (D₁, D₂, D₃, D₄) im senkrechten Abschnitt des Ständers 310 mit fünf entsprechenden Zylinderpositionen (L₀, L₁, L₂, L₃, L₄) ausgerichtet werden kann. Somit würde man vier separate Eichgeräte wie jenes, das in 3 dargestellt ist, benötigen, um die Ergebnisse des einzelnen Eichgerätes zu erzielen, das in 11 dargestellt ist.
• Die vorliegende Erfindung bietet zahlreiche wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Zum ersten kann die akustische Intensität, die im Mittelohr absorbiert wird, direkt mit einem einfachen, leicht anwendbaren Gerät gemessen werden. Zum zweiten beseitigt die Messung der akustischen Intensität die Probleme, die sich aus der variablen akustischen Impedanz innerhalb des Mittelohrs ergeben. Drittens wird die Veränderlichkeit bei der Hörpegelmessung in Ohren von Erwachsenen mit normaler Mittelohrfunktion verringert, indem die Eichveränderlichkeit aufgrund von personeninternen Unterschieden bei der akustischen Impedanz reduziert wird. Viertens werden Fehler bei Messungen in Ohren von Kindern und Säuglingen sowie bei Ohren mit vorhandenen Mittelohrerkrankungen reduziert. Fünftens können relativ präzise Messungen des Schalldrucks, der das Trommelfell erreicht, über einen breiten Frequenzbereich (d. h. 40 bis 12000 Hz) durchgeführt werden. Und schließlich können all die obengenannten Aufgaben mit wesentlichen größeren Kosten- und Zeiteinsparungen erzielt werden, als dies derzeit möglich ist. Ergebnisse können in etwa zwei bis drei Minuten im Vergleich zu drei bis vier Stunden erzielt werden, wie dies typischerweise in ABER-Systemen des Standes der Technik der Fall ist.

Claims (12)

1. System zum Messen des akustischen Energieflusses in einem Hohlraum, umfassend: ein Signalprozessormittel; ein Meßfühlermittel (400), das mit dem Signalprozessormittel verbunden ist; ein Hohlraumeichmittel (300) mit einer Vielzahl an Eichholräumen mit ungleichen Längen, wobei das Meßfühlermittel (400) in den Hohlraum einführbar ist und ein periodisches Signal über das Meßfühlermittel (400) in den Hohlraum aussendbar ist, um das Frequenzverhalten des Hohlraums zu messen und dieses zum Signalprozessormittel zu übertragen, wobei das Meßfühlermittel (400) danach in jeden Eichhohlraum eingeführbar ist und ein periodisches Signal in jeden der Eichhohlräume aussendbar ist, um das Frequenzverhalten der einzelnen Eichhohlräume zu messen und dieses zum Signalprozessormittel zu übertragen, und wobei von dem Signalprozessormittel der akustischen Energiefluß des Hohlraums unter Verwendung des gemessenen Hohlraumfrequenzverhaltens und des Frequenzverhaltens der Eichhohlräume berechenbar ist, ein Ohrhörermittel (440), das trennbar mit dem Meßfühlermittel (400) verbunden ist, wobei das Ohrhörermittel (440) ein weiches, elastisches Material umfaßt, um eine luftdichte Abdichtung zwischen dem Meßfühlermittel (400) und dem Hohlraum sowie zwischen dem Meßfühlermittel (400) und den Eichhohlräumen zu ermöglichen, wobei das Ohrhörermittel (440) weiter ein Schallübertragungsrohrmittel (450) umfaßt, das sich entlang der Achse des Ohrhörermittels (440) erstreckt, um das periodische Signal in den Hohlraum oder in die Eichhohlräume zu übertragen, wobei das Hohlraumeichmittel (300) weiter umfaßt: eine L-förmige Sockel- und Ständerkonfiguration (310), wobei der Ständer (310) eine kreisförmige Bohrung (340a) besitzt; einen Zylinder (320), der sich vom Ständer (310) nach außen hin erstreckt und die Vielzahl von Eichhohlräumen (350a, 350b, 350c, 350d) mit ungleichen Längen aufweist, die sich parallel zur Achse des Zylinders (320) erstrecken; und ein Schraubenmittel (360), das sich über die Länge der Zylinderachse in den Ständer (310) hinein und durch diesen hindurch erstreckt, um den Zylinder (320) am Ständer (310) zu befestigen und zu ermöglichen, daß sich der Zylinder (320) um seine Achse dreht.
2. System nach Anspruch 1, wobei das Hohlraumeichmittel weiter ein Meßfühlerkopfstützmittel (330) umfaßt, das sich über den Ständer (310) erstreckt, wobei das Meßfühlerkopfstützmittel (330) einen teilweise ausgeschnittenen, halbkreisförmigen Abschnitt umfaßt, der mit der kreisförmigen Bohrung (340a) im Ständer (310) ausgerichtet ist, um das Meßfühlermittel (400) innerhalb der kreisförmigen Bohrung (340a) aufzunehmen.
3. System nach Anspruch 2, wobei das Meßfühlermittel (400) in einer Meßfühlerspitze (430) endet, wobei die Meßfühlerspitze (430) einen Schallwandler eines Mikrofons und zwei Empfänger umfaßt, die elektrisch mit dem Signalprozessormittel verbunden sind.
4. System nach Anspruch 3, wobei das Schallübertragungsrohrmittel (450) des Ohrhörermittels (440) dazu geeignet ist, den Schallwandler aufzunehmen.
5. System nach Anspruch 4, wobei sich die Eichhohlräume in der Nähe einer Vielzahl an Heizelementen (375) befinden, um die Temperatur in den Eichhohlräumen auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur zu halten, die in etwa gleich ist wie die menschliche Körpertemperatur.
6. System nach Anspruch 5, wobei die Eichhohlräume in einer harten Wand enden.
7. System nach Anspruch 5, wobei die Eichhohlräume in einer bekannten Impedanz enden.
8. System nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Signalprozessormittel um einen digitalen Signalprozessor handelt.
9. System nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Hohlraum um einen menschlichen Ohrkanal handelt.
10. System nach Anspruch 1, wobei das Hohlraumeichmittel eine Vielzahl an kreisförmigen Bohrungen mit ungleichen Durchmessern (D1, D2, D3, D4) umfasst; eine Stirnplatte (370), die über den Ständer (310) gelegt und daran befestigt ist und einen gepolsterten Ausschnitt (380) umfaßt, der die Vielzahl an kreisförmigen Bohrungen mit ungleichen Durchmessern (D1, D2, D3, D4) freilegt.
11. Verfahren zum Messen des akustischen Energieflusses im menschlichen Ohrkanal, umfassend die folgenden Schritte: a. das Messen des Frequenzverhaltens eines Ohrkanals einer Person durch Einführen eines periodischen Signals von einem Schallwandler in den Ohrkanal und das Aufzeichnen des Frequenzverhaltens desselben; b. das Messen des Frequenzverhaltens einer Vielzahl an Eichhohlräumen mit bekannten Geometrien durch Einführen des periodischen Signals vom Schallwandler in die Eichhohlräume und das Aufzeichnen des Frequenzverhaltens derselben; c. das Umwandeln des gemessenen Frequenzverhaltens des Ohrkanals der Person und des gemessenen Frequenzverhaltens der Vielzahl an Eichhohlräumen in den Leerlaufdruck P₀(ω) und die Quellimpedanz Z_s(ω) des Quellsignalgebers; d. das Bestimmen der verfügbaren Leistung Π₊ im Ohrkanal gemäß der folgenden Gleichung:

    

    wobei P₊ die nach vorne gerichtete Druckwelle im Ohrkanal ist, die sich zum Trommelfell hin bewegt, ω die Winkelfrequenz ist, und z₀ die charakteristische Impedanz des Ohrkanals ist, die mit der Formel z₀ = pc/A berechnet wird, wobei p die Luftdichte ist, c die Schallgeschwindigkeit und A die Querschnittsfläche des Ohrkanals; e. das Bestimmen der nach hinten gerichteten Leistung Π_– im Ohrkanal gemäß der folgenden Gleichung:

    

    wobei P_– die nach hinten gerichtete Druckwelle im Ohrkanal ist; ω die Winkelfrequenz ist, und z₀ die charakteristische Impedanz des Ohrkanals ist, die mit der Formel z₀ = pc/A berechnet wird, wobei p die Luftdichte ist, c die Schallgeschwindigkeit und A die Querschnittsfläche des Ohrkanals; f. das Bestimmen der Druckreflexion durch:

    

    g. das Bestimmen der Leistungsreflexion durch:

    

    h. das Bestimmen des relativen absorbierten akustischen Leistungsflusses im Ohrkanal durch:

    
12. Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Messen des akustischen Energieflusses im menschlichen Ohrkanal, umfassend das Verfahren nach Anspruch 11.

Images