Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Глава 3
БІОСИГНАЛИ МОЗКУ
3.1. Обробка інформації та мозок
Мозок головний — самий великий відділ центральної не рвової системи, розміщений у черепній коробці. Він складається із п'яти відділів: довгастого, заднього, середнь ого, проміжного та кінцевого мозку. Два останніх іноді об'єднують назвою передній мозок. Задній мозок включає до себе мозочок, який забезпечує відповідність рухів одер жуваній інформації. Кінцевий або великий мозок представ лений півкулями (гемісферами). Основні відділи мозку лю дини зображено па схемі розтину (рис. 3.1).
Проміжний мозок утво рений гіпоталамусом і тала мусом. Усередині головного мозку знаходяться порож нини — шлуночки мозку. І ззовні мозок вкритий моз ковими оболонками. Основ ні відділи мозку та їх функ ції наведено в таб./і. 3.1.
Мозок (encephalon) зрі лого чоловіка має масу б л и з ь к о 1350 г, до р о с л ()ї жінки — близько 1200 г. Мозок використовує при близно 25% кисню із загаль ної кількості, потрібної для людського організму. При цьому мозок складає лише 2% загальної маси тіла людини. За хвилину через мозок протікає від 740 до 750 мл крові. Із старінням проходить зменшення мозку (максимальна маса мозку чоловіків - у віці від 20 до 29 років, жінок - у віці від 15 до 19 років). Мозок втрачає не тільки масу, але й змінює форму. Цікаво, що мозок дельфіна за масою і рельєфністю переважає мозок людини.
Рис. 3.1. Основні відділи головно го мозку людини (розтин): 1 — великі півкулі; 2 — мозолясте тіло; 3 — епіфіз; 4 — мозочок; 5 — довгастий мозок; 6 — міст; 7 — середній мозок; 8 — гіпофіз; 9 — гіпоталамус; 10 — таламус
Таблиця 3.1. Відділи головного мозку та їх функції
|
Відділ мозку |
Функція |
Регулювання процесів |
|
Довгастий мозок |
рефлекторна, провідникова |
дихання, обміну речовин, сер цевої діяльності, жування, ковтання, ссання, потовиді лення, захисні рефлекси, то нус м'язів |
|
Міст |
провідникова |
сполучає середній і довгий мозок |
|
Задній мозок (мозочок) |
рефлекторна |
координація рухів, рівновага, м'язовий тонус |
|
Середній мозок |
рефлекторна, провідникова |
підкіркові центри зору, слуху, тонусу м'язів |
|
Проміжний мо зок (таламус та гіпоталамус) |
провідникова, рефлекторна |
підкіркові центри обміну ре човин, теплорегуляції, інстин ктивні реакції (харчові, обо ронні) |
|
Великий мозок (права і ліва півкулі) |
основа психічної діяльності |
пам'ять, мислення, мова, поведінка |
Головною функцією мозку є обробка та запам'ятовування інформації.
Для фізіології сприйняття вирішальну роль має кінцевий мозок (великий мозок), що складається з двох гемісфер. На них розрізняють чотири частки: лобну, тім'яну, потиличну та скроневу. Сіра речовина мозку на поверхні вкрита мозковою корою (cortex cerebri), площа якої коливається від 1468 до 1670 см2. Товщина сірої кори в окремих областях різна (від 2,7 до 4,5 мм). Мозкова кора налічує шість шарів — від І до VI (від поверхні усередину).
Німецький нейроформолог К. Бродман (1868—1918 рр.) створив карту людського мозку, де виділив 11 областей. Він також створив карти мозку мавп, напівмавп, птахів тощо.
До мозку входить близько 2600000 нервових волокон, виходить з нього — 40000. Відповідно до приблизних оцінок мозок вміщує більш ніж 10 трільйонів (1013) нейронів, які мають більш ніж 10 квадрільйонів (1016) взаємних сполучень.
Ця величезна кількість нервових клітин та їх сполучень роз ташована в об'ємі близько 1 літра.
Якщо припустити, що всі нейрони працюють паралельно — то, виходячи з того, що па один нейрон припадає від 10000 до 100000 сполучень з іншими нейронами, виявиться, що сумарна пропускна спроможність нейронних мереж людського мозку досягає 1014 — 101Ь біт/с, що набагато більше, ніж у сучасних ЕОМ.
Вважають, що один біт інформації проходить до мозку через 100— 1000 сенсорних каналів. Переважна частина цих шляхів може зникнути, нерпі ніж дійде до суттєвого зменшен ня кількості інформації, що приймається. З іншого боку, відомо, що сенсорні рецептори можуть приймати до 109 ін формаційних біт за секунду. До свідомості людини попадає при цьому лише 102 біт/с, а до сталої пам'яті - лише І біт/с. Щоб не сприймати надмірну інформацію, треба авто матично загасити її частину (при цьому, мабуть, йдеться про адаптивну фільтрацію).
Зменшенню кількості інформації сприяє також те, що структури центральної нервової системи (ЦНС) використову ють три можливості відповіді: збудження прийняте і вислане, збудження прийняте і не вислане, збудження прийняте і затримане. Також відомо, що мозок використовує ймовірніс ний підхід з усередненням процесів.
При запам'ятовуванні найважливішу роль відіграють нейронні системи. З їх допомогою інформація заноситься до нам'яті і зчитується з пам'яті. Те, що ми слухали або читали, обмислюється, а висновки заносяться до пам'яті. Аналогічно утворюються нові зв'язки на базі нової інформації і вже існу ючих знань. Найважливішим при цьому є вірне кодування інформації. Деякі ситуації потребують послідовних операцій (послідовне опрацювання), інші — паралельного опрацюван ня. Прикладом послідовного механізму є читання тексту, пара лельного — слухання музики або розглядання картин.
Найновіші знання теоретичної иейрології про роботу мозку для обробки та запису інформації часто дозволяють технікам в галузі обробки інформації на ЕОМ знайти нові підходи та методи. Це, в першу чергу, стосується аналізу мови, розпіз навання оптичної інформації, керування рухами автоматів, де машини дуже відстають від людини.
Із старінням людини деякі нейрони відмирають. Якби це було навіть 10000 нейронів щодня, тоді восьмидесятирічна людина втратила б (10000 х 365 х 80) 292 мільйона нейронів. Із загальної кількості (у середньому) 7-Ю12 цс складало б тільки 0,4%, тобто втрата цих нейронів не впливала б па робо ту мозку.
Старіння дається взнаки і в інших проявах (характер реакцій, швидкість передачі інформації, зміна ємності клі тинної мембрани тощо). Поступове зменшення духовної актив ності людини спостерігається вже після 40 років. Але деякі шедеври — зокрема в галузі мистецтва -— створені у похилому віці (Мікеланжело намалював Страшний суд у Сикстпнськіп капелі у 70 років, а Ті ціан — Христа з терновим вінцем -- у 95 років).
З наведеного ясно, що порушення у духовній діяльності (з порушеннями нам'яті включно) мають ряд причин. Не обов'язково справа полягає у склеротичних змінах судин. До змін у нам'яті доходить у діабетиків, в разі порушень функцій печійки та нирок, хвороб щитовидної залози.
Також виникає анемія внаслідок нестатку заліза та вітаміну В1 (наприклад, у алкоголіків).
3.2. Електрокортикографін (ЕКОГ) та рецепторні області кори мозку
Біопотенціали кори мозку (звичайно перед важливими хірургічними операціями в нейрохірургії) знімають за допомо гою тонких провідників з кулькою на кінці. їх прикладають до топкої мозкової плівки або до кортексу. У порівнянні з електроеицефалограмою (ЕЕГ) сигнал електрокортикограми (ЕКОГ) має більший рівень і суттєво більший динамічний діапазон. Електрокортикографію, наприклад, використовують для кра щої локалізації епілептичного осередку.
Вперше ЕКОГ була знята 6 липня 1924 року психіатром Гансом Бсргером, який зареєстрував ЕКОГ 17-річного чо ловіка після трепанації черепа.
За допомогою ЕКОГ можна також детально встановити проекцію будь-якого сенсорного поля на мозкову кору. Збуд ження периферійних нервів окремими електричними сти мулами, вплив світлових спалахів па сітківку або збудження кохлеарних нервових закінчень короткими звуковими імпуль сами — усе це викликає реакції у відповідних областях кори, коли туди доходять імпульси. В рецепторних областях мозкової кори їх прихід проявляється у зростанні електричної активності. Експеримен тально було перевірено, що мозок дуже чутливо та швидко реагує, па будь-яку зміну у навколишньому се редовищі. Реакції, по в'язані з дійсним розпізна ванням зовнішніх зорових, слухових та інших збуд жень, починаються із запіз ненням близько 300 мс.
Головні моторичні та сенсорні області кори моз ку наведено на рис. 3.2.
Рис. 3.2. Головні могоричні сенсорні області кори мозку
Збудження з поодиноких органів передаються до визначених областей мозкової кори. Для окре мих механізмів фіксації відомі області кори, які ке рують відповідними руха ми. Області кори, що керу ють рухами очей, показано на рис. 3.3.
Рис. 3.3. Області кори, що керують рухами очей
Рис. 3.4. Гістограми порушень мовних функцій
Надзвичайне значення має розташування мовних областей на латеральній поверхні гемісфери людини. Це дозволяє якісно оцінювати різні порушення мовних функцій, а також контролювати ступінь успіху в лікуванні дислексії (не спроможність зрозуміти сенс написаного слова), дисграфії (знижена спроможність навчитися вірно і красиво писати), дислалії (неспроможність вірно утворювати деякі голосні звуки).
На рис. 3.4 наведено порушення різних мовних функцій у вигляді гістограм. Для порушень мовних функцій використані наступні літери:
А - порушення артикуляції;
С - порушення розуміння сенсу слів;
D - порушення у визначенні поняття словами;
Е - порушення писання;
F- порушення зв'язності мови;
L- порушення читання;
R-порушення у повторенні слів.
Висота стовпчика у гістограмі відтворює інтенсивність відповідного порушення.
3.3. Електроенцефалографія (ЕЕГ)
Різницю потенціалів між двома точками на скальпі кроля та мавпи зафіксував ще у 1875 році англієць Річард Катоп. Він також встановив, що кора мозку крім нативиих (патуральних, природних) мозкових потенціалів відображає зміну у потенціалах мозку при збудженні визначеної чутливої афе рентної (тобто в напрямку від периферійних до центральних відділів) системи. 6 липня 1924 року Ганс Бергер одержав перший запис біоелектричної активності мозку людини.
Після покращання забезпечення приладами (в 1926 році Бергер придбав гальванометр фірми Сіменс) він почав реєструвати ЕЕГ з поверхні непорушсиого черепа. В 1929 році Бергер опублікував результати своєї праці — «Uber das Elek-troenzephalogram des Menschen» - ця публікація вважається народженням електроенцефалої рафії.
Нейрофізіологічна природа ЕЕГ в наш час не ясна. Немає доказу, що повільні періодичні хвилі в сигналі ЕЕГ є наслідком підсумовування поодиноких потенціалів дії. Зйом кою ЕКОГ з різних глибин було встановлено, що сигнал ЕЕГ виникає в сірій (але не в білій) речовині.
З початку 40-х років електроенцефалографія набула ве ликого значення не тільки в дослідженнях, але й у клінічній практиці. Сигнал ЕЕГ є носієм інформації про етап (в середнь ому) тисячі нейронів у відповідному інтервалі часу.
Інженер повинен знати, що результуюча сукупність ЕЕГ відображає завжди рівень збудження сукупностей клітин (а не поодиноких нейронів), бо по міжклітинному простору про тікають струми, що водночас вимикають в тисячах нейронів. Тому для вірного відображення мозкової активності не тільки важливо знімати ЕЕГ у великій кількості місць (в зарубіжних дослідженнях іноді вживають більш ніж 48 відведень), але й перед обробкою сигналу забезпечити якнайкращу динаміку 13.1, 3.2].
ЕЕГ вже більш, ніж півстоліття використовують для діаг ностики шерегу захворювань, класифікації сну, анестезії, гіпнозу, інтоксикації організму тощо.
3-3-1- Електроди для зйомки ЕЕГ
Використовують два типи електродів — поверхневі та підшкірні (останні в медицині вживають дуже рідко), звичайно діаметром від 7 до 10 мм, виготовлені па базі срібла. Поверхня електродів хлорована (в розчині 5% NaCl при використанні сталого поляризаційного струму). Окремі електроди індивідуально розміщують па поверхні черепа за вибраним планом, або всю систему електродів фіксують па го лові пацієнта гумовими ремінцями чи розташовують в ЕЕГ-ка-пслюсі.
Для поверхневих електродів має бути забезпечений імпе данс, менший ніж 5 кОм (сучасні технології дозволяють за безпечити імпеданс близько 3 кОм). В разі розміщення мета левого електрода у провідному середовищі утворюється електричний потенціал (між металом та розчином) порядку 100 -200 мВ. Цей сталий потенціал під впливом артефактів за рахунок рухів може мати змінний компонент, який прийде на вхід передпідеил ювача, і етапе причиною коливань сталої складової ЕЕГ. З урахуванням рівня ЕЕГ такі коливання мо жуть бути значно більшими, ніж власний потенціал ЕЕГ. Для зменшення цієї складової електрод не прикладають безпосе редньо до шкіри. Між шкірою та електродом розміщують відповідну провідну пасту або захищають електрод одним — двома шарами тканими, яку змочують попередньо у фізіо логічному розчині.
3.3-2. Розміщення електродів
На початку застосування електроенцефалографії у ме дицині з технічних причин використовували малу кількість електродів, які розміщували у різних медичних установах по-різному. Системи позначали ім'ям автора (наприклад, 12 електродів використовував у двох різних системах Кобб; 16 електродів на поверхні голови декількома способами розміщували за Ф. А. Гіббсом). У 1957 році система розмі щення електродів була узагальнена та прийнята Міжнародною федерацією клінічної слектроенцефалографії та иейрофізіо-л о її ї. Ц ю с и сте м у паз и ва ют ь «10 / 20», ос к і л ь к п в і д ста ні в і д двох крайніх положень у сагітальній (поздовжній) та траисверсальній (поперечній) лініях ділять на сегменти по 10% або 20%. Непарні номери електродів розміщені ліворуч, парні — праворуч (у правій півкулі). Індексом 7 (/.сто нуль) позначені місця електродів посередині.
На рис. 3.5 цю схему детально наведено з позначенням окремих розміщень.
Рис. 3.5. Система розміщення електродів «10/20» в электроенцефалограмі
Ці позначення виходять з позначень областей: Р -фронтальна, Fp – протофронтальна, С - центральна, Р – парієнтальна (тім’яна), О – окципітолярна (потилична).
В системах «10/20» часто використовують також меншу кількість відведень. Найменша кількість відведень три.
Для дев'ятикапальної реєстрації у семи каналах використо вують ЕЕГ (відведення наведені у табл. 3.2) в останніх кана лах - звичайно передають ЕКГ або час і пульс.
Комбінацій системи відведень «10/20» с дуже багато (звичайно їх вибирають для більш точної локалізації джерел аномалій).
Таблиця 3.2
Режими зйомки ЕЕГ. В слсктроснцсфалографії вживають сім наведених нижче режимів зйомки
1) уніполярний режим (система вимірювання) — у цій системі використовують спільний опорний електрод (най частіше цей електрод підмикають до вуха, іноді — з'єднують обидва вуха). Підключення наведено на рис. 3.6, а. Ця система дозволяє краще бачити форму хвиль, рівень ЕЕГ вищий, але хиби локалізації більші, ніж у випадку біполярного режиму;
2) усереднений режим — у цій системі використовують спільний електрод за Гольдманом. Схему наведено на рис. 3.6, б;
3) біполярний режим —
у цьому режимі використо вують множину відведень без спільного опорного електрода. Схему вимірю вань зображено на рис. 3.6, в. Якщо окремі операційні підсилювачі (ОП) позначити номерами згори донизу, інвертуючий вхід К-го ОП завжди підключений
4) вінцеподібний режим — у цій системі використовують електроди, розміщені у поперечних рядках;
5) замкнений біполярний режим — в цьому режимі пари електродів утворюють замкнуте коло;
6) опорний біполярний режим — використовує систему опорних відведень;
7) трикутниковий режим — являє собою спеціальний ва ріант завжди трьох пар біполярних відведень.
Рис. 3.6, в. Біполярний режим вимірювань ЕЕГ
3.3-3- Класифікація ритмів ЕЕГ
Електрична активність мозку може бути:
1) спонтанна (нативна) — звичайно має періодичний ха рактер;
2) наведена (евокована) — при цьому стимуляція звичайно неперіодична, до того ж реакція залежить від гину та вели чини стимулу.
У кожному з відведень на досить довгому сегменті ЕЕГ крім міжвершинного значення напруги розрізняють активності ЕЕГ, відтворювані ритмічним, аритмічним або дисритмічним рядом хвиль. Хвиля може складатися лише з однієї гармо нічної складової (синусоподібна ЕЕГ-активність) або з де кількох гармонічних складових (але з однією домінантною) у цьому випадку її називають мономорфною ЕЕГ-активністю. Нарешті, якщо сигнал ЕЕГ представляють тригонометричним рядом Фур'є з багатьма складовими, то кажуть про полі морфну ЕЕГ-активність. Основну частоту або частоти де кількох визначних гармонічних складових позначають грецькими буквами (альфа, бета тощо).
Нарешті, може йтися про послідовність двох або більшої кількості гармонічних хвиль.
Наступним типом хвилі є поодинока хвиля. Гостру хвилю, яка триває близько 100 мс в окципітальній області, називають лямбда-хвилею. її генезис звичайно пов'язаний із зосереджен ням зору. Якщо зміна ЕЕГ-сигпалу швидка (тривалістю до 80 мс), йдеться про пік. Крім форми пік оцінюють по тому, як він виникає: поодиноко, в сукупності з іншими піками або у комбінації з хвилями.
При цьому виникає шерег характерне пічних комбінацій:
комплекс піка та хвилі (причому повільна хвиля існує від 200 до 500 мс). Можна розрізнити два різні варіанти залежно від послідовності їх виникнення у комплексі;
комплекс багатьох піків та повільної хвилі складові мо жуть при цьому відрізнятися не тільки амплітудою і формою (тривалістю), але й частотою повторення.
Для діагностики (а також і для аналізу у часовій області па ЕОМ) важливо визначити, як виникають описані зміни в ЕЕГ-сигпалі — періодично чи рідко. Важливими є частота хвиль (ритм) і амплітуда гармонічних складових.
3.3.4. Ритми ЕЕГ [3.3-3.5]
Дельта (від 0 до 4 Гц) — є завжди патологічним проявом в ЕЕГ дорослої людини (що не спить) при достатній його амплітуді.
Чим більшу амплітуду має хвиля дельта і чим вона спект рально чистіша, тим більше її патологічне значення. Проте у дітей віком близько 4 місяців базовий ритм ЕЕГ (в нормі) ста повить приблизно 4 Гц.
Хвилі дельта виникають у глибокому сні, трансі та гіпнозі. Уві сні хвилі дельта мають амплітуду 100 мкВ.
Тета (від 4 до 8 Гц) — у здорових людей ці хвилі віпіп кають у темпорал ьній та паріситальній (тім'яній) областях. Якщо у нативному сигналі ЕЕГ ритм тета має малу амплітуду (до 15 мкВ), а ці хвилі з'являються симетрично, не можна тета-активність у молодих людей вважати патологічним яви щем. Тета-хвилі вказують па патологічний стан, якщо їх амплітуда принаймні вдвічі більша за альфа-активність (близько ЗО мкВ, якщо альфа-хвиля відсутня).
Тета- та дельта-активності зменшуються під час психотестів при відкритих очах. Хвилі тета також виникають в ЕЕГ у визначених фазах сну та при глибокому розслабленні, якого досягають люди з багаторічною тренованістю у медитації.
Існування тста-хвиль довів у 1947 році англієць Вільям Вальтер. Часто ці хвилі пов'язані з живими згадками, фан тазіями, образними представами та сном, тобто зі етапами, коли свідоме мислення «відімкнене».
Альфа (від 8 до 13 Гц) — цей ритм у стані без сну макси мальний над задніми областями мозкових гемісфер, до того ж у спокої та при фізичному відпочинку. Найкраще прояв ляється при закритих очах, загасає при їх відкриванні або з початком психічної роботи. Альфа-ритм — це активність оп тичного аналізатора (люди незрячі від народження не мають альфа-активиості). Альфа-хвилі характерні для стану перед сном.
Амплітуда альфа-хвилі досягає 20 — 50 мкВ, час існування поодиноких хвиль — від 80 до 125 мс. У 85% здорових осіб у віці від 20 до 60 років частота альфа-активиості лежить у смузі частот від 9,5 до 10,5 Гц. Більша частота може також вважатися нормальною. Зниження до 8 Гц можна вважати проявом патологічних або інших змін у ЦНС.
Хвилі альфа відкрив у 1926 році Ганс Бергер. На альфа-активність може виразно виливати воля людини.
Зникнення альфа-ритму (називають блокадою альфа-ритму) може мати значення при оцінці реакції мозку на стимули. Блокада виникає, наприклад, при емоційній ак тивізації.
Сигма (періодичний ритм з частотою близько 14 Гц) виникає у III стадії сну. Найкращим чином виявляється фрон тально та фронтоцептрально. Має амплітуду близько ЗО мкВ.
Бета (звичайно розглядають у смузі від 13 до ЗО Гц, іноді у смузі від 18 до 32 Гц). Цей ритм з точки зору локалізації симетричний. Досягає максимуму найчастіше над передніми частинами черепа, здебільшого фронтально. У напрямку на зад — зменшується. Але може бути і трохи асиметричним, па нього впливають рухи очей або пехворобливі стимули. Бета-хвилі типові для зосередження на зовнішніх стимулах, для логічно-аналітичного мислення, для почуття неспокою, страху та гніву. Вони звичайно не загасають від зорового сприйняття чи концентрації уваги.
Амплітуда бета-хвиль ЗО мкВ, тривалість існування від 40 до 50 мс. Збільшена бета-активпість виникає в ЕЕГ після вживання психотропних речовин. Висока питома вага бета-хвиль в ЕЕГ може бути пов'язана із збільшеним виділенням стресових гормонів.
Іноді поняття бета-активність використовують у більш широкому сенсі. Цим поняттям означають високочастотні ритми живих істот (до 500 Гц у котів, від 200 до 300 Гід у мавп) та людини (від 250 до 480 Гц).
Гамма — деякі автори цим терміном позначають активність мозку у смузі від 22 до ЗО Гц.
Рис. 3.7. Приклади ЕЕГ дорослих та дітей (норма та патологія)
Мі-ритм лежить у частотній смузі від 7 до 11 Гц. Має часто гребі її коподібний характер. Пов'язаний з бета-хвилею (є її су б гармоні кою). Виявля ється у 3% досліджуваних, частіше у молодих. Не зага сає з відкриттям очей, але загасає за рахунок рухів (наприклад із стисненням пальців) або концентрації свідомості та рухів очей. Хоча мі-ритм не має пато логічного походження, він найчастіше виявляється у психопатів.
На рис. 3.7 наведено де які приклади ЕЕГ, типові для дорослих та дітей в нормі та патології.
Розглянемо тепер наве дені (евоковані) ЕЕГ. Сти мул супроводжується в ЕЕГ залпами активності, які часто називають 40 Гц-хвилями (у відповідності до середньої частоти цих хвиль).
Додамо також, що реальна частота у залпах активності змінюється від 20 до 90 Гц.
Оскільки у цих залпах відображена одночасна активність багатьох нейронів, у різних відведеннях відповідні сегменти ЕЕГ значно відрізняються один від одного. Але кореляційними методами підтверджено існування однієї й тієї ж активності у цих відведеннях. Крім того, можна в різних відведеннях виділити сполучену форму коливань (несучу хвилю, яка про являється у різних підйомах та спаданнях рівня біосигпалу), які в усіх відведеннях синхронні. Середня амплітуда залпу змінюється: в деяких відведеннях несуча хвиля слабкіша, в деяких — сильніша.
3.3-5. Вплив віку на характер спонтанної ЕЕГ
Є два періоди життя: перший — від народження до зрі лості та другий — старість, для яких виразно змінюється співвідношення базових складових ЕЕГ. У немовлят — змі нюються стани сну та без сну (у сні немовлята мають періоди з відкритими очима), що виразно впливає па характер ЕЕГ. У наймолодших немовлят в ЕЕГ переважають дельта-хвилі, па третьому місяці починає виявлятися ритмічна активність в області від 4 до 5 Гц. На четвертому місяці починає виявлятися тета-активність, а на п'ятому — переважає актив ність па частоті 5 Гц. Після першого року активність лежить вже у смузі від 6 до 7 Гц.
У 2 роки — виявляються бета-хвилі (від 16 до 24 Гц).
У 3 — 4 роки — тета-ритм (від 5 до 6 Гц, іноді — до 7 Гц).
У 5 років — починається активність близько 8 Гц.
У 6 —7 років — стабільний альфа-ритм (з 8 Гц поступово до 11 Гц).
Від 8 до 11 років — зменшується тета-активність, збіль шується альфа-.
У віці 12 — 14 років — знову збільшуються тета-хвилі у фронтальних та парієтальних областях.
Від 15 років — ЕЕГ зрілої особи.
У старості відбуваються відповідні зміни в ЕЕГ, хоча існу ють значні індивідуальні відміни. Типовим є уповільнення альфа-хвиль (зменшення частоти), а також зниження впливу візуальних стимулів. Більше зниження (особливо у жінок) бета-активності, амплітуда якої близько 15 мкВ. Крім того, починає виявлятися тета- і дельта-активпість. Але, якщо ці дві складові домінантні, безсумнівно, це пов'язано з патологією.
У старих людей проходить зміна характеру сну (збіль шуються І та II фази, зменшуються III та IV), що відбивається на ЕЕГ.
3-3-6. Вплив біоритмів на характер ЕЕГ
В ЕЕГ з біоритмів найбільший вилив має 24-годпнпа фаза. Окремі ритми досягають своїх максимумів один раз за 24 години (за винятком дельта-ритму у здорових людей), причому ці максимуми мають місце у різні годний у здорових і хворих людей.
Хронограму для обох груп (для ЕЕГ) наведено па рис. 3.8.
Рис. 3.8. Хронограма хворої та здорової людини
Найбільші зміни спостерігають в альфа-активності, резуль туюча біоелектрична активність мозку (ЕЕГ) у середньому ха рактеризується відхиленням ±14% за 24 години. У дельта-активності розсяг змій становить ±12,3%, а у бета- і тета-, відповідно,— 16,5% та 8%.
Вплив біоритму на амплітудне співвідношення в ЕЕГ більш залежить від віку (особливо в альфа-активності), ніж від статі. Додамо, що статтєві відмінності найбільш виразні у гама-активності.
На рис. 3.8 символами «□» та «•» позначено акрофази 24-годинного ритму ЕЕГ-активності. (Акрофаза — час, що відповідає найвищій точці біоритму).
3.3.7. Активація у наведеній (евокованій) ЕЕГ
В корі мозку електричну реакцію можна викликати різними стимулами. Наведені потенціали мають суттєво більшу амплітуду (більш, ніж у 10 разів), ніж спонтанна ЕЕГ. Але зміни, викликані стимуляцією, іноді досить слабкі (процес проходить так, якби па панівний сигнал ЕЕГ наклався не стаціонарний сигнал малої амплітуди, викликаний стиму ляцією). У цьому випадку для виділення наведених потен ціалів вживають крім кумулятивних методів [ 3.61 також оптимальну фільтрацію. Класифікацію стимулів в ЕЕГ наве дено в табл. 3.3.
Таблиця 3.3. Класифікація стимулів в ЕЕГ
|
Електричні |
Інші фізичні |
Хімічні |
Психоло гічні |
|
керування значень стимулів амплітудою і формою імпульсів |
світловий спалах акустичний імпульс нюховий стимул фізичне наванта ження фізичний біль (удар, пощіпування) |
адреналін психотон гіпнотична дія: (нітрацеиам) психічні ліки: 1 ) стимуляція (фенметразін) 2) антидепресія (мепробамат) 3) нейролептика (тіоридазпн) |
мислення 1 страх розслаб- 1 лешія сонливість сон |
При достатньому інтервалі між двома стимулами можна використати кумулятивний метод для покращання динамічного діапазону викликаної реакції. Це доцільно тому, що потенціал реакції завжди має ту саму полярність. Наведена (евокована) складова в разі вірної стимуляції корелює з альфа-ритмом спонтанної ЕЕГ. Слабкі технічні можливості зменшення альфа-ритму можна компенсувати використанням пеперіо-д и ч н ої с т и м у л я ц і ї.
У випадку фотостимуляції звичайно використовують елект ричний спалах (найчастіше це світлові імпульси з енергією 20 Дж та часом 0,5 мс, які падають па замкнені очі з відстані 40 см).
При фотостимуляції її рівень регулюють за допомогою сірих фільтрів (з відомою оптичною щільністю). Зручніше ви користовувати реверсоваиі шахівниці з постійною яскравістю. Фотостимуляцію реалізують моно- (для одного ока) та бінокулярно (для обох очей).
При звуковій стимуляції характер відгуку залежить від частоти звукового сигналу. її проводять теж моно- та бінаурально.
3.4. Магнетоенцефалографія (МЕГ)
Магнітне поле мозку вперше було виміряне Д. Когепом у 1968 році (з використанням котушки індуктивності з двома мільйонами витків на феритовому осерді). В паш час для цієї мсти майже виключно використовують SQUID-магнетометри, які водночас з досконалим екрануванням місця вимірювань до зволяють досягти результатів, що їх використовують у клінічні й практиці. M а г и е т о м е т р р о з м і тую ть так, щоб середина його реєструючої котушки індуктивності знаходилась у точно визначеному місці над поверхнею голови пацієнта. Для збільшення динаміки сигналу МЕГ слід вживати відповідну методику усереднення. Цим можна загасити одно разові зміни у МЕГ, які можуть бути типовими для па тологічного етапу. Тому краще використовувати адаптивну фільтрацію, яка в паш час при застосуванні багатьох маї петометрів дозволяє картографувати магнітне поле у реально му часі.
МЕГ дуже чутлива до просторо вого розміщення локальних елект ричних генераторів. Особливо це вірно для генераторів, розташо ваних у зовнішніх шарах, тому їм відповідають графослементи, які є лише в МЕГ (їх в ЕЕГ часто зовсім не можна зареєструвати). Навпа ки, якщо існують джерела у серед ніх шарах мозку, то внаслідок їх більшої віддаленості від магнето метра часто їх активність взагалі не виявляється в МЕГ, хоча в ЕЕГ вопи є.
Крім пативпої МЕГ (у здорової людини знову переважає альфа-активпість, якщо очі заплющені) вимірюють та оцінюють наведену МЕГ.
Рис. 3.9. Карта МЕГ для виявлення джерела епілепсії
Рис. 3.10. Еквііндукційні карти МЕГ
У відповідності до закордонного досвіду МЕГ має велике значения у випадку діагностування різних захворювань ЦНС. Наприклад, в лікарнях США, Італії, Гер манії сукупність МЕГ використовують для точної оцінки розміщення джерела епілепсії в мозку пацієнта, яке не реагує на хімічну терапію (рис. 3.9). Хірурги на базі епі лептичних графоелементів мають змогу точніше локалізувати відповідні місця у мозку (чим точніше локалізація, тим менша кількість мозкової тканини видаляється).
Локалізацію дипольних генераторів в наш час здійснюють за допомогою часового шерегу еквііндукційних карт (приклад на ведено на рис. 3.10).
Різниця індукції між сусідніми лініями складає 100 фТл (негативна індукція спря мована усередину черепа, позитивна — у зовнішньому напрямку). Стрілки вказують орієнтацію еквівалентного диполя струму.
З рис. 3.10 можна побачити, що диполі у просторі не тільки зміщуються, але й змінюють свою орієнтацію.
Для діагностики шерегу очних захворювань велике значен ня має точна локалізація дипольних генераторів відгуку, і ї и к л и ка и о го зорово ю ст и м у л я ц і є ю.
Аналогічно, якісну перевірку слухового апарата можна про вести па основі еквііндуктивних карт наведених відгуків після слухової стимул я ці ї.
На рис. 3.11, а для правої гемісфери наведено карти пози тивної (орієнтованої з черепа) та негативної магнітної індукції (орієнтованої до черепа), спричинених топовими імпульсами з частотами, наведеними на кожній карті. На рис. 3.11, б наве дено залежність взаємної віддаленості d між диполями струму
Рис. 3.11. Еквііндуктивні карти МЕГ із звуковою стимуляцією
(які виникають як відповідь на звукову стимуляцію) від час тоти стимулів.
На магнітне ноле мозку впливають також інші види стимулів. Прикладом є часовий шерег еквііндуктивних карт мозку (рис. 3.12) як реакцій на електричне збудження лівої руки.
Віддаленість сусідніх точок па сітці дорівнює 2 см, тому карти відображають область розміром 10x16 см2 на поверхні черепа. Звичайно еквідистаитні карти в МЕГ використовують для відтворення розподілу альфа-активності.
В університеті міста Нью-Йорка демонстрували пристрій Bellevue Hospital Center, який локалізує нервову активність з точністю, кращою за 3 мм. Пристрій складено з 14 SQUID'і в (що є найбільшою кількістю, використаною в одній системі). Сенсори з низькотемпературних ніобієвих провідників охолод жуються у Дюарових посудинах з рідким гелієм. Картографу вання проводиться рухом цих посудин (із кожній сім сенсорів) навколо голови пацієнта. Дослідники сподіваються, що посту пово можна буде розмістити до 100 сенсорів в єдиній Дюаровій посудині і отримати суттєво більше інформації без руху посудин.
Для альфа-активності має місце сильна кореляція між ЕЕГ та МЕГ. ЕЕГ та МЕГ взаємно доповнюють одна одну, що дуже важливо, особливо у початкових фазах пейрологічпих захво рювань.
Рис. 3.12. Часовий ряд еквііндуктивних карт мозку при електричному збудженні лівої руки
Рис. 3.12. Продовження
3.5. Діагностичне використання ЕЕГ та МЕГ
ЕЕГ та МЕГ використовують при діагностиці та оцінці лікування епілепсії, різних неврозів, пухлин мозку, хвороби Альцгеймера, менінгіту, післятравматпчшіх етапів голови тощо. При оцінці ЕЕГ та МЕГ завжди треба виходити з віку особи, менталітету, спадковості, а також дуже ретельно оцінювати місце, з якого проводиться зйомка біосигпалів.
На рис. 3.13 наведено спектри МЕГ, виміряні па поверхні голови пацієнта в точках, позначених буквами а, б, в, г, д, с. Зірочки визначають місця розташування електродів при вимірюванні ЕЕГ (її спектр Фур'є наведений па цьому ж рисунку). При розпізнаванні проявів, що виникають під час сну, важливе значення має поліграфія сну (яку ще називають полісомпографією). Йдеться про одночасний запис ЕЕГ, EOF, ЕМГ м'яза підборіддя та грудей, ЕКГ, а також МЕГ.
Об'єктивний аналіз біосигналів мозку має велике значення при психологічних тестах та встановленні клінічної смерті. Коли перерветься додавання кислію до мозку, слсктро-епцефалографічпий образ змінюється вже після 2 — 8 секунд. Після 15 — ЗО с поступово зменшується рівень ЕЕГ (також МЕГ). Починається швидкий розпад нервових клітин мозкової кори, і по 180 секундах рівні ЕЕГ стають нульовими.
Рис. 3.13. МЕГ, виміряні в точках а, б, в, г, д, е голови
Деякі типові ознаки ненормальних ЕЕГ наведено у табл. 3.4.
Табиця 3.4
|
Характер ЕЕГ |
Причина |
|
Невідповідний альфа-ритм |
Легкі загальні зміни (стани ви снаження у здорових людей, гіпо-гликемія, вживання деяких ліків) |
|
Загасання альфа-хвиль |
Травми голови, зміни в судинах, і пухлини | |
|
Активація альфа-хвиль |
Тимчасова ознака повільно про ходячих змін |
|
Зона дельта-хвиль |
Пухлина або абсцес (тисковий | процес у мозку) |
|
Зона тета-хвиль |
Епілепсія з психічними ознаками |
|
Більша тета-активність з по одинокими дельта-хвилями та уповільненням базового ритму до 7-8 Гц |
Середні загальні зміни епілепсії, мозкові пухлини, загальні мета болічні хвороби, перехідні процеси після травм голови |
|
Домінуючі дельта-хвилі до 3 Гц, які замінюються (часом) тета-активністю, альфа-хвилі відсутні |
Тяжкі загальні зміни (ЕЕГ у несвідомому стані, після епілеп тичного припадку, у діабетичній або- інсуліновій комі, при середньомозкових пухлинах у розвиненому стані) |
|
Часті хвилі на межі альфа-бета-ритмів, коливання частоти альфа-бета-ритмів |
У осіб похилого віку, в разі мігрені, неврозів (зі страхом) та інших психозів |
Для вірної оцінки ЕЕГ потрібна довголітня практика у пейрологічних установах. Для навчання у цьому напрямку е численні атласи.
У відповідних станах доцільно (також у справі додержання законів) об'єктивно встановлювати інтоксикацію алкоголем. Це стало можливим після більш, ніж ЗО років досліджень, які встановили кореляцію між змінами ЕЕГ та обсягом алкоголю в крові. Після вживання вже 50 мл 40° алкоголю здоровою людиною кровообігом алкоголь попадає до мозку. За рахунок алкоголю відбувається загасання альфа-ритму ЕЕГ, а також збільшуються амплітуди повільних хвиль.
3.6. Біологічний зворотний зв'язок
Біологічні процеси, що відбуваються в організмі людини, можна дстектувати (наприклад, хвилі альфа в ЕЕГ, дихання, температуру, частоту нульса, гальванічний опір шкіри тощо). Якщо результати вимірювань перетворити у звукові та світлові сигнали, тим самим можна створити біологічний зворотний зв'язок, оскільки таким чином опрацьована інформація про ходить через відповідний сенсорний орган (зору або слуху) знову до ЦНС. За допомогою біологічного зворотного зв'язку людина може одержати інформацію про наведений стан організму при даному психічному стані.
Метод може бути використаний і із процесах, при яких про ходить авторегуляція вегетативних функцій. Так, у стані медитації йогів в ЕЕГ майже виключно є тільки хвилі альфа. За допомогою зворотного зв'язку (інформації про альфа-активність) для середньої людини можна досягти глибокого відпочинку та розслаблення. Цей зворотний зв'язок можна також використати у психотерапії.
Миттєві значення досліджуваної біологічної активності можна, крім рутинних засобів падання інформації (спе ціальних окулярів, звук), відображати на екрані. За цим ме тодом можна впливати па кров'яний тиск, що мас велике зна чення для гіпертоніків.
3.7. Артефакти при зчитуванні ЕЕГ
Артефакти біологічного походження були визначені у главі 1.
Серед артефактів біологічного походження велике значення відіграє психогальванічна складова (електродермограма), яка в ЕЕГ відображається дуже повільними хвилями (передусім для відведення над передньою частиною черепа). Причиною електродермограми є зміна електричного опору шкіри за раху иок впливу емоцій (потіння), або за рахунок хворобливого сти мулу. Електропотенціали такого типу тривають близько 2 — 3 се купд і мають велику амплітуду.
Регулярний ритм мають артефакти рухів дихання (період від 8 до 12 с), амплітуда яких різна. Причиною цих арте фактів є рухи електродних кабелів (можливо і електродів). Для зменшення цих артефактів треба знайти відповідне поло ження пацієнта.
Артефакти пульсові — вимикають, якщо будь-який елект род розміщений над пульсуючою артерією. Складова артефак ту в ЕЕГ відповідного відведення присутня у вигляді повільної хвилі з частотою, яка дорівнює пульсу. Подавлспня артефакту здійснюється переміщенням відповідного електрода.
Артефакти ЕКГ — мають частоту скорочень серця. В ЕЕГ проявляються у вигляді пікових хвиль (в інтервалі ОИЗ-ком-плексу) і мають звичайно малу амплітуду. Відносний рівень до ЕЕГ залежить від режиму реєстрації останньої. Велике зна чення має у пацієнтів з кардіостимуляторами, причому поло ження пікових хвиль залежить від режиму роботи кар-діостимулятора.
Артефакти, викликані рухами очей. Електроокулогра-фічний (ЕОГ) потенціал про являється особливо у фрон тальних відведеннях ЕЕГ. Приклад наведено па рис. 3.14. Частота артефакту відповідає дельта- та альфа-хвилям. При закритих очах ця складова виключена (хоча в деяких випадках лише частко во). Корекцію цього артефакту (знаючи складові ЕОГ) можна провести як у часовій, так і у частотній областях.
Рис. 3.14. Артефакти, викликані рухами очей
Для отримання якісної ЕЕГ можна провести попереднє вимірювання складових ЕОГ (передусім її горизонтальних складових з обох очей). На рис. 3.15 наведено ці складові: ЕОПІ — з правого ока, ЕОГЕ — з лівого. Після відповідного вагування окремих складових їх сума віднімається від ви хідної ЕЕГ (па рис. 3.15 цей результат позначено як «скориго-вана ЕЕГ»).
Рис. 3.15. ЕОГ правого та лівого ока і коригування ЕЕГ
3.8. Аналіз ЕЕГ у часовій області
Оцінка ЕЕГ лише у часовій області і у випадку припущення про ефективне подавления артефактів різного походження і достатньої динаміки досліджуваного сигналу с дуже складною проблемою. Причина — як в кількості каналів (в клінічній практиці часто вживають 28 канали ЕЕГ), тривалості реєстро ваних повідомлень (найчастіше йдеться про сегмент три валістю 5 с), так і в шерезі суб'єктивних впливів. Досі неясне діагностичне значення усіх графослементів ЕЕГ, що по силюється (па відміну від ЕКГ) їх великою морфологічною різноманітністю [3.3 — 3.5].
Для збільшення ефективності ЕЕГ у практиці звичайно на магаються вживати комбінації різних методів (включаючи і частотний аналіз). Це відноситься до адаптивної сегментації ЕЕГ-сигналу, використання методів розпізнавання образів у разі автоматичного аналізу ЕЕГ і, передусім, у випадку діалогу лікаря із спеціалізованою обчислювальною системою для аналізу ЕЕГ.
Далі обмежимось лише базовими кроками аналізу ЕЕГ у часовій області.
Для діагностичного використання, передусім, важливо із всієї активності мозку відділити (А) базову (спонтанну) електричну активність від (В) евокованої електричної актив ності. Далі треба провести відділення регулярної (ритмічної) активності від швидких перехідних хвиль, які в ЕЕГ часто є характеристичною ознакою спілсптогеипих порушень. Вони бувають двох видів:
1) вістря (spikes) тривалістю менше 70 мс;
2) хвилі з вістрями (sharp wawes) тривалістю більше 70 мс. Далі проводиться чисельна оцінка параметрів цих хвиль
(крутизна, параметри комплексів хвиль, які відповідають відомим захворюванням).
Для сигналів типу (В) треба розрізняти:
1) наведені потенціали (первинні, вторинні);
2) наведені комплексні реакції (підсилення або послаблен ня ритму, наведені комплекси вістря-хвиля, наведені тета- та дельта-хвилі тощо).
На базі аналізу у часовій області також можна приблизно характеризувати поодинокі базові ритми (за оберненим зна ченням величини їх періоду). Передусім, за рахунок постачан ня крові у мозок має місце амплітудна модуляція альфа-активності ЕЕГ (рис. 3.16), причому глибина модуляції залежить від максимальної амплітуди огинаючої (рис. 3.17, а), або у випадку «перемодуляції» індекс моду ляції встановлюють за співвідношеннями, наведеними на рис. 3.17, 6.
Для об'єктивної оцінки змін ЕЕГ у часовій області зручно використовувати інтервальний аналіз, основою якого є вста новлення тривалості часових сегментів між переходами сигналом нульових або вибраних рівнів. Використовують також першу похідну біосигналу або спряжений за Гільбертом образ ЕЕГ |3.7-3.9].
Рис. 3.16. Амплітудна модуляція альфа-активності ЕЕГ
Рис. 3.17. Огинаюча модуляція альфа-активності
Після встановлення цих інтервалів (наприклад, в 5-сс-кундпій ЕЕГ) в окремих відведеннях результати зручно пред ставити у вигляді інтервальних гістограм. Таким чином можна оцінити і асиметрію обох гемісфер, а також частоту появи амплітуд окремих сплесків у даному сегменті ЕЕГ (амплітудна гістограма).
Подальшими діагностичними ознаками можуть бути абсо лютний діапазон зміни сигналу, швидкість зміни сигналу кру тої хвилі ЕЕГ (для оцінки використовують, наприклад, Р1 = 5,6 мкВ/с; Р2 = 12 мкВ/с), кількість сплесків у даному часовому інтервалі тощо.
Велике діагностичне значення мас встановлення амплітуд базових ритмів у даному сегменті ЕЕГ. Наприклад, для альфа-ритму за «середнє» значення вважають амплітуду між 40 і 80 мкВ.
Як для ЕКГ, так і для інших біосигналів для оцінки моз кової діяльності велике значення має часова послідовність карт, які відтворюють (у даний момент) розподіл ізо-потеиціалів па поверхні голови.
3-8.1. Довготермінова архівація ЕЕГ
Спроби коитіпуальної архівації ЕЕГ почалися вже у 1947 році. Спочатку це були лише 4-капальні, пізніше — 8-ка пальні ЕЕГ, причому перші сегменти запису були тривалістюблизько 80 с. В 1949 році Холтср і Джсисреллі записали ЕЕГ особи па велосипеді.
Система Холтера використовувалась також для 24-годинного запису одноканальної (пізніше 4-канальної) ЕЕГ.
Перші практично корисні довготермінові записи ЕЕГ вже у повній мірі використовували в біорадіотелеметрії (1971 — 1974 pp.). Так, наприклад, у 1971 році були зареєстровані сигнали ЕЕГ футболістів, пілотів, астронавтів та епілептиків. У 1972 році використовували 4-капальний професіональний звуковий аналоговий магнітофон (зі стандартними касетами). Після модернізації в 1974 році на касету С-120 проводили запис ЕЕГ вже протягом 24 годин. Запис ЕЕГ па системі Хол тера мав рівень шуму близько 50 мкВ, що дорівнювало амплітуді нормального панівного ЕЕГ-сигпалу. Тому з такого запису надійно могли бути ідентифіковані лише сплески та ба зові хвилі мозкової активності.
Далі система Холтера була модернізована і змогла реєстру вати 4-каиальний ЕЕГ-сигиал.
Поява ЕОМ типу PDP-12 зробила можливими мульти-плекеацію 16-капального ЕЕГ-сигпалу і перше досить комплек сне його опрацювання. Далі для запису ЕЕГ почали вживати мікро-ЕОМ Intel 8085 з пам'яттю RAM в 1 Мбіт. У багатока нальних ЕЕГ один окремий канал вживають для запису часових параметрів.
Відтепер для автоматичної оцінки 16- або 24-каиальпої ЕЕГ використовують реєстрацію трьох сегментів (протягом доби). При оцінці сну знімають 16- або 24-канальиі ЕЕГ (часто з дому через телефонну мережу до медичного закладу). Використову ють звичайно 24-секупдні сегменти з інтервалом в 5 хвилин з 23-ї до 7-ї години ранку.
Частотна смуга амбулаторної ЕЕГ становить від 0,5 до 70 Гц (дискретизація у цьому випадку — 200 дискретів/с на один канал). В клінічній ЕЕГ використовують підсилювач па шиї з розмірами близько (1 х 2 х 2) см, масою приблизно 10 г. При підсиленні Av = 20 можна досягти рівня шуму 2 мкВ.
3.8.2. Відновлення (репродукція) ЕЕГ-запису
Якщо для друкування результатів (24-годипної реєстрації) використовувати друкарню, то при швидкості переміщення паперу ЗО мм/с такий друк вимагав би 8650 сторінок.
Фірма Oxford Medical використовує монітор для відобра ження 8- або 16-секундних сегментів запису.
Записані дані можна читати із швидкістю у 20, 40, 60 разів більшою, ніж наведена вище. Це означає, що 24-годинний запис можна відтворити за 72, 48, 24 хвилини відповідно.
3.9. Аналіз ЕЕГ у частотній області
З усіх біосигпалів аналіз у частотній області Фур'є най більш використовують саме для ЕЕГ.
Припускаючи періодичне повторення даного сегмента ЕЕГ (цим визначаються і вимоги до розміщення часового вікна — значення сигналів на його початку та в кінці мають спів падати) можна обчислити окремі трансформацій з використан ням вибраної сукупності базових функцій. Кількість часових дискретів вибирають відповідно до довжини часового сегмента та потрібної роздільної здатності у частотній області (у випадку тригонометричного ряду Фур'є так визначають відстань між двома сусідніми гармоніками).
Наприклад, якщо довжина сегмента ЕЕГ Т. = 5,12 с, то при періоді дискретизації у 10 мс одержимо N = 512 дискретів.
Враховуючи ній рину частотної смуги ЕЕГ, часто вибирають відстань між гармоніками 0,2 Гц з максимальним значенням частоти смуги 25,6 Гц (тобто мінімальна частота дискретизації дорівнює 51,2 Гц). Такі значення використовують при обробці сегментів ЕЕГ (якщо тривалість обробленої ЕЕГ 160 с, цей сигнал можна поділити па 32 сегменти по 5 с, кожен з яких представлений N = 512 дискретами у векторі даних).
При відображенні часового розвитку спектра часто використовують двовимірне ( 2 Д) зображення: на горизонтальній осі відкладають частоту, друга вісь репрезентує час, а вертикальна вісь — амплітуди гармонік.
Для діагностики велике значення має зміна за часом енер гетичного спектра ЕЕГ за Фур'є. Приклад після вживання Diazepam'у (який починає впливати на мозкову діяльність після близько 6 хвилин), тобто приклад фармако-ЕЕГ, наве дено на рис. 3.18.
Рис. 3.18. Часовий розвиток спектра ЕЕГ за Фур'є після вживання
З урахуванням більш швидкого обчислення перетворення Уолша у порівнянні до ШПФ (при використанні швидкогоалгоритму Уолша - ШПУ) використовують також енце фалографію в області Уолша. Порівняння обох спектрів ілюструє рис. 3.19 [3.10].
Для вибраної довжини сегмента Т., якщо символом к поз начити індекси (номери) окремих трансформапт, одержимо різні енергетичні спектри
Рис. 3.19. Часовий розвиток спектрів ЕЕГ за Уолшем (ліворуч) та Фур'є (праворуч)
Конкретний алгоритм завжди складається із серії взаємно пов'язаних кроків і має наступний вигляд:
1) активним смуговим фільтром обмежують спектр сигналу (наприклад, г є [0,1 — 45] Гц), крутизна АЧХ (за смугою про зорості) досягає 7 — 48 дБ/октаву);
2) утворюють сегменти ЕЕГ;
3) проводять їх квантування (або дискретизацію) най частіше з еквідистантпими дискретами з частотою, не меншою 100 Гц;
4) після обчислення енергетичних спектрів ХF2(к) або ХW,2(к) проводять оцінку потужності у важливих (з діаг ностичної точки зору) субсмугах. Для швидкої орієнтації іноді доцільно виразити результату відносних потужностях (%), які попадають па частотні субсмуги, що відповідають хвилям дель та, тета, альфа та бета. Дуже наочно для відповідного сегмента ЕЕГ накреслити отриманий спектр для конкретного відведення на поверхні голови.
Складові потужності в окремих підсмугах можна також зоб разити па одному рисунку одночасно для лівої та правої гемісфер (це робить, наприклад, Histomat S, що виробляється французькою фірмою Intertechniqe — див. рис. 3.20, де зобра жені такі субсмуги: 1) від 1,5 до 4 Гц; 2) від 4 до 7,5 Гц;3) від 7,5 до 10 Гц; 4) від 10 до 12,5 Гц; 5) від 12,5 до 18,5 Гц; 6) від 18,5 до 21 Гц; 7) від 21 до ЗО Гц.
Асиметрія гемісфер (за ЕЕГ) буде визначена відніманням відповідних гістограм (нижня частина рис. 3.20).
Рис. 3.20. Спектри ЕЕГ двох гемісфер
Для оцінки періодичної активності ЕЕГ в деяких установах також вживають кореляційні функції (взаємна та автокоре-ляційиа функції) |3.11, 3.12].
Нагадаємо, що взаємний енергетичний спектр Схх,(со) двох стаціонарних ергодичних процесів х(г) та у (О визначається перетворенням Фур'є взаємної кореляційної функції.
Методи взаємної кореляції між ЕЕГ-спгиалами, зчитаними з різних областей мозку, дають можливість пояснити структу ру нейрониих мереж.
Обробка ЕЕГ у частотній області дозволяє також ефек тивно подавити артефакти (за допомогою єн ері етичних спектрів).
Якщо спектри ЕЕГ та вертикальної ЕОГ виражені у лі нійних мірах, то окремі максимуми у низькочастотній області в обох спектрах співпадають. Результуючий спектр відповідно скоригованої ЕЕГ отримують відніманням обох спектрів, що еквівалентно фільтрації у часовій області.
Для зменшення артефактів в ЕЕГ можна також вико ристати когерентність. Когерентність визначає лінійну за лежність одного процесу від іншого (це спектральна аналогія кореляційної функції). Для логарифмічних спектрів ЕЕГ (рис. 3.20) та ЕОГ (рис. 3.21) їх когерентність ілюструє рис. 3.22. Тут 80% значення перевищують піки на частотах 0,25; 6,25; 10,75 Гц. Відношення обох спектрів з рис. 3.21 та рис. 3.22, надане в децибелах, показує па спектрі рис. 3.24 велику альфа-активність поблизу частоти 11,5 Гц.
Для об'єктивної оцінки фази сну та інших клінічних до сліджень (в першу чергу в нейрології) доцільно встановити ча сову залежність когерентності. На графіках (рис. 3,25) наве дені зіглчсипя когерентності в інтервалі 60 є (окремі горизон тальні осі накреслені з інтервалом 1 є). Для наочності у вигляді трикутників наведені лише ті значення когерентності, які досягають рівня, вищого за 0,9.
У лівій частині рис. 3.25 наведено значення когерентності у фазі спокою (яку також називають фазою синхронною), коли зменшується тонус м'язів, сповільнюється ритм дихання та серцевий ритм. (В залежності від активності ритмів сой ділять на поверхневий та глибокий).
У правій частині рис. 3.25 наведені домінантні значення ко герентності, знайдені для парадоксального сну, який супро воджується швидкими рухами очей під повіками. Скорочено цю фазу позначають REM (Rapid Eyes Movements). Швидкі рухи очей відбуваються чотири -шість разів за ніч, вперше за 1—2 години після засинання. Портрет цієї фази сну багатший не тільки за рахунок складових ЕОГ та ЕМГ. Тут також мають місце швидкі ритми ЕЕГ. Тривалість парадоксального сну ста новить близько 20% загальної тривалості сну (інтервал такого сну вранці зростає).
Часто п'ять фаз сну позначають літерами А, В, С, D, Е. У фазі А найбільше проявляється альфа-ритм. У фазі В (дрімота) — альфа-ритм подавляється, але з'являються невеликі тета-хвилі. У фазі С (поверхневий сон) ще більше знижуються основні частоти ЕЕГ і з'являються дельта-хвилі. При цьому періодично з'являються частотні пачки з частотою 12 — 15 Гц. У фазі D (середиьо глибокий сон) в ЕЕГ є дель та-хвилі разом з комплексами хвиль. У фазі Е (дуже гли бокий сон) — в ЕЕГ майже тільки повільні дельта-хвилі.
Рис. 3.25. Функція когерентності у часовому розвитку для двох фаз сну (спокою — ліворуч та парадоксального — праворуч)
3.10. Вейвлет-аналіз ЕЕГ
Як вже відзначалося, ЕЕГ-сигпал є складним, і його ста тистичні властивості залежать [3.13] від місця вимірювань (па голові пацієнта) і від часу. У цьому сенсі сигнал ЕЕГ є не стаціонарним, а з динамічної точки зору його поведінка хао тична.
Тому для аналізу сигналів ЕЕГ доцільно використовувати вейвлет-функції (див. Додаток Б).
Одним з медичних застосувань вейвлет-аналізу є виявлення впливу алкоголю на плід під час вагітності. Як відомо, алко голь може погано вплинути на немовля, спричинюючи розумо ву відсталість та порушення роботи деяких нервів обличчя. Навіть невеликі дози алкоголю сильно виливають на немовля: дослідження показали, що вживання вагітною жінкою лише одного ковтка горілки (менш, ніж 15 мл алкоголю) може загасити дихання ембріона майже на годину.
Всйвлет-перетворення використовують для реєстрації змій ЕЕГ плоду, пов'язаних із ступенем розвитку, віком та вживан ням ліків. Зокрема, були проведені дослідження впливу мор фію па дихання плоду. Для цього використовували метод «по шуку сні впадіння» вейвлет-фупкці й [3.14]. Для цього оби рають вейвлет-функції, близькі за формою до хвиль ЕЕГ. Такий підхід значно поширює можливості діагностики за ЕЕГ у порівнянні до локального перетворення Фур'є.
Іншим важливим застосуванням вейвлет-аналізу в дослід женні діяльності головного мозку є використання цього мате матичного апарату при діагностуванні епілепсії |3.14, 3.15|. Була показана принципова можливість часово-частотиого (або масштабно-частотного) діагностування епілепсії, оцінки меж уражень мозку при епілептичних та апоплексичних ударах.
При вейвлет-аналізі ЕЕГ найчастіше материнською функ цією (див. Додаток Б) обирають |3.15| першу похідну від функції Гауса
При використанні цієї вейвлет-функції проводять «ви мірювання» похідних ЕЕГ-сигпалу, тому її можна застосову вати для детектування «плаваючих» зубців (ознак епілепсії). До того ж ця функція має смугову частотну характеристику.
Всйвлет-перетворення ЕЕГ з масштабом (scale) а роблять дискретним за цим масштабом а = 2J (j = 1, 2, 3, 4, 5, 6).
Після дискретизації ЕЕГ за часом (з частотою дискре тизації 64 Гц) сигнал (і вейвлет) представляють набором дискретних відліків (з шістьма масштабами). За отриманими вейвлет-перетворепнями будують скейлограму [3.161, що є дуже зручним матеріалом для детектування наявності (або відсутності) характеристичних епілептичних зубців ЕЕГ.
Література до глави З
3.1. Barlow J. S. Computerized clinical encefalographv in perspec tive // IEEE Transact.- BME-26.- № 7.- 1979.- P. 377-391.
3.2. Bronzino J. D. Quantitative analysis of EEG // IEEE Tran sact. - BME-31.- № 12.- 1984.- P. 850-856.
3.3. Majkowsku J. Atlas electroencefalografii. Panstwowy zaklad wydawnictw lekarskich. — Warsava: 1. vyd., 1975.— 2. vyd., 1990.
3.4. Okyer J. G., Ktonas P. Y.f Meyer J. S. Quantification of the alpha EEG modulation and its relation to cerebral blood flow // IEEE Trans.- BME-33.- № 7.- 1986.- P. 690-696.
3.5. Simek J., Stein J. Jak cist electroencefalogram. — Praha: Statin zdravotnicke nakladatelstvi, 1969.
3.6. Абакумов В. Г., Геранін В. О., Рибін О. I., Ceamoiu Й., Синєкоп Ю. С. Біомедичні сигнали та їх обробка.— Київ: ТОО «ВЕК+», 1997.- 352 с.
3.7. Кирпиченко А. А., Головач А. А., Филимонова Т. Д. Алко голизм — нейрофизиологические механизмы.— Минск: Беларусь, 1981.
156
БІОМЕДИЧНІ СИГНАЛИ. Генезис, обробка, моніторинг
3.8. Krajca V., Formanek J., Petranek S. Srovnani tri pristupu к adaptivni segmentaci EEG signalu // Lekar a technika 17.- № 4 -1986.- S. 68-74. ' '
3.9. Kypam Б., Камманн X. Методический материал для полу чения клинического результата по ЭЭГ с помощью ЭВМ // Авто метрия.- № 4.- 1981.- С. 112-120.
3.10. Dzwonczyk R., Howie М. В., McDonald J. S. A comparison between Walsh and Fourier analysis of the electroencephalogram for tracking the effects of anesthesia // IEEE Transact.- BME-31 -№ 8.- 1984.- P. 551 -556.
3.11. Ebersole J. S. Ambulatory EEG monitoring. - N. York- Raven Press, 1983.
3.12. Isaakson A., Wennberg A., Zetterberg L. H. Computer analy sis of EEG signals with parametric models // Proceedings of the IEEE-69.— № 4.— 1981.— P. 451—461.
3.13. Blanco S., Kochen S.. Rosso O. A., Said ado P. Applying Time-Frecuency Analysis to Seizure EEG Activity // IEEE Engeneering in Medicine and Biology.- № 1.- Vol. 16.- 1997.- P. 64-71.
3.14. Akay M. Wavelet Application in Medicine // IEEE Spect rum.- № 5.- Vol. 34.- 1997.- P. 50-56.
3.15. Hagara M., Chmurny J., Zidek F., Magdolen J. Biosignal Processing with Wavelets // J. Electrical Engineering.- No 3-4 -Vol. 47.- 1996.- P. 67- 73.
3.16. Young R. K. Wavelet Theory and its Applications.- Boston-Klenver Academic Publishers, 1993.
Глава 4
БІОСИГНАЛИ М'ЯЗІВ
4.1. М'язові клітини, волокна та моторичини
елемент
'язова тканина — це тканина мезодермальпого поход ження, клітини якої можуть скорочуватися. В залеж ності від будови розрізняють гладку та поперечносмугасту м'язову тканину (рис. 4.1). Гладка м'язова тканина зна ходиться в стінках судин та внутрішніх органів. її клітини мають веретеноподібну форму та овальне або паличкоподібне ядро. У цитоплазмі клітини знаходяться міофібрили, які роз ташовані паралельно подовжній осі клітини. Вони й утворю ють гладкий м'яз. Особливою властивістю гладких м'язів с їх здатність до автоматичних спонтанних скорочень. Регуляцію діяльності гладких м'язів викопує вегетативна нервова система.
Скелетні м'язи утворюються поперечносмугастою м'язовою тканиною. Клітини такої тканини, тобто м'язове волокно, скла дається з подовжних міофібрил, великої кількості ядер і обо лонки (сарколеми) фібрилярної будови. Міофібрили побудо вані із світлих та темних почережиих дисків. Однорідні (тобто темпі або світлі) диски розташовані на одному рівні, тому во локно має поперечну смугастість. М'язові волокна з'єднуються у м'язові пучки, а пучки — у м'язи. Скорочення м'язових во локон і м'язів виникає внаслідок приходу нервових імпульсів від центральної нервової системи. Скорочення м'язів від бувається із значним споживанням енергії.
Як окремий вид поперечносмугастої м'язової ткапнни виділяють атипічну м'язову тканину серця (вона утворює міокард), особливістю якої є подовжппй, круговий та вихо роподібний напрямки м'язових волокон (рис. 4.1, в).
Рис. 4.1. Структура м'язової тканини: 1 — ядра; 2 — поперечна смугастість
У більшості тварин і людини м'язи входять до органів, що виконую т ь функції руху і забезпечу ють пересування тіла і окремих його частин у просторі.
У дорослої людини ма са м'язів становить 42% від загальної маси тіла, у немовлят — більше, ніж 20%. При старінні маса м'язів зменшується до 25-30%.
М'язи утворюються довгими волокнами вере тенної форми довжиною 15ід 4,5 до 200 мм (їх діаметр звичайно від 50 до 100 мкм). Тонкі м'язові волокна складаються з білкових молекул, які називаються акті нами, а товсті — з молекул, які називають міозінами. М'язові волокна розрізня ються за розмірами, влас тивостями, силою, швид кодією та здатністю до довготермінової праці. Кожне волокно складається з (міофібрії діаметром 1—2 мкм).
Рухи тіла людини забезпечуються більш ніж 630 м'язами. (Для порівняння — деякі гусениці мають до 4000 м'язів). Найбільший м'яз людини — m.glutacus — спроможний розвинути силу до 12000 Н, найменший — m.stapedius — мас діаметр близько 0,13 мм.
М'язи отримують моторичне збудження (інервацію) за рахунок збудження нервів руху. Збудження одного нервовою волокна завжди вводить у дію декілька волокон м'яза, які розташовані тісно один до одного.
Периферійний мого ричили нейрон (мотоней-рон) та сукупність інерво-ваних ним волокон м'яза утворюють моторичний елемент (рис. 4.2). Роз міри моторичпих елемен тів значною мірою зале жать від типу м'яза (вони зворотні до точності руху, що викопується даним м'язом). Найменші м'язи — ті, що відповідають за рух очей (у моторичному елементі лише від 8 до 13 волокон), найбільші — кінцівок, де моторичний елемент складається приблизно з 750 волокон. Максимальна сила різних моторичних елементів різна (для очей — близько 0,001 Н, для м'яза руки - 0,5 Н).
Рис. 4.2. Окреме м'язове волокно з нервовими закінченнями та кровоносними судинами
4.2. Генезис біосигналів м'язів
4.2.1. Збудження м'язів
Усі еферентні волокна, що підходять до волокон м'язів, спричинюють скорочення волокон (немає волокон, збудження яких викликає подовження м'язів). Сила, що досягається при скороченні м'язових волокон, залежить від частоти стимуляції. При збудженні моторичного нерва єдиним падпороговим стимулом після короткого латентного інтервалу (близько 100 мс) відповідна до нього сукупність волокон м'яза (тобто моторичний елемент) реагує (контрагує), а далі релаксуе. При підвищенні інтенсивності збудження контрагує все більше су купностей волокон м'яза, тобто підвищується сила, що розвивається м'язом. При максимальній стимуляції має місце контракція усіх його волокон.
Якщо діють два стимули, то результуюча міографічиа крива залежить від інтервалу між цими збудженнями. Якщо цей інтервал достатньо довгий, виникають дві ізольовані реакції (рухи). При зменшенні інтервалу картина змінюється. Три приклади наведено на рис. 4.3. Нижня штри хова крива являє собою відгук м'яза при збуд женні моторичного нерва єдиним максимальним стимулом. Нерозривна лінія ілюструє відгук м'яза, коли за першим стимулом діє другий: а) під час зростання на пруження; б) на вершині контракції; в) в інтервалі релаксації. В усіх наве дених прикладах напруження м'яза збільшується.
Якщо інтервал між стимулами малий, відгук м'яза зале жатиме не тільки від їх інтенсивності, але й від частоти. За малої частоти стимулів (для ссавців від 10 до 20 стимулів за секунду) відгук має осциляційний характер, оскільки окремі контракції не зливаються в єдину. При збільшенні частоти стимулів (до 60 за секунду) відбувається повне механічне
злиття окремих контракцій (повний тетанус).
Рис. 4.3. Реакція м'яза на збудження моторичного нерва єдиним максимальним стимулом (штрихова лінія) при дії другого стимулу: під час зростання напруження (а); на вершині контракції (б) та в інтервалі реакції (в)
На рис. 4.4 кривими А, В та С наведено част ковий tetanus. Крива D репрезентує повний teta nus (у даному випад ку — 115 стимулів за се купду).
Розрізняють такі види збудження:
непряме (за дономогою нервів) — коли спочатку з'являється ло кальний потенціал;
пряме – коли наданим електричним потенціалом викликають штучну деполяризацію.
Рис. 4.4. Механічне злиття окремих контракцій при дії 19, 24, 35 стимулів за секунду (частковий тетанус) - криві А, В, С відповідно та при 115стимулах (повний тетанус) — крива D
При непрямому збудженні м'яза після приходу стимулу (па моторичне нервове закінчення) проходить звільнення ацетіл-холіну та його дифузія до моторичного елемента. Після над ходження ацетілхоліну до рецептора утворюється потенціал, яким деполяризується поверхнева мембрана волокна м'яза. Тим збільшується провідність мембрани для Са++, і виникає та розповсюджується потенціал дії м'яза. За рахунок хімічної реакції проходить звільнення енергії, яка вводить у дію ме ханізм скорочення м'яза.
При електричному збудженні периферійного нерва (який складається завжди з моторичних та сенсорних волокон) у місці збудження утворюється (під електродом) хвиля дії, що розповсюджується з місця збудження в усіх напрямках. Ця хвиля спричиняє відгук м'яза. Якщо стимул незначною мірою перевищує поріг, має місце синхронна реакція найближчих до електрода моторичних елементів. Для механічної контракції усіх моторичних елементів, пов'язаних з нервом, потрібен максимальний стимул.
4.2.2. Наведений моторичний потенціал дії
Синхронну реакцію моторичних м'язів визначають як евокований (наведений) потенціал дії моторичний (ЕПД). Ха рактер ЕПД (амплітуда і форма) залежить як від способу зйомки (мри зніманні зі шкіри проводиться інтегрування скла дових з поодиноких контрагуючих моторичних елементів), так і від характеру стимулу та вихідного стану відповідного м'яза. Амплітуда ЕПД (при зйомці зі шкіри) залежить від кількості збуджених моторичиих слемептів.
Якщо внаслідок травми або захворювання (наприклад, міопатія) деякі моторичні елементи в даній області пошкод жені, зменшується значення ЕПД, ймовірна також зміна часо вої залежності реакції.
Електричний стимул, який викликав штучну деполя ризацію безпосередньо після первинного збудження, не дозво ляє виникати реакції па подальший електричний стимул повністю (абсолютна рефракторна фаза) або частково (від носна рефракторна фаза, коли зменшується амплітуда ЕПД).
Затримку між моментом наведення стимулу та виникненням ЕПД називають латенцією. При деяких патологічних обставинах або зовнішніх умовах (наприклад, хіміотерапія) час латенції може бути виразно подовжений. Абсолютне зна чення часового запізнення ЕГІД відносно до стимулу про порційне як відстані між стимуляційною голкою та електро дом, що зчитує, так і від швидкості розповсюдження сигналу у цій області. Щоб виключити вплив різних неоднорідності (пегомогеніт) у поширенні збудження, визначають час латенції для двох по-різному віддалених місць збудження. При відомих значеннях затримки ( у мілісекундах ) та віддаленості електродів стимуляції - зчитуванпя розраховують середню швидкість (у метрах за секунду). Нормальна швидкість поширення збудження становить від 46 до 67 м/с.
Тривалість латенції вперше виміряв у 1919 році II. Хоффман (при дослідженні електрично стимульованого м'яза, який був спочатку розслаблений, а після цього контрагований). Час латенції можна також виміряти і з іншими сти мулами — наприклад, механічним поплескуванням па Ахіл-лове сухожилля.
4.3. Електроміографія (ЕМГ)
Деполяризація та реполярпзація поверхневої мембрани м'язового волокна проявляється у змінах електричних потенціалів м'язів. Під електроміографією розуміють графічне відображення (або реєстрацію) електричної активності м'язів [4.1, 4.2.].
4.3-1. Елекгпроміографінні методи
За умовами спостереження виділяють такі типи ЕМГ:
1) нативна ЕМГ - це ЕМГ при повному розслабленні м'яза. Динамічний діапазон напруги становить від 100 до 300 мкВ;
2) ЕМГ при функціональному навантаженні м'яза, або при рухах кінцівок (спонтанна моторичпа активність). Діапазон напруги відгуку сягає декількох мілівольт;
3) стимуляційна ЕМГ, яка використовує електричне збуд ження м'язів. Вимірюють швидкість поширення стимулу, ЩО подається па нерв. Стимуляційна ЕМГ дозволяє не тільки оцінити функціональний стан нерва, але й відповідні нервово-м'язові зв'язки.
4.3.2. Способи знімання ЕМГ
За способами реєстрації ЕМГ розрізняють:
1) зчитування поверхневими електродами, розміщеними на поверхні шкіри. Цей спосіб дозволяє неінвазивно визначити повну електричну активність достатньо великих сукупностей могоричних елементів.
Розміри плоских електродів, наприклад,— 8 х 12 мм2. Неполяризовані електроди на поверхні вкриті шаром AgCl, кон тактний потенціал не перевищує мілівольта. (При застосуванні цинкових електродів між шкірою і електродом виникає кон тактний потенціал від 10 до 100 мВ!).
ЕМГ являє складний інтерференційний образ, створений суперпозицією потенціалів великої кількості моторичних еле ментів, що знаходяться поблизу плоского електрода. Необ хідно відповідним чином вибирати площу поверхні електродів та розміщувати їх на м'язі так, щоб визначена електрична активність правильно відображала загальну активність усіх моторичних елементів збудженого м'яза [14.3].
Оскільки волокна м'яза не є активними синхронно, активація проходить з часовим розкидом від 5 до 10 мс, а потенціал дії нормального моторичного елемента триває дещо довше, ніж потенціал дії одного волокна м'яза.
ЕМГ, отримана за допомогою поверхневих електродів (за вдяки інтегральному характеру), дозволяє, реєструвати поча ток та закінчення активації м'яза, оцінювати загальний рівень активації тощо. Тому ЕМГ цього типу використовують у нейрологічпих клініках при захворюваннях, які пов'язані з порушеннями активації м'язів.
Спектр такої ЕМГ займає смугу частот від 10 Гц до кількох кілогерц;
2) зчитування концентричними голковими електродами. Застосовується для інвазивпого зчитування електричної ак тивності лише малої кількості м'язових волокон (поблизу вістря голки). З цієї ЕМГ можна оцінити закономірність активації та взаємний вплив окремих моторичних елементів, пороги їх активації, кореляцію між цими порогами тощо.
Існує багато захворювань нервово-м'язового апарату, які проявляються після поранень мотопейронів, нервів та м'я зових волокон. Для диференціальної діагностики та контролю терапії таких захворювань можна використовувати ЕМГ ок ремих моторичних елементів |4.3].
Голкові електроди (звичайно з платини) використовують для зчитування уніполярних або біполярних (диференційпих) ЕМГ. Активна площа таких електродів менше 1 мм2.
При уніполярному зчитуванні потенціал ЕМГ вимірюють відносно загального (часто земляного) електрода, яким є, наприклад, електрод з площею кілька десятків квадратних сантиметрів (наприклад, металева смуга, витворена з тонких провідників, для якої забезпечується мінімальний електричний опір зі шкірою).
Голковий електрод для уніполярної ЕМГ має концентричну форму (рис. 4.5, с), причому його довжина — від 20 до 120 мм, діаметр — від 0,3 до 0,9 мм.
Диференційпий електрод (рис. 4.5, б) складається з двох окремих електродів, віддалених один від одного на 0,5 мм, які мають спільний контакт (корпус голки). Віддаленість елект родів менша, ніж довжина хвилі збудження. Тому результу ючий потенціал — біполярний;
3) зчитування за допомогою мультиелектродів (їх вжи вають, наприклад, для вимірювання швидкості розповсюджен ня збудження). Мультиелектроди складаються з деякої кіль кості платинових плоских контактів (рис. 4.5, в).
Рис. 4.5. Головний електрод для уніполярної ЕМГ: концентричний (а); диференційний (б) та мультиелектрод (в)
Опір між окремими контактами дуже великий (у елект родів датської фірми ШБА цей опір перевищує 100 МОм). Вхідні диферепційні опори сучасних підсилювачів більші, між 500 МОм, вхідний синфазний опір не менший, ніж 2000 МОм, вхідна диференційна ємність не перевищує. 20 пФ. Рівень власних шумів у смузі частот від 0,1 Гц до10 кГц більший 1 мкВ. Коефіцієнт загасання синфазного сигналу на вході підсилювача не менший, ніж 90 дБ.
Рис. 4.6. Підімкнення мультиелектрода до входів підсилювачів ЕМГ (при біполярному підімкненні)
Рис. 4.7. Схема підімкнення електродів при вимірюванні швидкості поширення збудження нервово-м'язовою системою руки
Повна довжина мультиелектрода досягає 45 мм, відстань між сусідніми контак тами — близько 1 мм, окремі контакти ма ють розмір 0,1 х 1,0 мм2 або 0,1 х 1,5 мм2.
Підключення муль тиелектрода до вході в підсилювачі в ЕМГ ілюструє рис. 4.6 (у біполярному вклю ченні).
Схема підключення електродів для вимірю вання швидкості розповсюдження збудження нервово-м 'язовою системою руки наведе на на рис. 4.7.
4.4. Магнетоміограма (ММГ)
М'язи в активному стані є також джерелом магнітного поля. Рівень ММГ того ж порядку, що й рівень МКГ.
Контракція м'яза вимикає одночасно з імпульсним магніт ним полем, яке є квазістатичним - тобто змінюється дуже повільно — і після звільнення м'яза повільно зменшується.
Залежність інтенсивності маг нітного поля, вимірюваного па поверхні голені, від часу має характерний вигляд (майже однаковий у різних осіб, хоч кількісно індиві дуально значно різний). По чаткова амплітуда магнітної індукції звичайно змен шується вдвічі за З0 хвилин після розслаблення
Рис. 4.8. Типова магнетограма голенного м’яза
Типова мегпетограма, знята з голенного м'яза, наведена на рис. 4.8. На графіку наведено усереднений результат 32 ви мірювань складової магнітної індукції, перпендикулярної до поверхні ноги.
На практиці ММГ вимірюють уздовж шерегу паралельних прямих, перпендикулярних до продольиої осі йоги.
В діагностиці порівнюють ММГ для обох ніг у відповідних місцях (па однаковій відстані від м'яза, наприклад, 20 мм).
Спектр ММГ залежить від виду досліджуваного м'яза. Наприклад, при вимірюваній в області ліктя спектр ММГ має максимум близько 40 Гц, при вимірюванні в області долоні — 80 Гц.
4.5. Рефлекси, викликані поплескуваннями сухожилля
Мопосинаптичпі рефлекси иатяжіиня, які визвані поплес куванням неврологічного молоточка на сухожилля, у клінічній практиці називають Т-рефлексами. Найважливішим прикла дом є патеральний рефлекс, коли па чотириголовий м'яз діє коротке иатяжіиня внаслідок леї кого поплескування під колінною чашкою (рис. 4.9). Часовий характер механічної реакції м'яза з урахуванням часу реакції, електромеханічного запізнення, часу латенції дає можливість об'єктивно оціню вати первово-м'язову чутливість, процеси, що протікають у ЦНС тощо.
Рис. 4.9. Патеральний рефлекс
Нагадаємо, що термін «рефлекс сухожилля» вміщує помилку. Тут, як і в інших «рефлексах сухожилля» має місце моносинаптичний реф лекс натяжіння м'яза.
В лікарській практиці дуже часто вимірюють рефлекс ахілесова сухожилля (РАС) за допомогою індуктивних або ємнісних давачів (які реєструють рухи п'ятки або ступні) та (найчастіше) фотое лектричних давачів. Світлові імпульси (найчастіше в інфрачервоній області) падають на ступню та відбиваються від неї. Після інфрачервоного фільтра вони падають на фототранзистор, підсилю ються та детектуються синх ронним детектором. Часова залежність Ur(t) результую чого сигналу відображає від хилення ступні, а залежність похідної dUr(t)/dt — швид кість. Вигляд таких сигналів ілюструє рис. 4.10.
Після удару неврологіч ного молоточка на Ахіллове сухожилля відбувається контракція триголової о м'яза (m.triseps surae). Для лікар ської практики цей рефлекс має велике значення завдяки зв'язку РАС з функціональ ним станом щитовидної за лози (цей зв'язок відомий ще з 1884 року). Тому рефлексо-метрія Ахіллова сухожилля є рутинним діагностичним ди-ферен ці й ним методом для оцінки дисфункції щитовидної залози. Звичайно вимірюють такі інтервали (рис. 4.10):
1) час контракції Тк;
2) час релаксації TR;
3) час контракції плюс половинної релаксації Тм, який у медицині називають сегментом SP (Silent Period — латентний період).
Якщо довжина SP-сегмента лежить у діапазоні від 290 до 400 мс (для чоловіків до 45 років), кажуть, що має місце нор мальна тироїдальна функція. У випадку hypertyreose (при підвищенні діяльності щитовидної залози) пацієнти мають ско рочені значення Тп (до 190 мс). Навпаки, при hypotyreose (при послабленні діяльності щитовидної залози) сегмент подовжується до 700 мс. Наведені значення не вірні для осіб похилого віку, які іноді мають нормальні значення SP довші, ніж молодші особи.
Рис. 4.10. Рефлекс Ахіллова сухожилля (Ur(t)) та його похідна
На рис. 4.11 наведений приклад контракції при рефлексі Ахіллового сухожилля:
1) перед лікуванням;
2) після одного тижня лікування (0,05 мг eltroxin'y що денно);
3) після трьох тижнів лікування, коли дійшло до норма лізації Tsp.
Рис. 4.11. Контракції при рефлексі Ахіллова сухожилля: перед лікуванням (а); після одного тижні лікування — 0,05 мг eltroxin щоденно (б); після трьох тижнів лікування (нормальна Тзр) - (в)
Зауважимо, що на значення РАС впливають також різні фізіологічні фактори (розміри ноги, вагітність тощо), патологічні (уремія, хвороба нирок, голодування) та фарма кологічні (вітамін В12, бетаблокатори тощо). Ці зміни кіль кісно невеликі (одиниці мілісекунд). РАС змінюється або зникає при різних поранениях, а також при інших захворю ваннях (пухлими тощо).
4.6. Фонограми м'язів
Давно відомо, що при активації (скороченні) м'язів ви никають звукові хвилі. Оскільки максимум спектральних складових лежить поблизу 25 Гц, де людське вухо має малу чутливість, ці звуки погано чути. Більшість лікарів та фізіологів вважає ці звуки за деякі завади при вивченні дії м'язів.
При скороченні м'язів у звуковому сигналі виникають хлю пання, які добре видно на графічному зображенні сигналу.
При синхронній реєстрації звукового сигналу та ЕМГ видно, що імпульсні складові обох сигналів взаємно пов'язані у часі. У фонограмі м'язів крім імпульсів (які чути як хлю пания) є квазігармонічний сигнал з домінантою 25 Гц. Спектр цього сигналу лежить у смузі від 0 до 150 Гц [4.4].
Рівень звукового сигналу (див. рис. 4.12) залежить від на вантаження відповідного м'яза.
Можливо, що аналіз фонограм м'язів у майбутньому дасть інформацію про фізіологію та патологію скорочуваного м'яза — як це вже має місце в фонокардіографії.
Віброміографічні сигнали (ВМГ) виникають при скорочен нях скелетних м'язів, і їх можна зчитувати контактним сенсо ром або мікрофоном, прикладеним до поверхні шкіри активо ваного м'яза. Ці сигнали називають також м'язовими звуками, акустичними міографічними сигналами, фо нограмою скелетних м'язів або звуковою міограмою.
Рис. 4.12. Залежність рівня спектра звукового сигналу ФМГ від навантаження
Зчитування ВМГ-сигиалу звичайно проводять одночасно із зчитуванням ЕМГ під час ізометричних контракцій м'язів:
4) quadriceps femoris;
5) biceps femoris;
6) biceps brachii.
Звичайно зчитування проводять для чотирьох значень кон тракції м'язів (20, 40, 60 і 80% MC — максимального значен ня м'язових контракцій) для трьох кутів орієнтації суглоба — 30, 60, 90°. Спектр Фур'є ВМГ та ЕМГ (для чотирьох значень м'язової контракції при куті 60° колінного суглоба) наведено па рис. 4.13, 4.14 відповідно. Для диференційної діагностики треба визначити середню частоту вібрації, домінантну частоту спектра (для ВМГ вона знаходиться у смузі від 9 до 19 Гц, для ЕМГ — у смузі від 40 до 80 Гц), частотну смугу (для ВМГ вона звичайно становить від 6 до 24 Гц) та інші пара метри відповідно до досвіду лікаря.
Дослідженнями визначено, що середня частота повторень «хлюпання» в сигналі ВМГ залежить від швидкості скорочення м'яза. Швидкість, у свою чергу, залежить від наявної кількості мітохондрій. М'язові волокна, які є важливими для виконання роботи, що потребує витривалості, вміщують багато міто хондрій. М'язові волокна з меншою кількістю мітохондрій ско рочуються значно швидше.
Рис. 4.13. Спектр ВМГ для чотирьох значень контракції м'язів (20, 40, 60, 80%)
Рис. 4.14. Спектр ЕМГ для чотирьох значень контракції м'язів (20, 40, 60, 80%)
4.7. Електроміографія з високою роздільною здатністю
В транскутанній електроміографії з високою роздільною здатністю звичайно використовують системи вимірювань з 256 окремими каналами. Ці сигнали позначують SEMG (Surface Electromyography — поверхнева ЕМГ), а сама система вимі рювань має назву HRLA (High-Resolution Large-Array). SEMG-сигнали зчитують активними електродами, розташо ваними на браслеті, який прилягає до обстежуваного скелет ного м'яза.
При скороченнях м'яза отримують інформацію про велику кількість моторичних елементів. Після обробки сигналів на ЕОМ можливо побудувати значну кількість різних графіків ЕМГ у часовій і спектральній областях. Лікарі із цих оброб лених сигналів отримують інформацію про поширення потенціалів дії. Перша інформація про описаний метод досліджень з'явилася на IX міжнародній конференції з електроміографії і клінічної нейрофізіології у 1992 році в м. Єрусалимі. Існуючі спеціалізовані пристрої (Kinematics Measurement System) дозволяють за допомогою ЕОМ про водити аналіз контракцій скелетних м'язів [4.5].
4.8. Аналіз ЕМГ у часовій області
Сигнал ЕМГ залежить як від його походження, так і від методики зчитування.
Відносно прості потенціал и дії, що їх отримують з мото ричного елемента. Графіки по тенціалів дії наведено (для двох різних моторичних елементів людини) на рис. 4.15.
Рис.4.15. Потенціал дії для різних могоричних елеметнтів
Щоб збільшити динаміку і зробити виразнішими графоеле менти використовують передоб-робку (це досить часто фільт рація ЕМГ-сигиалу ФВЧ з нижньою межею 10 Гц, іноді 300 Гц та ФНЧ з верхнею ме жею 10 кГц).
Крутизна спаду АЧХ таких фільтрів звичайно ±20 дБ /де када.
У часовій області такі ЕМГ-сигнали визначають як біфазпі (1), трифазні (2) або комп лексні (3) (див. рис. 4.16, па якому наведені потенціали мо торичного елемента: а) — жаби; 6) — пацюка). У клінічній прак тиці потенціал дії далі кла сифікують (для цього викорис товують, наприклад, 34 дискрети) або аналізують більш де тально.
Рис. 4.16. ЕМГ-сигнал (потенціал моторичного еле мента) після фільтрації: біфазний (1); трифазний (2) та комплексний (3) жаби (а) та пацюка (б)
Графік біфазного сигналу на ведено на рис. 4.17 (результа том аналізу є, наприклад, зна чения Ua, Ub, Uc для заданих часових значень t1, t2, t3).
Рис. 4.17. Біфазний сигнал та часові параметри, що їх аналізують
Можна також оцінити по дальші характеристичні точки або кути, які характеризують першу похідну напруги ЕМГ за часом.
Аналіз у часовій області має пріоритетне значення при вивченні поширення збуджен ня (частину міоелектричпих сигналів, зареєстрованих у подвійному м'язі-біцепсі при його контракції 40% зі зйом кою мультиелектродами, наве дено на рис. 4.18, а).
Рис. 4.18. Реакція 12-канально-го мультиелектрода при дослід женні поширення збудження у м'язі-біцепсі: при його контракції 40% (а) та відповідні кореляційні функції при опорному 9-му каналі (б)
Відповідні кореляційні функції (якщо сигнал з 9-го каналу вважати опорним) на ведені на рис. 4.18, 6.
Складнішою є часова ре алізація ЕМГ, знятої за допо могою шкіряного (поверхнево го) електрода.
Приклади для того ж m.bi ceps brachіі при його конт ракції 50% для двох різних масштабів часу наведені на рис. 4.19, а, б (діапазон змін становить від 1 до 2 мВ).
При квантуванні з урахуван ням характеру сигналу зви чайно використовують частоту дискретизації f = 10 кГц. Для аналізу цього ЕМГ-сигиалу зручно використати деяку методику редукції да них у часі.
У наведених ЕМГ-сигналів отримання якісного сигналу залежить від кумулятивної передобробки.
На рис. 4.20, а наведено приклад усередненця семи ЕМГ-сигналів, па рис. 4.20, б — результат усереднення 42 ЕМГ-сигналів. Після фільтрації графік кінцевого сигналу наведено па рис. 4.20, в. В усіх випадках сигнали мають нормовані амплітуди. Для кількісної оцінки пере хідного загасання (або збуд ження), які мають місце після деяких стимулів під час під тримуваної контракції, визна чають величину хвилі або площі, яку дана хвиля мас відносно VА (рівні напруги усередненого ЕМГ-сигналу в передстимуляційний ) .
Рис. 4.19. ЕМГ м'яза-біцепса при 50% контракції для різних масштабів часу (діапазон коливань від 1 до 2 мВ)
Як і в ЕКГ хвилі активності позначаються як хвилі P, Q, R, S, Т. На рис. 4.21 наведено два приклади ЕМГ з озна ченими поодинокими хвилями.
Напруга, яка відповідає вершинам хвиль P, Q, R, S, Т, у подальшому позначається як VР, VQ, VR, VS, VТ. Усі рівні напруги ЕМГ нормуються відносно VА (тобто VА = 100%). Для відносної амплітуди позитивної хвилі (наприклад, R одержимо
HR=(VR/VA)*100% (4.1)
Рис. 4.20. Результат усереднення 7 ЕМГ-сигналів (а); 42 ЕМГ-сигналів (б) та фільтрації (в)
Для відносної глибини негативної хвилі аналогічно
Глас і Стінберг визначили, що відносна величина площ, обмежених хвилями Q або S(відносно до рівня VLC), є мірою загасання; аналогічно, величина площ під хвилями або Т (відносно рівня VUC) репрезентує міру збудження.
У відповідності до рис. 4.21 початки хвиль па відповідному рівні позначені як Ра, Qа, Ra ...; вершини хвиль – Рb, Qb Rb і кінцеві точки – Рc, Qc, Rc. Тоді для відноснихвеличин площ, обмежених позитивною хвилею (для випадку хвилі R),
Для відносної площі, обмеженої негативною хвилею (для прикладу це хвиля Q),
Треба зауважити, що значні успіхи у компресії біосигпалів для їх архівації та в аналізі для діагностики досягнуті при їх обробці не в області натуральних координат, а в області трансформант.
Такими трапсформантами є, в першу чергу, складові спек тра Фур'є (амплітудні та фазові), а також трансформацій ба гатьох інших ортогональних перетворень, якими є перетворен ня Z, Уолша, Адамара, Хаара, косинуcне, синусне та багато інших.
4.9. Аналіз ЕМГ у частотній області
Для аналізу ЕМГ недостатньо візуальної оцінки сигналів. У 60-х роках з поширенням спектрального та кореляційного аналізу (в першу чергу завдяки появі алгоритмів ШПФ) медики почали використовувати обробку ЕМГ у частотній області.
Рис. 4.21. ЕМГ з характеристичними хвилями
4.9.1. Енергетичний спектр ЕМГ
При фізіологічних дослідженнях рухової активності спект ральний метод спочатку застосовували при вивченні простого моторичного елемента.
Отриманий при цьому амплітудний спектр Фур'є усередне ного потенціалу дії х(0 моторичного елемента (в децибелах, опорний рівень дорівнює 1 мкВ), наведено на рис. 4.22.
У подальшому почали використовувати автокореляційиі функції Вхх(τ) зареєстрованого сигналу х(τ). Припускаючи,що випадковий процес x(t) не тільки стаціонарний, але й ергодичний,
За умов 30% контракції двоголового м'яза (m.biceps brachii) отримана автокореляційна функція, наведена на рис. 4.23.
Нормований «фізичний» енергетичний спектр Gxx(ω), адекватний Вхх(τ) з рис. 4.22, наведено на рис. 4.24.
Рис. 4.22. Амплітудний спектр Фур'є усередненого потенціалу дії моторичного елемента (в децибелах, опорний рівень 1 мкВ)
Рис. 4.23. Автокореляційна функція потенціалу дії моторичного елемента
Рис. 4.24. Енергетичний спектр АКФ
Для дослідження м'язів можна використати модель, що складається з k лінійних систем, керованих одночасно (рис. 4.25). Кожна часткова система відповідає одному мотори ч пому елеме иту.
Для взаємно некорельо-ваних моторичних елементів енергетичний спектр вихід ного сигналу y(t) м'яза ви значений сумою складових для поодиноких моторичних елементів
Проте інтерес до спект рального та кореляційного аналізу поступово зменшував ся, оскільки спектр Фур'є ЕМГ не дає достатньої інфор мації про м'язову активність в усій широкій шкалі рухів.
4.9.2. Енергетичний спектр Фур'є механограми та огина ючої ЕМГ
При аналізі активності рухів крім ЕМГ (наприклад, при порушеннях рефлексних реакцій) використовують механограму.
Рис. 4.25. Модель поширення потенціалу дії некорельованими моторичними елементами
Механограмою (МГ) на зивають запис зміни кутів м'язів при рухах у часовій області. Механограму зчи тують за допомогою індук ційних, ємнісних, тензомет ричних та інших давачів, зручних для фіксації змін кутів (або швидкості та при скорення таких змін кутів).
Частотна смуга змін лежить звичайно в області від 0 до 25 Гц. Цей частотний діапазон саме в спектрі ЕМГ дуже слабо заповнений.
На рис. 4.26 надано енергетичний спектр ЕМГ, а на рис. 4.27 — енергетичний спектр МГ м'яза зап'ястя здорової людини.
Їх порівнянням визначаємо, що між цими спектрами є нуль ова кореляція. Неспівпадіння спектрів Фур'є МГ та ЕМГ можна пояснити тим, що ЕМГ має як позитивні, так і негативні значення, в той час, як МГ має лише позитивні значення. Крім того, зміни МГ повільніші (більша інерційність) за зміни ЕМГ.
Рис. 4.26. Енергетичний спектр Фур’є ЕМГ
Рис. 4.27. Енергетичний спектр механограми м'яза зап'ястя здо рової людини
Щоб за ЕМГ визначити залежність, яка відповідає зміні кута м'яза (МГ), треба спочатку детектувати електричну активність м'яза (ЕМГ), тобто з біполярного сигналу утворити упіполярний, а далі за допомогою ФНЧ обмежити частотну смугу сигналу. У такий спосіб утворюють огинаючу ЕМГ (далі ОЕМГ). Якщо найвища частота пропускання ФНЧ 15 Гц, то ОЕМГ репрезентує переважно ту складову інформації в ЕМГ, яка відповідає зміні кута м'яза.
Рис. 4.28. Енергетичний спектр огинаючої ЕМГ м'яза зап'ястя здорової людини
На рис. 4.28 наведено енергетичний спектр огинаючої ЕМГ м'яза зап'ястя здорової людини. Порівняння з енергетичним спектром МГ показує, що вопи сильно корельовані (па домінантних частотах). Можна впевнено стверджувати, що носієм інформації про рухову активність м'язів є амплітудна модуляція ЕМГ, в якій керуючим сигналом НЧ є ОЕМГ. Цій проблемі присвятили багато зусиль зокрема Є. А. Андреева та О. Є. Хуторська. Вони визначили, що спектри ОЕМГ не є до статньо стабільними. Подавления нестабільності можна здійснити лише продовженням сегмента ЕМГ (на практиці не можна довжину сегмента — реалізації ЕМГ — достатньо збільшувати, враховуючи стомлення відповідного м'я за). Але очікують, що ста тистична обробка досить до вгого сегмента дасть у май бутньому кращі результати.
Рис. 4.29. ОЕМГ, МГ та ЕМГ двоголового м'яза людини
Для ілюстрації тісного зв’язку зв'язку між МГ та ОЕМГ їх часові залежності наведені (разом з ЕМГ) на рис. 4.29 для двоголового м'яза людини та (рис. 4.30) кішки.
Рис. 4.30. ОМГ, МГ та ЕМГ двого лового м'яза кішки
4.10. Використання методів візуалізації при дослідженнях м'язів, м'яких тканин і сухожиль
Крім електричних і магнітних сигналів (процесів), розгля нутих у цій главі, широке розповсюдження набули методи діагностики при візуалізації м'язових тканин, що дозволяє діагностувати шерег різноманітних захворювань.
4.10.1. Гангрена газова
Це емфізематозна форма анаеробної інфекції. Розрізняють набрякову форму газової гангрени, що протікає з виразним на бряком і токсикозом; емфізематозну — з утворенням газів; змішану — із сильним набряком і утворенням газів; некро тичну — з явищами некрозу; флегмонозну — з розвитком флегмони; ткапипорозтоплювальну — з тяжким і бурхливим протіканням.
Рентгенівські дослідження виявляють па рентгенограмі велику кількість бульбашок та світлих смуг, розташованих між м'язовими пучками. М'язи мають роз'єднаний і строкатий вигляд. На контрольних знімках, зроблених через короткі інтервали часу (кілька діб або годин), визначають збільшення кількості газів, а також їх більше поширення від травмованих тканин. Окремі невеликі бульбашки зливаються у більші за розміром. Найбільша кількість газу накопичується біля чу жорідних тіл, поблизу фасцій.
4.10.2. Дистрофічне ураження сухожиль м'язів (тендіноз) та зв'язок (лігаментоз)
Цс ураження параартикулярних м'яких тканий внаслідок порушення їх живлення. Розрізняють три стадії дистрофічного процесу:
I — заміщення ділянки сухожилля в місці кріплення до кістки волокнистим хрящем;
II — овапнеппя хряща;
III — заміщення овапленого хряща новоутвореною губчас тою кісткою.
Рентгенівські дослідження падають наступну діагностичну інформацію:
перша стадія є рептгенопегативпою, тобто захворювання може бути визначено тільки клінічними засобами;
друга та третя стадії легко діагностуються на рентгенограмі за овапнеиими та кісткоподібними ділянками в місцях кріплення сухожиль і зв'язок до кісток.
4.10.3. Артрит ревматоїдний
Це інфекційно-алергічна хвороба із групи колагенозів, яка характеризується ураженням з'єднувальної тканини з лока лізацією у суглобах та довготерміново прогресуючим або хронічним протіканням.
В рентгенодіагностиці велике значення має рентгенографія суглобів.
Рентгенівським дослідженням виділяють чотири стадії ревматоїдного артриту:
I — уражений тільки хрящ. При цьому виявляється дп-фузпо-очаговий остеопороз кісток та нечіткість епіфізів;
II — внаслідок руйнування суглобового хряща звужується суглобова щілина;
III — суглобові поверхні кісток нерівні, виїдені, зруйно вані ;
IV — суглобова щілина різко звужена, що викликає кіст ковий анкілоз. Можна спостерігати підвивихи у п'ястно-фалапгових та інших суглобах.
Хвороби та їх діагностика, наведені в даному розділі, слід розглядати як приклади, що ілюструють можливості вико ристання методів і техніки візуалізації в медицині. Детальніше численні приклади використання методів візуалізації в медицині наведені в [2.35].
Література до глави 4
4.1. Андреева Е. А., Хуторская О. Е. Спектральный анализ огибающих электромиограмм и его применение для использования процессов управления мышцами (норма и патология) // Автоматика и телемеханика.- 1977.- №9.- С. 98-113 и № П. - С. 142- 157.
4.2. Андреева Е. А., Хуторская О. Е. Спектральный метод пред ставления электрической активности мышц.— М.: Наука, 1987. — 211 с.
4.3. Basmaja?i J. V. at al. Computers in electromyography.— Lon don—Boston: Butterworths, 1974.— 430 p.
4.4. Broman H. Knowledge-based signal processing in the decompo sition of myoelectric signals // IEEE Engin. in medicine and biologv magazine.- № 3.- 1988.- P. 24-28.
4.5. Coatrieux J. L. On-line electromyographic signal processing sys tem // IEEE Trans.- BME-31.- № 2.- 1984.- P. 199-207.
4.6. Christakos С. N. A study of the electromiogram using a popu lation stochastic model of skeletal muscle // Biol. Cybern.— V. 45.— № 3.- 1982.- P. 5-12.
Глава 5
ОРГАНИ ЗОРУ ТА ЇХ БЮСИГНАЛИ
5.1. Властивості зору
Людське око має приблизно форму кулі. Її діаметр складає близько 25 мм, вага – близько 7 г. Охоронним шаром для ока є склера (рис. 5.1.). Склера механічно охороняє внутрішні частини очної кулі та утворює її стінки.
В передній частині ока склера має велике викривлення та велику оптичну прозорість. Цю частину склери називають роговицею (cornea). Разом з лінзою (lens) вона утворює найважливішу складову апарату ока.
Рис. 5.1. Око людини та його складові
Радіус кривизни роговиці дорівнює близько 7,8 мм, різниця в коефіцієнті заломлення між роговицею (1,376 — див. табл. 1) та повітрям найбільша.
Таблиця 1
|
Середовище ока |
Коефіцієнт заломлення |
|
Роговиця |
1,376 |
|
Коморова вода та скловидне тіло |
1,336 |
|
Неакомодована лінза |
1,414 |
|
Акомодована лінза |
1,424 |
Між склерою (белімою) та сітківкою (retina) є декілька прошарків, які відрізняються як морфологією, так і функцією.
Спереду знаходиться райдужна оболонка (iris), яка у людей і тварин має різне забарвлення. Ця оболонка всередині має круговий отвір — зіницю (pupil). Діаметр зіниці сильно залежить від інтенсивності світлового потоку, віку людини, а також від його психофізичного стану.
З горизонтального розтину ока (рис. 5.1) видно, які середовища впливають на кількість світла, що падає на сітківку. Їх скінченна прозорість (transparence) обумовлює часткове загасання світла. Розміри зображення та його чіткість визначають коефіцієнти заломлення у різних середовищах ока (див. табл. 1).
Роговиця у центрі найтонша (0,6 мм), а на периферії має товщину від 0,9 до 1 мм. Її задня стінка більш викривлена ніж передня.
Для того, щоб на відстані 24,4 мм від роговиці — в області центральної ямки (fovea centralis – діаметр 0,2 мм) – з'явився чіткий образ, за райдужною оболонкою (іris) розміщена двовипукла (біконвекційна) лінза. Вона складається з кількох шарів (нові волокна поступово з'являються протягом всього житія), які відрізняються як радіусом викривлення, так і коефіцієнтом заломлення.
Таким чином, лінза є неоднорідною (негомогенною). З оптичної потужності ока в 59 дптр на роговицю припадає близько 40 дптр, на лінзу в неакомодованому стані — 19,1 дптр, а у випадку повної акомодації — 28 дптр.
За лінзою є найбільша внутрішньоочна порожнина, заповнена скловидною речовиною (corpus vitreum), яка повністю прозора (але не у патологічних станах, коли вона може бути непрозорою).
Найдальша верства очної кулі — сітківка - є найважливішою для утворення електричної реакції на світло.
З неї виходять аксони, які переносять електричну інформацію до мозку.
Важливе місце, яке займає зір людини, підтверджується кількістю нервових волокон, які від органів зору входять до мозку (з 2600000 нервових волокон близько 2000000 служать зору). З мозку виходить 40000 нервових волокон, з яких близько половини передають накази м'язам очей і керують тонкими, швидкими і дуже складними рухами очей.
Світло з будь-якої малої площини (то має освітленість Е0) проходить роговицею ока, зіницею, зосереджується у лінзі, проходить скловидним тілом і попадає на сітківку.
Якщо предмет, що його спостерігають, достатньо від далений, на сітківці ока утворюється освітленість Еs, для якої вірно
[лк], (1.1)
де Т – оптична прозорість ока; s = 1 : f/dz,; f — фокусна відстань очної лінзи, тобто 17 мм; dz — діаметр зіниці у міліметрах; Е0 — освітленість предмету у люксах.
На рис. 1.2, а наведено залежність діаметра зіниці dz від освітленості Е0 . Із зростанням освітленості діаметр зіниці dz зменшується від 7,4 до 1,8 мм. Нелінійність цієї залежності від освітленості предмета-сцени не усвідомлюють внаслідок інерційності рефлексу зору. На практиці припускають лінійність залежності освітленості сітківки від освітленості сцени Е0. Наприклад, для довжини ока 24 мм та середньої освітленості предмета Е0 = 250 лк, діаметр зіниці dz, зменшується за графіком рис. 1.2, а, приблизно до 3 мм. Згідно (1.1) отримаємо Еs ≈ 0,94 лк.
Рис. 5.2. Залежність діаметра зіниці dz від освітленості Е0 (а) та світлова прозорість очної лінзи людей різного віку (б)
Світлова прозорість очної лінзи людини значно змінюється з віком. У 1980 році в США такі залежності були експериментально визначені (рис. 1.2).
В області коротких хвиль (до 400 нм) з віком зменшується кількість світла, що досягає сітківки. В області найвищої чутливості паличок (500 нм) вже у віці 25 років прозорість лінзи спадає на 50%, у віці 50 років прозорість зменшується ще на 40% (у порівнянні з раннім дитинством).
Подальший вплив на світло, що досягає сітківки, пов'язаний із зменшенням діаметра зіниці з віком. У дітей та молодих людей зіниці широко відкриті, і ними проходить багато світла. У середньому віці розміри зіниці зменшуються, у старих людей стикаємося з «точковими» зіницями, які є також у немовлят. Якщо площу зіниці) у дітей між 5 та 10 роками вважати за 100%, тоді в другому десятиріччі вона зменшиться до 77%, у третьому — до 67%, у четвертому — до 56%, у п'ятому — до 50%, у шостому — до 47%, у сьомому — до 45%. Прогресивне зменшення зіниць призводить до зменшення, біоенергетичної активності зору. Однакове вхідне випромінювання у мозку старших людей викликає значно слабші біосигнали (в середньому втричі менші), ніж у молодих людей.
Очна лінза закріплена па війчатому тілі (corpus ciliare) за допомогою радіальних волокон. Підвісний апарат називають zonula ciliaris. Цей оригінальний спосіб підвішування дозволяє реалізувати акомодацію — зміну кривизни передньої та задньої поверхні лінзи і тим змінювати її фокусну відстань. У неакомодованому стані, коли передня та задня поверхні лінзи (кришталика) більш плоскі, здатність кришталика відхиляти промені світла є найменшою. При скороченні війчатого тіла (тобто, коли око підвищує чіткість зображення точок, ближчих, ніж на відстані 6 м) очний кришталик стає товщим, його поверхня ще більше викривляється. При погляді у далечінь (положення спокою) радіус передньої поверхні лінзи становить від 11 до 12,2 мм, у той час, як при максимальній акомодації (погляд на близькі об'єкти) у молодих людей цей радіус становить від 6 до 7 мм. Радіус кривизни задньої поверхні кришталика майже не змінюється (у спокої — 6 мм, при повній акомодації — 5,5 мм). Акомодацію ілюструє рис. 1.3.
У випадку нормальної акомодації світлові промені повинні змінити свій напрямок так, щоб вони попали на ямки сітківки. Чим ближче предмет до ока, тим сильніше світло повинно підхилятися від вихідного напрямку щоб одержати гострий образ. Якщо ціліарний м'яз максимально скорочений, кришталик максимально акомодований.
Рис. 5.3. Акомодація ока та очного кришталика
Погіршення бачення близьких предметів з віком викликано шерегом факторів. У відповідності до сучасних уявлень до них належить збільшення нерозчинних білків у лінзі (тобто збільшення віддаленості між її задньою і передньою поверхнями) і відповідне .зменшення коефіцієнта заломлення. Найбільш несприятливо впливає послаблення здатності очної лінзи до акомодації за рахунок змін геометрії комплексу кришталик – завісний апарат – міліарний м’яз. Цим явищам організм певний час з успіхом чинить опір (створенням нових шарів – кришталикових волокон (fibrae lentis)). Але з віком лінза стає менш еластичною внаслідок дегідратації, проходять зміни у скловидному тілі, зменшується можливість скорочення ціліарного м'яза.
Наведені механізми компенсації перестають діяти, і очна лінза втрачає свою здатність до акомодації. Близькі точки поступово віддаляються від ока, і тому старі люди потребують для читання окуляри. Можливості акомодації у осіб з нормальним зором після 40 років суттєво зменшуються (рис. 1.4).
Рис. 5.4. Залежність амплітуди акомодації очної лінзи (кришталика) від віку людини
5.1.3. Вади акомодації
Якщо співвідношення коефіцієнта заломлення світлопровідних речовин ока з довжиною ока порушується, виникає амеотропія. Вона поділяється на вади сферичні (міопія, гіперметропія) та асферичні (астигматизм). Якщо виникає роздільне та різне наведення різкості (рефракції) очей, таке явище називають анізометрією. Нагадаємо, що рефракційні властивості ока протягом доби змінюються.
Короткозорість (міопія) характеризується тим, що паралельні світлові промені, які надходять до ока, заломлюються перед сітківкою, тобто віддалені предмети не можна бачити різко (рис. 5.5, а). Але близькі предмети стають більш чіткими на сітківці (рис. 5.5, а посередині).
Найчастіше короткозорість носить осьовий характер, коли вісь яблука ока (спереду — назад) є відносно довгою.
Щоб у короткозорого ока виник на сітківці гострий образ віддаленого предмета, необхідно світлові промені перетворити за допомогою розсіюючої (конкавної) лінзи на дивергентні (ті, що розходяться) — рис. 5.5, а внизу.
Рис. 5.5. Вади зору: короткозорість (міопія) та її корекція (а); далекозорість (гіперметропія) та її корекція для різних відстаней до предмета (б)
Міопія поділяється на три групи:
слабка (до 3 дптр);
середня (від 3 до 6 дптр);
сильна (більша 6 дптр).
Короткозора людина погано бачить у сутінках (ймовірно — за рахунок дегенеративних процесів на краях сітківки).
Далекозорість (гіперметропія) — проявляється у тому, що паралельні світлові промені, які проходять від віддаленого предмета, заломлюються вже за сітківкою. Цей випадок ілюструє верхній рис. 5.5, б.
Головною причиною є занадто коротка передньозадня вісь ока по відношенню до оптичної потужності роговиці та очної лінзи. У випадку використання коригуючої лінзи (конвекційної) на сітківці виникає гострий образ. Це вірно як для віддаленого предмета, так і для близького (рис. 5.5, б посередині та внизу). В обох випадках на сітківці виникає гострий образ.
Природжена гіперметропія з розвитком ока може зменшитись (на відміну від міопії). Пісія 40 років, коди діапазон акомодації значно зменшується, далекозора людина потребує очної корекції раніше, ніж її однолітки.
Як вже було наведено на рис. 5.4, око втрачає здатність до акомодації. Акомодація старих людей називається пресбіопією.
Астигматизм — це рефракційна вада, внаслідок якої оптичний апарат ока проявляє у різних напрямках різну оптичну потужність. Точка відображається двома короткими рисками. У відповідності до медіан, які визначають найбільше і найменше заломлення світла (обидві медіани взаємно перпендикулярні), астигматизм поділяється на прямий (заломлення у горизонтальному напрямку менше, ніж у вертикальному), обернений (найменше заломлення у вертикальному напрямку) та скісний (коли осі з найменшою і найбільшою потужністю не лежать на вертикалі та горизонталі).
Астигматизм коригують циліндричною лінзою, яка в одній площині — конкавна, а у перпендикулярній до неї — конвекційна.
5.1.4. Поле зору
Під полем зору розуміють ту частину простору, яку при сталому положенні ока бачимо гостро. Вершиною зорного поля, яке розміщене у зіниці, проходить весь світловий потік до світлочутливих елементів сітківки. Поле зору обмежене контурами носа та надочевими дугами. Межі поля зору: догори — від 48 до 60°, донизу — від 65 до 70°, вбік — 85° та досередини — 60°. У горизонтальній площині поле зору досягає у людини близько 150°.
Поле зору деяких тварин суттєво більше. Наприклад, у кішки сильно випукла роговиця робить можливим бачення і за собою — результуюче поле зору становить близько 280°.
На рис. 5.6 наведено межі поля зору для двох базових кольорів: Ч — червоного, С — синього. Ці результати залежать також від яскравості, розмірів стимулів та їх контрастів відносно фону.
Чорна плямка (15° вліво) відповідає нормальному розміру сліпої плями. Відносно часті зміни поля зору проявляються саме навколо сліпої плями (наприклад, у початкових стадіях глаукоми).
Рис. 5.6. Межі поля зору для білого, червоного та синього
Для вимірювань поля зору та змін у ньому в лікарській практиці вже понад 60 років використовують периметр Гольдмана. Поле зору оцінюють монокулярно (положення ока можна під час вимірювань контролювати). До різних місць на кулі подають світловий стимул (можливо і вибраного кольору). Пацієнт повідомляє, коли бачить світлову точку. З шерегу вимірювань оцінюють межі поля зору. У сучасних системах програмою ЕОМ автоматично переміщують від 1 до 4 стимулів. Результати повідомлень пацієнта заносять до пам’яті і після вимірювань видають у графічному вигляді.
5.2. Сітківка та орган зору
Сітківка складається з декількох шарів. Шар фоторецепторів є найбільш віддаленим від скловидного тіла на боці сітківки. Світло, що пройшло роговицею після проходження очною лінзою та скловидною речовиною, далі проходить шаром гангліозних, амакрінних, біполярних та горизонтальних клітин (рис. 1.7).
Рис. 5.7. Склад сітківки: гангліозні, амакринні, біполярні та горизонтальні клітини
Сигнали з фоторецепторів переносяться за допомогою синаптичних контактів на біполярні та горизонтальні клітини. Обробка сигналів у цих клітинах проявляється повільними змінами їх мембранних потенціалів. З біполярних клітин ці сигнали переносяться на мембрани дендритів гангліозних клітин. Цей перенос здійснюється або безпосередньо, або через амакрінні клітини. Звичайно на вхід кожної клітини приходять сигнали з декількох біполярних клітин.
Співвідношення паличок та колбочок на сітківці у різних живих істот різне. Переважно паличкову сітківку мають їжаки, в той час як у птахів сітківка здебільшого колбочкова. Розташування фоторецепторів на сітківці у людей та інших живих істот нерівномірне. Поблизу від оптичної осі ока (центральна у птахів, деяких ссавців та плазунів, тобто у істот, що активні вдень) переважають колбочки. Багато істот, активних вночі, поблизу осі мають переважно палички.
На сітківці людини є близько 120 мільйонів паличок і 6,5 мільйонів колбочок. Зовнішній сегмент паличок має звичайно циліндричну форму (рис. 1.8). Він складається з двох відділів: зовнішній сегмент, діаметром меншим за 0,5 мкм, утворений з 700 — 800 лінопротеїнових мембран, і внутрішній сегмент, який має діаметр близько 0,5 мкм і пов'язаний із зовнішнім сегментом.
Рис. 5.8. Паличка (ліворуч) та колбочка (праворуч)
Колбочка має подібну структуру, але закінчується розширенням.
Якщо проаналізувати знімок поперечного розтину верстви фоторецепторів, можна побачити, що їх зовнішні сегменти утворюють досить регулярну мозаїку.
5.2.1. Палички
Палички працюють в умовах скотопічного (сутінкового) бачення. Вони настільки чутливі, що при звичайному денному світлі насичені і не можуть переносити сигнали. Мінімальний світловий поріг визначають мінімальною світловою енергією, яка викликає зорову реакцію. Цьому відповідає мінімальна яскравість стимулу близько 0,75∙10-6 кд/м2. Палички містять червоний пігмент — родопсин. Відносну спектральну залежність абсорбції (поглинання) паличок наведено на рис. 5.9.
Палички можуть реагувати на світло тільки тоді, коли в них є родопсин. Під впливом світла родопсин розкладається на ретинал (або зорну жовтизну) та білок скотопсип. У кінцевій фазі ретинал перетворюється у вітамін А (ретинол).
Рис. 5.9. Відносна спектральна залежність поглинання (абсорбції) для паличок (верхня частина графіка) та колбочок (нижня часина графіка)
Цей процес хімічних перетворень, описаний тут дуже спрощено, проходить в окремих фазах з різною швидкістю (від 10 до 500 нс); загальний час усіх електрохімічних змін — після поглинання фотона – складає близько 600 нс.
Навіть мале зменшення кількості родопсіпу зменшує чутливість паличок до світла. Відхилення від адаптації на темряву називають гемералопією (робить зовсім неможливим бачення при слабкому освітленні). Відхилення адаптації на світло називають никталопією. Особи з такою хворобою краще бачать у сутінках, ніж вдень. Никталопія пов'язана з повною сліпістю до кольорів.
Дослідники із США нещодавно встановили, що паличка сітківки людини може при певних умовах сигналізувати про поглинання поодинокого фотона, який активує лише одну з мільйонів молекул родопсину в паличці. Відгук палички на єдиний фотон було виміряно у вигляді струму фоторецептора (одиниці пікоампер, див. рис. 1.10, а). Неможливо виміряти електричну реакцію у вигляді напруги, оскільки гіперполяризаційиий відгук поділений між 10 (або більше) паличками (між ними циркулюють клітинні струми).
Рис. 5.10. Відгук палички на єдиний фотон (а); на спалах, що активізує 200 молекул пігменту (б); на світловий імпульс
Щільність розподілу паличок па сітківці ілюструє рис. 1.11. Нерівномірність розташування паличок є причиною значної залежності відносної гостроти скотопічного бачення від кутової віддаленості середньої ямки (від осі зору, див. рис. 1.12). Кут, що відповідає сліпій плямі, виділений штрихуванням (рис. 1.12 відображає зміну гостроти зору в горизонтальному меридіані лівого ока).
Рис. 5.11. Щільність розподілу паличок та колбочок у залежності від кута до осі ока (зони, що відповідає цим кутам, наведені на розтині ока вгорі)
Для гостроти зору велике значення має діаметр полів рецепторів як у фовеальній області (де гострота зору найбільша і цьому відповідає найменший дозволений діаметр 4' світлового стимулу), так і в сенсорних областях кори мозку, які відповідають цій фовеальній області.
Рис. 5.12. Залежність відносної гостроти бачення від кута відхилення зору відносно осі ока
5.2.2. Колбочки
Колбочки забезпечують бачення при денному освітленні, бо вони з успіхом працюють і при високих рівнях освітленості сітківки. Колбочкове бачення (фотопічне) є багатшим з точки зору переносу просторових та часових деталей образу і, перш за все, надає інформацію про тон та насиченість кольорів.
Додамо, що між скотопічною смугою бачення та фотопічною смугою є ще вузька мезопічна смуга, в якій одночасно працюють обидва види фоторецепторів.
Для одержання комірної інформації на сітківці людини є три види колбочок. їхні клітини містять пігмент, який поглинає падаюче світло лише у визначеній області довжин хвиль. У нижній частині рис. 1.9 наведено відносні спектральні характеристики поглинання колбочок з максимумами на 440, 535 та 565 нм.
Стимули, які викликають поглинання однакової кількості фотонів, викликають ідентичні реакції. З відношення рівнів реакцій збуджених трьох сукупностей колбочок система зору сама «обрахує» тон та насиченість кольору стимулу (цей факт підтверджує вірність теорії триколірного кольорового бачення). Кожному кольору відповідає притаманний йому поріг інтенсивності освітленості сітківки, при перевищенні якого людина може сприймати відповідний колір.
Різницю між абсолютним порогом та порогом для даного кольору називають фотохроматичним інтервалом.
Щільність колбочок найбільша на fovea centralis (150000/мм2), у жовтій плямі (macula lutea) вона спадає до 13000/мм2. Це нерівномірне розташування колобочок на сітківці ілюструє рис. 1.11. (На відміну від сітківки людини густина колбочок у багатьох птахів значно більша – до 1 млн/мм2). З рис. 1.11 видно, що па краях сітківки палички розміщені густіше, ніж колбочки.
Оскільки зоровий нерв має від 800 тисяч до мільйона нернових волокон, а в сітківці людини є 125 мільйонів паличок та 6,5 мільйонів колбочок, нейроновою мережею повинна утворюватись значна конвергенція. На краях сітківки одна гангліозна клітина підімкнена до 300 паличок (і в середньому 10 колбочок підімкнено до однієї гангліозної клітини).
На задньому полі ока збоку від зорового нерва знаходиться fovea centralis (рис. 1.12). Тут шлях світлових променів до фоторецепторів не порушений гангліозними та біполярними клітинами та їх волокнами. На fovea centralis є тільки колбочки. У середині fovea centralis діаметр зовнішніх сегментів колбочок найменший. Віддаленість їх центрів становить 2 мкм, що відповідає кутовому інтервалу 0,4'. У цій області сітківки близько 150000 колбочок па квадратний міліметр.
У хижаків щільність колбочок суттєво більша, внаслідок чого вони сприймають зображення як людина з восьмикратним збільшуючим біноклем. Навпаки, слони та носороги мають малу густину колбочок па сітківці, і світло до них доходить як у сутінках. Людину вони бачать лише з відстані кількох метрів.
За сучасними уявленнями гострота зору при фотопічпому баченні залежить від трьох факторів:
1) щільності колбочок у жовтій плямі;
2) освітлення предметів (гостре бачення можливе лише при достатньому освітленні);
3) продуктивності оптичної системи ока — тобто від прозорості усіх його середовищ, що заломлюють світло, бездефектності сітківки та передаточних властивостей усього тракту утворення образу (включаючи систему регулювання гостроти зору — акомодацію).
Гостроту зору, що відповідає одній кутовій хвилині, позначують як visus = 1. Коли той самий знак розпізнають па відстані вдвічі меншій, то visus = 0,5 (і т. д.).
При дослідженнях гостроти зору пацієнт читає текст з відповідним співвідношенням розмірів літер і товщини ліній, якими написаний текст. Розміри літер різних текстів різні, фіксуючи найменші літери друкованого тексту, що їх розрізнить пацієнт, визначають гостроту зору.
Додамо також, що поглинання одного фотона колбочкою спричинює струм порядку 10-14 А (тобто в 100 разів меншого рівня, ніж у випадку палички). Тому відгук колбочки па поодинокий фотон виміряти неможливо, бо він нижчий за рівень шуму. Швидкість квантової реакції у колбочки, як це буде видно далі, приблизно в 4 рази більша, ніж квантової відповіді палички.
5.2.3. Система зору та генезис потенціалів дії
За сучасними уявленнями, якщо фоторецептори по глинають світло, в їх клітинах виникають потенціали дії. Поверхнева мембрана фоторецепторів, як і в інших клітинах, розділяє потоки з різними концентраціями іонів. Зовні та усе редині рецепторної клітини у першому наближенні є іони натрію та калію. З зовнішнього боку концентрація іонів нат рію висока, а калію низька. Усередині фоторецепторпих клі тин — навпаки. Різниця у концентрації утримується помпою, яка за рахунок енергії, що утворюється при метаболічних про цесах, витісняє з клітини іони натрію і додає іони калію. Оскільки концентрація іонів калію усередині клітини вища, вони намагаються дифузією дістатися з клітини. Внаслідок дифузійного струму відбувається перенесення зарядів з середини мембрани па зовнішній бік. Внутрішня поверхня стає більш негативною по відношенню до зовнішньої.
У стані спокою усередині негативний потенціал складає близько 40 мВ відносно до екстрацелулярного (зовнішнього до клітини) середовища. Після освітлення максимальна різниця потенціалів досягає 80 мВ. Збільшення різниці потенціалів виникає внаслідок зменшення прозорості мембрани для іонів натрію.
Часова залежність квантового відгуку — струму мемб рани — при поглинанні фотонів у фоторецепторах сітківки (рис. 5.10) була одержана в США усередненням відгуку на слабкі спалахи. На рис. 5.10, а наведено криву відгуку палички, спричиненого спалахом, який у середньому активує одну молекулу пігменту. На рис. 5.10, б наведено криву від гуку колбочки на спалах, що активує близько 200 молекул пігменту. На рис. 5.10, в наведена крива — відгук колбочки на світловий імпульс тривалістю 1 с.
Базова інформація про зовнішній світ для зору репрезен тована присутністю або відсутністю потенціалів дії, їх взаємною часовою залежністю (для пов'язаних ділянок сітківки) та часовим запізненням першої потенціальної хвилі (від початку стимуляції).
Електрична реакція фоторецепторів на світловий імпульс складається з реакцій двох видів. Первинний рецепторний потенціал утворюється з малою латенцією (часто коротшою за 1 мс) і є наслідком перетворення молекули пігменту зору. Звичайно він складається з декількох складових, які можна відділити одну від одної при зниженні температури.
Для діагностичної практики більш значущим є вторинний (пізній) рецепторний потенціал, який виникає внаслідок гіперполяризації клітинної мембрани палички або колбочки. Амплітуда гіперполяризації збільшується при збільшенні інтенсивності збудження (стимулу). Часові залежності вторинних потенціалів для колбочок відрізняються від цих залежностей для паличок тим, що у паличок вони виникають повільніше, ніж у колбочок. Внаслідок цього відрізняються граничні частоти. Менша тривалість реакції колбочок порівняно до паличок пояснюється більшою щільністю і коротшою відстанню (для колбочок), якою повинні пройти іони до найближчого каналу.
Осцилограми вторинного рецепторного потенціалу фото рецепторів сітківки земноводних наведено па рис. 5.1.3.
Рис. 5.13. Осцилограми вто ринного рецепторного
потен ціалу деяких земноводних
На рис. 5.14 схематично показано залежність вторинних потенціалів колбочок сітківки черепахи як відгук на світлові спалахи тривалістю 10 мс для трьох значень інтенсивностей стимулів.
Палички та колбочки транс формують сприйнятий оптич ний образ у послідовність ім пульсів, які на ідеалізованій схемі звичайно позначають за допомогою рисок, перпендику лярних до нервового волокна.
Рис. 5.14. Залежність вторинних потенціалів колбо чок сітківки
черепахи від інтенсивності стимулів
Кодування отриманої із сіт ківки інформації під час пере несення її до вищих центрів базується на зміні значень ча сових інтервалів між окремими імпульсами.
Перенесення інформації від нейрона до нейрона реалізуєть ся у відповідному сипапсі біохімічним способом приблиз но за одну мі лі секунду. На клітинному рівні приймається рішення про додання синаптичних потенціалів (тобто нейрон буде чи не буде посилати збуд ження до подальших нейронів). Через аксон сигнал поширюється електрохімічним шляхом із швидкістю від 1 до 10 см/мс.
Електричні сигнали з фоторецепторів перед їх приходом до мозку додатково обробляються шерегом нервових клітин. Після цього вони передаються внутрішньому шару клітин сітківки, який утворюють гангліозні клітини.
У шарі гангліозних клітин проходить перша суттєва оброб ка зорової інформації. У ньому почережно розміщені клітини, що відрізняються розмірами (великі і малі). Великі клітини не розрізняють електрохімічні сигнали, які надходять з кол бочок різних типів. Оскільки вони неселективні щодо кольору, можна припустити, що колір збудження вони не розрізняють. Малі клітини, навпаки, розрізняють ці сигнали з гангліозних клітин і дозволяють передавати інформацію про різні кольори. Насідком цього є те, що сигнал з гангліозних клітин набагато селективніший до кольорів, між сигнал безпосередньо з кол бочки.
Для обробки зорової інформації мозок використовує 1/10 частину своєї мозкової ємності. При обробці визначаються обриси і створюються чорнобілі та кольорові образи.
На базі результатів досліджень останніх років можна припустити, що зорові сигнали обробляються не тільки ієрар хічною сукупністю нейронів, але наприкінці ще й трьома різними системами мозку.
Сприйняття сенсу, утворення збуджень, думок та творчих сил у людини виникає за рахунок активності поверхні (до глибини 2,5 мм) кори мозку. У цьому просторі розташовано близько 15 мільярдів гаигліозних клітин (тут виділяють сім різних типів гаигліозних клітин, які зібрані до семи верств). На четвертій верстві (зверху) розташований зоровий район кори мозку, і до нього надходять нервовими волокнами ім пульси з первинного центру зору. За сучасними уявленнями сюди надходять сигнали зору до трьох різних систем. Кожна з них має власну специфічну функцію: одна з систем обробляє інформацію про форму об'єкта; друга - про його колір; третя - про його рухи. Тільки зішшя цих трьох часткових іпформацій забезпечує повну оптичну інформованість людини про навколишнє середовище. Поріг для сприйняття рухів стимулу (якщо у полі зору є нерухомі контрастні предмети) становить від 1 до 2' за секунду. Якщо рух сповільнюється до 40 -60" за секунду, він не сприймається взагалі.
Складними шляхами сприйняті імпульси впливають через подальші частини мозку на залози внутрішньої секреції. Таким чином керується продукція адреналіну та нопадреналіну, що керують функціями вегетативної системи.
Додамо також, що чутливість сітківки до світла може змінюватися у широких межах, чим забезпечується адаптація до різних рівнів освітлення. При цьому треба брати до уваги закон Блоха, який визначає, що добуток стимулу та його тривалості є константою. Це означає, що, якщо збільшувати тривалість освітлення сітківки, то для реалізації зорового с сприйняття вистачить меншої інтенсивності освітлення фоторецепторів. Закон Блоха за нормальних умов вірний у діапазоні тривалості стимулу від 0,4 до 100 мс.
5.2.4. Кольорове бачення
У нижній частині рис.5.9 наведено відносні спектральні за лежності поглинання трьох видів колбочок сітківки людини. Колбочки типу А найчутливіші до короткохвильової частини спектра (синє та синьозелене світло); колбочки типу В визна чають чутливість до середньохвильової області (зелено-синє, зелене та зелено-жовте світло); колбочки типу С — чутливі до ще довших хвиль (жовтий, орапжовий та червоний). Для людини цю спектральну чутливість встановив біофізик Едвард Макнікол з університету Джона Гопкіпса в Балтиморі.
Селективність кольорового бачення зростає після порів няння сигналів з колбочок різного типу. Якщо сигнали від «червоних» колбочок мають суттєво більший рівень, ніж сигнали від «синіх» та «зелених» колбочок, то людина сприймає лише червоний колір. Навпаки, якщо сигнали з «червоних» та «зелених» колбочок мають високий рівень, а сигнали з «синіх» малий, то людина бачить жовте світло і т. ін.
Порівняння довжин хвиль здійснюється нейронами, причому частота повторення збуджень зростає при надход женні сигналів одного типу та знижується, якщо надходять сигнали з колбочок різного типу. Кінцевий результат дає різ ницю сигналів від різних колбочок. При збільшенні або змен шенні довжини хвилі спектральна чутливість ока спадає — наближається до нуля для випромінювання з λ = 770 нм і вище, та λ = 380 нм і нижче. Наслідком цього є те, що людина з нормальним зором (трихроматнчие око) визначає для коль орового світла три характеристики: тон кольору (залежить від спектра енергії випромінювання); насиченість кольору (відображає колориметричну чистоту по відношенню до спек трального кольору) та яскравість.
В житті людини кольори мають велике значення вже з перших годин після народження, коли дитина розпізнає чер воний, зелений або синій кольори. Поступово кольорове бачен ня вдосконалюється. Наслідком цього є те, що людина знає близько 250 чистих кольорових тонів та 17000 змішаних кольорів. Крім того, розпізнає близько 300 відтінків сірого.
Для нормального кольорового бачення вірний принцип трихроматичності. Довільне кольорове світло А можна зоб разити як адитивну комбінацію трьох базових кольорів Ч, С, З (в колориметрії вживають літери R, G, В)
a{R} + b{G} + с{В} = d{A}. (5.2)
Коефіцієнти a, b, с визначають інтенсивність базових кольорів. Це співвідношення є алгебраїчним записом (гра фічним уявленням) вектора кольорового світла.
В класичній колориметричній системі RGB були встанов лені такі базові кольори:
червоний (R), λR = 700 нм;
зелений (G), λG = 546,1 нм;
синій (В), λв = 435,8 нм.
Для трихроматичпих складових у системі МКО одержимо
X - 2,7690 R + 1,7518 G + 1,1300 В;
Y = 1,0000 R + 4,5907 G + 0,0601 В; (5.3)
Z = 0,0000 R + 0,0565 G + 5,5943 В.
5.2.5. Порушення сприйняття кольору
Сприйняття кольору у людей різне. Аномалії у кольорово му баченні виявляються майже у 10% людей (переважно у чоловіків). У лікарській практиці розрізняють аномальну трихромазію, при якій результат суміші трьох кольорів відрізняється від нормального трихроматнчного бачення. У за лежності від того, для якого з кольорів порушується сприйнят тя, проводиться детальніша класифікація. Якщо один з базових кольорів не сприймається вірно — говорять про дихромазію, при двох — про монохромазію.
Дихромазія характеризується тим, що спостерігається повиє порушення бачення одного з базових кольорів. При цій частковій кольоровій сліпоті око реєструє лише два базові кольори. У залежності від дефектного кольору розрізняють:
протанопію (дефект бачення червоного);
деутеранопію (дефект бачення зеленого);
тритапопію (дефект бачення синього);
Монохромазія – це повна втрата кольорової чутливості, коли людина не розпізнає жодного кольору (вона бачить лише один колір).
5.2.6. Вплив кольорів на людину
Психологи досліджують, як забарвлення впливає на духов не життя людини. Результати досліджень використовують, наприклад, у рекламах, кіно, телебаченні, театрі. У психології також використовують шерег кольорових тестів для оцінки стану людини. У деяких іноземних медичних установах засто совують колортерапію. Бальзамом для душі має бути синій колір. Це також найчастіший колір у природі, і його можна сприйняти при слабому світлі. Протилежним чином впливає червоний колір.
5.2.7. Кольорове бачення тварин, птахів, комах
Кольорове бачення, яке можна порівняти з людським, притаманне малій кількості тварин. Надійно відомо, що коль ори сприймають птахи, черепахи, мавпи та деякі риби. Можливо мають кольорове бачення жаби та коти. Суперечне питання про кольорове бачення собак, кролів та мишей.
Структура фоточутливих елементів у цих істот часто знач но відмінна від структури колбочок людини. Наприклад, їжак реагує лише на жовтий колір, більшість птахів (і можливо інші тварини) сприймають ультрафіолетове світло. Птахи мають чотири (деякі п'ять) видів клітин, чутливих до кольо рів. Можливість сприйняття ультрафіолету дає зовсім іншу суміш кольорів у кольоровому баченні. Це дозволяє їм відрізняти мімікрійних комах від рослин, чого людське око зробити неспроможне.
Комахи також розрізняють кольори. Наприклад, бджола більшість червоних (для людини) квіток має бачити синіми (з точки зору людського сприймання кольорів). Червоний колір квіток, які не відбивають ультрафіолету, бджола взагалі не сприйматиме.
5.2.8. Бінокулярне бачення
Оскільки очі між собою взаємно посунуті, образи три вимірної сцени на сітківках кожного з очей трохи відрізняються. Незважаючи на різні окремі проекції предметів на обох сітківка, предмети не здаються подвійними. Система зору тлумачить цю різницю як відстань до цих предметів у полі зору.
Різниця обох проекцій є важливим фактором для сприйнят тя глибини простору. Було встановлено, що якщо стере оскопічні знімки мають однакову інтенсивність, людина не сприймає глибини образу. З цього виходить, що стере оскопічне бачення є саме таким, як і сприйняття рухів, тобто сліпим по відношенню до кольору. Ясно, що просторове ба чення залежить від перспективи, відносної величини об'єктів, відносного руху об'єктів при повороті голови (образ ближчого об'єкта рухається швидше і посувається більше), наявності тіней.
При збільшенні відстані до об'єктів бінокулярна різниця їх проекцій на сітківках зменшується. Тому, чим віддаленіший предмет, тим гірше сприймається глибина простору навколо нього.
Реакції очей па зовнішні фактори пов'язані між собою. Одним з таких факторів є кількість світла, що надходить до ока. При зменшенні інтенсивності зовнішнього освітлення зіниці рефлекторно розширюються. Якщо людина вдень за плющить очі на 10 — 20 с, зіниці збільшаться. Коли вона знову відкриє очі — зіниці зменшаться. Якщо досліджують реакцію кожного ока па цей фактор окремо, то при освітленні одного ока його зіниці за 0,3-0,8 с зменшуються (пряма реакція па світло). Зменшується також зіниця і неосвітленого ока (спря жена реакція на світло).
Оскільки на сітківці розрізняються деталі образу, які мають розмір (па сітківці) тисячних часток міліметра, не обхідна точна синхронізація рухів ока. Якщо тут виникають відхилення, має місце диплопія (подвійне бачення). При чиною можуть бути відхилення у нервах, регулюючих дію зовнішніх очних м'язів, або дефекти самих м'язів, що відповідають за рухи очей. Це може бути також результатом пухлини на очниці, наслідком хірургічних дій тощо.
5.2.9. Контрастна чутливість
Звичайно контрастну чутливість вимірюють для різних кругових площин, інтенсивність світла яких відрізняється на відомий приріст інтенсивності ΔІ, що оцінюють при дослідженні (рис. 5.15, а). У 1924 році було встановлено, що у широкому діапазоні інтенсивностей відношення ΔІ/І, яке називають відношенням Вебера, має майже стале значення, близьке до 0,02. Цей результат невірний для дуже малих і дуже великих значень інтенсивності.
Рис. 5.15. Контрастна чутливість при різниці ЛІ інтенсивності еле мента зображення на фоні площинки з інтенсивністю І (а) та вплив зростаючої інтенсивності фону на контрастну чутливість (б)
Значення контрастної чутливості у загальному випадку залежить від інтенсивності освітлення фону Іо (рис. 5.15, б). Залежність відношення ΔІ/І для різних інтенсивностей фону Іо наведено на рис. 5.15, б (праворуч). При порівнянні рис. 5.15, а і рис. 5.15, б можна побачити, що відношення ΔІ/І стале лише для малих областей інтенсивностей І.
Найменша різниця освітленостей, що її сприймає око, залежить також від розмірів об'єкта, що світиться. Для області кутів від 36' до 121' відношення яскравостей ΔВ/В у залежності від яскравості В (кд/м2) наведено па рис. 5.16. У окремих кривих па цьому рисунку вказаний діаметр поля зору.
Елементи сітківки людини дуже чутливі до світлового контрасту. Око спроможне розрізнити образи лише трохи світліші за фон.
Рис. 5.16. Залежність відносної розрізнюваної яскравості ΔВ/В від
яскравості фону
5.3. Електроретинограма
За допомогою мікроелектродів із очній кулі можна виміряти сталий потенціал між роговицею і більш негативною сітківкою. Цей потенціал утворений, передусім, внаслідок регуляції пере ходу іонів від судинної оболонки (lamina cribrosa) до фото рецепторів. Внаслідок руху іонів між судинною оболонкою та сітківкою виникає сталий електричний потенціал (потенціал спокою), який не залежить від рухів ока. Проте він змі нюється при змінах рівня адаптації ока.
В офтальмології знімання сумарних електричних потен ціалів ретини має більш ніж столітню історію.
Найскладнішим тут є підведення мікроелектродів до фото рецепторів. Електричний відгук сітківки, па інтенсивність якого впливає освітленість, у досліджуваних тварин звичайно знімають електродом, що розміщується у роговиці або скло видному тілі. Загальний електрод при цьому розміщують за оком.
При зйомці електроретинограми людини (ЕРГ) вимірювальний електрод розміщують на внутрішній поверхні сітківки, або (частіше) на роговиці. Наприклад, вимірювальний
електрод, виготовлений з Ag/AgCl, підмикається до ока за допомогою спеціаль ної контактної лінзи (рис. 5.17). Щоб кон тактні лінзи мали доб рий електричний кон такт з роговицею (яка дуже тонка), їх заповнюють електропровідним розчином. Іноді використовують спеціальний приставний електрод.
Рис. 5.17. Схема підімкнення електродів при зчитуванні електроретинограми
Опорний (індеферентний) електрод розміщують па щоці, чолі, мочці вуха. Розміщення цього електрода поблизу ока менш зручне, оскільки сигнал електроретинограми спотворю ватиметься артефактним сигналом електроокулограми.
5.3.1. Спалахова електроретинограма
Електроретинограма відображає просторово розподілену електричну реакцію па сітківці на біоелектричне збудження.
На рис. 5.18 наведено типову ЕРГ ока, адаптованого до тем ряви, при двосекундному світловому збудженні. (Максимальна амплітуда ЕРГ звичайно близька до 0,5 мВ). Для одержання відгуку сітківки у цьому випадку вживають виключно неструктуровапі стимули із значною яскравістю. Фотостимуляція звичайно є монокулярною(друге око заплющене).
Рис.5.18. Типовий вигляд ЕРГ ока, адаптованого до темряви,
при двосекундному світловому імпульсі.
Оскільки такий світловий стимул збуджує значну площу сітківки (світло ба гаторазово відбивається усередині ока), має місце додавання рецепторних потенціалів. Чотири скла дові ЕРГ сигналу, які найбільш часто ідентифікують, визначають як хвилі ,, , .
Вейзсль та Браун у 1961 році за допомогою мікрослектродів визначили зв'язок анатомічного ноложспня вістря електро да на сітківці та зафіксованої електричної активності у цьому місці. Хвилі та більші у темній частині сітківки. Хвиля ймовірно викликана пігментним епітелієм за фоторецепторами. Дослідженнями було встановлено, що хвиля має походження з шарів фоторецепторів, у той час, як хвиля виходить з біполярних клітин.
Перша частина відповіді па короткий світловий спалах утворюється початковими змінами у фотопігментнпх молеку лах майже без затримки (то є первинний рецепторний потен ціал). Вторинний рецепторний потенціал (складова затримана на 1—5 мс) репрезентує активність синантичиих закінчень фоторецепторів та горизонтальних клітин. У ЕРГ хвиля відповідає вторинному рецепторному потенціалу. При цьому треба взяти до уваги, що первинний рецепторний потенціал є лінійно залежним від інтенсивності світла у світловому імпульсі, в той час, як вторинний рецепторний потенціал має значну нелінійну залежність від рівня стимулу (приблизно це логарифмічна залежність від інтенсивності).
Головна хвиля утворена активністю біполярних клітин, хоча багато авторів указують, що під час хвилі також активуються гангліозні клітини. Але їх набагато менше, ніж біполярних. Усі клітини сітківки (за винятком гангліозних) відповідають на стимуляцію зростаючими потенціалами, поки деполяризація гангліозних клітин не створить потенціал дії, який поширюється до мозку.
В ЕРГ людини хвилі і мають складові паличкові та колбочкові (причому колбочкові складові швидші). Хвилі і з'являються за перші 100 мс після початку світлового імпуль су. Ці хвилі мають зменшену амплітуду, наприклад, у роз винених станах діабетичної ретинопатії. Хвиля є наслідком змін мембранних потенціалів клітин пігментного епітелію па початку світлового імпульсу. Амплітуда хвиль , , пропорційна логарифму інтенсивності спалаху і залежить від інтервалу між світловими імпульсами. Хвиля утворюється внаслідок змін мембранних потенціалів фоторецепторів і біполярних клітин по закінченні освітлення (off-effect). Оскільки хвиля є реакцією на зміну освітленості сітківки, амплітуда хвилі залежить від трива лості світлового стимулу. Якщо він триває довше, ніж 0,3 с, то хвиля починається ще при дії світлового імпульсу, a off-effect до неї додається. При коротких світлових імпульсах хвиля додається до хвилі .
Амплітуда домінантної хвилі значною мірою залежить не тільки від умов адаптації, але також від попередньої стимуляції. На сіт ківці жаб було, наприклад, встановлено, що після стимуляції білим світлом з енергією 0,2 Дж амплітуда хвилі збільшується на 23%. До такого збільшення метаболічної активності паличок та колбочок дійде при тера певтичних дозах ультразвуку. Токсичні дози ультразвукової енергії (3 Вт/см2) зменшують хвилю в середньому на 38%) (високі дози УЗ призводять до пошкодження деяких структур клітин сітківки).
При детальному аналізі ЕРГ можна на спадаючому боці хвилі b знайти серії з 4—6 ритмічних хвиль. Першими їх описали в ЕРГ людини у 1953 році Кобб та Мортон і дали назву осциляційних потенціалів (ОП).
Типовий вигляд ОП наведено па рис. 5.19. Оскільки ОП мають власну частоту в смузі від 100 до 160 Гц, їх можна (після стимуляції світлом високої інтенсивності і короткої тривалості) добре відділити фільтром верхніх частот (ФВЧ). У клінічній практиці ОП використовують для кількісної оцінки ішемії по всій внутрішній площині сітківки у випадку судинних захворювань.
Рис. 5.19. Осциляційні потенціали в ЕРГ
До суттєвих змін ОП доходить при глаукомі, конгенітальній пічній сліпоті, токсичній ретинопатії, викликаній деякими металами і т. іп.
Для вірної оцінки функціональної поведінки сітківки доцільно одержати сукупність ЕРГ для різних інтенсивностей світлового стимулу (наприклад, накладанням сірого фільтра з відомою оптичною щільністю). Така сукупність ЕРГ може, наприклад, вимірюватись у діапазоні 80 дБ світлового ім пульсу.
ЕРГ також вимірюють екпериментально у деяких тварин. Цікавим є вплив зимового сиу тварин на їх ЕРГ. Дослідники встановили, що око починає реагувати на світлові стимули, коли тварину зігріти температурою 10°С. Тільки після цього можна одержати ЕРГ низького рівня. Зменшення діаметра зіниць при світловому спалаху (рефлекс зіниць) має місце лише при температурі 15—16 °С. Якісну ЕРГ можна отримати лише при температурі 25 °С.
5.3.2. Просторові властивості ЕРГ
Останні роки електроретинографію почали використову вати при діагностиці захворювань сітківки та нерва зору, а також для оцінки властивостей світлопередавальпої середи (наприклад, у випадку забруднення очної лінзи при ката ракті). При цьому цінну інформацію надає ЕРГ з визначеної площі сітківки.
Бріндлі ще у 1957 році показав, що сукупність ЕРГ, утво рених окремими ділянками сітківки, відповідає простій (ін тегральній) ЕРГ, яка утворена стимуляцією одночасно усіх цих областей сітківки.
При поданні локалізованого світлового імпульсу на частину сітківки людини треба враховувати канали передачі світла і можливість його розповсюдження не тільки на визначену ділянку, але й на значно більші області сітківки, ніж ті, на які розраховують дослідники. Сітківка адаптується до збитко вого освітлення, і це проявляється як зменшення чутливості до падаючого світла у стимульованій області. Приклад ЕРГ людини, око якої адаптоване до світла, наведено на рис. 5.20.
Рис. 5.20. Приклад ЕРГ сітківки людського ока, адап тованого до світла
Геометричні характеристики світлових стимулів для реєстрації зональної ЕРГ наведені на рис. 5.21: І – макулярна ЕРГ, ІІ – парамакулярна ЕРГ, ІІІ – периферійна ЕРГ.
Рис. 5.21. Геометричні харак теристики світлових стимулів
для реєстрації зональної ЕРГ
За допомогою зональних ЕРГ можна здій снювати діагностику центральної або периферійної дегенерації сітківки, а також виявляти пору шення у кольоровому баченні.
Макулярну ЕРГ знімають з ока, адаптованого до світла (рі вень базової освітленості від 15 до 20 лк). Відгук знімають при трьох кольорах світла, що посту пово змінюються (кутовий розмір стимулу 10° — див. рис. 5.21): червоний (λmах = 600 нм); зе лений (λmax = 350 нм); синій
(λmax = 420 нм).
Парамакулярyу ЕРГ отри мують при дії синього світлового стимулу у нарацентральпій зоні (рис. 5.21) після 30-секупдиої адаптації до темряви. Енергія світлового стимулу (у порів нянні до стимуляції центра сітківки) зменшена до 1/2000.
Периферійні ЕРГ знімають після 3-хвилипиої адаптації до темряви як відгук yа дуже слаб кий (1/10000 у порівнянні до макулярної стимуляції) синій спалах, який стимулює лише периферійну область сітківки(рис. 5.21).
Оцінка зональної ЕРГ виходить звичайно з положення вершин хвиль і , значень їх латенції та амплітуди. Ситуацію ілюструє рис. 5.22. Час латенції на ньому позначений t1a, поло ження хвиль і репрезентують значення часових інтервалів ta та tb.
Рис. 5.22. Параметри зональ ної ЕРГ, за якими проводять її оцінку
Приклади двох локальних (макулярних) ЕРГ (в нормі) наведені у порівнянні із спалаховою ЕРГ (при стимуляції білим світлом) на рис. 5.23. Кутове значення стимулу макулярних ЕРГ дорівнює 20°.
Рис. 5.23. Приклади ло кальних (макулярних) ЕРГ (в нормі) у порівнянні до спалаху
В залежності від зниження гостроти зору (наприклад, у діабетичній ретинопатії, ретино патії передчасно народжених дітей, гіпертензійній нейроретипопатії тощо) мас місце значне зменшення як амплітуди хвилі , так і у ЕРГ-кривих. Хвиля до того ж має меншу крутизну. Такі ознаки зустрічаємо у людей з хворими нир ками.
5.4. Відгуки сітківки (визвані зором) на структуровані світлові стимули (Р-ЕРГ)
У 1964-1966 роках П. Є. Джонсон та Л. А. Риггс описали як отримати локальну ЕРГ з різних місць сітківки. За їх ме тодом па сітківці створювали образ просторово структурованого світлового стимулу (поле шахівниці або поле, складене з чорних та білих смуг). У регулярних часових інтервалах темні місця стають світлими і навпаки. Стимулом є саме ця інверсія. Цей тип ЕРГ, який називають Р-ЕРГ (паттерн-електроретинограма), є проявом фотопічної активності. Максимальна амплітуда складає лише декілька мікровольт. Фотостимуляція, як і для спалахової ЕРГ, є монокулярною.
Типовий вигляд Р-ЕРГ наведено у верхній частині рис. 5.24, б.
Рис. 5.24. Зчитування Р-ЕРГ та Р-ВЕП при шахівничному сти мулі (а) та головні параметри (ретинокортікальні часи) цих відгуків мозку (б)
5.5. Зорово викликані відповіді мозку на структуровані світлові стимули (Р-ВЕП)
Вже більше ЗО років у деяких клінічних, установах знімають наведений (евокований) потенціал здорових областей кори на відповідний зоровий стимул, оскільки добре повторювані відгуки дає реверсійна (інверсійна) стимуляція ( з використанням чорно-білих або кольорових смуг або шахівниці). Для цього методу використовують ті самі стимули, що і у випадку Р-ЕРГ. Зйомку евоковаиих по тенціалів (звичайно її називають Р-ВЕП — pattern-visual-еvo-ked potential) виконують за допомогою поверхневих елект родів Ag/AgCl, які розміщують як для ЕЕГ. Сигнали можуть бути як уніполярними (тоді індиферентний електрод роз міщують па вусі), так і (найчастіше) біполярними (електроди розміщують у положеннях О1, О2, Р2, P3, Р4).
Амплітуда Р-ВЕП мала (від 0,3 до 20 мкВ) і залежить від кутового розміру збудження, розмірів квадратів шахівниці (на практиці від 10' до 600, їх контрасту (використовують конт раст від 0,4 до 0,98) та середньої яскравості стимулу (звичайно від З0 до 400 кд/м2).
Звичайно із збільшенням яскравості збудження зменшу ється запізнення (затримка) та збільшується амплітуда Р-ВЕП. Оскільки окремі Р-ВЕП мають у порівнянні до базових ЕЕГ
(на які вони накладаються) дуже малу амплітуду, необхідно забезпечити багатократне повторення стимулів, щоб стало можливим відділити Р-ВЕП від нативної ЕЕГ. Динаміку сигналу можна суттєво поліпшити розміщенням зчитуючого електрода у відповідній ділянці мозкової тканини — що іноді роблять в експериментах з тваринами.
Для клінічної практики певне значення мають величини ретинокортікальних часів. Їх визначають з одночасно реєстро ваних кривих Р-ЕРГ та РВЕП реакцій на шахівничо структу-рований стимул (рис. 5.24, а). Вершини хвиль Р-ЕРГ позна чають малими літерами з індексами, які відповідають затримці у мілісекундах від моменту реверсації. Відгуки кори Р-ВЕП мають позитивні вершини, які позначають літерою Р, та негативні, позначені літерою N. Індекси у цих літер знову означають затримку відповідної хвилі у мілісекундах по відношенню до реверсації (інверсії стимулу).
На рис. 5.24, б наведено три позначення, що найчастіше використовуються (rеtino-cortia time, RCT):
I=P55 – a30
II = N75 – a30 (5.4.)
III = N75 – b55
Ці ретинокортікальні часи визначають час, що минає від стимуляції сітківки до активації нейронів у зоровому осередку кори. Значення (середнього) III ретинокортікального часу складає (21,20±5,18) мс.
Вплив середньої яскравості та положення світлового стимулу (0° — у центральній ямці; 20° та 40° до носального бо ку правого ока) на Р-ВЕП, що знімають в окципітальній (потиличній) області, вмдно з рис. 5,.25. Ці Р-ВЕП-потенціали у шерега очних хвороб виразно змінюються.
Рис. 5.25. Вплив середньої яскравості та положення світлового стимулу (0° - у центральній ямці; та у напрямку 20° та 40° - до носального боку правого ока) на Р-ВЕП.
Їх рання діагностика особливо важлива у дітей дошкільного віку, і для об’єктивної оцінки зору у цих випадках зручна саме Р-ВЕП- тех ніка.
Середні значення затримки другої позитивної вершини (Р2) у спалахової ЕРГ та Р-ЕРГ для трьох вікових сукупностей наве дено у табл. 5.2, де n — кількість пацієнтів.
Монохроматичні стимули з однаковою енергією, але з різними довжинами хвиль викликають Р-ВЕП з різними відхиленнями, які можна медично використати (наприклад, для об'єктивної оцінки порушень сприйняття кольорів). На рис. 5.26 наведено результати усереднення ЗО Р-ВЕП двох осіб (суцільна та штрихова лінії) для п'яти довжин хвиль світлового стимулу.
Рис. 5.26. Ре зультати усеред нення ЗО від повідей Р-ВЕП двох осіб (су цільна та штри хова лінії) для п'яти довжин хвиль світлового імпульсу
Для функціональної оцінки системи зору у майбутньому можна буде використати сквііндукційні карти, виміряні па поверхні голови. Ці карти ілюструють локалізацію дипольних генераторів, що виникли у відповідь на зорову стимуляцію. Характер карт залежить від кутового розміру стимулу, його положення у полі зору та довжини хвилі світла.
Таблиця 5.2. Середні значення латенції вершини Р2 у спалахової ЕРГ та Р-ЕРГ
|
Вік (років) |
Спал ахов а ЕРГ, мс |
Спалахова Р-ЕРГ, мс |
|
56-65 (n = 15) |
115,5 ± 6,2 |
106,9 ± 5,6 |
|
65-75 (n = 21) |
122,6 ± 8,7 |
113,8 ± 9,5 |
|
76-85 (n = 10) |
130,9 ± 9,1 |
117,3 ± 11,1 |
5.6. Порівняння діагностичного використання спалахової ЕРГ, Р-ЕРГ, Р-ВЕП
Внаслідок того, що звичайна (спалахова) ЕРГ виникає як відповідь у периферійних відділах зорового шляху (у фоторе цепторах, біполярних і Мюллєрових клітинах): Р-ЕРГ — у ганглієвих клітинах, а Р-ВЕП — у нейронах зорової області кори мозку, то па їх базі можна об'єктивно оцінити, чи до ходить до патологічних процесів. Патологічні зміни у сенсі попередніх розділів проявляються як у зменшенні амплітуди відповідного біосигналу, так і у зростанні латенції вершини окремих хвиль. У деяких випадках збільшуються також ретинокортікальні часи, хоча при адекватній затримці обох зчитаних вершин у рівняннях (5.4) відповідний ретипокортікальний час залишається без змін.
Виводи топографічної діагностики наведено у табл. 5.3.
Таблиця 5.3
|
Біосигнал |
Патологічний процес в області |
|
|
нормальний |
патологічний |
|
|
- |
ЕРГ |
першого та другого нейрона сітківки |
|
ЕРГ |
Р-ЕРГ |
третього нейрона сітківки |
|
ЕРГ, Р-ЕРГ |
Р-ВЕП |
за третім нейроном сітківки |
5.7. Рухи очей
Положення кожного очного яблука є наслідком дії весь час напружених еластичних окорухівнпх м'язів:
m.rectus superior — рухає яблуко догори та медіально;
m.rectus inferior — рухає яблуко униз і медіально;
m.rectus medialis — рухає яблуко (bulbus) медіально;
m.rectus lateralis — рухає яблуко латерально («абдукція»);
m.obliquus superior — рухає яблуко униз і латерально;
m. obliquus inferior — рухає яблуко догори і латерально.
Бокові прямі м’язи повертають око у різні боки. Верхній та нижній косі м’язи разом із середнім поперечним м’язом рацюють у взаємній координації та дозволяють повертати око за годинниковими стрілками (або навпаки). Реакція м'язів, що рухають очима, винятково швидка — тому й очі можуть ру хатись дуже швидко.
Око ніколи не знаходиться у спокої, завжди рухається і у випадку навмисної фіксації При цьому розрізняють три види рухів під час фіксації:
дрейф — це повільні рухи ока, коли за 200 мс вісь зору відхиляється максимально на 6'. Образ, таким чином, посу вається па сітківці на 10—15 колбочок і не виходить з області fovea, тобто області пай гострішого бачення. Кожне з очей викопує дрейф взаємно незалежно та асиметрично;
мікросакади — це швидкі рухи ока, що виникають регу лярно (які не можна контролювати волею) з амплітудою від 2' до 50' за час від 10 до 20 мс. Припускають, що однією з важливих функцій мікросакад є обернути око у вихідне поло ження, з якого воно вийшло після дрейфу;
тремор (трясіння ока) — має найменшу амплітуду від 20 до 30", але значну частоту. Частота тремору ft може лежати в діапазоні від 70 до 130 Гц. Механізм тремору очей не ясний (він накладається на дрейф ока). Припускають, що частота тремору залежить від діаметра очного яблука D за приблизним співвідношенням
ft = 104 • D -3/2 [Гц; мм]. (5.5)
Цю залежність наведено на рис. 5.27 для звичайного розсягу D від 19 до 24 мм, середнє значення D = 21,5 мм.
Амплітуда тремору ока залежить від освітленості об'єкта Ео, рівня насиченості фоторецепторів сітківки та розсягу сти мульованої сітківки. У стані невагомості це тонке коли вання ока — тремор — проходить більш монотонно і ефективно (це було встановлено для космонавтів па початку 60-х років). Тому потужність зору у космосі суттєво збільшується.
Рис. 5.27. Залежність частоти тремору ft від діаметра очного яблука
Набагато більші, ніж тремор, великі рухи очей. До них на лежать сакади (вільні рухи очей, коли очі оглядають усе поле зору), які повторюються завжди з інтервалом 150 мс. Ко ординація цих рухів очей далі викопується за рахунок рухів голови.
Результуючий зсув очей буде (певною мірою) відповідати зсуву предмета, що рухається. Координація рухів голови і очей здійснюється ЦНС (зоровими областями). Якщо фік сується нерухомий предмет і одночасно рухається голова, очі викопують рухи у протилежному напрямку. На напрямок та величину сакад впливає воля людини (наприклад, при читанні). Сакади змінюються періодами фіксації.
Пильнуючі рухи очей (не залежать від волі) мають місце у випадку, коли в полі зору рухається з визначеною швидкістю об'єкт спостереження. Оскільки пильнуючі рухи значно більше залежать від барбітуратів, очевидно, що системи для керування сакадами та пильнуючими рухами взаємно незалежні. Середня кутова швидкість ока тим більша, чим більша амплітуда швидкого руху і досягає величний від 200 до 600°/с.
До великих очних рухів належать також вестибулярні очні рухи, які визвані оптокінетичним нистагмом, як це буде детальніше розглянуто в наступній главі.
Пильнуючі рухи очей можна також викликати і впітьмах, якщо використовувати звукові стимул и.
Для реєстрації великих рухів очей можна використати методи зчитування ЕОГ-потенціалів (роздільна здатність близько 1—2°). Малі та великі рухи очей можна також зареєструвати вимірюваням зміни магнітних полів в їх близькому оточенні, іноді аналізом образів в очах (які можна отримати відповідною телевізійною системою). Найбільш точні результати дають методи реєстрації рухів очей за допомогою контактного феритового кола (товщини від 0,1 до 0,25 мм, маси близько 0,1 г). На ньому знаходяться дві котушки LА , LB — максимальна відносна зміна індукції за рахунок обертан ня осі становить 2%. Зміна резонансних частот (близько 3 кГц) реєструється синхронним детектором. Досягнута похибка – 0,01°
5.8. Електроокулографія. Генезис та зчитування електроокулограми (ЕОГ)
Електроокулографія служить для вимірювання положення ока (та часових змій положення) за допомогою електричних потенціалів, які знімають за допомогою поверхневих елект родів. Для вимірювання горизонтальної складової ЕОГ електроди розміщують зліва та справа від кутків ока. Для вимірювання вертикальної складової ЕОГ електроди роз міщують над та під оком. Принципове розміщення зчиту вальних електродів та їх підімкнення до операційних підсилювачів наведено на рис. 5.28. Іноді знімають уні полярні потенціали ЕОГ (по відношенню до опорного елек трода, який розміщують посе редині чола особи, що дослід жується).
Потенціал диполя — роговиця-сітківка залежить від положения осі ока. Коли погляд скерований просто пере/і собою, диполь розміщений симетрично між електродами і результуючий сигнал — нульовий. При погляді ліворуч роговиця стає позитивною у лівого електрода, який також стає позитивним. Майже лінійна залежність між горизонтальним кутом оптичної осі ока та сигналом ЕОГ має місце в діапазоні ±30°.
ЕОГ, на відміну від інших біопотенціалів, потребує підсилювача сталого струму (для максимального вхідного сигналу 2 мкВ діапазон частот до ЗО Гц). Оскільки в ЕОГ треба розрізнити значення напруг близько одиниць мік ровольт, необхідно використовувати електроди Ag/AgCl (щоб виключити дрейф).
Рис. 5.28. Розташування зчиту вальних електродів і їх підімкнення
до ОП при зчиту ванні ЕОГ
Також необхідно досконало очистити шкіру (цим зменшу ють короткочасні зміни електричного потенціалу, які не пов'язані з положенням очного яблука). Артефакти з ЕЕ Г та ЕМГ на практиці для цього методу складають приблизно 1° повороту ока і разом з власним шумом біопідсилювача обмежують роздільну здатність електроокулографії |5.3|. Важлива також адаптація особи, що досліджується, до базової ос вітленості (швидкий перехід викликає малі осциляції елект ричного потенціалу з часом встановлення до 25 хвилин).
Стимули для пильнуючих рухів бувають або оптичними (наприклад, програмно керовані світлодіоди або смуги постійної яскравості, розміщені на півкулі), або акустичними (тонові імпульси або імпульси шумової напруги, які після підсилення поступово перемикаються на поодинокі репродук тори шерегу репродукторів). Вимірювання повторюються циклічно з інтервалом одна —дві хвилини. При оптичніїй стимуляції рівень яскравості темних площин становить менше 0,1 кд/м2, світлі площини мають яскравість більше 800 кд/м2.
Приклади елсктроокулограм горизонтальних рухів, що викликані спалахами праворуч або ліворуч, для трьох різних амплітуд наведено на рис. 5.29 для правого (R) та лівого (L) очей.
Рис. 5.29. Приклади електроокулографічних горизонтальних рухів, викликаних спалахами праворуч та ліворуч
Горизонтальні вільні рухи очей (сакади) при спостеріганні навколишнього середовища ілюструють ЕОГ, наведені на рис. 5.30. Швидкі рухи з великою амплітудою (І) і мала корекція швидких рухів (II) ілюструють ЕОГ, наведені па рис. 5.31. На рис. 5.32 для порівняння наведено ЕОГ, що відображають горизонтальні (I) та набагато повільніші вертикальні (II) сакади. Горизонтальні пильнуючі рухи очей у темряві при горизонтальному русі малої світлової площинки з діаметром 0,2° ілюструє ЕОГ, наведена на рис. 5.33.
Рис. 5.30. Горизон тальні вільні рухи очей (сакади) при спостеріганні
на вколишнього сере довища
Рис. 5.31. Швидкі рухи з великою амплітудою (І) та їх мала корекція (II)
Рис. 5.32. Горизонтальні (І) та верти кальні (II) сакади
За кордоном деякими дослідниками були виміряні магнітні поля ока при його русі (МОГ має суттєво більші зна чення магнітної індукції, ніж МРГ).
МОГ звичайно вимірюють на від стані 20 мм від поверхні роговиці. Перед початком вимірювань погляд спрямований перед собою, далі очі повертаються до одного та другого крайнього положення. Типовий вид МОГ наведено на рис. 5.34.
Амплітуду магнітної індукції (вимірювану у ока) при повороті ока па кут ер можна в изиачити відношенням
Вмог = В0sinφ,
де В0 = 3 пТл.
5.8.1. Діагностичні застосування ЕОГ
ЕОГ можна використовувати для шерегу об'єктивних досліджень. Наприклад, для оцінки функціонального стану окорушійних м'язів, оцінки асиметрії, прогресу екофтальму (висування ока з очниці). Дуже поширена реєстра ція рухів очей уві сні та у немовлят і дітей дошкільного віку. Патологінч ЕОГ також при деяких порушеннях судин та в ретинопатії.
Рис. 5.33. Горизонтальні пильнуючи рухи при горизонтальному
русі малої площинки з діаметром 0,2 °
Особливий регулярний характер мають рухи очей при читанні — очі рухаються вдовж рядків у формі швидких скоків. Між ними мас місце фіксація в інтервалах від 0,15 до 0,5 є. Коли під час читання рядка око доходить до його кінця, мас місце поодинокий швидкий скок ліворуч па початок наступного рядка. Амплітуда та частота рухів очей залежать від формату тексту (розмір сторінки, характер розміщення тексту на сторінці та тип літер). Крім того, па ці параметри ЕОГ впливає ступінь розуміння читачем сенсу тексту.
ЕОГ, наведена на рис. 5.35, ілюструє горизонтальні рухи очей при читанні тексту, що добре розрізняється, з простим сенсом. Якщо стиль автора тексту склад ний, або сенс тексту неясний, або надзвичайно навантажений інформацією, то очі читача викопують швидкі зворотні рухи, орієнтовані інверсно до напрямку читання. Приклад горизонтальної ЕОГ при читанні тексту, що добре розрізняється, але із складним сенсом наведено на рис. 5.36.
Рис. 5.34. Приклад магнетоокулограми (МОГ)
Рис. 5.35. ЕОГ горизон тальних рухів очей при читанні тексту,
що легко розрізняється і має простий сенс
Рис. 5.36. ЕОГ горизон тальних рухів очей при читанні тексту,
що легко розрізняється, але має складний сенс
Велика кількість швидких рухів проти напрямку читання наявна в рухах очей дитини, яка вчиться читати. У людей, які з успіхом засвоїли курс «швидкого читання», характер рухів очей відрізняється (у них швидкі скоки ліворуч праворуч). Це, мабуть, пов'язано з метою збільшити обсяг інформації за одиницю часу.
Аналіз бокових рухів очей застосовується у психофізіо логічних методах — наприклад, у логопедії. У психіатрії ЕОГ-метод можна використати при оцінці емоцій, успішності лікування психофармаксами тощо.
Література до глави 5
5.1. Артюшин Л. Ф. Адаптационная модель цветного зрения // Техника кино и телевидения.- № 2.— 1989.- С. 3—13; j№ 7. 1989.- С. 3-14.
5 2 Collum Т. F. Real-time filtering tor estimation oi steady-state visual evoked brain potentials // IEEE Trans. BME-37.- JM° 6.-1990.- P. 650-652.
5.3. Эскин В. Я., Капулович Д. И. Автоматизированная электроокулографическая система // Медицинская техника.- ,№ 3. -1984.- С. 15-17.
5.4. Фильчикова Л. И. и др. Зрительные вызванные потенциалы на реверсию шахматных полей у детей с оптическими невритами // Вестник офтальмологии. — № 3. - 1991.— С. 65 — 68.
5.5. Hatarnian М., Anderson D. J. Design considerations for a real time ocular control instrument // IEEE Trans. BME-30.- № 5.-1983. - P. 278-288.
5 6 Harlicek K. aj. Zmenv elektroretinogramu u diabetes mellitus // Cs. oftaimologie.- V. 47.- № 2.- 1991. S. 91 97.
5 7 Havlicek K. aj. Oscilacni potencialy u diabetike retinopatie /7 Cs. oftaimologie.- V/47.- № 3. - 1991.- S. 229 234.
5 8 Jernigan M. E. Visual Field Plotting using eye movement res ponse /7 IEEE Trans. BME-26.- № 1. - 1979. - P. 601-606.
5 9 К er t es 2 A. E., Perlmutter A. L. Vertical fusional response to asymmetric disparities // IEEE Trans. BME-30. - № 4.- 1983.-P. 246-250.
5.10. Koretz J, F., Handelman G. H. How the human eye focuses // Scientific American.- 1998.- July. - P. 64-71.
5.11. La Course J. R., Hlndik F. C. An eye movement communica tion-control system for the disabled // IEEE Trans. BME-37. - № 12. -1990.- P. 1215- 1220.
5.12. Vevine M. D. Vision in man and machine. — New York: MeG-raw-Hill, 1985.
5.13. Li H. F. at el. Real-time on-line pattern recognition of eye position and movement // IEEE Proc.-- V. 132E.- № 6. 1985. — P. 293-308.
5 14 Ливингтон M. С. Искусство, иллюзии и зрительная система // В мире науки.- № 3.- 1988.- С. 58-66 (Scientific AM. V. 258.- № 1.- 1988).
5.15. Lowitzsch К., Welt R. VEP und Elektroretinographie durch Musterumkehreizung in der Fruhdiagnostik des Glaucoma egronicum simplex // Z. EEG-EMG. — V. 22.- 1991. - P. 217-223.
Глава 6
СЛУХОРІВНОВАЖНІ ОРГАНИ ТА ЇХ БІОСИГНАЛИ
Слухорівповажна система людини складається із двох взаємно пов'язаних систем: вестибулярної та слухової.
6.1. Вестибулярна система
Вестибулярна система (від лат. vestibulum - переддвір'я) — це сенсорна система, яка забезпечує сприймання подразнень, що йдуть від вестибулярного апарата і свідчать про зміну положення голови або про кутові прискорення тіла. Периферичний відділ системи — це вестибулярний апарат, рецептори якого передають інформацію через вестибулярну гілку VIII черепно-мозкового нерва до вестибулярних ядер до вгастого мозку та мосту. Ці ядра встановлюють широкі зв'язки з моторними ядрами стовбура спинного мозку, ретикулярною формацією та мозочком.
Інші частини вестибулярної системи забезпечують взає модію із зоровою, шкіряною та м'язовою сенсорними систе мами. Вони визначають їх участь у реалізації шерегу ре цепторів орієнтації тіла по відношенню до сили тяжіння, зо рово-моторних реакцій.
6.1.1. Вестибулярний апарат
Вестибулярний апарат — це периферичний відділ вестибу лярної системи. Він представлений розташованим у скроневій кістці лабіринтом. Лабіринт складається із трьох взаємно пер пендикулярних каналів та двох розширень (мішечків) — отолітових органів (рис. 6.1).
Вестибулярні рецептори розташовані в розширеннях кожного нівколового каналу та ділянках отолітових ор ганів, їх війки занурені в желеподібну субстанцію, яка містить вапнисті вкраплен ня — отоліти. Рідина, яка міститься в лабіринті, ігри зсувах голови та тулуба посувається (внаслідок і нер ці й пості). Це викликає змі ну положення структур, до яких занурені війки, та ви никнення процесів.
Рецептори півколових каналів активуються при кутових прискореннях, а рецептори отолітових органів — при лінійних.
Рис. 6.1. Будова вестибулярного апарата:
отолітові органи (1, 2); півколові біоелектричних канали (3); розширення, що вміщує вестибулярні рецептори (4)
6.1.2. Вестибулярні рецептори
Вестибулярні рецептори — це механорецептори, зосеред жені у вестибулярному апараті. Вони представлені колбоподібними та циліндричними клітинами, на вершині яких роз ташовані війки. Зсув війок призводить до виникнення біо електричних процесів. До основи кожного вестибулярного рецептора надходять закінчення дендритів сенсорних нейронів вестибулярного ганглію VIII черепно-мозкового нерва.
6.1.3. Ганглій
Ганглій - (від лат. ganglion -- вузол) — це сукупність нейронів у периферичній нервовій системі. Розрізняють чутливі спинно- та черепно-мозкові, а також вегетативні ганглії.
6.2. Слухова система людини
Слухова система — це сенсорна система, що забезпечує сприйняття звукових сигналів і можливість орієнтуватися за акустичними подразниками. Периферичні відділи слухової системи представлені зовнішнім, середнім та внутрішнім вухами. Проведення інформації до мозку забезпечує слуховий нерв. Слухові центри стовбура мозку не тільки зв'язані чи сленними висхідними та спадними шляхами між собою, але й зі структурами моторних систем та ретикулярною формацією, що забезпечує виконання рефлекторних реакцій у відповідь па звукові подразники (наприклад, поворот вух тварин, скоро чення м'язів середнього вуха). Чутливість слухових рецеп торів регулюється спеціальною системою нервових волокон. Висхідні проекції від усіх слухових ядер стовбура спрямовані в особливе ядро таламусу (внутрішнє колінчасте тіло), не йрони якого передають інформацію до слухової області не-окортексу у скроневій долі.
6.3. Будова органа слуху
Незважаючи па відносно великі розміри (рис. 6.2), зовнішні структури вуха людини мають відносно невелике зна чення для сприйняття звуку.
У відповідності до найпоширенішої точки зору, функції зов нішнього вуха (вушна раковина, зовнішній слуховий прохід та зовнішній барабанної перетинки забезпечують спрямований прийом звукових хвиль. Вушні раковини концентрують звуки, що виходять з відповідних ділянок простору у напрямку до зовніш нього слухового проходу, а також обмежують потік звукових сигналів, які надходять з тильного боку голови.
Рис. 6.2. Схема розташу вання структур вуха людини відносно черепа
Зовнішній слуховий прохід разом з вушною раковиною можна порівняти з резонатором типу органної труби, закритої з одного боку (рис. 6.3).
Рис. 6.3. Будова основних структур вуха людини: вушна раковина та зовнішній слуховий прохід (1); барабанна перетинка (2); молото чок (3); ковадло (4); стрем'янко (5); овальне вікно (6); півколові канали (7); завитка (8); кругле вікно (9); слуховий нерв (10); вес тибулярний нерв (11); лицевий нерв (12); євстахієва труба (13)
Власна частота його коливань залежить від довжини та форми комплексу «вушна раковина-зовнішній слуховий прохід» (1 на рис. 6.3) і відрізняється у різних людей. Середнє значення резонансної частоти становить близько 3 кГц. На резонансних частотах акустичний тиск, що передається до середнього та внутрішнього вух, має максимальне значення. Підсилення тиску па резонансній частоті зовнішнього вуха людини становить близько 10 дБ. Вважають, що існує зв'язок між мінімальним порогом чутності тонів визначеного діапазону та значеннями резонансних частот зовнішнього вуха.
Слід також зауважити, що структури зовнішнього вуха мають захисну функцію. Вони захищають барабанну перетинку від механічних та термічних дій, забезпечують сталу температуру та пологість в області барабанної пе ретинки. Вушна воскоподібна сірка, яку виділяють спеціальні залози, утворює захисне покриття.
Зовнішній слуховий прохід довжиною близько 2,5 см закінчується барабанною перетинкою (рис.6.3), яка передає коливання повітря у зовнішньому вусі до системи кісток се реднього вуха. За даними Г. Бекеші швидкість руху ділянки барабанної перетинки становить величину того ж самого порядку, що іі швидкість зсуву частинок у плоскій хвилі повітря. При дуже великих інтенсивностях звуку барабанна перетинка працює як нелінійна структура, що генерує гармоніки збуджуючих її частот.
Барабанна перетинка, площа якої становить 66 — 69 мм2, є межею між зовнішнім та середнім вухами. Вона має форму ко нуса з вершиною, спрямованою у порожнину середнього вуха.
Середнє вухо з'єднується із задньою частиною глотки вузьким каналом — євстахієвою трубою (truba auditiva — 13 на рис. 6.3) — призначеним для вирівнювання тиску у се редньому вусі з тиском зовнішнього повітряного середовища. Цей канал відкривається під час ковтання та позіхання.
Коливання барабанної перетинки рухають молоточок (mal-lus — 3 на рис. 6.3), ручка якого прикріплена до барабанної перетинки, а також ковадло (incus — 4 на рис. 6.3), при кріплене до молоточка, та кінцеву в цьому ланцюгу кістку — стрем'янко (stapes — 5 на рис. 6.3). Основа стрем'ячка, за кріплена па овальному вікні завитки (fenestra vestibuli — 6 на рис. 6.3), викликає рух перилімфи, яка заповнює вестибу лярний та барабанний ходи завитки (8 па рис. 6.3). Звуковий тиск овального вікна завитки підсилюється у 20 разів. Цс дуже важливо, оскільки рідина має значно більший акустич ний опір, ніж повітря.
Середнє вухо людини має смугу прозорості сигналів без за тухання до 1 кГц. Нахил частотної характеристики фільтра се реднього вуха па більш високих частотах становить (за даними різних авторів) від 7 до 12 дБ на октаву.
При високих інтенсивностях звуку змінюється характер руху слухових кісток таким чином, що коефіцієнт передачі се реднього вуха також різко зменшується.
Найважливішою частиною вуха є завитка (cochlea — 8 па рис. 6.3), яка є кістковою структурою внутрішнього вуха, завитою до спіралі. У людини завитка має 2,5 оберти навколо осі. її розміри — 0,5 см у довжину та 1 см у ширину. Кістко ва капсула, в якій розташована завитка, має два отвори (вікна) — овальне (fenestra vestibuli — 6 на рис. 6.3) та круг ле (9 на рис. 6.3). До овального вікна підходить основа стрем'ячка (останньої кістки в системі важелів середнього вуха). При попаданні до вуха звукової хвилі, яка змушує рухатись барабанну перетинку і ланцюг слухових кісток се реднього вуха, основа стрем'ячка вдавлює еластичну мембрану овального вікна і тим передає тиск у порожнину завитки. Усе редині завитки (по всій її довжині) знаходяться дві мемб рани — основна (базилярна — membr. basal is ductus cemicir-cularis) та рейснерова (membr. spiralis). Вони ділять завитку на три частини: scala vestibuli, scala media, scala tympani, за повнені рідиною (яка не стискається). Оскільки збільшення тиску в області овального вікна передається рідині, існує механізм для зменшення тиску. Цей механізм реалізований за участю другого вікна (круглого), розташованого у задній частині завитки. Цс вікно також закрите топкою мембраною круглого вікна. На вершині завитки між мембраною та кіст ковими стійками розташований малий отвір — гелікотрема, який з'єднує різні ходи завитки (рис. 6.4). Цей отвір забезпе чує механізм дії двох вікон у кістковій стінці.
Основна (ба зи л яр н а) мембрана має у розгорну тому вигляді близько 3,5 см у довжину, а її ширина зростає у на прямку відповідального до вікна до вершини (рис. 6.5). На основній мембрані знаходиться су купність чутливих клі тин, що входять до скла ду кортієвого органа (рис. 6.6). Кількість цих клітин (кожна з яких має до сотні волоскових за кінчень) становить у людини близько 25000. Волоскові клітини розта шовані у Двох шарах, рИС. 6.4. Схематичне зображення поділених дугою. Внутрішній шар має один рядок клітин, а зовнішній — 3 - 5. Загальна кількість зовнішніх клітин становить близько 20000, а внутрішніх 3500.
Рис. 6.4. Схематичне зображення слухорівноважної системи людини
І- зовнішнє вухо; II - середнє вухо: III - внутрішнє вухо; IV - ЦНС;
1 - округле віконце; 2 - гелікотрема; 3 - базилярна мембрана; 4 - волосяні клітини; 5 - гангліозні клітини; 6 - ендолімфа; 7 - перилімфа
Рис. 6.5. Схематичне зображення завитки в розгорнутому вигляді (завитка наведена штриховою лінією): вид збоку (1) та зверху (2)
Рис. 6.6. Система волоскових клітин органа Корті людини з нор мальним слухом (ліворуч) та при порушеннях слуху (праворуч)
Рух основної мембрани викликає деформацію во лосків. На зовнішні волос кові клітини дія більша, ніж на внутрішні. Дефор мація волосків викликає активність рецепторних, а далі й нервових клітин. Ця активність передається далі у центральні смухові струк тури, розташовані в різних відділах мозку.
6.5. Механіка завитки [6.1—6.5]
В паш час задачу моделювання механізму слухового сприй няття не можна вважати розв'язаною.
З попереднього опису будови вуха ясно, що механічні властивості внутрішнього вуха визначені фізикою коливань мембрани та гідромеханічними властивостями рідини завитки. Але дуже складно зрозуміти, як працює ця система і майже неможливо спрогнозувати її поведінку.
Спроби пояснения механіки слухового сприйняття людини мають довгу історію.
Ще Піфагор (VI ст. до н. е.) зробив одне з найважливіших відкрить у цій області знань. Він встановив, що якщо довжину вібруючої ділянки струни скоротити вдвічі (притиснувши її посередині), висота тону (частота вільних коливань) стане на одну октаву вищою (тобто частота коливань збільшиться вдвічі). Крім того, Піфагор показав, що таке збільшення висоти топу є загальним правилом і має місце в усіх випадках (коли довжину струни зменшують вдвічі) незалежно від товщини струни та її па тяжіння. Це був, мабуть, перший психофізичний закон, який встановлював зв'язок між фізичним подразником та його сприйняттям. Навіть у паш час, з нашими знаннями анатомії, фізіології та біофізики вуха, досить складно сформулювати інший закон, який був би таким простим і зрозумілим.
Ще одне фундаментальне відкриття для моделювання механізму слухового сприйняття було зроблено Саваром (1830 рік). Він показав, що двох коротких щиглів нігтями по ободу колеса, яке треться при своїх обертах о кар гоп, до статньо, щоб виникло відчуття звуку визначеної висоти. Висота звуку залежить від довжини інтервалу між двома зву ковими піками. Це відкриття повністю розходилося з усіма фізичними та інженерними знаннями про механічні коливання. Зокрема, воно суперечило пізнішим експериментам та теоріям Гельмгольця щодо резонансу, оскільки для сприйняття резо нансу потрібно не менш, ніж 8—4 періоди коливань.
6.5-1- Функціональна організація (модель) вуха
Якщо розглядати загальну структурну організацію середнь ого вуха людини, можна побачити, що вона діє як механічний перетворювач, в якому сприйняті барабанною перетинкою коливання повітря (яке має малий акустичний опір) перетво рюються за допомогою слухових кісток та овального вікна у коливання рідини завитки, яка має значно більший опір (рис.6.7). Внаслідок різниці площ барабанної перетинки та овального вікна пристрій працює як гідравлічний прес з близько 22-кратним виграшем у силі тиску.
В системі має місце повна передача енергії коливань для частот, близьких до 1000 Гц (область найбільшої чутливості слуху). При вищих або нижчих частотах частина енергії відбивається і не може бути використана для слухової рецепції.
У внутрішньому вусі (рис.6.8) вібрації овального вікна призводять до коливань рідини завитки, зсуви якої можливі завдяки відповідним зсувам мембрани круглого вік на у віддаленому кінці переда точної системи.
В завитці між стовпами рідини, що коливається, розта шована базилярна (основна) мембрана, в якій закінчуються усі волокна слухового нерва. Тому для механіки завитки базилярна мембрана має вирі шальне значения. На жаль, зрозуміти принцип її дії пере шкоджає те, що базилярна мембрана не є простим утво ренням, подібним до мембрани телефонної трубки. Базилярна мембрана людини має довжину близько 35 мм. При цьому від нижнього кінця до верхнього суттєво змінюється її жорст кість (у відношенні приблизно 1:100) і ширина (у відношенні 1:2). Поблизу стрем'ячка мембрана жорстка та товста; у на прямку до вершини вона стає тонкішою та податливішою.
Ясно, що механічні влас тивості такої системи з непере рвною зміною параметрів складно описати математично. Крім того, оскільки цей складний механічний вібратор заповнює внутрішнє вухо, важливими є саме гідродинамічні властивості. Це дуже сумна обставина, бо в гідродинаміці в паш час більше парадоксів, ніж в інших областях науки. Головною складністю є те, що відсутнє математичне моделювання процесів у завитці.
Рис. 6.7. Схематичне зображен ня механіко-гідравлічної моделі органа слуху людини
Рис. 6.8. Схема будови внутрішнього вуха (завитка та базилярна мембрана показан: розгорнутими): скронева кістка (1); верхній півколовий канал (2); перед-двер'я (3); вихід до вестибуляр ного каналу (4); базилярна мемб рана (5); розгорнута завитка (6); гелікотрема (7); вестибулярний канал (8); барабанний канал (9); євстахієва труба (10); кругле вікно (11); барабанна перетинка (12); ланцюг слухових кісток (13)
6.5.2. Препарат для досліджень
Оскільки механіку завитки неможливо зрозуміти па базі за гальних фізичних принципів або за допомогою математичних моделей, необхідний інший підхід. Крім того, численні теорії слуху такі складні, що не дають готових розв'язків. Тому залишається єдина можливість — експериментальні дослід ження самої слухової системи. Що ж насправді має місце у завитці під час вібрації овального вікна?
При цьому виникає питання, як проводити вимірювання і дослідження функціонуючої завитки. Ясно, що для досліджень людської завитки слід використовувати трупний матеріал. У зв'язку із цим виникає питання, чи однакові механічні властивості завитки живої людини і трупа. Здавалося б, що цс ускладнення можна обійти, використовуючи для екс периментів інших ссавців. Але тут виникає нова незручність, оскільки немає простого методу, який дозволяв би встановити, що саме чують тварини.
Таким чином, питання про те, чи зберігаються властивості внутрішнього вуха у трупа, має першорядне значення. Ви мірювання показали, що барабанна перетинка має багато степенів вільності при коливаннях. Головний рух - це зсув у внутрішньому та зовнішньому на прямках, але є також обертппй ком понент. Якщо у зовнішній слуховий прохід вкласти невеликий шматочок вати, то високі частоти звуку різ кого клацання будуть заглушені, і тоді легко отримати просту плавну криву механічної реакції (рис. 6.9).
Фільтруючи сигнали, в реакції |можна виділити кожну із двох складових руху. Далі можна визначити резонансну частоту та затухання.
Вимірювання, проведені таким простим методом, показали, що механічні властивості внутрішнього вуха трупа при певних умовах залишаються нормальними па протязі кількох днів. Важливим при цьому є достатня вологість: досить топкі шари барабанної перетинки дуже чутливі до втрати вологи. Так, Г. фон Бекеші знайшов адекватну систему для експериментів.
Рис. 6.9. Коливання барабанної перетинки людини (високі частоти заглушені)
6.5.3. Спрощена завитка
Для подальшого моделювання функцій завитки слід було визначити, який її елемент коливається і який механізм збуд ження саме цього елемента. Анатомічна будова завитки дуже складна. Хоча завитка — це канал з круглим поперечним розтином, але він поділений на верхню та нижню половини спіральною пластинкою. Внутрішня частина пластинки утворе на кістковою тканиною, а між зовнішнім кінцем цієї «полички» та дистальною стінкою завитки натягнута базилярна мембрана, в якій знаходяться слухові мехапорецептори. Друга мембра на — мембрана Рейснера — йде похило вгору від основи кісткової пластинки до зовнішньої стінки завитки. Вона відділяє канал клиноподібного розтину (scala media), запов нений ендолімфою, яка має велику в'язкість. Тобто в завитці є дві мембрани та драглеподібний клин, які можуть коливатися при вібрації овального вікна. У такій системі можливі чотири або п'ять типів коливань. Але які з них важливі для реалізації функції слуху? Спочатку було поставлено питання — яке з коливань найсильніше і які його характеристики. Розв'язання цих питань полегшується тим, що складну клиноподібну струк туру завитки можна замінити тільки однією базилярною мемб раною, що має лише один степінь вільності.
Дані, які виправдовують використання такої спрощеної системи, можна одержати, реєструючи механічний ефект штуч но викликаних коливань мембрани Рейснера. Коливання цієї мембрани із частотою 1000 Гц одразу ж призводять до спільної з нею синфазпої вібрації базилярної мембрани. Це виправдовує заміну всієї клиноподібної структури однією мембраною.
6.5.4. Властивості базилярної мембрани
Головним питанням при моделюванні завитки є моделюван ня коливань базилярної мембрани. Це питання має більш ніж сторічну історію. При створенні моделі було розроблено чотири моделі:
1) телефонна;
2) резонансна;
3) рухомих хвиль;
4) стоячих хвиль.
Але якщо звернути увагу на спільні риси цих теорій, то стає ясним, що різниця між цими чотирма теоретичними моде лями дуже мала, а функції для опису коливань мембрани одна кові (вони відрізняються лише чисельними параметрами).
З практичної точки зору більш суттєві властивості мемб рани проявляються при її деформації. Якщо на таку структуру при наявності натяжіння (постульованого Гельмгольцем) натиснути вістрям голки, повинна виникнути еліптична де формація. Насправді натиснення вістрям на базилярну мемб рану не призводить до еліптичної деформації. Це означає, що в мембрані поперечне натяжіння відсутнє.
Досліджувалися також питання жорсткості мембрани і чи вона дійсно є товстою драглеподібною пластиною, чи топкою та пружною. Деформацію мембрани різної товщини з різними механічними властивостями ілюструють моделі, зображені па рис. 6.10. Порівняння цих деформації! з деформацією бази лярної мембрани завитки дозволяє встановити механізм ко ливань цієї мембрани. Наприклад, якщо модельна мембрана попередньо натягнута так, як цього вимагає резонансна те орія, то форма її коливань під дією змінного тиску даної частоти точно відповідає пред ставлені й на рис. 6.10, а.
Крім того, якщо цю систему досліджувати стробоскопічними методами, сусідні ділянки (навколо точки резонансу) будуть посуватися у протилежних напрямках, що характерно для системи наст роєних (на дану частоту) резонаторів.
Рис. 6.10. Деформація мембран різного типу під дією сили, прикладеної до тієї самої точки: резонансна теорія (а); телефонна теорія (б); теорія рухомих хвиль (в); теорія стоячих хвиль (г)
Якщо ж модельна мембрана ідеально жорстка, то вона буде посуватися одночасно догори або донизу по всій довжині. Якщо з одного боку вона має меншу жорсткість (ніж з іншо го), то більш податливий бік мембрани залишиться неру хомим.
Дуже цікавою є ситуація, коли мембрана має поступово змінну товщину. Для такої мембрани з підвищенням частот відбувається перехід від синфазного коливання усіх точок (як у телефонній мембрані) до рухомих хвиль. Це відповідає третій теорії слуху — теорії рухомих хвиль.
Якщо зробити мембрану ще тоншою, то рухомі хвилі бу дуть відбиватися від кінця мембрани і за рахунок інтерфе ренції падаючої та відбитої хвиль виникнуть стоячі хвилі. Відповідно до теорії стоячих хвиль різниця в частоті звукових коливань впливає па розміщення вузлів (нулів амплітуди коливань, що знаходяться між собою па відстані кл/2; X — довжина падаючих хвиль у мембрані) та пучностей (мак симумів амплітуди коливань, що знаходяться посередній між вузлами). Мозок людини отримує інформацію про розташу вання вузлів та пучностей вздовж мембрани завдяки слухово му нерву. Слід також додати, що згідно з теорією стійних хвиль вузли і пучності можна розглядати як відповідні резо натори (послідовні та паралельні коливальні контури відповідно).
У відповідності до теорії рухомих хвиль місце максималь ного зсуву мембрани (у даний момент часу) визначається час тотою звуку (фазовою швидкістю розповсюдження хвилі). Низька частота коливань дає максимум коливань у точці, розташованій ближче до одного з боків базилярної пластини, а більш висока частота — в іншій точці, ближче до іншого кінця пластини.
Телефонна теорія, з точки зору відомої вже механіки завитки, не цікава, оскільки згідно з нею коливання мембрани були б на всіх частотах лінійною функцією тиску на стрем'ячко і розрізнення частот слід було б віднести до невідомих механізмів звукового сприйняття у головному мозку.
Прості експерименти з визначенням виду деформації базилярпої мембрани мри місцевому натисканні на неї дозволили Г. фон Бекеші зробити досить коректний вибір між чотирма можливими теоретичними механізмами. Як вже повідомлялося, у випадку еліптичної деформації (рис. 6.10, а — праворуч) вірною є резонансна теорія. Якщо деформована мембрана має пологий вигин, як пластинка желатину,— вірна телефонна теорія (рис. 6.10, б). Якщо ж деформація носить проміжний характер, як для топкої гумової мембрани,— вірна теорія рухомих хвиль.
Математичний апарат опису процесів у мембрані однаковий для усіх чотирьох теорій (див., наприклад, теорію довгих ліній у теорії електричних кіл). Який із процесів встанов люється в мембрані завитки — залежить тільки від жорсткості цієї мембрани.
Практичні дослідження Г. фон Бекеші дають кар тину, зображену на рис. 6.11. Це наочно пока зує, що коливання мемб рани в завитці людини від носяться до рухомих хвиль.
Хоча ці види коливань (хвиль) досить розповсюд жені в сучасній технічній
(електротехнічній, радіотехнічній) практиці, задача аналізу систем з неперервними змінними коефіцієнтами жорсткості зу стрічає значні труднощі.
Наочно розподіл максимальних амплітуд уздовж базиляр ної мембрани у завитці наведено па рис. 6.12. На цьому рисунку міліметри першої горизонтальної шкали визначають відстань від овального віконця.
Рис. 6.11. Форма коливань кохлеарної базилярної мембрани при час тоті 200 Гц у два різні моменти часу
Рис. 6.12. Максимуми біжної хвилі базальної мембрани (штри ховою лінією наведені максимуми, одержані обчисленням)
На другій шкалі наведено (у кілогерцах) частоти звукового сигналу, що розрізняється вухом. Наведені на рис. 6.12 числові значення для людської завитки у діапазоні частот від 0,2 до 1,6 кГц визначив у 1960 році Бекеші (1899-1972 рр.). За від криття цього механізму збуджен ня у слухових органах у 1961 ро ці він одержав Нобелівську пре-м і ю.
На базі кривих, наведених на рис. 6.12, були апроксимовані по дальші максимуми для діапазонів від 3,2 до 25,5 кГц. Сенсорні клітини найсильніше збуджуються там, де амплітуда осциляцій максимальна. Тому при дії звукової енергії різних частот проходить збудження різних механорецепторів (теорія місця) (рис. 6.13).
Рис. 6.13. Розподіл ділянок мембрани, збуджуваних даною частотою (теорія
місця). Цифрами позначено частоти в герцах
У фундаментальних працях з фізіології визначають, що амплітудний максимум лежить в області від 10 до 100 нм (для середнього діапазону акустичних тисків). Крутизна відповід них «резонансних» кривих досягає 60 дБ на октаву.
6.5.5. Експериментальні дослідження базилярної мем брани за Г. Бекеші
Розглянуті вище дані про характер коливань базилярної мембрани розкривають механізм, що лежить в основі слухової функції. Ще одне підтвердження теорії біжи их хвиль було одержано прямим спостереженням коливань мембрани у завитці. Для цього завитку було відпрепаровано у проточній воді, щоб забезпечити ясну видимість і зберегти препарат у во логому стані. Крім того, занурення до води моделює погоджен ня імпедансів з ендолімфою в завитці.
В експерименті Бекеші овальне віконце приводилося до руху електромагнітним пристроєм, з'єднаним зі слуховою системою поршнем, який замінив стрем'ячко. Одночасно проводився контроль амплітуди та частоти коливань овального вікна. Рухи базилярної мембрани спостерігали за допомогою мікроскопа через отвір, зроблений у стінці завитки. Внаслідок прозорості мембрани спостереження її коливань можливе лише за допомогою додаткових методів.
В одному із варіантів досліджень рейснерову або базилярну мембрану посипали кристалами срібла. Ці кристали утворю вали яскраві точкові полиски при спостереженнях.
У другому варіанті досліджень було використано джерело світла з вузьким променем (0,01 мм) світла. Падаючи на кортієв орган, цей промінь відбивається від викривлених клітинних оболонок, і окремі клітини стають видимими як окремо спалахуючі точки (як джерело використовувалася стробоскопічна кварцева лампа з напругою електроживлення 10 кВ).
Експериментальні дослідження показали, що коливання базилярної мембрани — це виключно рухомі хвилі. Вони дося гають максимальної амплітуди в точці, яка відповідає певній визначеній частоті коливань. Для частоти 1600 Гц максимум для людини знаходиться приблизно посередині довжини мемб рани завитки.
6.5.6. Стійкість та надійність мембранного осциля тора
Однією з найскладніших проблем для розв'язання при мо делюванні роботи природного осцилятора, яким є базилярна мембрана завитки ссавців, є пояснення па диво великої стійкості і надійності цієї системи до змін її геометричних параметрів, виникнення завад у каналах, заповнених лім фатичною рідиною тощо. Навіть дуже спрощена розгорнута мо дель (запропонована Бекеші) у вигляді циліндра з рідиною, поділеною на два канали базилярною мембраною, має ці чудові властивості.
Така модель (з рідиною з частками срібла) є дуже зручною для досліджень. Так, якщо зробити розрізи в базилярній пластині або навантажити її шматочком желатину, то це не викличе жодних змій у картині рухомих хвиль. Місце максимуму вздовж мембрани при збудженні з боку овального віконця легко встановити за максимумом вихрових потоків срібних частинок
За такою спрощеною розгорнутою моделлю було встановле но, що ні суттєві зміни відносних розмірів двох каналів (їх можна регулювати зсувом базилярної мембрани відносно осі циліндра), ні зміни вхідного імпедансу, ні перешкоди в самих каналах, ні радикальне перетворення структури за рахунок іншого розташування овального та круглого вікон не змінюють місця максимуму даної частоти коливань. Майже єдиним фак тором, що впливає на картину розподілу максимумів рухомої хвилі вздовж мембрани є зменшення глибини верхнього каналу втричі. Це свідчить про те, що будова завитки людського вуха дозволяє зберігати надійність функціонування (реакцію на час тоту) навіть мри значних порушеннях структури.
Ясно, що така надзвичайна надійність системи створює значні математичні складності для моделювання, оскільки в ма тематиці зміна параметрів моделі системи призводить до появи нової моделі (нового математичного апарата моделювання, нових апроксимуючих функцій, до зміни характеру системи диференційних рівнянь тощо). Тобто досвід моделювання протирічить (у постановці задачі) тій проблемі, що треба розв'язати для завитки.
Деяку додаткову допоміжну інформацію можна спробувати знайти порівнянням параметрів властивостей завитки людини та інших ссавців.
6.5.7. Базилярні мембрани деяких ссавців (порівняльні дані)
Природним є питання, чи діє той самий механізм завитки для інших тварин, чи там діє механізм рухомих хвиль, чи існу ють інші принципи. Як вдалося встановити Г. Бекеші, у інших ссавців — від миші до слона - виникають такі самі рухомі хвилі, як і у людини.
У миші базилярна мембрана має довжину лише близько 7 мм, але відношення між величинами пружності у стрем'ячка і у вершини мембрани становить приблизно 1:100, як і у людини та інших ссавців. При коливаннях стрем'ячка з часто тою 200 Гц максимум амплітуди у миші знаходиться у апікального (вершинного) кіпця мембрани і не посувається при збільшенні частоти до 400 Гц. При подальшому збіль шиш часіоти максимум посувається до стрем'ячка, поблизу якого він знаходиться при найвищих частотах. Хоча Бекеші проводив вимірювання тільки до 5000 Гц, екстраполяція пока зує, що у миші пік 20000 кГц повинен знаходитися у нижнього кінця (біля стрем'ячка) базилярної мембрани. Таким чином, діапазон ефективного розподілу частот для миші відповідає смузі 200-20000 Гц.
У слона базилярна мембрана має довжину близько 60 мм, а сама завитка завита не в конічну, а в плоску спіраль. Максимум амплітуди рухомих хвиль при частоті 20 Гц зна ходиться у внутрішнього кінця спіралі, а для частот, більших ЗО Гц, починає пересуватися вздовж базилярної мембрани у напрямку стрем'ячка. При частоті 2000 Гц він розташований вже на відстані 15 мм від стрем'ячка, а при частоті 3000 Гц -на відстані 10 мм. Екстраполяцією встановлено, що слон чує в діапазоні частот від ЗО до 8000 Гц.
Із цього порівняльного матеріалу ясно, що сприйняття час тот звуку обмежує довжина базилярної мембрани (для даного виду).
6.5.8. Моделі коливань базилярної мембрани
Розглянемо ще деякі із проблем, пов'язаних з унікальною поведінкою базилярної мембрани. Головним тут є те, що особливості виникнення в мембрані рухомих хвиль не спо стерігаються у повсякденному житті і в технічних застосуван нях. Це обумовлене відмінним від загальновідомих випадків розповсюдженням хвиль у неоднорідних середовищах. У цих випадках, наприклад, хвилі не поширюються прямолінійно. Такий випадок можна спостерігати в аудіторії або в концерт ному залі, де наявність публіки призводить до явних відхилень та загасань хвиль, які не можна пояснити на базі пря молінійного їх розповсюдження. Іноді, наприклад, можна зареєструвати збільшення сили звуку па 15 дБ, просто вставши з місця у задньому ряді залу.
Аналогічний ефект па відкритому повітрі був зафіксований Релеєм. Коли людина, що лежить у траві, чує дзвін далекого дзвона — гучність звуку, що вона чує, різко збільшується, якщо підняти голову на 1 —3 фути над землею, хоча між дзво ном і вухом немає ніяких перешкод.
Аналогічна ситуація виникає і у вусі людини. Щоб це пока зати, слід розглянути модельну систему — аналізатор частот з настроєними язичками (рис. 6.14).
Рис. 6.14. Аналізатор частот з на строєними на певні частоти язичками: 1 — настроєні язички; 2 — ведучий стрижень; 3 — підстроювальні елементи; 4 — вібропідставка; 5 — пружина
Модель складається з пружних пластин (язичків) з різним додатковим вантажем на вільних кінцях, які мо жуть коливатися. При цьому можна спостерігати картини хвиль, які виникають за різних умов. Частота влас них коливань кожного язич ка відрізняється від сусід нього на 0,5 Гц. Коли до ве дучого стрижня прикладена гармонічна сила, один або два з язичків матимуть мак симальну амплітуду коли вань. Цим вимірюють часто ту цієї гармонічної сили.
Іншою (точнішою, але й складнішою) моделлю може бути набір маятників, кожен з яких являє собою кульку, що висить па нитці (рис. 6.15).
Рис. 6.15. Модель базилярної мембрани, побудованої на маятникових резонаторах
Довжина маятників поступово зменшується від одного кіпця системи до іншого. Тому одна з властивостей (пара метрів) змінюється неперервно. Для введення зв'язку між маятниками їх можна послідовно з'єднати короткими нитками, навантаженими маленькими кульками. Ці маятники підві шують на стрижень, який приводять у рух за допомогою великого маятника.
Дослідження поведінки такої системи показує, що і в цій моделі, як і в системі язичків, виникають рухомі хвилі, які завжди спрямовані від менш рухомої ділянки до більш рухомої (як і в завитці). Модель, наведена на рис. 6.15, детальніше моделює поведінку базилярної мембрани, але її математичний опис стає на порядок складнішим, ніж опис аналізатора частот (рис. 6.14).
Розглянуті мембранні системи та їх моделі (язичкова та маятникова) важливі не тільки в завитці. Ясно, що вони бу дуть мати багато технічних застосувань, для чого потрібно роз робити математичний апарат нового типу.
6.5.9. Моделювання процесів у волоскових клітинах органа Корті
У попередніх розділах, присвячених моделюванню проце сів слухового сприйняття, орган Корті (рис. 6.6) розглядався лише у спрощеному вигляді, тобто замінявся базилярпою мем браною. Але крім базилярної мембрани орган Корті має ще сенсорні клітини, характерним чином розташовані на верхній поверхні цієї мембрани. Це один ряд внутрішніх волоскових клітин та 3 — 5 рядів зовнішніх. Кожну волоскову клітину оплітають 10 або й більше нервових закінчень, що йдуть від одного або двох слухових нейронів. Вже самі коливання во лоскових клітин повинні бути надзвичайно складними. У драглеподібному кортієвому органі повинні існувати хвилі п'яти різних тинів (рис. 6.16):
1) хвилі поздовжнього стиснення;
2) зсувні хвилі;
3) хвилі поперечного розширення; 244
4) хвилі Релея;
5) згинальні хвилі.
Рис. 6.16. Можливі форми біжних хвиль: хвилі поздовжнього стиснен ня (1); зсувні хвилі (2); хвилі поперечного розширення (3); хвилі Релея (4); згинальні хвилі (5)
Питання про те, який із п'яти типів хвиль важливий для стимулювання волоскових клітин, розв'язати важко, але не питання має вирішальне значення.
Одна із складностей аналізу такої системи пов'язана з тим, що замість одного степеня вільності, яким характеризовані коливання базилярної мембрани, в кортієвому органі їх три, і коливання можуть відбуватися за всіма степенями одразу.
Крім того, затухання усіх цих хвиль при їх поширенні вздовж мембрани може бути різним. Ті хвилі, що затухають раніше, мо жуть відібрати частину енергії у хвиль іншого типу, які ще мають деяку енергію. Таким чином, енергія передається від одного типу хвиль до іншого. Математичний аналіз такої ситуації надзвичайно складний, але розуміння цієї складності дозво ляє прояснити багато питань.
Спостерігаючи коливання кортієва органа у мікроскоп, можна побачити взаємодію м і ж хвилями різного тину. Наприклад, при визначеній частоті волоскові клітини поблизу від стрем'ячка коливаються радіально, далі сукупність клітин коливається вертикально, а ще далі — клітини з поздовжніми коливаннями. На решті, вздовж органа є помітна ділянка з пезбуджеиими клі тинами. В області найбільших амплітуд різні тини коливань існують сукупно, що робить більш чітким «фокус» активної ділянки при даній частоті.
6.5.10. М'язи середнього вуха
Велике значення мають м'язи середнього вуха:
— стрем'ячковий м'яз (m.stapedius);
— м'яз мембрани (m.tensortympani).
При дії звуку за рахунок рефлексивного скорочення вка заних м'язів змінюється імпеданс середнього вуха, і тим змен шується передача енергії до органа Корті. Коли надходить потужний звук тільки до одного вуха, стрем'ямкові м'язи активуються для обох вух (нейронами у мозковому стволі).
Зменшення амплітуд низькочастотних складових потужно го звуку, багатого па спектральні складові, за рахунок скоро чення стрем'ямкового м'яза заважає «маскуванню» складових високих частот. Припускають, що «маскування» викликане розкладанням складного звуку у завитці на високі та низькі частотні складові. У людини з нефункціонуючим стрем'ячко-вим м'язом (рис. 6.17 — зверху) це показано суперпозицією, і людина сприймає лише звук, визначений низькочастотними спектральними складовими. При здоровому стрем'ячковому м'язі саме НЧ-складова зменшується, і людина чує лише ВЧ~ складову.
М'яз стрем'ячка має змогу скорочуватися із частотою, вищою ніж 100 Гц. Треба пам'ятати, що цей механізм забезпечує захист слуху від звуків надмірної потужності (шум великих міст — зокрема поблизу аеропортів, дискотеки, кон церти рок-груп). Звуки надмірної інтенсивності викликають шерег професійних захворювань.
Рис. 6.17. Зменшення стрем'ячковим м'язом НЧ-складової звуку (внизу), що призводить до чуття ВЧ-складової та «маскування» ВЧ-складової при непрацюючому стрем'ячковому м'язі (верхня частина рисунку)
Довга тривалість звуку високої інтенсивності може призвести до пошкодження органа Корті. Такі пошкод ження мають місце тим ближче до вершини за витки, чим нижча частота звуку (див. рис. 6.6). Не рвові волокна, що виходять з пошкодженої завитки, ма ють поріг для сприйнятих звуків, посунутий до об ласті високих інтенсивнос тей, їх частотна селек тивність дуже мала.
М'язи середнього вуха скорочуються не тільки у відповідь па зовнішні інтен сивні звуки (це ілюструє сигнал ЕМГ па рис. 6.18 разом зі збудженням зов нішнім звуком), але й на власний голос. У цьому ви падку безпосередньо перед тим, як людина почне го ворити або співати, скоро чується стрем'ячковнй м'яз (відповідний сигнал ЕМГ па рис. 6.19). Цим забезпе чується захист середнього вуха від перевантаження. Діапазон і вигляд харак теристики регулювання чут ливості слуху наведено на рис. 6.20.
Рис. 6.18. Сигнали від скорочу ваних м'язів середнього вуха (ЕМГ) як реакція на зовнішній звук
Рис. 6.19. ЕМГ м'язів середнього вуха як реакція на власний голос людини
Рис. 6.20. Характеристика регулю вання чутливості людського вуха стрем'ячковим м'язом при переван таженні
6.5.11. Процес перетворення у волоскових клітинах (кохлеарний мікрофонний потенціал і складний потенціал дії)
Як вже згадувалося, орган Корті має фонорецептори (во лоскові клітини). Ці рецептори лежать у рідині, причому зовнішні клітини розташовані у трьох рядках. Внутрішні во лоскові клітини розташовані в одному рядку. Кожна волоскова клітина має на собі близько 60 волосків (вій).
Під дією звукової хвилі проходить процес збудження волосків механорецепторів, і цим вводиться в дію процес перетворення механічних мікродеформацій мембрани волос кових клітин (тобто їх вій) у нервовий імпульс. Причиною цього процесу є існування ендокохлеарних потенціалів. Дослідники за допомогою мікрослектродів визначили, що ендолімфа у scala media має позитивний потенціал (приблизно +80 мВ) по відношенню до scala vestibuli (рис. 6.21). Внутрішньоклітинний простір волоскових клітин органа Корті має, навпаки, потенціал близько мінус 70 мВ. Тому між цим механорецептором і scala media різниця потенціалів становить 150 мВ.
Рис. 6.21. Будова (а) та розподіл (б) ендокохлеарних потенціалів
у завитці:
1 - scala vestibuli (perilymfa); 2 - scala media (endolymfa); 3 - scala tympani (perilymfa); 4 - мембрана Рейсснера; 5 - мембрана tectoria; 6 - stria vaseularis; 7 - нервові волокна; 8 - внутрішні волоскові клітини; 9 - зовнішні волоскові клітини; 10 - базальна мембрана
Звукове збудження призводить до зміни опору мембрани, за рахунок чого виникають іонні струми. Наслідком цього є зміна мембранного потенціалу ізолоскових клітин. Його можна прямо виміряти, знявши кохле-арний мікрофонний потенціал за допомогою мікроелектродів, розміщених поблизу рецепторів y scala tympani або з круглого віконця. Кохлеарні мікрофонні потенціали достатньо точно репрезентують зміни акустичного тиску. Коли на орган слуху діє акустичний імпульс (короткий тисковий імпульс), тоді син хронно збуджуються волокна органа Корті та з округлого віконця відводять крім кохлеар ного мікрофонного потенціалу ще й складний потенціал дії. Довготривалі звуки викликають асинхронний відгук, в якому не можна виділити окремі потенціали дії.
На рис. 6.22 наведено типовий вигляд кохлеарного мік рофонного потенціалу (КПМ) та складного потенціалу дії (СПД), знятих з круглого віконця і викликаних звуковим імпульсом.
КМП відрізняється від потенціалу дії нервової клітини, оскільки в ньому немає:
1) періоду латенції;
2) періоду рефракції;
3) порогу вимірювання;
4) ніяких проявів стомлення.
Рис. 6.22. Типовий вигляд кохлеарного мікропотенціалу (КМП) та складного потен ціалу дії (ПД), викликаних звуковим імпульсом і знятих з круглого віконця
6.5.12. Обробка звукового сигналу слуховим аналіза тором
Завитковий нерв виходить з точно визначеного сектора завитки або з поодиноких внутрішніх волоекових клітин. При описі механічних дій у внутрішньому вусі було вказано, що поодинокі сегменти завитки відповідають визначеній частоті. Іншими словами, дія звуку надпорогової інтенсивності завжди максимально збуджує ті нервові волокна слухового нерва, які відповідають специфічній (характеристичній) частоті. Якщо до органа слуху надходить звукова хвиля іншої частоти, не рвові волокна або взагалі не активуються, або їх поріг мінімального збудження може бути перевищеним лише при відповідному підвищенні рівня акустичного тиску. Якщо зрос тає інтенсивність стимулу, то нервові закінчення реагують на все більший діапазон частот (але на частотах, нижчих харак теристичної частоти). Якщо звукова хвиля складається з кількох різних частотних складових, активуються первинні аферентні слухові нейрони, які відповідають цим окремим спектральним складовим. При вищих звукових частотах у не йронах першого шерегу виникає мало імпульсів (якщо вони взагалі реагують на збудження).
Тривалість звукового стимулу кодується тривалістю нерво вої активності. Інтенсивності звуку відповідає (у визначеному діапазоні звукових тисків) степінь збудження.
При підвищенні акустичного тиску зростає і частота повто рення збудження. Оскільки кожне нервове волокно може акти вуватись лише до визначеної частоти, при її підвищенні виникає насичення. При високому рівні акустичного тиску збільшується не тільки частота повторень імпульсів для вже активованого волокна, але й підключаються сусідні волокна, які до того часу знаходилися у стані спокою.
З експериментів, проведених дослідниками, виходить, що організм отримує інформацію про частоту акустичного сигналу не тільки реакцією на його частоту безпосередньо (як було описано вище), але іноді організм використовує часову струк туру стимулу (регулярно повторювана зміна акустичного тиску) — тобто організм проводить аналіз періодичності.
Сигнали, що виникають при збудженні волоскових клітин, в органі Корті передаються до вентральних (передніх) та до рсальних (тих, що лежать ззаду) ядер завиткових нервів і далі — до кори головного мозку.
Інформація, що міститься у звуковому стимулі, багаторазо во фіксується у формі збудження нейронів, все вищих у ієрархічній системі мозку. Протягом цього процесу проходить екстракція специфічних властивостей звукового стимулу. Тому людина з нормально тренованим слухом може оцінювати різні властивості звуку: періодичність звукового стимулу (тобто його частоту); tremolo або vibrato звуку (тобто його амплітудну або частотну модуляцію); тривалість звукового стимулу; його огинаючу (що важливо, наприклад, для харак теристики забарвлення звучання), а також локалізувати дже рело звуку.
Більшість нейронів кори активується контралатеральним вухом, меншість — стимуляцією вуха, розташованого з того самого боку, що й джерело звуку. Якщо джерело звуку зна ходиться праворуч — у слуховій області лівої половини мозку виникає більше електричне збудження, ніж у правій.
При локалізації джерела звуку дуже важливе часове запізнення стимулу в обох вухах. Мінімальна часова різниця перетворюється в уявну різницю звукової інтенсивності. Чим сильніше якийсь звук відчувається в лівій і одночасно слабше в правій частині мозку, тим далі праворуч знаходиться джере ло. Це вірно і для слуху більшості тварин.
6.6. Властивості людського слуху
Властивості людського слуху можна об'єктивно оцінювати за багатьма різноманітними критеріями. Далі наведемо лише найважливіші.
Поріг інтенсивності звуку визначає найменший акустичний тиск тону, який сприймає людина з нормальним слухом. На рис. 6.23 цей поріг інтенсивності наведено для середнього слуху в усьому акустичному діапазоні частот. Крива 1 відповідає мопауральному слуху, інші криві — для бінау рального (2 — при надходженні звуку спереду, 3 - при над ходженні звуку з усіх боків).
З урахуванням діапазону акустичного тиску, що складає п'ять декад, звичайно поріг інтенсивності виражають у децибе лах (дБ) (при опорному акустичному тиску Ро = 2*10-5 н/м2).
Крім мінімального порогового збудження Рα у практиці визначають диференційне порогове збудження ΔРα /Рα яке для людського слухового органа становить у середньому близько 0,1 (для зору у 10 разів нижче). Додамо, що слу ховий орган (з усіх рецепторів) обробляє найнижчі енергії.
Рис. 6.23. Поріг інтенсивностей людського слуху в акустичному діапазоні частот
Чутливість слуху значно залежить від частоти. Ця залежність різна мри різних інтенсивностях. Для інженер ної практики наочну інфор мацію про це дають криві Кінсбері сталої гучності (рис. 6.24). З них видно, що вухо є найчутливішим у смузі від 2000 до 2500 Гц. На цьому ж рисунку визначено також частотні смуги, які використовують у музиці та мові людини. Більш детальна
інформація про це наведена в розділі про фоніатрію.
З віком слух поступово погіршується (особливо на високих частотах) — і то вже з третього десятка — як це видно із табл. 6.1.
Таблиця 6.1. Зменшення чутливості слуху людини (%) в залежності від віку
|
Верхня гранична частота, Гц |
||||||
|
Вік, років |
8000 |
10000 |
12000 |
14000 |
16000 |
18000 |
|
20-29 |
100 |
100 |
100 |
90 |
60 |
40 |
|
30-39 |
100 |
100 |
90 |
70 |
ЗО |
20 |
|
40-49 |
100 |
90 |
70 |
40 |
15 |
10 |
|
50-59 |
100 |
80 |
40 |
20 |
5 |
0 |
|
60-69 |
90 |
70 |
20 |
0 |
0 |
0 |
З віком частотна смуга поступово звужується. Здатність реєструвати звуки па частотах, вищих 4 кГц, зменшується вже після 28 років (за рік у середньому па 1 дБ).
Під втратою слуху Ь розуміють для даного вуха і даного ;шпалу різницю між його порогом сприймання та нормальним порогом. Головною одиницею втрати слуху є децибел (дБ), Нагадаємо, що втрата слуху па 20 дБ ще вважається нормаль ною, тобто такий слух вважають пепошкодженим.
Рис. 6.24. Криві Кінсбері сталої гучності людського вуха
Щоб прискорити процес гіпоакусії (послаблення слуху) до статньо перебувати кілька годин на добу у шумному сере довищі. Посунення порогу (в децибелах) за дві хвилини після оглушення тоном 4 кГц для шерегу інтенсивностей і тривалості тону наведено в табл. 6.2. Значення, наведені у цій таблиці, усереднені для шерегу осіб.
Перебування у шумному середовищі веде до перехідного підвищення слухового морогу. У випадку 8-годинної праці воно може досягати 25 — 55 дБ (так що після 16-годипного перебу вання у цілковитій тиші не станеться перехід до норми). Тому після багаторічної праці у зашумлепому середовищі спостерігається тривале збільшення слухового порогу, яке залежить як від тривалості звукового навантаження, так і від частоти. У працівників текстильної промисловості, де інтенсивність звуку досягає 98 дБ, після десятирічної праці має місце довготермінове збільшення слухового порогу на 6 дБ па частоті 1 кГц, на 12 дБ — па 2 кГц, на ЗО дБ — па 3 кГц, майже на 40 дБ на частоті 4 кГц.
Встановлено, що без ризику для слуху можна щоденно на вантажувати вухо інтенсивністю 110 дБ ліпне на протязі однієї години. Якщо інтенсивність становить 100 дБ, то вже можна (без довготермінових змін слухового порогу) наванта жувати вухо 2 години, при 95 дБ — 4 години, а при 85 дБ -8 годин (при п'ятиденному робочому тижні).
Таблиця 6.2. Перехідне збільшення слухового порогу (дБ) в залежності від інтенсивності і тривалості тону
|
Тривалість тону |
Інтенсивність звуку, дБ |
||||||
|
70 |
80 |
90 |
95 |
100 |
110 |
120 |
|
|
2 хвилини |
- |
- |
2,5 |
5,0 |
9,5 |
12 |
21 |
|
10 хвилин |
- |
- |
11,5 |
15,5 |
23,0 |
30 |
53 |
|
30 хвилин |
- |
3 |
20 |
26 |
35 |
48 |
70 |
|
1 година |
- |
7,3 |
24 |
33 |
44 |
63 |
81 |
|
2 години |
2,5 |
10 |
31,5 |
40 |
52,5 |
69 |
93 |
|
4 години |
3,3 |
14 |
38 |
46,5 |
58 |
78 |
98 |
|
8 годин |
6,7 |
21 |
45 |
55 |
67 |
86 |
102 |
У професійній медичній літературі велика увага приді ляється впливу збудження слухового (і зорового) апарата па введення визначених ліків, підвищення стресових гормонів та холестеролу в крові (особливо поблизу аеродромів) тощо. Звук впливає па передчасні пологи. Наприклад, вагітна (між 25 та 38 тижнями вагітності) знаходилася під 10-хвилиипим впливом звуку частотою 50 Гц, інтенсивністю 80 дБ, що призвело до передчасних пологів [6.6].
Також встановлено, що кожен гучний звук призводить, з одного боку, до збільшення серцевого пульсу, а з другого може призвести до короткотермінового зниження току крові на 50-70%!
Звук сприймається за 35 — 175 мс після його вступу до зовнішнього звуководу. Подальші 180— 350 мс необхідні для «перебудови» для сприйняття подальшого звуку. З них екс периментально визначених значень втікає обмеження при локалізації рухомого звукового джерела.
Дуже важливі характеристики спрямованості. Бонн визна чаються в залежності від частоти для моноурального або бінаурального слуху.
Властивості спрямованості слуху значно кращі для моноу рального слуху (особливо для високих частот — рис. 6.25).
Рис. 6.25. Характеристики спрямованості монаурального (а) та бінаурального слуху (б) в залежності від частоти
У вільному просторі без виникнення луни людина може миттєво визначити, звідки приходить звук (справа чи зліва). Пізнати, чи звук приходить спереду чи ззаду, цілком не можливо. І це до того моменту, поки людина не почне рухати головою. Оцінкою змін гучності при різних положеннях голо ви людина (з великою ймовірністю) визначить, де знаходиться джерело звуку.
Ефект спрямованості в залежності від частоти для біна урального слуху видно з рис. 6.25, б.
Дослідження мінімальної реєстрованої зміни інтенсивності звуку проводять при інтенсивності 40 дБ над порогом. Па цієнтам відтворюють спочатку тон зі сталою гучністю, а далі - зі змінною. Глибину зміни гучності зменшують доти, доки пацієнт не перестає розрізняти її зміни. Виміряний диференційний поріг (difference limen — DL) у децибелах на окремих частотах звичайно наводять па аудіограмі. На рівні 40 дБ при частоті 1000 Гц у нормі цей поріг становить 0,41 — 0,65 дБ.
6.7. Фізичні та психофізичні параметри звуку
6.7.1. Звукові явища
Коливальні явища у визначеному інтервалі частот людина сприймає органами слуху. Пружні хвилі частотою від 16 до 20000 Гц називають звуковими хвилями або звуком. Звук розповсюджується у газі, рідині та твердих тілах (і не розповсюджується у вакуумі). За допомогою мови люди спілкуються, а за допомогою слуху одержують інформацію про середовище їх існування.
У більш широкому сенсі під звуковими коливаннями розуміють поширення коливань та хвиль довільної частоти в пружному середовищі. Кожна частинка середовища при поширенні звукових хвиль залишається на одному місці, викопуючи коливання навколо свого положення рівноваги, а напрямок їх зсуву у рідині та газі і напрямок поширення хвилі співпадають. Таким чином, звукові явища у рідинах та газах пов'язані з поширенням поздовжніх хвиль у пружному середовищі. У твердих тілах можуть виникати і поперечні хвилі, а також хвилі вигину і кручення.
6.7.2. Інтенсивність (сила) та гучність звуку
Гучність звуку визначають дією звукової хвилі па органи слуху людини, тобто вона є характеристикою слухового (прийняття і залежить від звукового тиску, частоти та форми звукових коливань.
Звуковим тиском Ар називають змінну частину тиску, яка виникає при поширенні звукової хвилі у середовищі. Звуковий тиск Ар() = 2-10 2 Па називають пороговим, оскільки він від повідає порогу слухового сприйняття.
Середню у часі енергію, що переноситься звуковою хвилею через одиничну площадку, перпендикулярну до напрямку її поширення за одиницю часу, називають інтенсивністю звуку (силою звуку), яку вимірюють у ватах па квадратний метр. Інтенсивність звуку прямо пропорційна квадрату амплітуди коливань, площі поверхні тіла, що викликає звукові коливання, і зворотно пропорційна квадрату відстані точки від точкового джерела звуку.
Якщо звук поширюється у вузькому просторі, то його інтенсивність практично мало змінюється з відстанню, що використовують, зокрема, при створенні рупорів. У людний таким рупором є вушна раковина. Діапазон слухового сприй няття людини лежить у межах від 10' () до 10ьмкВт/м~. Чутливість до інтенсивності звуку у людини різна. Особ ливість сприйняття звуку така: якщо інтенсивність звукових коливань зростає у геометричній прогресії, то сприйняття гуч ності — в арифметичній. Приблизно вірний такий закон: гучність звуку, відчутна для вуха, пропорційна логарифму фізичної інтенсивності.
Для порівняння інтенсивностей звуку різної гучності використовують одиницю рівня звуку — бел. Якщо інтенсив ність одного звуку у 10 разів більша іншого, то гучність його на 1 бел вища. Рівень інтенсивності І у шкалі бел N визнача ють за формулою
N = lg(І/І0),
де І() = 10-12 Вт/м2 — поріг слухового сприйняття.
Кількість бел N при звуковому тиску Δр в аналізованому випадку
N = 2lg(Δр/Δр0),
де Δр0 = 2-10-5 Па — пороговий звуковий тиск.
За нульовий рівень (бел) слухового сприйняття прийнято звук інтенсивністю 10 6 мкВт/м2 на частоті f = 1 кГц.
Людське вухо може оцінювати зміну гучності па 0,1 бел — децибел (дБ).
Звуки різної частоти сприймаються людиною по-різному.
На рис. 6.24 схематично зображено усереднені дані рівня сприйняття звукових хвиль органами слуху людини. Тут час тоту звукових хвиль надано у логарифмічному масштабі, а інтенсивність — у децибелах.
Більш детальну картину залежностей рівнів рівної гучності (тобто відчуття однакової гучності) на різних частотах (по осі децибел надано інтенсивності звуку — тобто об'єктивні фізич ні характеристики) наведено на рис. 6.26.
Рис. 6.26. Криві рівної гучності слуху людини
Для гучності існує абсолютна одиниця вимірювань – сон (гучність топу частоти 1000 Гц з інтенсивністю 40 дБ). Діапазон гучностей (в сонах) і його зв'язок з діапазоном інтенсивностей у децибелах можна оцінити за рис. 6.27.
Рис. 6.27. Співвідношення інтенсивності та гучності для різних джерел
Психофізичним еквівалентом частоти топу є його висота, одиницею вимірювань якої є мел. Так, топ частоти 1000 Гц має висоту (при 60 дБ) у 1000 мелів.
Висота тону пов'язана з його частотою залежністю, яка зрозуміла з рис. 6.28.
Реальний звук є супер позицією гармонічних коли вань з набором частот, що ви значають акустичний спектр звукової хвилі. Розрізняють три види звукових коливань:
музичні звуки;
звукові удари;
шуми
6.7.3. Музична акустика
Періодичне гармонічне коливання визначеної час тоти викликає музичний тон. Нисота тону визначена часто тою коливань. Чим більша частота — тим вище топ. Складні музичні звуки — це сукупність окремих тонів. Гоп, що відповідає наймен шій частоті складного му зичного звуку, називають основним тоном. Інші тони називають обертонами. Якщо частота обертону є кратною
до частоти основного топу, обертон називають гармонічним.
Відносна інтенсивність, а також характер наростання і спаду амплітуди обертонів визначають колір (або тембр) звуку. Сукупність звуків різної висоти, які використовують у музиці, складають музичний лад.
Відносний музичний лад складається зі звуків, які знахо дяться у визначеному співвідношенні. Якщо звуки музичного ладу надані висотою (частотою) базового топу, з якого починається настройка інструментів, то такий лад називають абсолютним. Базовий (стандартний) тон у європейському музичному ладі дорівнює 440 Гц (звук «ля» першої октави). Відносну різницю у висоті двох топів, обумовлену спів відношенням між частотами цих гонів, називають інтервалом. Співвідношення частот 2:1 визначає октаву; 5:4 — велику терцію; 4:3 — кварту; 3:2 — квінту.
Рис. 6.28. Співвідношення між частотою і висотою тону і умовні позначення музичного звукоряду (а) та висота тону в мелах (б)
В європейській музичній практиці октаву ділять па 12 рівних інтервалів (7 білих та 5 чорних клавіш октави па фортепіано), які складають рівномірно темперований шар (цю систему запропонували Г. Нейгард та А. Веркмейстср у 1700 році). Відношення частот послідовних полутонів
Одиницею вимірювань інтервалу є цент (за Еллісом)
Один цент становить приблизно 0,578% частотного від хилення.
Є ще одне визначення цента (за Коттоном)
тобто такий цент* дорівнює приблизно 0,06% частотного від хилення.
Вухо професійного му зиканта розрізняє два тони на частотах 100 і 100,1 Гц.
Людина з нормальним слухом розрізняє при близно від 3000 до 1000 звуків різних час тот. Найбільша здатність розрізняти тони звуку припадає на смугу від 80 до 800 Гц.
На рис. 6.29 для дев'яти октав зображена зміна тону Аг, що розріз няється слухом. Наприклад, на частоті 2000 Гц Δf=3,6 Гц тобто Δf/f= 2*10 -3 (0,2% — два проміле).
6.7.4. Звукові удари
Ударні хвилі виникають при пострілі, вибусі, електрич ному розряді тощо. Основною властивістю ударної хвилі є різкий стрибок тиску на фронті хвилі. У момент проходження ударної хвилі максимум тиску у даній точці простору виникає майже миттєво за час, близький до 10 10 с. При цьому одно часно стрибком змінюються щільність та температура. Далі тиск повільно спадає. Потужність ударної хвилі залежить від сили вибуху. Швидкість поширення ударних хвиль може бути більшою, ніж швидкість поширення звуку в даному сере довищі. Якщо, наприклад, ударна хвиля збільшує тиск у 1,5 рази, то температура при цьому збільшується па 35 °С, а швидкість поширення такої хвилі у повітрі дорівнює 400 м/с. Стійки середньої товщини, що зустрічаються па шляху такої хвилі, будуть зруйновані.
Потужні вибухи можуть супроводжуватися ударними хвилями, які створюють у максимальній фазі фронту тиск, який у десять разів перевищує атмосферний. При цьому щільність збільшується у 4 рази, а температура підвищується па 500 °С. Швидкість поширення таких хвиль становить 1 км/с. Товщина фронту ударної хвилі має вільний пробіг молекул близько 10 7 — 10 8 м, тому можна вважати, ідо цей фронт є поверхнею розрива, при проході через яку параметри газу змінюються стрибкоподібно.
6.7.5. Шуми
Суперпозиція великої кількості коливань з випадковою початковою фазою з довільною зміною інтенсивності у часі дає дуже складну форму коливань, які не повторюються у часі (тобто не мають у звичайному сенсі певної форми). Такі складні коливання називають шумами. Наприклад, це шум листя на деревах у лісі, гук водоспаду, шум па вулиці міста, шуми промислового підприємства тощо.
Шуми розрізняють за силою звуку і розподілом її (у се редньому за часовий інтервал) по частоті, за часом звучання. Довго звучать шуми, створені вітром, водою, що надає, морським прибоєм. Короткі шуми — це грозовий грім, плеск однієї хвилі і т. ін. Вібрація елементів морських двигунів викликає кавітаційний шум.
Деякі з шумів дуже шкідливо впливають на людину (промисловий шум), а деякі — заспокійливо, рекреаційно (шум морських хвиль, шум листя на деревах тощо).
6.7.6. Інфразвук
Пружні хвилі з частотою коливань, меншою 16 Гц, на зивають інфразвуком (ІЗ). Коливання земної кори при зем летрусах проходять з частотою інфразвуку. При штормових хвилюваннях на морі виникають потужні інфразвукові хвилі, які у зв'язку з їх малим поглинанням практично без затухання можуть передаватися на сотні і тисячі кілометрів. Джерелами інфразвуку є також шуми лісів, атмосфери, електричні роз ряди, коливання при роботі двигунів, різних промислових приладів.
Дія інфразвуку на організм людини вивчена ще не досить детально.
Ясно одне. Оскільки організм людини теж є джерелом інфразвуку, тобто значна частина біологічних процесів супро воджується коливаннями з інфразвуковою частотою, можли вий механічний резонанс біопроцесів і органів людини при зовнішній дії. Це призводить до підвищення стомленості, погіршення самопочуття і навіть до загибелі.
6.7.7. Ультразвукові хвилі
Пружні хвилі з частотою коливань вище 16000 Гц називають ультразвуковими (УЗ). Людський організм сам є джерелом УЗ-коливаиь |6.7|. Крім того, використання джерел УЗ-коливань для візуалізації внутрішніх органів людини знай шло широке розповсюдження в сучасній медичній діагностичній практиці.
6.8. Деякі властивості слуху тварин, птахів, комах та риб
Частотний діапазон в області ультразвуку (від 20 до 80 кГц) для слуху використовує не тільки ряд видів кажанів, дельфінів та риб, але й птахи, щури, миші, мавпи та комахи. Наприклад, дельфін (Tursiops truncatuc) використовує для свого ехолокатора звуки в діапазоні від 150 до 170 кГц.
Кити також орієнтуються за допомогою ультразвуку. (Досі невідомо, який орган видає такі звуки — деякі вчені вважа ють, що органи дихання, інші — що горло).
Багато тварин перевершує людину за шириною частотного діапазону (наприклад, собака сприймає частотний діапазон від 80 Гц до 100 кГц), і за чутливістю (наприклад, кішка може розрізняти звуки з інтенсивністю лише 10 19 Вт). Так само деякі види риб мають надзвичайно чутливий слуховий орган та спроможність орієнтації за звуком. Багато акул чують рибу па відстані до 2 км!
Цікаво, чи чують тварини у зимовому сні. Кажани при тем пературах 12 °С, ймовірно, глухі, бо нервові центри середнь ого мозку не дають при акустичному стимулі електричну від повідь.
Робота середнього вуха звичайно припиняється при темпе ратурах, нижчих 18,5 °С. Для білкоподібних тварин, мабуть, це невірно, бо каліфорнійські білки при зимовому сні реагу ють па акустичні сигнали і при температурах 5,8 °С тим, що рухають головою та вухами. У європейських білок кора голов ного мозку реєструє стимули при температурах 6 — 7 °С.
Деякі види комах — і в першу чергу павуки — мають па ногах дуже топкі вії, які рухаються за рахунок акустичної енергії, що надходить. Тому ці типи комах мають можливість сприймати різні звуки (що суперечить відомим жартам, пов'язаним зі слухом павуків).
6.9. Звукова аудіометрія
Світова медична організація наводить дані, що в наш час у світі більше, ніж 42 мільйони людей віком понад три роки мають глибокі або малі порушення слуху. Розрізняють глухоту— і це повна або часткова втрата слуху. Якщо слух втрачається у визначеній смузі частот (наприклад, на часто тах, вищих за 4 кГц), говорять про недочутливість.
Ступінь недочутливості у медичній практиці оцінюють за відстанню, з якої хворий розуміє голосну мову або шепотіння. Для практики важливо чути голосну мову на відстані. Якщо людина сприймає голосну мову лише на відстані 6 м, говорять про малу недочутливість. Аналогічно, якщо людина розуміє шепотіння на відстані 4 м.
При середньо-тяжкій недочутливості відстань від джерела голосної мови скорочується до 2 — 4 м. Якщо людина погано чує на відстані, меншій 2 м, говорять про тяжку недо чутливість. Якщо хворий не розуміє слова, які йому кажуть прямо до вуха, мова йде про практичну глухоту. При повній глухоті людина не чує і екстремально сильні звуки.
Інколи при дослідженнях — особливо у верхній частині акустичної смуги — для тестів використовують дзвін ключів, шум сірників, шум сторінок у книзі, шум води, яку наливають до склянки тощо. При таких тестах необхідно, щоб пацієнт не бачив джерела звуку. Такі дослідження проводять у випадку тимпанофобії (вушні шелести, гудіння у вухах і т. д.).
Для музикантів, диригентів та солістів важливим тестом є перцепція тону або ритму.
Слухові вади за їх локалізацією поділяють на:
1) передаточні — вада на шляху від зовнішнього звуководу до овального віконця;
2) перцепційні — вади роботи волоскових клітин та воло кон слухового нерва;
3) центральні — тобто вади у центральних сходинках слу хового шляху ЦНС.
Пацієнти з передаточною глухотою гірше сприймають звук, коли він переноситься повітрям, у той час як звук, що пере носиться кістками (кісткова провідність), чують значно краще. Людина з нормальним слухом звук, що передається кістками, не чує, бо він маскується звуком, що переноситься повітрям. Для порівняння кісткового та повітряного сприйняття звуку використовують тест Рійне. Базу збудженого камертона прикладають до processus mastosdeus (кістка, що лежить за зовнішнім звуководом вуха) і чекають, поки камертон замов кне. Після цього над звуководом знов збуджують камертон, і пацієнт визначає, у якому випадку він довше чув звук.
В нормі звучання при повітряному переносі є приблизно у два рази довшим, ніж при кістковому (цей результат означа ють як Рійне позитивний). Якщо тривалість слухового сприйняття більша при кістковому введенні, наслідок називають Ріпне негативний. Вирішальним фактором при да ному тесті є тривалість звучання, а не різниця в гучностях ка мертона. Якщо пацієнт визначає тривалість звучання однако во, то тест Рійне дає невизпачепий результат.
При тесті Вебера збуджений камертон (частота 256 або 440 Гц) базою (п'яткою) прикладається до чола або темені. Раніше п'ятка також прикладалася до зубів у відкритому роті. Людина зі здоровим слухом має симетричне слухове сприйнят тя. При передаточній ваді звук буде голоснішим у хворому вусі, а при перцепційній ваді — у вуха здорового або чутливішого.
При аудіометричному дослідженні використовують стимул в області порогу, тобто визначають межу між ще не чутним і тільки-но вже чутним звуком. Для вимірювань порогових кривих слуху необхідно мінімізувати як звукові сигнали ззовні (транспорт тощо), так і від досліджу вального пристрою (за до помогою акустичної ізоляції). Тому оптимальною є дво кімнатна система, коли пацієнт знаходиться із слухавками або репродукторами в одній кімнаті, а оператор з пристроями досліджень — в іншій. Контакт між пацієнтом і лікарем-оператором здійснюється за допомогою звукоізольованого вікна або телефонним каналом. Максимально допустимий фон у кімнаті з пацієнтом становить 20 Фн у діапазоні частот від 10 до 200 Гц; 10 Фн - для смуги від 200 до 500 Гц; для вищих частот — 5 Фн.
6.9.1. Тоновий аудіометр
Звуковий аудіометр повинен забезпечувати генерування чистого тону з регулюванням його частоти, причому гучність звуку або підстроюється «вручну», або змінюється програмно.
При визначенні часових характеристик слухового сприй няття встановлюється вибрана частота, і пацієнт порівнює тривалість вимірюваного сигналу з тривалістю опорного тону (від 300 до 1000 мс). Пацієнт повинен визначити, коли послідовності імпульсів мають однакову тривалість. Опорний тон можна вибирати:
у часовій послідовності;
одночасно;
монауральмо зі зміною вух; з двома частотами.
Гучність, до якої одна складова може бути замаскована іншою, можна вимірювати визначенням обох порогів. Абсо лютний поріг слуху визначають, якщо один топ звучить самостійно. Далі вимірюють поріг чутливості того самого тону при одночасному звучанні маскуючого сигналу. Для цього за стосовують вузькосмуговий шум, широкосмуговий шум або звук. Далі обчислюють відношення обох порогів (маскований поріг до абсолютного) у децибелах.
В адаптограмметрії Фельдмана [6.8] на протязі п'яти хвилин відтворюють тривалий топ з інтенсивністю 80 дБ. Кожну хвилину вимірюють рівень білого шуму, який потрібен для маскування тону. (При деяких хворобах слухового апарата змінюється рівень маскуючого білого шуму).
За типом медичного обладнання встановлюються якісні показники па технічні параметри аудіометрів (табл. 6.3). Точність досліджень звичайно забезпечується з похибкою, не більшою, ніж ±5 дБ.
Слухавки (або скушіість репродукторів) повинні мати максимально сталу АЧХ в усьому досліджуваному діапазоні, мінімальні нелінійні спотворення і забезпечувати на зовніш ньому звуководі визначений рівень акустичного тиску. При цьому неприпустимо (у випадку слухавок) випромінювання звукової енергії з досліджуваного вуха. У противному разі виникає небезпека, що пацієнт буде сприймати сигнал іншим вухом. Важливо також забезпечити стабільне прилягання слу хавок до вуха.
Таблиця 6.3. Головні параметри аудіометрів
|
Параметр |
Робоче місце |
||
|
дільницевий вушний лікар |
клініка |
наукові дослідження |
|
|
Нижня частота, Гц |
250 |
125 |
64 |
|
Максимальне зна чення нелінійних спотворень, % |
0,1 |
0,05 |
0,02 |
|
Мінімальний рівень шуму, дБ |
-60 |
-66 |
-74 |
|
Вихід сигналу на: |
слухавки |
слухавки |
вільне звукове поле |
Втрату слуху визначають таким чином: для окремих частот поступово збільшують інтенсивність звуку, доки не буде до сягнуто порогової чутливості.
6.9.2. Аудіограма
Аудіограмою називають графічне зображення порогової чутливості окремих тонів. На горизонтальній осі частоти зоб ражують в октавах, на вертикальній — виміряні рівні інтен сивності звукового моля — стимулу — у діапазоні від мінус 20 до +100 дБ. Результати для лівого вуха наносять синім кольором, для правого — червоним. На частотах помічають, яка провідність (кісткова чи повітряна) і звідки подається сигнал (справа чи зліва). Найважливіші символи наведено на рис. 6.30 внизу.
Приклад аудіограми молодої людини з нормальним слухом наведено на рис. 6.30 ліворуч. Порушення повітряного пере носу ілюструє аудіограма у правій частині рис. 6.30 [6.9].
Для слуху з передаточною вадою криві для повітряної передачі значно посунуті по відношенню до кривих з кістковою передачею. Типове кохлеарне (перцепційне) порушен ня проявляється зсувом обох кривих (для повітряної і кіст кової передач) до області високих інтенсивностей, особливо для частот, вищих 2 кГц. Тому в цьому випадку значно змен шується розбірливість мови (хворі з нерцепційпоіо вадою «чують», але не «розуміють»). Аудіограму двосторонньої нечутливості перцепційного тину наведено на рис. 6.31. При перцепційних порушеннях слуху пошкоджені нервові клітини слухового аналізатора, і має місце вада передачі звуку як повітрям, так і кістками (тест Ріпне — позитивний).
Рис. 6.30. Аудіограма, типовий вигляд
Рис. 6.31. Аудіограма двосто ронньої недочутливості перцепційного типу
Рис. 6.32. Приклад аудіограми глухонімого
Тяжка недочутливість або повна глухота може бути врод женою або придбаною. Найчастіше недочутливість з'являється після травми, вживання деяких ліків. Іноді слух погіршується поступово, іноді дуже швидко, що призводить до повної глу хоти. У випадку вродженої тяжкої недочутливості дуже ви разні дефекти розвитку мови. Приклад аудіограми глухонімого наведено на рис. 6.32.
Якщо аудіометр дозволяє провести вимірювання як при неперервній, так і при перервній стимуляції, то аудіометричні криві для обох випадків можуть дуже відрізнятися (особливо в області високих частот). Цс має місце, наприклад, у випадку кохлеарних порушень.
6.9.3. Аудіометр Бекеші
В аудіометрі Бекеші амплітуда тестових гонів послідовно змінюється стрибкоподібно із швидкістю, вибраною дослідником дослідником: 2,5 дБ/с або 5,0 дБ/с. Для зміни частоти ті рибками звичайно використовують шерег частот: 500 Гц; І кГц; 2 кГц; 3 кГц; 4 кГц; 6 кГц; 8 кГц. Пацієнт слухає звук \- слухавках та рукою керує інтенсивністю тестових топів між «Чутно» і «Нечутно». Крім того, можна перемкнути напрямок зміни інтенсивності. Сприйняті рівні реєструються в діаграмі так, що із зменшенням гучності олівець рухається донизу. Час ина окремого тестового тону залишається постійною протягом вибраного часового інтервалу (в залежності від ступеня пошкодження слуху цей інтервал становить 0,5 — 2 хвилини).
Приклад аудіограми із стрибкоподібною зміною частоти па-і'.еде по на рис. 6.33.
Вимірювання для одного вуха тривають близько 5 хвилин. За рахунок стомленості (адаптація на довготерміновий звук), особливо на високих частотах, вимірювання показують меншу чутливість слуху, ніж є реально. Тому аудіограма з перервною стимуляцією визначає більшу чутливість, ніж аудіограма з не перервною стимуляцією.
Рис.6.33. Аудіограма із стрибкоподібною зміною частоти
Межі стрибків кривих (рис. 6.34) залежать як від пацієнта (часу його реакції), так і від встановленої швидкості зміни інтенсивності тону в аудіометрі Бекеші. Верхній екстремум визначає пацієнт натисканням перемикача «ЧУЮ» (і цим ав томатично починається зменшення інтенсивності топу). Нижня точка реєструється, якщо пацієнт відпустить перемикач (це викликає автоматичне збільшення інтенсивності).
У недочутливості з віком зменшення гостроти слуху є наслідком порушень периферійної та центральної слухових перцепцій. Вагу цих двох виливів окремо за допомогою аудіометрії надійно визначити неможливо.
Рис. 6.34. Межі скоків кривих на аудіограмі Бекеші
6.10. Аудіометрія мовна
Важливим додатком до попередніх досліджень є мовна аудіометрія. З пам'яті пристрою відтворюють фонетично вива жені частини мови (числа, склади, слова, речення) і тестують шерег осіб із слухавками на вухах. Низькочастотний під силювач мусить бути каліброваним у децибелах, бо розуміння мови значною мірою залежить від гучності звуку.
Відношення кількості вірно сприйнятих фонетичних еле ментів до їх загального числа (вони утворюють безсенсові су купності) називають роздільною здатністю (S). Від цієї величини важливо відрізняти розпізнавальну здатність, яка є мірою вірного розпізнавання чисел, слів, речень, змістовної сукупності.
Для числової оцінки роздільної здатності використовують 10 скупностей по 10 дворозрядних чисел (наприклад, 42, 35, ()7, 17, ...). Для оцінки односкладової роздільної здатності використовують 20 сукупностей по 20 односкладових слів. Аналогічно для дво- і п'ятискладової роздільних здатностей.
Найчастіше при словній аудіометрії використовують сукупність із 100 слів, поділених на 10 груп. Гучність усіх слів декади стала і регулюється від порогових рівнів до максималь ної гучності.
Приклад слів, що вживаються:
1) лак — мак, прах — страх, міст — зміст, дол — вол,
2) мушка — грушка, служка — дружка,
3) робота, субота, глухота,
4) затемнення, замислення, замикання, виконання, ...
Залежність складової роздільної здатності від гучності на ведено на рис. 6.35. Для нормального слуху вірні криві: А — для чисельної; В — для словної роздільної здатності.
Для вади передачі вірна крива С, що посунута до високих частот. Для нерцепційної вади (крива D) цей зсув ще більший. Крім того, крива D має меншу крутизну. На максимумі від бувається зменшення па 35% (у даному випадку) роздільної здатності.
Роздільна здатність речення (з урахуванням сенсу повідомлення) завжди нижча, ніж словна. Типову залежність наведено на рис. 6.36.
Рис. 6.35. Залежність роздільної здат ності від гучності: чисельної (А); слов-ної (В); при передаточній ваді (С); при перцепційній ваді (D)
Рис. 6.36. Роздільна здатність слуху при сприйнятті речень
Приклад речень, що використовуються: Міла є мила; милася Міла ... Іноді при встановлен ні роздільної здатності речень також перевіря ють (крім гучності) вилив висоти та тембру голосу людини, що гово рить. Також штучно де формують стимуляцію підімкненням смугових фільтрів або збільшують вимоги до роздільної здатності фонетичною деформацією (речення прискорені, із змінними призвуками тощо), або семантичною деформацією (речення без ясного сенсу тощо).
Більш ніж 30 років тому були розроблені тести бінаурального синтезу, їх базою є поділ частотного діапазону на дві смуги:
1) глибока смуга (від 500 до 800 Гц);
2) висока смуга (від 1500 до 2500 Гц).
У високій смузі знаходяться головні форманти вокалу; форманти більшості приголосних вилучені. Пацієнту задають питання. При цьому глибоку смугу підводять до правого вуха, високу — до лівого. Оцінюється роздільна здатність (па базі відповіді) для різних гучностей. У цьому тесті використову ють інтегрування сприйняття з обох слухових органів.
6.11. Імпедансна аудіометрія
В імпедансній аудіометрії за допомогою електроакус тичного моста па базі падаючого та відбитого акустичних сигналів вимірюють акустичний імпеданс (його модуль, або реальну та уявні складові, або їх зміни). При вимірюванні акустичного імпедансу зонд повністю закриває зовнішній зву-ковод. За рахунок акустичного стимулу виникає контракція стрем'ячкового м'яза та натягувача мембрани, що веде шляхом і мни механічного опору системи «мембрана — слухові і.їстки» до зміни акустичного імпедансу.
Рефлекси стрем'ячка виникають завдяки не тільки акустич ним збудженням, але й тактильним збудженням (вживають при сильній недочутливості), причому з протилежного боку (контралатерально) або па тому ж боці (і 11 с і латерально). V минулому збуджували протилежне вухо тонами 500, 1000, '000 та 4000 Гц (з інтенсивністю 70—90 дБ), оскільки рефлекс м'язів середнього вуха — білатеральний. У наш час використовують збудження з того ж боку і звичайно тоном 220 Гц. Виміряне значення акустичного імпедансу нині досі визначають в акустичних омах та в акустичній пружності (в кубічних сантиметрах).
Для клінічної практики має значення відносна зміна акус тичного імпедансу до значення у стані спокою при зміні тиску повітря у звуководі в разі надходження звуку визначеної інтенсивності. Зміна акустичного імпедансу відбувається не тільки за рахунок мембрани (робота м'язів середнього вуха, мсобливо m.stapedius) але й залежить від етапу вушних кісток тощо.
Тимианометрія — це непрямий метод вимірювання пруж ності мембрани і системи слухових кісток при позитивному, нормальному та негативному тисках у звуководі (по відно шенню до атмосферного). У паш час зміну акустичного імпедан су визначають при штучно змінюваному тиску повітря у зов нішньому звуководі (звичайно від мінус 400 до +400 мм Н2О).
Тимпанограма графічно відображає значення акустичної провідності в мілісіменсах (мСм) у залежності від тиску повітря у зовнішньому звуководі. Вона має в нормі максимум при звичайному значенні атмосферного тиску (відповідає 0 мм Н2О). При зменшенні (- ) або збільшенні ( + ) тиску змен шується акустична провідність (а також гнучкість).
До зміни норми тимпанограми доходить:
1) при деяких захворюваннях (наприклад, блокада євстахієвої труби);
2) при порушеннях передачі. Якщо апарат середнього вуха пошкоджений, має місце збільшення імпедансу передаточного пристрою. До хвороб такого типу належить отосклероз (про являється виразними змінами в тимпанограмі).
Отосклероз має дві форми. У стрем'ямкової — росте ново утворена кістка, яка зростається зі стрем'ячком. Стрем'ячко фіксується, внаслідок чого виникає передаточна недочутливість.
Кістковий слух на пошкодженому вусі кращий, ніж при повітряному переносі.
При лабіринтовій формі отосклерозу склеротична область знаходиться у безпосередній близькості від лабіринту і ви кликає дегенеративні зміни в органі Корті, що проявляється у перцепційній недочутливості.
Отосклероз починається повільно, майже непомітно — звичайно у віці від 8 до 10 років. Головною ознакою його є глуховатість, па яку хворий скаржиться переважно між 20 та ЗО роками життя. Жінки хворіють на цю хворобу в 4 рази частіше, ніж чоловіки. Під час вагітності хвороба часто загос трюється або тільки тоді стає помітною. Майже завжди отос клероз супроводжується вушними шелестами.
Важливими характеристиками тимпанограми є крутизна і монотонність кривої та її асиметрія. Для оцінки патології слу хового пристрою важливо знати градієнт акустичної пружності при зміні тиску повітря. Вимірюють зміну акустичного імпе дансу, до якої дійде, поблизу вершини тимпанограми при зміні тиску повітря ±50 мм Н20. Приклад наведено на рис. 6.37. Нормально — значення градієнта становить близько 40% пружності.
Якщо у просторі се реднього вуха є рідина, градієнт може зменши тися до значення, меншо го, ніж 10%. Але він може і перевищити 80% (на приклад, при перфорації мембрани).
Патологічна втрата пружності призводить до зменшення градієнта і на впаки. Але необхідно мати на увазі, що градієнт (а також крутизна тимпанограми) може залежати від типу використаного акустичного пристрою, а тому застосування градієнтних методів для діагностичних цілей дуже проблематичне.
Рис. 6.37. Приклад тимпанограми людського вуха
6.11.1. Імпедансний аудіометр
Структурна схема імпедансного аудіометра складається з трьох блоків, які забезпечують виконання наступних операцій:
1) генерування звукової хвилі, яка досягає мембрани. У тоновому осциляторі одержують звуковий гармонічний сигнал звичайно з частотою 220 Гц (у деяких вимірюваннях 660 Гц). Додамо, що в останній час оцінюють середнє значення імпе дансу в деякому частотному діапазоні. Рівень тону регулюють в залежності від необхідного акустичного тиску. Звукова хвиля випромінюється за допомогою малого репродуктора до мембрани, де звук частково абсорбується, а частково відбивається;
2) вимірювання відбитого звуку. Відбита звукова хвиля призводить до збільшення акустичного тиску в акустичному каналі. Це збільшення акустичного тиску фіксує вимірю вальний мікрофон. Підсилена вихідна напруга (тобто вихідна напруга мікрофонного підсилювача) звичайно порівнюється з еталонним значенням акустичного тиску (наприклад, тиском порогу чутливості). Значення інтенсивності відбитої хвилі залежить від стану системи «мембрана — слухові кістки». В нормальних умовах акустичний тиск повинен бути у межах від 70 до 90 дБ над порогом чутливості. При недочутливості рівень акустичного тиску збільшується (максимально до 1 ЗО — 140 дБ);
3) встановлення визначеного тиску в зовнішньому звуко-воді виконують за допомогою помпи (тиск вимірюють мано метром). Звичайно тиск встановлюють у межах від мінус 400 до +400 мм Н20 (сучасні пристрої дозволяють поступову зміну тиску),
Сам статичний акустичний імпеданс середнього вуха 1х є комплексним значенням, середнім для двох тисків повітря. У клінічній практиці найчастіше (для даного НЧ тестового топу) вимірюють такі два значення акустичного імпедансу:
ZaT1 — при підвищеному тиску повітря +200 мм Н2
ZaT2 — ghbнавколишньому атмосферному тиску (0 мм Н20).
Тоді акустичний імпеданс Zа обчислюють за допомогою виразу
Електроакустичні мости, що використовували раніше (на приклад, у 60-х роках Madsen 2061), дозволяли вимірювати лише абсолютне значення цього імпедансу (не вимірюючи його фазу). Пристрої нової концепції (принцип квадратурної демо дуляції У частотній області для відбитого сигналу наведено на рис. 6.38) дозволяють вимірювати складові акустичного адмітансу Уа: тобто Gа і Ва.
Оскільки акустичний адмітан.с Уа є зворотним до імпедансу Zа, вірно
де Ва =Ва(Т2) - Ва(T1); Ga = Gа(Т2) - Gа(T1).
Слід визначити, що у медичній літературі досі вживають застарілі одиниці вимірювання (типовим прикладом є вимірювання тиску крові). Нагадаємо, що еквівалентні еле менти механічних систем (імпедатор для механічного імпедан су, еластор для еластичності) однозначно пов'язані з відповідними акустичними величинами.
Так, між механічним опором Zт та акустичним Za вірно співвідношення
де S — ефективна площа мембрани.
Аналогічно для механічної, пружності С = ξ/F [m/H]
отримуємо акустичну пружність
У попередніх виразах ξ — еквівалентне відхилення мемб рани, тому добуток ξ∙S репрезентує об'ємний зсув; р — акустичний тиск; F — силу, яка діє на мембрану.
Нагадаємо, що еластичність
в еквівалентній схемі замінюють еластором.
Рис. 6.38. Схема вимірювань акустичного імпедансу вуха
Якщо відомий статичний опір при атмосферному тиску повітря у зовнішньому звуководі, то вимірювання зі змінним тиском повітря ( тобто при негативних і позитивних відхиленнях) дозволяє, оцінити наявність шерегу патологій На рис. 6.39 вказано (заштриховано) область, до якої належать нормальні тирпанограми.
Якщо в системі «мембрана — слухові кістки» зменшена пружність, одержимо тимпанограму з меншою амплітудою, що відповідає вершина є додатковий тиск у середнь ому вусі, вершина тимпаног рами посувається до області негативних тисків (див. тимпанограму па рис. 6.39 зліва).
Рис. 6.39. Нормальні (заштрихо вана область) та патологічні (перервні лінії) тимпанограми вуха
Додамо, що в лікарській практиці вживають крім тер міна «тимпаномстричні до слідження» ще й синонім «дослідження імпедансу се реднього вуха».
На рис. 6.40 наведено тимпанометричні діапазони для провідності (G) та уявної провідності (В) при частотах 220 та 660 Гц, визначені дослідниками у США.
Рис. 6.40. Типові тимпано-метричні діапазони для дійсної (в) та уявної (В) складових провідності вуха
Наслідки вимірювань акустичного опору та пруж ності наведено на рис. 6.41 як для нормального слухово го органа, так і для двох патологій. Для акустичної пружності па цьому рисунку за одиницю прийнято екві валентний об'єм повітряної комори. На акустичному опорі видно частотну залеж ність не тільки для випадку отосклерозу, але і при від сутності молоточка.
Рис. 6.41. Результати вимірювань акустичного опору та пружності вуха
Якщо тимпанограма має вершину в області негативного тиску повітря (приклад наведено па рис. 6.39), це звичайно є наслідком зростання кісток та тимпапосклерозу із ще нор мальним чуттям. Для цього випадку тимпанограму наведено на рис. 6.42.
Рис. 6.42. Приклад тимпаног рами при початковій фазі зрос тання вушних кісток та тимпа-носклерозу із ще нормальним чуттям
Другою причиною такого розташування тимпанограми є блокада євстахієвої труби. Тимпанограми для правого та лівого вуха пацієнта, який у правому вусі має поранення середнього вух, а у лівому — блокаду євстахієвої труби, наведено на рис. 6.43. Криві 1—3 були зареєстровані одна за одною через день; крива 4 — з інтервалом у три дні; крива 5 — на місяці пізніше.
Рис. 6.43. Тимпанограми правого та лівого вуха при ураженні се реднього вуха у правому вусі та при блокаді євстахієвої труби у правому вусі
6.12. Рефлексна аудіометрія
Рефлексна аудіометрія с відносно новою методою. У ній реєструють акустично викликану реакцію па різних ступенях слухового шляху, яка без відома досліджуваної особи про ходить рефлексно або соматомоторичною, або вегетативною нервовою системою. Сомато-моторична нервова система забез печує реакцію організму па стимул зовнішнього середовища (охоплює кісткові м'язи, рецептори зору, слуху, рівноваги) 16,101.
Автономна нервова система забезпечує системи: травлення, дихання, сечі, статі, кров'яного тиску, функції! залоз. Фік сована відповідь (поодинока або комбінація) служить передусім об'єктивізації аудіологія них досліджень у дітей або у дорослих пацієнтів, цілеспрямовано симулюючих недочутливість або глухоту. Звичайно у пацієнта, що лежить в акустично ізольованій коморі, оцінюють відповідні відгуки (див. табл. 6.4, граф)у «Вимірювана величина»), які спри чинені відповідним звуковим стимулом.
Велике значення мають наведені потенціали (а також їх різниця) у внутрішньому вусі, слуховому нерві та відповідній області кори мозку (первинна та вторинна області слухової кори)
Розміщення активного зчитувального електрода залежить від виду аудіометрії. Неактивний (або «земляний») електрод с на вусі або шиї.
За латенцією розрізняють:
1) ранній потенціал — латенція до 10 мс — і це або у внутрішньому вусі, або у мозку. Частотний спектр перевищує 100 Гц;
2) пізній потенціал — латенція приблизно 50 - 500 мс. І Ідеться про акустичні відгуки кори (частотний спектр, як і у ЕЕГ, до 30 Гц).
Таблиця 6.4. Найважливіші методи у рефлексній аудіометрії
6.12.1. Електрокохлеографія (ЕКохГ)
В електрокохлеографії електричні потенціали, наведені акустичним стимулом, знімають з найближчої околиці внут рішнього вуха. Активний електрод розташовують (при транстимпапальній техніці) на promontoria tympani (виступ се редньої стінки середнього вуха на першому витку завитки) або у зовнішньому звуководі поблизу мембрани [6.13].
В найчастіше вживаній транстимпанальній техніці гол ковим електродом перфорують мембрану. Електрод таким чипом наближується до нромопторія, який розділяє середнє та внутрішнє вуха. Розташування електродів ілюструє рис. 6.44. Цей спосіб знімання дає суттєво кращу динаміку відгуку, ніж при зніманні зі звуководу (поблизу мембрани), коли відгук па звуковий стимул має суттєво меншу амплітуду і тому часто потребує значно більшої кількості вимірювань рефлексу (кумулятивна обробка відгуку), щоб його динаміка стала кращою.
Для збудження звичайно обирають звуковий імпульс, можливо і короткі тонові імпульси з частотами 1; 2; 4 кГц
Рис. 6.44. Схема вимірюваній при транстимпанальній техніці вимірювання електрокохлеограми
Приклад електрокохлеограми наведено на рис. 6.45. Із зростан ням інтенсивності стимулу зни жується амплітуда першого не гативного відгуку, який при інтенсивності близько 75 дБ має максимум та малу латенцію (у се редньому 1 мс). Водночас із збільшенням інтенсивності акус тичного стимулу з'являється дру гий негативний відгук, при якому виникають потенціали у волоскових клітинах (фонорецепторах) органа Корті.
Рис. 6.45. Електрокохлео-грами при різних рівнях зву кового стимулу
6.12.2. Акустичні відгуки ко ри головного мозку (ЕЕГ-аудіометрія)
При ЕГГ-аудіометрії активний зчитувальний електрод розміщу ють на темені (vertex) або скроні. Деякі автори використовують сигнал Cz —Az, опорний електрод розміщений у Fz (див. главу 3). Знімають комплекс відгуків (латенція — від 50 до 250 мс) на тон частоти 1—2 кГц. Поодинокі негативні та позитивні хвилі позпачують, наприклад, Р5о —N95 — P180 —N260 (індекси у літер Р — позитив, N — негатив, означають латенцію хвилі у мілісекундах).
Амплітуда відгуків кори становить десятки мілівольт. У деяких випадках і відгук кори слабкий (для визначених положень зчитувальних електродів) — приклад наведено на рис. 6.46. У верхній частині цього рисунку наведено відгук пацієнта з нормальним слухом, а в нижній частині - при недочутливості. Обидва сигнали мають скомпснсований спон танний ЕЕГ-сигнал. Необхідна передобробка (наприклад, з 32 реалізаціями), а далі треба ліквідувати й інші артефакти.
Рис. 6.46. Приклади відгуків кори головного мозку в ЕЕГ-аудіометрії
6.13. Пристрій рівноваги та електронистограма
6.13.1. Вестибулярний пристрій людини
Під вестибулярною системою розуміють вестибулярний лабіринт, вестибулярний нерв та комплекс вестибулярних ядер у довгастому мозку (багато з них закінчуються аж у мозочку). Вестибулярний нерв обсягає близько 300 еферентних волокон.
Вестибулярний пристрій розташований у тісній близькості до завитки (рис. 6.47). Цей пристрій утворюють:
1) два мішечки — кульковитий (sacculus) з діаметром 2 — З мм та еліпсовидний (довжиною 2,5 — 3 мм), які є початками нівколових каналів;
2) три нівколові канали (розташовані у трьох взаємно орто гональних площинах): передній (верхній), задній та зов нішній.
На стінках мішечків розміщені рецептори для зчитування положення голови: macula utriculi; macula sacculi.
Для визначення руху голови служать рецептори, розміщені у розширених початках трьох каналів: ампула заднього каналу (АЗК), ампула верхнього каналу (АВК), ампула зов нішнього каналу (АСК).
Аферентні імпульси нерва передсіней (він пред ставляє самостійну частину слухорівноважного нерва) приходять до вказаних ре цепторів руху. Збудження з органа рівноваги поши рюється до відповідної ді лянки кори мозку. Афе рентні імпульси з вестибулярних рецепторів не дають точної інформації про положення тіла у просторі, оскільки голова може утворювати досить великий кут з віссю тіла. Тому ЦНС мусить одержати інформацію про положення голови по відношенню до тулуба. Це забезпечують подальші рецептори. Тому подальші афе рентні сигнали приходять з областей оптичної та окорушійної, з кісткових м'язів тощо. Порушення цих зв'язків призводить до порушень рівноваги. Ясно, що нервові волокна, які вихо дять з вестибулярного пристрою, утворюють зв'язки з іншими відділами ЦНС.
Рис. 6.47. Схема вестибулярного пристрою в розтині
Розтин лівого півколового каналу (погляд згори) наве дено на рис. 6.48.
За винятком еліпсовидного мішечка (m.utriculi) інші частини лабіринту тут не показані.
За рахунок кутового прискорення у напрямку, позначеному стрілкою, відхиляється вершина завитки (cupula cochleae) до визначеного положення. При вказаному русі головою в каналі виникає ток ендолімфи, який збуджує рецептори руху. Це специфічні рецептори вестибулярного апа рата, які мають довгі волоски
Посунення купули та активність в аферентних нервових во локнах при короткій ротації (наприклад, поворот голови) на ведено на рис. 6.49. Аналогічні ситуації при тривалій ротації ілюструє рис. 6.50. Міра часу на обох рисунках різна.
Рис. 6.48. Розтин півколового каналу (вигляд згори)
У зміні частоти нервових імпульсів (у порівнянні до час тоти повторень при спонтанній активності) проявляються зміни кутової швидкості. По закінченні цього короткого руху купула повертається до свого вихідного стану, і активність в аферентному нерві знижується до рівня активності у спокої (рис. 6.49).
При тривалому обертанні (наприклад, у кріслі, що обер тається, при дослідженні нистагму) ситуація інша (рис. 6.50). Після початкового прискорення розвивають сталу кутову швидкість, яку підтримують довгий час. У першому ко роткому часовому інтервалі купула відхиляється, а під час рівномірної ротації повертається поступово до свого вихідного стану. Внаслідок цього рані nie не рухома ендолімфа починає рухатись. Поступово різниця між рухами голови та ен долімфи повністю зникає. Купула повертається до сво го вихідного стану, з якого діюча сила її вже не може посунути. При швидкій зу пинці купула знову відхиля ється, але при цьому в про тилежному напрямку (крива в па рис. 6.50). В обох ви падках для повернення ку пули до вихідного стану по трібен досить довгий час — від 10 до 30 с.
Рис. 6.49. Посунення купули та активність в аферентних не рвових волокнах при короткій ротації
Рис. 6.50. Посунення купули та активність в аферентних не рвових волокнах при тривалій ротації
При швидкій зупинці про ходить відхилення купули у напрямку, протилежному до того, що був при обертанні. Ці відхилення купули ви кликають горизонтальний нистагм, який одночасно суп роводжується рухами очей. Перед тим, як очі (які до сліджують навколишнє сере довище) досягнуть крайнього положення, вони швидко ру хатимуться у напрямку обер тання.
6.13.2. Нистагм та його класифікація
Нистагм — це швидко повторювані неспокійні рухи очей, які складаються з двох протилежних складових. Повільну складову руху очей називають пошуковою, швидку — супровідною.
Рецептори горизонтальних півколових каналів реагують на кутові прискорення (ротації) у горизонтальній площині. Ре цептори у вертикальних півколових каналах, навпаки, збуджу ються при рухах, спрямованих до середини каналу. Це має місце, наприклад, при обертанні особи, яка має нахил голови 90°. Результатом є вертикальний нистагм.
Третім типом нистагму є круговий нистагм. Він прояв ляється круговими рухами очей. До цього дійде, наприклад, тоді, коли голова досліджуваної особи похилена униз на 90° або більше. Іноді цей нистагм означають як ротаційний.
Крім площини, в якій рухається око (горизонтальна, вертикальна), нистагм означають за його швидкою складовою вліво, вправо. Ситуацію ілюструє рис. 6.51. Напрямок повільної складової нистагму у початковій фазі обертання протилежний до напрямку обертання (як і оптокінетичиий нистагм). По закінченні обертання виникає повільна складова нистагму, напрямок співпадає з напрямком обертання.
Швидкість повільних фаз звичайно становить 5 кут.град./с швидкість швидких фаз не перевищує 200 кут.град./с.
У двофазового нистагму повільна та швидка зворотні скла дові змінюють одна одну. Якщо обидві фази за часом та діапазоном однакові, нистагм означають як маятниковий.
За інтенсивністю нистагми розрізняють:
тонкий (його також називають нистагмом першого ступе ня) — він з'являється лише при погляді вбік, додолу або вгору;
середньої величини (другого ступеня) — помітний вже при прямому погляді;
великий (третього ступеня) — не змінюється навіть у разі погляду в протилежний бік.
З точки зору частоти нистагм класифікують як:
повільний (приблизно 40 коливань за хвилину);
середньої швидкості (до 100 коливань за хвилину);
швидкий (більше 100 коливань за хвилину). За амплітудою нистагм класифікують як: малий, середній та великий.
6.13.3. Вимірювання електронистограми (ЕНГ)
Незважаючи на те, що у фаховій літературі час від часу з'являються повідомлення про вимірювання повільних рецеп торних потенціалів (з амплітудою близько сотень мікровольт) у вестибулярній частині лабіринту (при різних експериментах з тваринами), у людей нистаг.м оцінюють непрямо — за вестибулярно-окулярним рефлексом (ВОР).
Інформація із латеральних півколових каналів передається до окорушійних м'язів, і це проявляється у рухах очей.
Хоча рухи очей можна вимірювати різними способами, найчастіше (бо це найпростіше) вимірюють електричні потенціали в околиці очей. Далі розглянемо лише цей спосіб, який відповідає вимірюванню електроокулограми. Різниця лише у частотній смузі біопідсилювача (для ЕНГ використо вують смугу від 2 до 2000 Гц). Вхідний опір біопідсилювача повинен бути більшим, ніж 1 МОм.
Стимуляцію вестибулярного пристрою у клінічній практиці найчастіше виконують на кріслах, що обертаються або гойда ються. Сучасні досліджу вальні крісла дозволяють точно фіксувати рухи голови, кутову швидкість та прискорення. Наприклад, після 10 обертів крісла із сталою кутовою швидкістю після зупинки протягом 20 с виявляють пост-ротаційний нистагм. Його швидка складова має орієнтацію, протилежну напрямку обертання. Оцінюють також латенцію і амплітуду нистагму — найбільше відхилення ока із стану спо кою (в кутових градусах).
Щоб пацієнт при дослідженнях не міг фіксувати зір на яко мусь предметі, на нього одягають окуляри Фенцеля (з внутрішнім освітленням), так що він не бачить зовнішнє сере довище, а його очі можна контролювати.
Горизонтальні півколові капали можна також термостимулювати. Досліджуваний лежить з головою, підпертою так, що вона утворює кут близько 30° з горизонтом. У цьому випадку горизонтальний канал займає точно вертикальне положення, далі досліджуване вухо миється холодною (30 °С) водою або теплою (44 °С) протягом 40 с. Оскільки зовнішній край півколового каналу дуже близький до зовнішнього звуководу, у нівколовому каналі виникає тік рідини. Цей тік відхиляє волоски клітин та викликає нистагм (на рис. 6.48 нагріте місце позна чено літерою X). Вимірюєть ся час від миття до закінчення нистагму, який складає приблизно 2 хвилини. Вигода калоричпого нистагму це можливість тестувати кожен бік окремо.
Рис. 6.51. Круговий нистагм (при кругових рухах очей)
Приклади ЕНГ за рахунок термостимуляції наведено па рис. 6.52, а, 6: а — після термостимуляції лівого вуха; б після термостимуляції правого вуха. Для порівняння у того ж пацієнта постротаційпі ЕНГ: в — після обертання вправо; г — після обертання у протилежному напрямку.
Рис. 6.52. Приклади ЕНГ при термостимуляції
Повторенням регулярно посунутих у зорному йолі оп тичних стимулів у пацієнта викликають оптокінетичний нистагм (виникає у людей у потязі, якщо вони розглядають телеграфні стовпи вздовж дороги)
Горизонтальні ЕНГ, викликані рухами смуг у зорному полі , VI я двох швидкостей), наведено па рис. 6.53 Раніше для оптокінетичної стимуляції вживали світлову смугу, що рухалася, в паш час — зображення тієї ж рухомої смуги на ТВ-моніторі або дисплеї ЕОМ.
Збуджувати лабіринт можна також сталим струмом. Викликаний гальванічний нистагм звичайно вимірюють при струмі від 1 до 5 мА. Останнім часом викликають гальванічний нистагм за 5 секунд струмом 0,6 мА (напруга 8 В).
Рис. 6.53. Горизонтальні ЕНГ, викли кані рухами смуг у зорному полі
6.14. Аудіометрія. Оптимізація тонового імпульсу [6.14, 6.15]
З метою скорочення часу аудіометричннх досліджень тоновим аудіометром останнім часом розроблено ряд нових модифікацій тестових сигналів. Для цього використовують звукові імпульси з відповідною формою огинаючої або досить короткі імпульси, для яких спектр Фур'є є достатньо широким.
Якщо огинаюча топового імпульсу і(і) (одного) має вигляд прямокутника, то функцію ґ(0 можна записати у наступному вигляді
де Ті - тривалість тонового імпульсу. Сигнал наведено па рис. 6.54.
Рис. 6.54. Тоновий імпульс при аудіометрії
Оскільки f(t)— непарна функція (симетрична відносно початку координат), одержимо
Якщо Тi складається із цілого числа періодів тонової гар моніки, тобто
то S(ω) можна записати у вигляді
Звідси модуль
Модуль S(ω) для n = 3 та n = 50 наведено на рис. 6.55.
Рис. 6.55. Модулі спектральної щільності при кількості періодів тонового імпульсу n = 3 та n = 50
Із зростанням п збільшується загасання бокових спектральних складових. Навпаки, при змен шенні п розширюється частотна смуга, в якій зосереджена-звуко ва енергія. Граничним випадком є Р-функція Дірака. Ці власти вості наочно видно для трьох значень п (рис. 6.56), де скла дові виражені у децибелах (опорний рівень в усіх випадках однаковий).
Ширина спектра, де зосеред жена най біль пі а частина звукової енергії, визначається першими мінімумами (нулями) функції |S(ω)|.
Рис. 6.56. Складові (дБ) спектральної щільності тонового імпульсу при кількості періодів гармоніки n = 50; 6; 1
Величина цього інтервалу описується рівнянням
Тобто збільшення кількості періодів у топовому імпульсі при ω0 = const призводить до звуження частотної смуги.
На рис. 6.57 наведено спектри топових імпульсів гармо нічного сигналу при різній кількості періодів n осциляцій
n1>n2>n3.
Інакше кажучи, при від повідному виборі частоти со0 та кількості періодів можна утворити джерело акустич них стимулів з визначеною шириною спектра Фур'є.
Беручи до уваги, що приймачем акустичної ін формації є слуховий аналі затор (який характеризуєть ся критичною шириною час тотної смуги, що пов'язана одночасно з роздільною здат ністю слуху), треба обидві ці смуги погодити.
Рис. 6.57. Спектри тонових імпульсів при різній кількості періодів n1>n2>n3.
Залежність частотної смуги людського слуху Лею від час тоти тонової стимуляції звичайно враховують у вигляді квад ратичної функції
причому а = 0,028; b = 0,77; с = 0,08.
Література до глави 6
6.1. Adams G. L., Boies L. R., Hilger P. A. Bois fundamentals of otolaryngology.— Philadelfia: W. B. Sounder Corp., 1989.
6.2. Г. Фон Бекеши. Механика улитки // Сб. Теоретическая и ма тематическая биология. — М.: Мир, 1968.— С. 194 — 218.
6.3. Von Bekesy G. The variation of phase along basilar membrane with sinusoidal vibrations //J. Acoust. Soc. Amer. — V. 19.— 1947. — P. 452-460.
6.4. Von Bekesy G. The vibration of cochlear partition in anatomical preparations and in models of the inner ear // J. Acoust. Soc. Amer. V. 21.- 1949.- P. 233-245.
6.5. Von Bekesy G. Experiments in Hearing. — New York: MeGraw-Hill, I960.- 745 p.
6.6. Gazanek F. aj. Vliv drazdeni sluchoveho a zrakoveho analyza-toru na rozvoj predcasneho porodu // Cs.gunekologie.~- № 8.— 47. — 1982.- S. 633-634.
6.7!^Абакумов В. Г., Рибін О. L, Сваїпош Й., Сігнєкоп К). С. Системи відображення в медицині. — К.: ВЕК+, 1999.- 320 с.
6.8. Feldman A. S. Acoustic impedance — admitance measurements // In Phisiological measure of the audio-vestibular system. — N. York: Academic Press, 1975.
6.9. Syka ./., Voldrich L., Vrabec F. Fiziologie a patofyziologie zraku a sluchu.— Praha: Avicenum, 1981.
6.10. Hruby M. Priznaky klasifikace akustikich evokovanich sigualu // Lekar a technika. - № 2.- 15.- 1984.- S. 24 -27.
6.11. Kupeee A. M. Автоматизированная система для исследования субмикровольтных вызванных потенциалов мозга // Медицинская техника.- № 1.- 1984.- С. 12-15.
6.12. Овсяник В. П. О методах регистрации пороговых слуховых вызванных потенциалов // Медицинская техника.— № 3. — 1986.— С. 12 - 14.
6.13. S uster М. Otolaryngologia. — Bratislava: О s vet а, 1975.
6.14. Качный Г, Г. и др. Автоматизированный аудиометр // Медицинская техника. — № 4. 1983.— С. 55 — 56.
6.15. Подгорный Е. И., Б акай Е. А. Формализация выбора пара метров акустического стимула малого автоматизированного комплекса для обследования и диагностики функционального состояния слухо вого анализатора // Медицинская техника. - J№ б. - 1982. --- С, 10-
Глава 7
БІОСИГНАЛИ СИСТЕМИ ТРАВЛЕННЯ
7.1. Травлення
Під травленням розуміють сукупність процесів, що забезпе чують роздрібнення, розщеплення їжі на компоненти, придатні до всмоктування і участі в обміні речовин. їжа, що надходить до організму, перетравлюється під дією різних ферментів. Головними кінцевими продуктами розщеплення білків є амінокислоти, жирів — гліцерин та жирні кислоти, вуглеводів — моносахариди. Усі ці сполуки всмоктуються, і в органах та тканинах з них синтезуються нові складні, специфічні для організму сполуки.
Послідовна обробка іжі здійснюється при її пересуванні органами травлення. Побудова органів травлення і їх функції є спеціалізованими.
В нормі важливу роль при травленні відіграють мік роорганізми. У ротовій порожнині відбувається здебільшого механічне роздрібнення їжі і змочування її слиною. Для більшості хребетних характерне виділення залозами шлунка соляної кислоти і ферментів, активних у кислому середовищі (рН 1,5 — 0,85). У шлунку здійснюється кислотна денатурація білкових складових їжі та початкові стадії гідролізу білків. Наступні стадії травлення проходять здебільшого у нейтраль ному або слабколужному середовищі (рН 7,0 — 8,5).
Найбільш інтенсивні процеси ферментативного гідролізу у юпкій кишці, де розщеплення харчових речовин проходить під впливом ферментів, секретованих підшлунковою залозою. Подальший гідроліз білків проходить з утворенням низькомолекулярних пептидів і малої кількості амінокислот. Вуглеводи (крохмаль і глікоген) гідролізуються до три- та дисахаридів.
Жири під дією ліпази розщеплюються до ди- та моногліцеридів, а також вільних жирних кислот і гліцерину. Велике значення при цьому мають солі жовчних кислот, які прийма ють участь в емульгірованні жирів, активації специфічних ферментів і сприяють всмоктуванню жирних кислот.
Кінцевий стан травлення в тонкій кишці проходить за раху нок мембранного травлення, яке відбувається на поверхні епітелію і супроводжується всмоктуванням кінцевих про дуктів.
У товстій кишці травлення звичайно відсутнє. Але мік рофлора товстої кишки викликає бродіння вуглеводів (клітко вини) та гниття білків, внаслідок чого утворюються органічні кислоти, гази, токсичні сполучення (які знешкоджує печінка).
У товстій кишці проходить інтенсивне всмоктування води (95%), а також електролитів, глюкози, деяких вітамінів і амінокислот, що їх виробляє кишкова мікрофлора. По мірі пересування та ущільнення вмісту кишечника формується кал, накопичення якого викликає ефект дефекації. Діяльність органів травлення контролює вегетативна нервова система. У регуляції травлення приймають участь сигнали, що надхо дять від рецепторів, розміщених в органах травлення, а також шерег психофізіологічних процесів.
Процес механічного пересування їжі трактом травлення за безпечується перистальтикою стравоходу, шлунка, кишечника тощо.
7.2. Перистальтика
Перистальтика (від грецького перисталтикос — той, що обіймає і стискає) — це хвилеподібно розповсюджуване ско рочення стінок стравоходу, шлунка, кишечника, сечоводу та інших порожнистих органів, за допомогою яких їх вміст пере сувається до виходу. Перистальтика — це результат координо ваної діяльності поздовжнього та кільцевого шарів м'язів (рис. 7.1). Швидкість розповсюдження перистальтичних хвиль у різних органах різна. Так, у людини, наприклад, ритм перистальтики шлунка складає 2 — 3 хвилі за хвилину, а для дванадцятипалої кишки — 10 — 12 хвиль за хвилину. Характер перистальтики обумовлений .ідатністю гладких м'язів до ав томатичних скорочень та діяль ністю розташованих на них не рпових сплетінь. Перистальти ку регулює вегетативна нервова система та гуморальні фак тори. Великий вплив па пери стальтику мають хімічні та фізичні властивості їжі.
Антиперистальтика — це рух хвиль у протилежному на прямку, який є властивістю товстої кишки. Антиперисталь тика товстої кишки забезпечує затримку в ній її вмісту та краще всмоктування води та елеткролітів. Вона виникає також внаслідок патології (спайки) та при блюванні
Рис. 7.1. Перистальтика ки шечника. Штрихова лінія пока зує зсув харчового жмута
7.3. Система травлення людини
Систему травлення людини (рис. 7.2) з функціональної ючки зору можна поділити на чотири частини.
Перша, призначена для прийому їжі, складається з ротової порожнини, глотки (fauces, pahrynx) та стравоходу (oesopha gus). Подратуванням задньої стінки глотки (де є велика кількість нервових закінчень) викликаються аферентні збуд ження, які через ковтальний центр викликають координовані |)\ хи стравоходу. Ці рухи (під час підсвідомої фази ковтання) пересувають страву стравоходом перистальтичними хвилями.
Другою частиною є шлунок (ventriculus). Стійки порожнь ого шлунка розслаблені і вільно самі до себе прилягають. Місія ковтання останньої дози їжі нижня частина стравоходу відкривається (блокується вхід із стравоходу до шлунка). Далі починаються механічні рухи м'язів шлунка. Спочатку вони слабкі, але поступово посилюються. Сигнали, що збуджують ритмічні рухи шлункових м'язів, керовані інервацією, що походить з блукаючого нерва (п.vagus), який інервує більшість черевних органів.
Рис. 7.2. Система травлення людини
Рухи шлунка носять характер місцевих скорочень поперечного обводу, які мають різну інтенсивність. Ці скорочення посуваються від верхньої частини шлунка до брами (pylorus). Хвилі м'я зів шлунка проходять у се редньому тричі за хвилину і закінчуються на нижній бра мі шлунка (вхід до дванад цятипалої кишки — duode-num). Рухи стінок шлунка відбуваються не тільки під час їжі. І в порожньому шлунку мають місце повільні ритмічні скорочення з пе ріодом перистальтики шлун ка, який дорівнює 20 с. Такі скорочення називають «го лодними». Випорожнення шлунка залежить від поздовжніх і поперечних (кругових) перистальтичних м'язів. Ця пери стальтика призводить до пересування частини їжі із шлунка до дванадцятипалої кишки.
Третю частину представляє тонка кишка (intestinum tenue), яка складається із трьох відділів: дванадцятипалої кишки (du-odenum), порожньої кишки (jejunum) та клубової кишки Oleum). Повна довжина тонкої кишки становить 3 — 5 м (вже в однорічного немовляти її довжина сягає 1,2 — 2 м). Внаслідок частих і дуже швидких перистальтичних хвиль їжа посувається за одну таку хвилю на декілька сантиметрів. Кожна хвиля триває близько 1 с, після чого наступає період спокою від кількох секунд до кількох хвилин. їжа після виходу із шлунка досягає кінця тонкої кишки приблизно за три з половиною години. Для засвоєння їжі найголовнішим є її всмоктування в тонкій кишці.
Всмоктування у дорослої людини проходить на великій площі, яка приблизно дорівнює 40 м2 (внаслідок того, що слизиста оболонка має велику кількість ворсинок та дрібних виступів — до 30 на 1 мм2 площі висотою до 1 см. На вершинах цих виступів є мікровиступи діаметром 1 мкм). Тонка і ишка має до 5 мільйонів ворсинок (тонких виростків, які й їм всмоктують їжу).
Четверта частина — це товста кишка (colon, intestinum Mussum) довжиною близько 1,5 м. Починається від сліпої мішки (caecum, tyflon), далі переходить до ободової кишки і прямої кишки. Рухи м'язів товстої кишки вночі уповільнюются.
7.3.1. Система керування трактом травлення
Система керування трактом травлення складається з наступних підсистем:
1) система керування м'язами;
2) нервова система керування, яка визначає появлення ско рочень (контракцій) гладких м'язів;
3) гормональна система керування, яка визначає модуляцію дії підсистем м'язової і нервової.
Спільна дія підсистем керування визначає виникнення та формування скорочень (контракцій) у кишках, які відпо їм дають за рухи їжі зі швидкістю, відповідною до поглинання необхідних для організму речовин, електролітів і води.
М'язова система керування спричинює періодичну депоінризацію клітин гладких м'язів, у той час, як нервова система керування викликає сповільнення таких збуджень. Періодична деполяризація гладкого м'яза відбувається по всій довжині тонкої і товстої кишок, а також у двох третинах (дистальних) шлунка. Таку періодичну активність у літературі називають електрично керованою (ЕСА — electrica control aelivity). Вона керує скороченнями м'язів у часі і просторі.
Механічні скорочення тісно пов'язані з електричною активністю. Їх називають електричною реакцією активності. Обидві активності вини кають в окремі інтервали часу і в окремих ділянках кишок, їх поява у часі і просторі керована збудженнями ЕСА. Нервова система визначає коли (якщо треба) виникають скорочення. Максимальна швидкість скорочень визначена частотою ЕСА: шлунка 4 — 5 циклів за хвилину; у дванадцятипалій кишці частота становить 18 — 20 циклів за хвилину (базова гармоніка дорівнює 230 мГц). У шлунку ця активність у верхній частині характеризується частотою 3 — 4 цикли за хвилину, а в нижній — 1—2 цикли за хвилину.
Саме ERA і ЕСА утворюють зворотний зв'язок, який працює при наявності їжі в тракті травлення. Послідовність і характер скорочень визначені просторово-часовим розподілом електрично керованої активності (градієнтом цієї активності та фазовим зсувом керуючих хвиль у сусідніх ділянках тракту травлення). Дистанційне керування фазової затримки забезпе чує відповідний просторовий розподіл контракцій, які посува ють вміст тракту травлення у потрібному напрямку.
7.3.2. Модель електрично керованої активності в си стемі травлення
За рахунок іонних струмів у клітинах гладкого м'яза шлун ка виникає деполяризація, яка переходить у реполяризацію з підвищенням швидкості зміни напруги (збільшенням значення похідної du(t)/dt). Електрична хвиля збудження поши рюється вздовж гладкого м'яза зі швидкістю 0,5 — 2 см/с, тобто швидкістю, значно меншою, ніж у міокарді (де така швидкість досягає значень 2 м/с). У записі електричної активності шлунка можна виділити три базові типи хвиль |7.1, 7.2].
Тип І відповідає перемішуванню їжі і має форму уні полярних хвиль малої амплітуди. їх частота у верхній частині шлунка становить 45 — 60 мГц (3 — 4 хвилі за хвилину), а в нижній — 15 — 30 мГц (1—2 хвилі за хвилину).
Тип II також утворений уніполярними хвилями, але з час тотою 2 — 5 циклів за хвилину. Ці хвилі є електричним обра зом пересування їжі (тобто відповідають перистальтиці шлун ка та кишок).
Тип III хвиль має більш складну форму. Найважливішою складовою в них є зміни ізоліній (які відтворюють зміни то нусу стінок шлунка). На хвилю III типу (базова складова) на кладаються хвилі І та II типів. Електрогастрограма (ЕГГ), тобто електричний образ шлункової активності, має базову —першу гармонічну складову з часто тою 0,05 Гц, домінантну третю гармоніку — із частотою 0,17 Гц.
Рис. 7.3. Частота хвороб (у відсотках) карціноми товстої кишки: 1 — сліпої кишки — 5,95%; З, 4 товстої кишки — 16,99%; 5 — сигмоподіб ної кишки — 13,55%; б — ректальної частини сигмо подібної кишки — 17,7%; / — заднього проходу — 45,18%; 8 — анального от-іюру — 0,64%
У гладких м'язах потенціали зубців становлять від декількох до 60 мВ і виникають (на відміну від серцевого м'яза) при дуже низьких концентраціях Na.
Образ електричної активності у товстій кишці є дуже складним (його розглянемо у подальшому деталь ніше). Сама товста кишка склада ється з висхідної, поперечної, спад ної частий та прямої кишки (див. рис. 7.3). Поблизу сигмоподібного закруглення основні частоти лежать в області 2 — 9 циклів за хвилину (тобто 30— 150 мГц). Часові харак теристики електричної активності визначаються сумішшю 2-ї та 3-ї гармонік. Рівень 2-ї гармоніки часом є основним [7.3, 7.4].
7.3.3. Диференційний характер біосигналів тракту травлення
На жаль є ряд об'єктивних причин, чому виразки та пухлини системи травлення складають більше 30% усіх нових хвороб і майже 40% усіх смертних випадків. Викликає зане покоєння те, що такі хвороби дуже часто вимикають у людей молодих у продуктивному віці. На рис. 7.3 детальніше (у від енках) наведено розподіл карціноми товстої кишки. Лікарі <па відміну від хвороб серця) здатні менш точно встановлю вати діагнози хвороб системи травлення.
Ознаки різних хвороб системи травления (ХСТ) часто однакові або дуже подібні, і в минулому не було відомо жодної конкретної фізичної методики (на відміну від кардіології, де ще ю появи ЕКГ досить успішно використовували фоно-і кардіографію). Останнім часом широкого розповсюдження набули різні ендоскопічні, ультразвукові та рентгенівські методи зображення [7.5] та особливо їх комбінації з біохімічними та імунологічними дослідженнями. За кордоном останні 20 років особливу увагу привертає електрогаст рографія [7.4]. Мова (як і в більшості ЕКГ-досліджень) йде про зчитування сигналів з поверхні шкіри (cutis — шкіра). Це транскутанна електрогастрограма (ТЕГГ) та мукозна ЕГГ (з кращою динамікою, але іивазивна), від mucosa — слизова обо лонка. Ритмічні скорочення кишок та шлунка добре корельовані зі зчитуваними біосигналами (біострумами). Крім ЕГГ реєструють ще й електричну активність м'язів черевної стінки (МЕГГ у цьому випадку має частотну смугу від 10 до 2000 Гц), яка є значно більш високочастотною, ніж ЕГГ [7.6-7.8].
Останнім досягненням у створенні методів досліджень тракту травлення є фоноентерографія (реєстрація звукових шумів, викликаних перистальтикою), для чого сигнал зчитують відповідним мікрофоном (див. розділ 7.6.8). З наве дених даних про розповсюдженість хвороб системи травлення слід очікувати, що (незважаючи на велику вартість техніки гастрографічпих досліджень) вони швидко знайдуть широке застосування в повсякденній практиці в Україні та інших країнах колишнього СРСР.
Додамо також, що першим, хто почав реєструвати сигнали електричної активності гладких м'язів шлунка та кишок ще у 1922 році, був В. К. Альварес (W. С. Alvarez). Подальший великий внесок у цю справу зробив Б. Г. Браун своїми (з ко легами) працями у 1975 році.
7.4. Електрогастрограма (ЕГГ) шлунка
Елсктрофізіологи ще у 20-х роках показали велику кореляцію між електричними потенціалами і механічною діяльністю (викликаною роботою шлункових стінок) шлун ка — див. рис. 7.4. У верхній частині рисунку наведено графік електричного сигналу, зчитаного із стінки шлунка уніполярним електродом (слизовий — мукозний сигнал ЕГГ). У нижній частині рис. 7.4 наведено графік синхронного сигналу, зчита ного з імплантованого перетворювача тиску (зчитувач-перетворювач знаходився на зовнішньому боці стінки, де реєстрував скорочення шлункової стінки). Важливим було те, що електричні сигнали відповідають механограмам не тільки щодо амплітуди контракції, але й мають ту ж саму частоту контракцій (стиснень). Останні 25 років (за кордоном) проб-нмі реєстрації і дослідження електричних сигналів тракту травлення приділяється велика увага. Головні точки для зчиту вання ЕГГ шлунка наведено на рис. 7.5.
Рис. 7.4. Мукозна (верхній графік) ЕГГ і синхронний сигнал з імплантованого давача тиску (нижній графік)
Сигнал ЕГГ шлунка після його підсилення і фільтрації (гранична частота ФНЧ становить 0,5 Гц) дискретизують з час иною порядку 2 Гц. Якщо частота повільної хвилі гастроелек-троактивності «мала» (це частоти, нижчі за 2 цикли за \вилину), кажуть, що має місце брадигастрія, а при частоті, а при більшій за 5 циклів за хвилину, мова йде про тахигастрію.
За розташуванням електродів розрізняють такі види гастрографії:
1) мукозну, коли сигнал зчитують безпосередньо зі слизової оболонки шлунка (або з іншої ділянки повного факту травлення, що зручно під час і теля операції);
2) транскутанну (черезшкіряну, ко пі електроди розташовані па шкіряній поверхні якнайближче до досліджу ваної ділянки).
На Фур'є-спектр ЕГГ часто накладаються додаткові сторонні впливи: за рахунок дихання (в області 0,2 —0,4 Гц); за рахунок артефактів руху електронних шумів, які треба враховувати при встановленні діагнозу. Так, шум поверхневих елект родів має основні складові па частоті 0,03 Гц (звичайно ця частота менша першої гармо ніки ЕГГ). З цієї причини му козна ЕГГ має кращий дина мічний діапазон, ніж ЕГГ тран скутанна [7.9].
Рис.7.5. Базові очки зчитування ЕГГ шлунка
Приклад конструктивного виконання приссавних мультиелектродів наведено на рис. 7.6, а. Круговий електрод з Ag/AgCl звичайно має діаметр 1,0—1,2 мм, дріт має діаметр приблизно 300 мкм, електричний опір лежить в області 60— 126 Ом/ м. Розташування електрода на стінці шлунка (його контролюють за допомогою відповідних систем відображення 17.51) наведено на рис. 7.6, б.
Рис. 7.6. Приссавні мульти-електроди Ag/АgСl (а) та їх розміщення на шлунковій стінці (б)
Приклад реєстрації 2-канальної мукозної ЕГГ (з грубим масштабом часу) наведено на рис. 7.7, де видно часовий зсув імпульсних сигналів ЕГГ, визначений просторовим зсувом, тобто відстанню між електродами 1 та 7.
Рис. 7.7. Приклад мукозних ЕГГ із зсувом часових сигналів (визначеним відстанню між електродами 1 та 7)
Багатоканальну мукозну ЕГГ (шлунка собаки) до і після адаптивної фільтрації наведено на рис. 7.8.
Хоча методика транскутанних ЕГГ є неінвазивною (на відміну від мукозних ЕГГ), результати мукозних ЕГГ (і до, і після адаптивної фільтрації) завжди є кращими — більш надійними і інформативними. Проте використання адаптивних фільтрів дало можливість у більшості випадків відмовитись від мукозних ЕГГ на користь неінвазивних транскутанних [7.10, 7.11].
Рис. 7.8. Багатоканальна мукозна ЕГГ шлунка собаки перед (а) та після адаптивної фільтрації (б)
Порівняння обох типів ЕГГ, зчитаних з того самого об’єкта дослідження (після адаптивної фільтрації), легко зробити за допомогою кривих, наведених на рис. 7.9. Обидві ЕГГ були зчитані при збільшеній шлунковій активності, що проявилося у ненормальній базовій частоті (приблизно (6 циклів за хвилину).
Оскільки в транскутанній ЕГГ регулярно з'яв ляються біполярні хвилі-імпульси (рис. 7.10), хоча іі меншої крутизни, ніж у мукозній ЕГГ, треба обробляти довгий сегмент, наприклад, 3-5 – хвилинний сигнал.
Від складу їжі (її рН) а її температури залежать форма і амплітуда ЕГГ . Тому вимірювання ЕГГ шлунка слід проводити кілька разів протягом доби. ЕГГГ, зняту перед прийманням їжі, наведено ліворуч на рис. 7.11, а після випивання 200 мл мо лока праворуч па тому самому рисунку.
Рис. 7.9. Мукозна та транскутанна ЕГГ
Рис.7.10. Наявність імпульсної біполярної хвилі в транскутанній ЕГГ
Рис. 7.11. Транскутанна ЕГГ до (ліворуч) та після (праворуч) приймання їжі
Позитивною властивістю транскутанної ЕГГ є можливість зчитування ба гатоканальної ЕГГ (до того ж без незручностей для па цієнта). При цьому ви користовують різноманітні варіанти розташування зчиту вальних електродів на тілі пацієнта і підімкнепь цих електродів до входів ОП системи електронної обробки ЕГГ. На рис. 7.12 наведено приклад 4-канальної транскутанної ЕГГ шлунка, причому зчитувальні електроди були розташовані вздовж вертикальної осі шлунка. Режим зчитування — уніполярний, загальний (опорний) поверхневий електрод роз ташований на череві на великій відстані від шлунка.
Ці сигнали мають більш високий рівень і дозволяють краще (ніж у біполярному режимі зчитування) розрізнити поодинокі графоелементи сигналів.
Рис. 7.12. Приклад 4-канальної транскутанної ЕГГ шлунка (елект роди вздовж вертикальної осі шлунка)
7.5. Електрогастрограма тонкої та товстої кишок
Головні позиції, на яких (відносно кишок) розташовують поверхневі електроди (або приссавні електроди при мукозному зчитуванні) для реєстрації ЕГГ тонкої і товстої ки шок, наведено на рис. 7.13. Мри деяких хірургічних операціях можна також використовувати імплан товані електроди. Так, за кордоном після операції жовчного міхура використовували інвазивне зчитування ЕГГ товстої кишки (було імплантовано 3 — 6 покритих тефлоном електродів з нержавійної сталі).
Рис. 7.13. Головні позиції поверх невих електродів при зчитуванні ЕГГ тонкої (а) та товстої (б) кишок
Приклади електричної активності (ЕГГ) товстої кишки людини (висхідна кишка (а), поперечна кишка (б), спадна кишка (в), сигмоподібна кишка (г)) ілюструє рис. 7.14.
Зовнішній вигляд ЕГГ нагадує ЕЕГ, тому і в цьому випадку ( сенс проводити аналіз у спектральній області Фур'є.
Рис. 7.14. Приклади електричної активності (ЕГГ) висхідної (а), поперечної (б), спадної (в) та сигмоподібної кишок (г)
7.6. Аналіз ЕГГ у частотній області
Форми ЕГГ для різних ділянок тракту травления, різних періодів (ніч, день, до або після приймання їжі), різних способів зчитування, різних станів тракту (норма, патологія, хвороба) є дуже різними. Такими ж різноманітними будуть і відповідні спектри ЕГГ [7.6, 7.8].
На практиці звичайно для даного типу сигналу обирають еталон (норму), частотну характеристику якого і порівнюють з її варіаціями при зміні умов роботи тракту травлення. Між цими еталонами і еталонами відхилень у частотній області на магаються знайти кореляцію з відповідними хворобами тракту травлення (при різних рН і температурі страви).
На рис. 7.15 наведено нормальні спектри потужності ЕГГ, знятої для різних ділянок товстої кишки:
а) висхідної;
б) поперечної;
в) спадної;
г) сигмоподібної.
Рис. 7.15. Нормований спектр Фур'є потужності ЕГГ висхідної (а), поперечної (б), спадної (в) та сигмоподібної (г) кишок. Частоту f по осях наведено в сотих долях герц
Сигнали, графіки яких наведено па рис. 7.14, були дискретизоваyі (частота дискретизації fд= 5 Гц), фільтровані (ФНЧ з граничною частотою 0,5 Гц) і перетворені дискретним перетворенням Фур'є у спектри (частотна похибка становила 0,293 циклу за хвилину). Аналогічні операції були проведені для визначення спектра потужності (рис. 7.16).
Для цього був використаний масив з 512 відліків (з ФНЧ з граничною частотою 1 Гц). На рис. 7.15 максимальна транс форманта (крайня ліворуч) показує положення основної час тоти ЕГГ, яка виникає під впливом дихання.
Рис. 7.16. Спектр потужності ЕГГ (у децибелах)
При підвищенні частоти дії органів травлення (тахигастрія) на спектрі потужності (рис. 7.17) ЕГГ (після фільтрації ФНЧ з граничною частотою 0,5 Гц) виникає другий максимум (який звичайно перевищує перший — дихальний — максимум).
Для діагностики велике значення має порівняння спектрів потужності ЕГГ до приймання їжі (рис. 7.19) та після прий мання (рис. 7.18).
Рис. 7.17. Тахигастрія на спектрі потужності ЕГГ
Рис. 7.18. Спектр потужності ЕГГ після приймання їжі
Найбільш наочним є зображення змін у часі спектра потуж ності ЕГГ. Два приклади спектра потужності ЕГГ наведено па рис. 7.20, а, б для здорової людини і діабетика.
Іноді з графіків ЕГГ, які одночасно реєструють у різних місцях тракту або в одному місці, але різними способами (транскутанний і мукозний), обчислюють автокореляційні функції. З форми Кмм(т) — автокореляційної функції мукоз-ної ЕГГ, Итт(т) — автокореляційної функції транскутанної ЕГГ або Кмт(т) — взаємнокореляційної функції обох ЕГГ па базі відомого рівняння (перетворення Вінера-Хінчина) оцінюють відповідні спектральні густини потужності, які є теж корельованими з нормами і патологіями ділянок тракту трав лення).
Рис. 7.19. Спектр потужності ЕГГ у стані спокою (в інтервалі між прийманнями їжі )
Рис. 7 20. Спектр потужності суб'єкта з підвищеною активністю ЕГГ після приймання їжі (а) та без суттєвих змін (б)
На рис. 7.20 і 7.21 дві сусідні точки осі часу взаємно посу нуті на 5 хвилин.
Рис. 7.21. Спектр потужності ЕГГ діабетика
На рис. 7.20,а наведено ЕГГ суб'єкта з явно збільшеною активністю після приймання їжі, а для суб'єкта, ЕГГ якого на ведено на рис. 7.20, 6, помітної зміни активності не спостерігається.
Типову часову послідовність спектрів потужності1 ЕГГ діабетика наведено на рис. 7.21.
Наведені на рис. 7.20, 7.21 результати спектрального аналізу порівнюють з аналогічними спектрами ЕГГ здорових осіб (того самого віку), які були зчитані за тими самими умо вами і з однаковою стимуляцією.
В лабораторії Роттердамського медичного університету були проведені вимірювання часової послідовності спектрів потужності ЕГГ собаки (в часовому інтервалі, більшому за 100 хвилин). Основні частотні складові були розташовані у смузі від 50 до 100 мГц. Найвищі частотні складові становили близько 320 мГц (їх походження, ймовірно, було з дванад цятипалої кишки).
7.7. Мапування біопотенціалів на черевній стінці
По аналогії до мапування серцевих ізопотепціалів грудей (див. гл. 2) у Московському інституті гастроентерології була
проведена експериментальна перевірка мультиелектродного пристрою (рис. 7.22), який дозволяє зчитувати біопотенціали на черевній стінці. За допомогою різних телеско пічних механізмів (спеціаль ної конструкції) забезпечено надійний електричний контакт великої кількості електродів не тільки для пацієнтів різної комплекції, але й при ко ливанні черевної стінки і при диханні. До того ж окремі електроди можна індивіду ально відхиляти від нормалі на ±15°, а висоту електродів (відносно умовної діагоналі) регулювати в межах 200 мм [7.12].
Сигнали з 24 електроді із програмно перемикають на входи шести біопідсилювачів (в кожному такому підсилювачі є три активні фільтри).
Рис. 7.22. Пристрій для зчитування біопотенціалів ЕГГ черевної стінки
Частотна смуга фільтрів для шлунка становить від 0,04 до 0,06 Гц, для тонкої кишки — від 0,1 до 0,3 Гц, для товстої кишки — від 0,015 до 0,03 Гц. Нерівномірність АЧХ у смузі сигналу ±1 дБ, крутизна переходу від прозорості до загасання дорівнює 40 дБ/октаву. Динамічний діапазон — не менший 800.
7.8. Фоноентерографія
Під фоноентерографією розуміють графічну реєстрацію тукових сигналів (або шумів) при роботі тракту травлення, її проводять звичайно 7 разів па протязі 24 годин:
1) на голодний шлунок (між 7 та 9 годинами);
2) після сніданку (між 9 та 11 годинами);
3) перед обідом (між 11 та 13,5 годинами);
4) після обіду (між 13,5 та 16,5 годинами);
5) перед вечерею (між 16,5 та 18 годинами);
6) після вечері (між 18 та 20 годинами);
7) перед сном (між 20 та 22 годинами).
Тривалість кожної реєстрації становить близько 20 хвилин.
Отримані фоноентерограми (ФЕГ) оцінюють якісно. Зву кові сигнали спочатку класифікують за інтенсивністю (визна чають максимальні амплітуди біосигналів) і далі за основним ритмом (частотою повторення звукових сигналів). За звуковий імпульс вважають відхилення сигналу від нульового рівня до його повернення до початкового рівня. Розрізняють імпульси . одним зубцем, двома зубцями і складні.
При грубій класифікації розрізняють три базові тини ФЕГ: пормоакустичний, гіпоакустичний та гіперакустичний.
Фоноентерографічний сигнал звичайно займає частотну смугу від 200 до 2500 Гц.
За деякими експериментальними даними зміна характеру ФЕГ відповідає порушенню рухової активності при непро хідності кишок, запаленні підчеревниці (peritonitis) та запаленні тонкої кишки (enteritis).
Звичайно ФЕГ використовують як один із сигналів гастроентерологічної поліграфії, коли одночасно реєструють ряд ЕГГ-сигналів, а також ЕМГ черевних м'язів.
7.9. Використання методів візуалізації яри дослідженнях органів системи травленим
Методи візуалізації дозволяють одержати двовимірні об рази досліджуваних органів як функції просторових ко ординат х,у (в деяких випадках як функції просторових координат і часу). У наш час методи візуалізації (особливо рентгенівські та емісійні) займають у гастроентерології клю чові позиції.
Ультразвукові дослідження набувають останнім часом все більшого значення завдяки тому, що вони досить дешеві і до статньо інформативні.
7.9.1. Варикоз стравоходу
Це розширення вен стравоходу. Проявляється досить харак терними симптомами. Ознаки захворювання залежать від сту пеня розширення вен.
При рентгенівських дослідженнях можна виділити І, II, III ступінь варикозу.
Так, при І ступені визначають нерівномірне розширення просвіту стравоходу та уповільнення проходження барієвої контрастної речовини, особливо в дистальних сегментах (за рахунок зниження тонусу стінок). Рельєф слизової оболонки утворений потовщеними та звивистими складками, подібними до шлункових. Іноді виявляється недостатність кардії у вигляді шлунково-стравохідних рефлексів.
II ступінь варикозу характеризується появою па рельєфі або контурі стравоходу поодиноких або групових дефектів на повнення, розташованих, головним чином, вздовж його осі. Форма дефектів — округла, овальна або звивиста. Рент генівський образ під час досліджень весь час змінюється. Поряд з ознаками, подібними до псевдополіозу, при розтягу ванні слизової оболонки під час проходження барієвої речовини її рельєф може повністю зникнути.
При III ступені варикозу складки слизової оболонки роз ширені весь час; явно видно великі вузли, що різко виступають і звужують просвіт стравоходу. Ці зміни виявляються в середній та нижній третинах стравоходу, контури стінок якого стають фістопчастими з наиівмісячними красними дефектами; просвіт звужується. На відміну від пухлини не спостерігається мовної закупорки стравоходу.
Аналогічно, достатньо повні діагностичні ознаки при рентгенівській візуалізації дозволяють діагностувати такі за морювання, як артезія стравоходу, ахалазія стравоходу, « синдром Баріпоня-Тешендорфа, дивертикули стравоходу, дискінезія та дисфагія стравоходу, різного роду пухлини, синдром Маллорі-Вейса і т. ін. [7.13].
7.9.2. Гастрит хронічний
Це широко розповсюджене захворювання. Розрізняють поверхневий та атрофічний хронічний гастрити. Поверхневий гастрит може бути очаговим або дифузним. Цей гастрит — зворотний (тобто може бути вилікуваний). Щоб розвинувся .«трофічний гастрит, потрібно 15 — 20 років.
За механізмом розвитку гастрити розділяють на типи: А, \Н і В.
Гастрит типу А — це аутоімунний гастрит. Для нього ха рактерний ранній початок атрофічних процесів і ураження, головиим чином, фундального відділу шлунка.
Гастрит типу В — це бактеріальний гастрит. Він становить о-іизько 80% захворювань даного типу і вражає спочатку антральний відділ шлунка, а далі поширюється у кардіальному напрямку.
Гастрит типу АВ — це змішана форма хронічного гастриту, і кому притаманні ознаки як аутоімунного, так і бактеріального гастриту.
Рентгенівські дослідження дозволяють діагностувати за хворювання за рентгено-функціональними ознаками. До них відносяться гіперсекреція (про наявність слизу свідчить синдром снігової заметілі), зміна тонусу, стійка деформація прпбрамної частини шлунка, порушення перистальтики і т. ін.
Для діагностики гастриту вирішальне значення має дослідження мікрорельєфу слизової оболонки розмірів і ри нку шлункових полів.
При атрофічному гастриті спостерігають грубий нерів номірний рисунок шлункових полів різної форми і величини (максимальний діаметр ареолів більший за 5 мм). Цей рисунок у деяких випадках подібний до рисунку поліпових утворень. Типовою є тонка зубчастість великої кривизни вихідного отво ру шлунка.
Якщо процес локалізований у дистальній частині шлунка (антральний відділ), то ця частина органа деформується, змінюється рельєф її слизової оболонки, порушується перистальтика. Пізня стадія цього гастриту характеризується секреторною недостатністю, зникненням і ущільненням прибрамника, склеротичними змінами слизової оболонки.
Різновидом хронічного гастриту є ерозивний гастрит з ерозіями слизової оболонки шлунка, який проявляється симптомами кишково-шлункових кровотеч.
Ознаки хронічного гастриту при рентгенівських дослід женнях наведені лише як приклад і не вичерпують всього різноманіття ознак і діагностик шлункових захворювань.
Відомості про діагностику (класифікацію) численних шлункових захворювань після одержання візуального образу шлунка можна знайти в спеціальній медичній літературі, наприклад, у [7.13].
7.9.3. Дискінезія дванадцятипалої кишки
Це порушення рухової функції дванадцятипалої кишки.
При рентгенівських дослідженнях гіперкінетичний тип дискінезії характеризується звуженням просвіту дванадця типалої кишки та прискоренням руху контрастної речовини, а також швидкою евакуацією цього вмісту кишки.
При гіпокінетичній дискінезії спостерігають розширення просвіту дванадцятипалої кишки та уповільнення руху її вмісту (та його евакуації).
Дистонічна (змішана) дискінезія характеризується чередуванням звужених та розширених ділянок дванадцятипалої кишки. Внаслідок цього контрастна речовина на довгий час затримується в розширених ділянках; в інших ділянках евакуація може бути прискореною.
7. 9.4. Незавершений поворот кишечника
Це загальна назва аномалій розвитку, обумовлених пору шенням процесу обертання кишечника па ранній стадії ембріонального розвитку.
В залежності від того, в якому періоді розвитку має місце відхилення від нормального повороту кишечника, виникають різні патологічні стани. При відсутності повороту (нереалі зованому оберті) кишечника у першому періоді спадаюча частина дванадцятипалої кишки не повернута ліворуч, а падає прямо донизу. У цьому випадку немає дуоденального вигину, і дванадцятипала кишка непомітно переходить у юпку кишку. Клінічно цей порок не проявляється. При ненор мальному розвитку у другому періоді у немовлят виникають різні органічні перешкоди у вихідному відділі дванадцятипалої кишки: заворот кишечника, спайки, висока тонко-кишкова непрохідність, тобто стани, що вимагають термінової рентгенодіагностики і хірургічного втручання.
Рентгенівські дослідження базуються па тому, що вся юпка кишка знаходиться у правій частині черевної порож нини, ободочна кишка - ліворуч внизу. Коли порушена фіксація кишечника і відсутня шлунково-товстокишкова зв’язка, то поперечна ободочна кишка знаходиться значно нижче, ніж у нормі. Якщо один або кілька відрізків тонкої і пінки (найчастіше — дванадцятипалої) фіксуються в ембріо нальній стадії у ненормальному положенні, у немовлят виникають різні органічні перешкоди у вихідному відділі два надцятипалої кишки: заворот, спайки, висока кишкова не прохідність.
7.9.5. Апендицит гострий
Хвороба проявляється приступом гострого болю у животі з шпаками роздратування брюшини та порушенням загального і а ну організму.
Гострий апендицит поділяють на простий та деструктивний. Рентгенівські дослідження при простому апендициті не до дозволяють (у більшості випадків) виявити жодних змін. При деструктивному апендициті мають місце органічні відчуття кишкових петель з нечітким горизонтальним рівнем рідини, а також нечіткість зовнішнього контуру великого м'яза попереку в його нижніх відділах, затемнення правої підвздошної області, утовщення стінки сліпої кишки. Відсутній кал у правій половині товстої кишки. Якщо у правому латеральному каналі є рідина, то він розширений і затемнений. Такі симптоми при деструктивному апендициті можна виявити вже через 5 — 6 годин після початку захворювання.
Наведені приклади діагностики лише свідчать про велику інформативність рентгенівських досліджень [7.5] та досить де тальну розробленість методів діагностування захворювань системи травлення за допомогою методів візуалізації (інтроскопії). Більш детальний опис численних захворювань наведе но в спеціальній медичній літературі. Так, у [7.13] наведено детальні діагностичні алгоритми (за одержаними образами) більш, ніж 180 захворювань.
Враховуючи велике значення ЕГГ у діагностиці захворю вань тракту травлення і бурхливий розвиток цієї області медицини останні роки, наведемо найважливіші осередки, в яких проводять інтенсивні дослідження в цій галузі:
Katholieke Universitei Leuven, 3000 Leuven, Belgic;
Dept. of Gastroenterology and Surgery, Academic Hospital, Utrecht, Golland;
Dept. of Medical Technology, Erasmus University, Rotter dam, Golland;
Dept. of Biomedical Engineering, University of Virginia, Charlottensville, VA 22903, USA.
Література до глави 7
7.1. Bardakjian В. L. Computer models of gastrosntestinal activity // Automedica (GB).- № 4.- V. 7.- 1987.-- P. 261 -276.
7.2. Bardakjian B. L., Sarna S. K. Computer models of human co lonic electrical control activity (ECA) // IEEE Transact. BME-27.— № 4.- 1980.- P. 193-202.
7.3. Bellahsene В. E. at el. An improved method for recording and analysing the electrical activity of the human stomach // IEEE Transact. BME-32.- Nb u._ 1985.- P. 911-914.
7.4. Hamilton J. W. at el. Human electrogastrograms: comparison of techniques of recording // Am. J. Gastroenterol.- 1988.— V. 83.-P. 806-811.
7.5. Абакумов В. Г., Рпбін О. Сватош О., Спнєкоп Ю. С. Системи відображення в медицині.— К.: ВЕК+, 1999.— 320 с.
■ »(СИГНАЛИ СИСТЕМИ ТРАВЛЕННЯ
Kingma U. J. Spectral analysis of gastrointestinal electrical sig-Automedica.- V. 7.- 1987.- P. 237-248.
/.(].
•'у/ --■ - —
7.7. Kwok H. L. Autoregressive analysis applide to surface and se-• ..i I measurements of the human stomach // IEEE Transact BME-26 -■■ '/. 1979.- P. 405-409.
7.8 Pfister C. J. at el. Use of spectral analysis in detection of fre-iMicy differens in the electrogastrograms of normal and diabetic subject IК EE Transact. BME-35.- № 11.- 1988.- P. 935-941.
7.9. Притыко А. Я. Помехоустойчивость в электрогастрографии Медицинская техника.- № 3.- 1984.- С. 29-34.
7.10. Reddy S. N. at el. Pattern recognition of canine duodenal con-.leiile activity // IEEE Transact. BME-28.- № Ю - 1981 -
(>96-701.
7.11. Smouth A. J., van der Schee E. J. Computer analysis of cuta-ously recorded gastric electrical activity // Automedica - № 4 -
9. 1987.- P. 231-245. " '
7.12. Тишин А. Т. и др. Разработка экспериментального многока-1ыюго комплекса приборов для контроля биоэлектрических процес-( желудка и кишечника // Медицинская техника. - № 5. - 1985. _ 30 — 36.
7.13. Михайлов А. М. Руководство по медицинской визуализа-|. - Минск: Вышэйшая школа, 1996.— 507 с.