RU2572156C1

RU2572156C1 - Instrument for measuring acoustic impedance of middle ear

Info

Publication number: RU2572156C1
Application number: RU2014134801/14A
Authority: RU
Inventors: Сергей Павлович Драган; Алексей Валерьевич Богомолов; Геннадий Григорьевич Ерофеев
Original assignee: Сергей Павлович Драган; Алексей Валерьевич Богомолов; Геннадий Григорьевич Ерофеев
Priority date: 2014-08-27
Filing date: 2014-08-27
Publication date: 2015-12-27

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: instrument consists of a wave-guide interferometer, one end of which is provided with a perforated panel and an open tube for pressure-tight coupling with an ear insert, whereas the other end has a loud speaker connected to an audio signal generator; two points of a side surface of the wave-guide interferometer bear measuring microphones connected to a calculator unit through an analogue-to-digital converter. The open tube is provided with a unit applicable for controlling its position in the external auditory canal and configured as an obstacle distance meter, whereas the calculator unit is provided with a distance display indicator.

EFFECT: using the invention ensures providing more effective measurement results of the acoustic impedance of the middle ear.

25 cl

Description

Заявляемое изобретение относится к приборам для аудиометрических исследований.The claimed invention relates to devices for audiometric studies.

Для дифференциальной диагностики многих заболеваний органа слуха информативными являются величины акустического импеданса среднего уха - сопротивления, оказываемого элементами среднего уха распространению звуковой волны.For the differential diagnosis of many diseases of the organ of hearing, the values of the acoustic impedance of the middle ear, the resistance exerted by the elements of the middle ear to the propagation of a sound wave, are informative.

Из уровня техники известно устройство для неинвазивного исследования барабанной перепонки (патент на полезную модель RU №139254, опубл. 27.08.2008 г.), включающее волновод-интерферометр, один конец которого оборудован перфорированной панелью и открытой трубкой для герметичного сочленения с ушным вкладышем, а другой конец оборудован громкоговорителем, соединенным с генератором сигналов звуковой частоты, причем в двух точках боковой поверхности волновода-интерферометра установлены измерительные микрофоны, соединенные с вычислителем через аналого-цифровой преобразователь. Недостатком этого устройства является отсутствие возможности положения открытой трубки, герметично сочлененной с ушным вкладышем, в наружном слуховом проходе. Отмеченный недостаток приводит к зависимости результатов исследования от того, излучается используемый для исследования полигармонический сигнал звуковой частоты: на барабанную перепонку или на стенку слухового прохода. Это обстоятельство снижает объективность результатов измерений акустического импеданса среднего уха.The prior art device for non-invasive examination of the eardrum (patent for utility model RU No. 139254, published on 08.27.2008), including an interferometer waveguide, one end of which is equipped with a perforated panel and an open tube for tight articulation with an ear insert, and the other end is equipped with a loudspeaker connected to the sound frequency signal generator, and at two points on the side surface of the interferometer waveguide there are measuring microphones connected to the calculator via an th-to-digital converter. The disadvantage of this device is the inability to position the open tube, hermetically articulated with the earmold, in the external auditory canal. The noted drawback leads to the dependence of the research results on whether the polyharmonic signal of sound frequency used for research is emitted: to the eardrum or to the wall of the ear canal. This circumstance reduces the objectivity of the measurement results of the acoustic impedance of the middle ear.

Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение арсенала устройств для аудиометрических исследований.The technical task of the invention is to expand the arsenal of devices for audiometric studies.

Решение технической задачи достигается тем, что прибор для измерений акустического импеданса среднего уха состоит из волновода-интерферометра, один конец которого оборудован перфорированной панелью и открытой трубкой для герметичного сочленения с ушным вкладышем, а другой конец оборудован громкоговорителем, соединенным с генератором сигналов звуковой частоты, причем в двух точках боковой поверхности волновода-интерферометра установлены измерительные микрофоны, соединенные с вычислителем через аналого-цифровой преобразователь, причем открытая трубка оборудована устройством контроля ее положения в наружном слуховом проходе, выполненным в виде измерителя расстояния до препятствия, а вычислитель оборудован индикатором для отображения расстояния.The solution to the technical problem is achieved by the fact that the instrument for measuring the acoustic impedance of the middle ear consists of an interferometer waveguide, one end of which is equipped with a perforated panel and an open tube for airtight articulation with an earmold, and the other end is equipped with a loudspeaker connected to an audio signal generator, moreover at two points on the lateral surface of the interferometer waveguide, there are measuring microphones connected to the computer through an analog-to-digital converter, etc. why the open tube is equipped with a device for monitoring its position in the external auditory canal, made in the form of a distance meter to an obstacle, and the calculator is equipped with an indicator to display the distance.

Устройство контроля положения открытой трубки в наружном слуховом проходе может быть выполнено в виде миниатюрной видеокамеры, а вычислитель оборудован экраном для отображения формируемых ей изображений и клавиатурой для управления видеокамерой (включение/выключение, фокусировка, перемещение объектива в горизонтальной плоскости).The device for controlling the position of the open tube in the external auditory canal can be made in the form of a miniature video camera, and the computer is equipped with a screen for displaying images formed by it and a keyboard for controlling the video camera (on / off, focusing, moving the lens in a horizontal plane).

Миниатюрная видеокамера может быть соединена с вычислителем с помощью кабеля-провода, жестко закрепленного на внутренней стенке волновода-интерферометра и выведенного через его боковую поверхность с сохранением герметичности.A miniature video camera can be connected to the calculator using a cable-wire rigidly fixed to the inner wall of the interferometer waveguide and brought out through its side surface while maintaining tightness.

Миниатюрная видеокамера может быть соединена с вычислителем по радиоканалу.A miniature video camera can be connected to the computer via a radio channel.

Измеритель расстояния до препятствия может быть соединен с вычислителем с помощью кабеля-провода, жестко закрепленного на внутренней стенке волновода-интерферометра и выведенного через его боковую поверхность с сохранением герметичности.The distance meter to the obstacle can be connected to the computer using a cable-wire rigidly fixed to the inner wall of the interferometer waveguide and brought out through its side surface while maintaining tightness.

Измеритель расстояния до препятствия может быть соединен с вычислителем по радиоканалу.An obstacle distance meter can be connected to the computer via a radio channel.

Расстояние от любого микрофона до конца волновода-интерферометра, предпочтительно, превышает десять его диаметров.The distance from any microphone to the end of the interferometer waveguide is preferably greater than ten diameters.

Расстояние между измерительными микрофонами, предпочтительно, находится в диапазоне 0,025λ_min…λ_max/2, где λ_min, λ_max - минимальная и максимальная длина звуковой волны, излучаемая громкоговорителем при диагностике состояния барабанной перепонки, м.The distance between the measuring microphones is preferably in the range 0.025λ _min ... λ _max / 2, where λ _min , λ _max is the minimum and maximum sound wavelength emitted by the loudspeaker when diagnosing the condition of the eardrum, m

Каждый измерительный микрофон, предпочтительно конденсаторный, обеспечивающий линейную частотную характеристику во всем диапазоне частот полигармонического сигнала.Each measuring microphone, preferably a condenser, provides a linear frequency response in the entire frequency range of the polyharmonic signal.

Чувствительность каждого измерительного микрофона, как правило, составляет не менее 50 мВ/Па.The sensitivity of each measuring microphone, as a rule, is at least 50 mV / Pa.

Расстояние между измерительными микрофонами, предпочтительно, составляет 5 см.The distance between the measuring microphones is preferably 5 cm.

Диаметр ушного вкладыша, предпочтительно, равен 7 мм.The diameter of the earmold is preferably 7 mm.

Длина ушного вкладыша, предпочтительно, составляет 5-8 мм.The length of the earmold is preferably 5-8 mm.

Отношение площади отверстия перфорированной панели к площади поперечного сечения волновода-интерферометра, как правило, не превышает 0,1.The ratio of the hole area of the perforated panel to the cross-sectional area of the waveguide-interferometer, as a rule, does not exceed 0.1.

Площадь поперечного сечения волновода-интерферометра, как правило, равна 1 см².The cross-sectional area of the waveguide-interferometer, as a rule, is equal to 1 cm ² .

Диаметр отверстия перфорированной панели, как правило, равен диаметру открытой трубки.The hole diameter of the perforated panel is usually equal to the diameter of the open tube.

Длина волновода-интерферометра, предпочтительно, превышает 1/20 максимальной длины волны используемого полигармонического сигнала.The wavelength of the interferometer waveguide preferably exceeds 1/20 of the maximum wavelength of the polyharmonic signal used.

Волновод-интерферометр может быть изготовлен из стали.An interferometer waveguide can be made of steel.

Волновод-интерферометр может быть изготовлен из жесткого пластика.An interferometer waveguide can be made of hard plastic.

Толщина стенки волновода-интерферометра, предпочтительно, составляет 2-3 мм.The wall thickness of the interferometer waveguide is preferably 2-3 mm.

Ушной вкладыш, как правило, изготовлен из легко деформируемого материала, способного принимать форму слухового канала.An earmold is usually made of easily deformable material that can take the form of an auditory canal.

Перфорированная панель, предпочтительно, может быть изготовлена из пластика.The perforated panel may preferably be made of plastic.

Вычислитель, предпочтительно, может быть оборудован накопителем с энергонезависимой памятью для документирования результатов исследования.The calculator may preferably be equipped with a non-volatile memory drive to document the results of the study.

Вычислитель, предпочтительно, может быть оборудован печатающим устройством для документирования результатов исследования.The calculator may preferably be equipped with a printing device for documenting the results of the study.

Вычислитель, предпочтительно, может быть оборудован передатчиком, осуществляющим передачу результатов исследования на внешнее цифровое устройство по радиоканалу.The computer may preferably be equipped with a transmitter that transmits the test results to an external digital device over the air.

Технический результат заключается в повышении объективности результатов измерений акустического импеданса среднего уха за счет обеспечения контроля положения открытой трубки, герметично сочлененной с ушным вкладышем, в наружном слуховом проходе. Мы говорим об обеспечении контроля положения открытой трубки, достигаемом повышением точности ее позиционирования в наружном слуховом проходе - измеритель расстояния и экран обеспечивают следующее. Мы устанавливаем (направляем) трубку так, чтобы величина расстояния на экране была максимальной: в этом случае полагаем, что трубка направлена не на боковую стенку слухового прохода, а в барабанную перепонку (при повторных измерениях у одного и того же человека манипулируя открытой трубкой добиваемся совпадения расстояния, используемого при ранее выполненном измерении) - точность позиционирования увеличилась.The technical result consists in increasing the objectivity of the measurement results of the acoustic impedance of the middle ear by providing control of the position of the open tube, hermetically articulated with the earmold, in the external auditory canal. We are talking about providing control of the position of the open tube, achieved by increasing the accuracy of its positioning in the external auditory meatus - the distance meter and screen provide the following. We install (direct) the tube so that the distance on the screen is maximum: in this case, we assume that the tube is not directed to the side wall of the ear canal, but to the eardrum (when repeated measurements are taken of the same person by manipulating an open tube, we achieve a match distance used in previously performed measurements) - positioning accuracy has increased.

Функционирование разработанного прибора для измерений акустического импеданса среднего уха состоит в следующем.The functioning of the developed instrument for measuring the acoustic impedance of the middle ear is as follows.

1) Пациента усаживают на стул (на табурет, в кресло и т.п.), в его наружный слуховой проход вставляют стерильный (предпочтительно, одноразового применения) или гигиенически обработанный с помощью дезинфицирующего средства ушной вкладыш, герметично сочлененный с концом волновода-интерферометра, другой конец которого оборудован герметично пристыкованным громкоговорителем, соединенным с генератором полигармонических сигналов звуковой частоты, причем в двух точках боковой поверхности волновода-интерферометра заподлицо с его внутренней поверхностью и с сохранением герметичности установлены два измерительных микрофона.1) The patient is seated on a chair (on a stool, in a chair, etc.), a sterile (preferably one-time use) or hygienic ear piece, sealed to the end of the interferometer waveguide, is inserted into its external auditory canal, the other end of which is equipped with a hermetically docked loudspeaker connected to the generator of polyharmonic signals of sound frequency, moreover, at two points on the side surface of the interferometer waveguide flush with its internal surface and retaining sealing two measuring microphone installed.

2) С помощью устройства контроля положения открытой трубки в наружном слуховом проходе (диаметр устройства не превышает 0,25 диаметра открытой трубки, а установлено оно так, что не выступает из плоскости внешнего сечения открытой трубки) контролируют положение открытой трубки в наружном слуховом проходе:2) Using the device for monitoring the position of the open tube in the external auditory canal (the diameter of the device does not exceed 0.25 of the diameter of the open tube, and it is installed so that it does not protrude from the plane of the outer section of the open tube), the position of the open tube in the external auditory canal is monitored:

устройство контроля положения открытой трубки в наружном слуховом проходе выполнено в виде измерителя расстояния до препятствия, контроль положения открытой трубки осуществляют по информации на индикаторе вычислителя - манипулируя прибором, фиксируют его положение в позиции, соответствующей максимальной дальности до препятствия (в этом случае конец открытой трубки был направлен по оси слухового прохода, а не в его стенку).the device for monitoring the position of the open tube in the external auditory canal is made in the form of a distance meter to an obstacle, the position of the open tube is controlled according to information on the indicator of the calculator - by manipulating the device, fix its position in the position corresponding to the maximum distance to the obstacle (in this case, the end of the open tube was directed along the axis of the ear canal, and not into its wall).

Функционирование измерителя расстояний до препятствия может быть основано на излучении зондирующих и приеме отраженных радиолокационных сигналов или на излучении зондирующих и приеме отраженных сигналов оптического диапазона (в этом случае излучатель зондирующих сигналов представляет собой источник света, а приемник сигналов, отраженный препятствием выполнен как фотоприемник).The operation of the distance meter to the obstacle can be based on the emission of sounding and receiving reflected radar signals or on the emission of sounding and receiving reflected signals of the optical range (in this case, the probe emitter is a light source, and the signal receiver reflected by the obstacle is made as a photodetector).

Если устройство контроля положения открытой трубки в наружном слуховом проходе выполнено в виде миниатюрной видеокамеры, то контроль положения открытой трубки, включив и настроив видеокамеру, осуществляют по информации на экране вычислителя - манипулируя прибором, добиваются, чтобы конец открытой трубки был направлен по оси слухового прохода.If the device for controlling the position of the open tube in the external auditory canal is made in the form of a miniature video camera, then the position of the open tube is controlled by turning on and adjusting the video camera according to the information on the screen of the calculator - by manipulating the device, they ensure that the end of the open tube is directed along the axis of the auditory canal.

3) Установив прибор в требуемом положении, через громкоговоритель в волновод-интерферометр подают полигармонический звуковой сигнал, образованный набором тональных сигналов. Часть этого сигнала поглощается перфорированной панелью и поступает через наружный слуховой проход на барабанную перепонку. Одновременно через аналого-цифровой преобразователь в вычислитель передают информацию с двух измерительных микрофонов (сигнал пропорциональный звуковому давлению, характеризуемый амплитудой и фазой для каждой частоты полигармонического сигнала).3) Having installed the device in the required position, a polyharmonic sound signal formed by a set of tonal signals is supplied through the loudspeaker to the interferometer waveguide. Part of this signal is absorbed by the perforated panel and enters the eardrum through the external auditory canal. At the same time, information from two measuring microphones (a signal proportional to sound pressure, characterized by the amplitude and phase for each frequency of the polyharmonic signal) is transmitted to the computer through an analog-to-digital converter.

4) Обрабатывая зарегистрированную информацию, для каждой частоты полигармонического сигнала определяют уровни звукового давления в двух точках волновода-интерферометра и разность фаз сигналов, регистрируемых измерительными микрофонами на каждой частоте; модуль комплексного коэффициента отражения звуковых колебаний для каждой частоты; коэффициент поглощения; комплексный импеданс барабанной перепонки для каждой частоты; угол отражения звуковых колебаний и другие показатели.4) Processing the registered information, for each frequency of the polyharmonic signal, the sound pressure levels at two points of the interferometer waveguide and the phase difference of the signals recorded by the measuring microphones at each frequency are determined; module of the complex reflection coefficient of sound vibrations for each frequency; absorption coefficient; complex impedance of the eardrum for each frequency; angle of reflection of sound vibrations and other indicators.

5) На основании полученной информации рассчитывают оценку акустического импеданса среднего уха исследуемого уха по одному из диагностических алгоритмов, применяемых в отоларингологической практике. Один из таких алгоритмов предполагает, обрабатывая зарегистрированную информацию, определять для каждой частоты полигармонического сигнала:5) Based on the information received, an estimate of the acoustic impedance of the middle ear of the studied ear is calculated using one of the diagnostic algorithms used in otolaryngological practice. One of these algorithms involves processing the registered information to determine for each frequency of the polyharmonic signal:

- уровни звукового давления в двух точках волновода (Р₁ и Р₂) и разность фаз сигналов, регистрируемых измерительными микрофонами на каждой частоте (φ).- sound pressure levels at two points of the waveguide (P ₁ and P ₂ ) and the phase difference of the signals recorded by the measuring microphones at each frequency (φ).

- модуль комплексного коэффициента отражения (r) звуковых колебаний для каждой частоты:- module of the complex reflection coefficient (r) of sound vibrations for each frequency:

$r = \frac{\sqrt{(N^{2} - 1) + 4 N^{2} (\cos^{2} k L + \cos^{2} φ) - 4 N (N^{2} + 1)} \cos φ \cdot \cos k L}{(N^{2} + 1 - 2 N \cos (k L + φ))}$

,

r = \frac{\sqrt{(N^{2} - one) + four N^{2} (\cos^{2} k L + \cos^{2} φ) - four N (N^{2} + one)} \cos φ \cdot \cos k L}{(N^{2} + one - 2 N \cos (k L + φ))}

,

где N=P₁/P₂ - соотношение уровней звукового давления в измерительных микрофонах на каждой частоте, k=2π/λ - волновое число (пространственная частота), L - расстояние между измерительными микрофонами;where N = P ₁ / P ₂ is the ratio of sound pressure levels in the measuring microphones at each frequency, k = 2π / λ is the wave number (spatial frequency), L is the distance between the measuring microphones;

- коэффициент поглощения α=1-r²;- absorption coefficient α = 1-r ² ;

- комплексный импеданс барабанной перепонки для каждой частоты Z=R+jY,- the complex impedance of the eardrum for each frequency Z = R + jY,

где R - резистанс (активная компонента импеданса), Y - реактанс (реактивная компонента импеданса):where R is the resistance (active component of the impedance), Y is the reactance (reactive component of the impedance):

$R = \frac{1 - r^{2}}{1 + r^{2} + 2 r \cdot \cos θ}$

,

Y = \frac{- 2 r \sin θ}{1 + r^{2} + 2 r \cdot \cos θ}

,

R = \frac{one - r^{2}}{one + r^{2} + 2 r \cdot \cos θ}

,

Y = \frac{- 2 r \sin θ}{one + r^{2} + 2 r \cdot \cos θ}

,

где θ - угол отражения звуковых колебанийwhere θ is the angle of reflection of sound vibrations

θ=arctg[(2NsinkL·(NcoskL-cosφ))/(N²-1-2NcoskL(NcoskL-cosφ))].θ = arctg [(2NsinkL · (NcoskL-cosφ)) / (N ² -1-2NcoskL (NcoskL-cosφ))].

Таким образом, цель применения заявляемого изобретения достигнута за счет того, что открытая трубка прибора оборудована устройством контроля ее положения в наружном слуховом проходе, обеспечивается позиционирование открытой трубки по оси слухового прохода, что, в свою очередь, обеспечивает объективность и воспроизводимость результатов измерений акустического импеданса среднего уха.Thus, the purpose of the application of the claimed invention is achieved due to the fact that the open tube of the device is equipped with a device for monitoring its position in the external auditory canal, positioning of the open tube along the axis of the auditory canal is ensured, which, in turn, provides objectivity and reproducibility of the average acoustic impedance measurements ear.

Описанные элементы заявляемого прибора функционально взаимосвязаны и находятся в конструктивном единстве, а совокупность его существенных признаков неизвестна из уровня техники. Поэтому, по мнению заявителей, заявляемый прибор представляет собой новое техническое решение, относящееся к классу устройств для аудиометрических исследований.The described elements of the claimed device are functionally interconnected and are in constructive unity, and the totality of its essential features is unknown from the prior art. Therefore, according to the applicants, the inventive device is a new technical solution relating to the class of devices for audiometric studies.

Заявляемый прибор может выпускаться предприятиями (организациями) промышленности, специализирующимися на производстве и модернизации аппаратуры для аудиометрических исследований.The inventive device can be produced by enterprises (organizations) of the industry, specializing in the production and modernization of equipment for audiometric studies.

Claims

1. The instrument for measuring the acoustic impedance of the middle ear, consisting of a waveguide-interferometer, one end of which is equipped with a perforated panel and an open tube for tight articulation with an earmold, and the other end is equipped with a loudspeaker connected to an audio signal generator, and at two points of the side The surface of the waveguide-interferometer has measuring microphones connected to the computer through an analog-to-digital converter, characterized in that the open tube is equipped with ana device control its position in the ear canal, designed as a distance measuring instrument to the obstacle, and the calculator is equipped with an indicator for displaying the distance.

2. The device according to claim 1, the device for monitoring the position of the open tube in the external auditory meatus which is made in the form of a miniature video camera, and the computer is equipped with a screen for displaying images formed by it and a keyboard for controlling the camera.

3. The device according to claim 2, the miniature video camera of which is connected to the calculator using a cable-wire rigidly fixed to the inner wall of the interferometer waveguide and output through its lateral surface while maintaining tightness.

4. The device according to claim 2, the miniature video camera of which is connected to the computer via a radio channel.

5. The device according to claim 1, the distance to which an obstacle meter is connected to the calculator using a cable-wire rigidly fixed to the inner wall of the interferometer waveguide and output through its lateral surface while maintaining tightness.

6. The device according to claim 1, the distance meter to the obstacle of which is connected to the computer via a radio channel.

7. The device according to claim 1, characterized in that the distance from any microphone to the end of the interferometer waveguide exceeds ten of its diameters.

8. The device according to claim 1, characterized in that the distance between the measuring microphones is in the range of 0.025λ _min ... λ _max / 2, where λ _min , λ _max is the minimum and maximum sound wavelength emitted by the loudspeaker when diagnosing the condition of the eardrum, m

9. The device according to claim 1, characterized in that each measuring microphone is a condenser microphone that provides a linear frequency response in the entire frequency range of the polyharmonic signal.

10. The device according to claim 1, characterized in that the sensitivity of each measuring microphone is at least 50 mV / Pa.

11. The device according to claim 1, characterized in that the distance between the measuring microphones is 5 cm.

12. The device according to claim 1, characterized in that the diameter of the earmold is 7 mm.

13. The device according to claim 1, characterized in that the length of the earmold is 5-8 mm.

14. The device according to claim 1, characterized in that the ratio of the area of the hole of the perforated panel to the cross-sectional area of the waveguide-interferometer does not exceed 0.1.

15. The device according to claim 1, characterized in that the cross-sectional area of the waveguide-interferometer is 1 cm ² .

16. The device according to p. 1, characterized in that the diameter of the holes of the perforated panel is equal to the diameter of the open tube.

17. The device according to claim 1, characterized in that the waveguide-interferometer exceeds 1/20 of the maximum wavelength of the polyharmonic signal used.

18. The device according to claim 1, characterized in that the waveguide-interferometer is made of steel.

19. The device according to claim 1, characterized in that the interferometer waveguide is made of hard plastic.

20. The device according to p. 1, characterized in that the wall thickness of the waveguide-interferometer is 2-3 mm

21. The device according to claim 1, characterized in that the earmold is made of easily deformable material capable of taking the form of an auditory canal.

22. The device according to p. 1, characterized in that the perforated panel is made of plastic.

23. The device according to p. 1, characterized in that the calculator is equipped with a drive with non-volatile memory for documenting the results of the study.

24. The device according to claim 1, characterized in that the calculator is equipped with a printing device for documenting the results of the study.

25. The device according to claim 1, characterized in that the calculator is equipped with a transmitter that transmits the results of the study to an external digital device over the air.