Biofizica Medicala - Urechea,un traductor cu sensibilitate deosebita

 

Urechea, un traductor cu sensibilitate deosebita

Urechea, un traductor cu sensibilitate

deosebita

Exista trei unitati structurale care indeplinesc functii diferite.Urechea externa formata din pavilion si canalul auditiv extern; are rolul de a capta undele sonore si a le conduce spre timpan.Urechea medie ocupa casuta timpanului si este alcatuita dintr-un system format din 3 oscioare asezate in lant (ciocanel, nicovala, scarita).Oscioarele sunt prinse prin articulatii de felul celor dintre falangele unui deget, ceea ce le permite usoare miscari de rotatie.In casuta timpanului se afla aer mentinut aproximativ la aceeasi presiune cu cea exterioara datorita conexiunii acestei cavitati cu faringele, legatura asigurata de trompa lui Eustatiu.Ciocanelul este prins radial in membrane timpanului, iar capatul scaritei inchide ermetic prin intermediul unui ligament fereastra ovala de la care incepe urechea interna.In aceasta ultima parte se afla doua organe cu functii diferite:unul format din canalele semicirculare, este organ al echilibrului; celalalt melcul(cohleea) este in esenta un selector si un traductor al vibratiei mecanice in impulsuri nervoase.Constructia melcului este alaturi de alte organe, un exemplu de solutie ingenioasa a naturii si merita o descriere mai amanuntita.Fig 26 a si b redau o vedere in sectiune transversala a melcului, si respectiv o vedere simplificata prin canalul melcului

Canalul cohlear este impartit in trei compartimente (vestibular, cohlear, timpanic), existente pe toata lungimea melcului si care urca in rampa pana in varf.Aceasta separare este realizata printr-o creasta ososasa, si de doua membrane.In cele trei cavitati se gaseste lichid.In prima si a treia cavitate se afla lichidul perilimfatic, iar in cea din mijloc lichidul endolimfatic.Canalele vestibular si timpanic comunica la varful melcului si sunt inchise de ferestrele ovala si rotunda.In partea ei mijlocie, de-a lungul intregului melc membrana baziliara prezinta o fasie rasucita care incorporeaza transversal aproximativ 42 000 fibre cu o lungime din ce in ce mai mare si mai groasa cu cat se avanseaza spre varf.La o frecventa cuprinsa in intervalul 16-20 000 Hz, o anumita portiune din membrana intra in rezonanta.

Mecanismul auditiei :unda sonora care se propaga prin aer este de fapt o forma de propagare longitudinala a unei perturbatii de presiune.La un momendat oarecare presiunea este variabila de-a lungul directiei de propagare, intr-un anumit punct de pe directia de propagare presiunea variaza in timp, dupa o lege anumita, specifica.

Pavilionul are rol de cornet acustic.Prin forma sa largeste posibilitatea incidentei si captarii sunetului.Importanta profilului complicat al pavilionului poate fi demonstrata experimental prin umplerea cu ceara a « neregularitatilor », fapt care conduce la o diminuare sensibila a auzului.Oamenii care nu aud destul de bine au obiceiul de a face mana palnie la ureche, directionand in acelasi timp pavilionul spre sursa sonora.Undele sonore incidente se reflecta dirijat si sunt conduse catre timpan prin canalul auditiv.

Pavilioanele produc atenuari si intariri selective ale semnalelor receptionate.Pe aceasta baza se detaseaza un semnal de fondul de zgomot la care este insotit.Canalul auditiv fiind un tub inchis la un capat, ii este caracteristica o rezonanta proprie fapt care explica, partial , si sensibilitatea maxima pentru acest interval.

Prin receptionarea simultana cu ambele urechi, omul poate localiza sursa sonora, probabil prin sesizarea asimetriei determinata de nesimultaneitatea formarii senzatiilor.

Timpanul este o membrana elastica, avand o structura fibroasa, foarte rezistenta cu o grosime 1/10mm.

Forma timpanului este de palnie, asemanatoare difuzoarelor, avand partea ingusta spre caviatea urechii mijlocii, unde exista aer la presiunea atmosferica, datorita legaturii cu exteriorul pe care o realizeaza tubul lui Eustatiu.Pe ambele fete fiind mentinuta aceeasi presiune, orice variatie a presiunii produce o mica deplasare a timpanului, care este preluata de sistemul de oscioare si transmisa urechii interne prin fereastra ovala.Perforarea timpanului nu duce la pierderea auzului, ci la micsorarea acuitatii auditive, deoarece undele sonore se transmit direct la fereastra ovala.Oscilatiile ferestrei ovale se transmit in forma unei unde prin perilimfa, de-a lungul cavitatii vestibulare, si apoi timpanice pana la fereastra rotunda, care se dechide in cavitatea urechii mijlocii si care constituie si o supapa de siguranta prin care se atenueaza presiunile excesive.

Este interesant sa se mentioneze ca aerul patrunde mai usor in cavitatea urechii interne prin tubul lui Eustatiu cu ocazia unui cascat sau a unei inghitituri.Este motivul pentru care, intr-o situatie in care se poate crea rapid o diferenta de presiune mare, cum este cazul la decolarea unui avion, se ofera calatorilor bomboane sau guma de mestecat, prilej de a inghitii mai des si de a permite aerului sa treaca din cavitatea bucala in urechea mijlocie eliminand neplacuta senzatie de « infundarea urechilor ».

Constatandu-se egalitatea aproximativa a amplitudinilor deplasarii timpanului si ferestrei ovale , rolul de parghie atribuit pana nu de mult timp oscioarelor urechii mijlocii, apare simplist.Sistemul alcatuit din ciocan, nicovala si scarita realizeaza un transfer optim de energie catre unrechea interna.

Prin extindere din domeniul electrotehnicii si electronicii se atribuie si unui element mecanic o impedanta, masura cunoscuta de la circuitele de curent alternativ.

Transferul energiei mecanice a undelor acustice prin intermediul urechii interne, in concordanta cu     raportul puterilor intre pragul senzatiei auditive dureroase si cel de audibilitate.

Rolul oscioarelor in in urechea mijlocie este acela de a interpune o impedanta macanica variabila necesara transmiterii convenabile catre urechea interna a puterii receptionate de timpan, atat in vecinatatea pragului de audibilitate cat si in apropierea pragului dureros.De exemplu, in primul caz variatia presiunii pe timpan fiind mica, impedanta mecanica se micsoreaza la o asemenea valoare, incat puterea primita este transmisa aproape integral.

Deoarece deplasarile timpanului si ale talpii scaritei din fereastra ovala sunt egale, forta se transimite integral.Insa, pe o suprafata mai mica de 14 ori , cum este aceea a ferestrei ovale variatia de presiune se exercita asupra lichidului din canalul cohlear este de tot atatea ori mai mare, fapt care explica in parte, si sensibilitatea deosebita a auzului.

Unda care se propaga prin perilimfa se transmite prin membrana Reissner si prin cea bazilara endolimfei din canalul cohlear.Undele care strabat perilimfa, sunt de fapt unde compuse, componentele fiind armonicele care insotesc fundamentalele de o anumita frecventa.Asadar, canalele vestibular si timpanic sunt strabatute de unde cu aspect caracteristic imprimat de oscilatia transmisa ferestrei ovale.

Unda care avanseaza excita membrana bazilara, generand pe anumite domenii ale lungimii ei unde calatoare.Infasuratoarea fiecarei unde calatoare are un profil care prezinta un maxim caracteristic fiecarei frecvente.Astfel, pentru fiecare frecventa din domeniul acustic exista un sector de-a lungul membranei baziliare pe care sunt excitate unde calatoare printr-un proces de rezonanta.S-au tratat experimental curbele de rezonanta ale membranei baziliare.Intrucat curbele se suprapun partial se considera ca membrana baziliara asigura doar o prima discriminare mecanica a undelor care circula prin perilimfa.

Miscarea membranei baziliare antreneaza celulele ciliate, ale caror cili tensionati declanseaza potentialele de actiune.Amortizarea vibratiei de rezonanta a unei portiuni este rapida, astfel incat inertia senzatiei sa nu deranjeze discriminarea in timp a sunetelor.

Interpretarea fizica data proceselor din ureche si mai ales din cea interna, este o varianta mai noua a unei explicatii mai vechi, datorata lui Helmholtz.Ea se refera exclusiv la procesele ce se produc pana la momentul traducerii semnalului mecanic in cel nervos.Sunetul este insa o senzatie, deci un raspuns subiectiv la un stimul obiectiv :vibratia sonora.Senzatia de sunet este rezultatul reflectarii in centrii nervosi a stimulilor pe care ii putem masura.Un sunet perceput la ureche are anumite proprietati care partial se explica prin marimile fizice caracteristice sunetului si tot partial prin particularitatile organului auditiv.

Se disting trei proprietati fiziologice ale suntetului :inaltimea, taria si timbrul, care corespund marimilo fizice :frecventa, intensitatea si continutul in armonici.

Cu mijloacele moderne se pot masura rapid frecventa si energia, si se poate descompune sunetul in oscilatiile componente (armonici).

Pe figura 27 este redat spectrul unui sunet, fotografiat pe ecranul unui osciloscop.Se observa frecventa si energia relativa a fiecarei componente.

Unda sonora este propagarea unei perturbatii de presiune creata intr-un anumit loc.Propagarea se face prin punerea in miscare a particulelor aerului.Miscarea se face pe directia de propagare, adica longitudinal si provoaca comprimarea si destinderea succesiva a straturilor de aer.Intr-un anumit loc sunetul consta deci din oscilatii de presiune avand o frecventa si o amplitudine caracteristica.Frecventa este aceeasi cu aceea a sursei.Viteza de propagare a sunetului in aer depinde de mai multi factori si poate fi considerata, in conditii normale de presiune si temperatura, ca avand valoarea de aproximativ 340 m/s.

Frecventa :senzatia de sunete ascutite(inalte) si grave(joase) se datoreste exclusiv frecventei.Intrucat orice sunet emis este insotit de sunete de frecvente mai mari, vorbind despre inaltime se are in vedere numai frecventa fundamentala, adica sunetul numit pur sau simplu.Dar senzatia de inaltime depinde si de intensitatea sunetului.

In muzica, sunetele sunt ordonate intr-un sir (scara), criteriul fiind frecventa.Fiecare sunet are o denumire care il situeaza intr-un anumit loc in sir.

Incepand cu Johann Sebastian Bach s-a introdus gama temperate, care se imparte orice octava in 12 intervale egale, denumite semitonuri definite prin raportul frecventelor intre doua sunete alaturate egale.

Intensitatea(intensitatea auditiva):senzatia fiziologica de intensitate a sunetului se masoara print aria sunetului.Auzul nu da pentru doua sunete diferite senzatii in acelasi raport de tarie cu raportul intensitatilor sonore.

Este necesar mai intai sa aratam ce se intelege prin intensitatea sonora.Orice sursa emite energie care este transferata in tot mediul inconjurator.Puterea transferata printr-o oarecare suprafata asezata la o anumita departare de sursa descrie procesul de transfer de energie prin acea suprafata.Puterea transferata poarta in acest caz numele de flux de energie prin acea suprafata.Intrucat energia transferata printr-o portiune a unei suprafete de unda este o insumare a energiei tuturor oscilatorilor de pe aceasta suprafata de unda, intensitatea este direct proportionala cu patratul amplitudinii.

Nivelul sonor este definit prin masurarea unor marimi fizice, I si Io, nu poate fi utilizat pentru descrierea senzatiei de sunet deoarece doua sunete de acelasi nivel nu produc aceleasi senzatii auditive daca au frecvente diferite.

De asemenea, odata cu cresterea intensitatii sunetului inaltimea lui variaza sensibil.

Weber si Fechner au observat variatia intensitatii senzatiei auditive este proportionala cu logaritmul nivelului sonor.Cu alte cuvinte, daca intensitatea excitatiei creste in grosime geometrica, intensitatea senzatiei creste in grosime aritmetica.Aceasta se scrie :

S(I,v)-S(Io, v)=k(v)lg*I(v)/Io.

Daca se ia ca intensitate de prag Io tocmai valoarea de prag pentru care deci S(Io, v)=0, se obtine:

S(I, v)=k(v)lg*I(v)/Io,

Relatia de definitie a intensitatii auditive (taria) a sunetului.Taria se masoara in foni.Se observa ca intensitatea auditiva depinde de frecventa, fapt stability prin experientele psiho-fizice.

De exemplu, un subiect este pus in situatia de a compara un sunet-test de o anumita frecventa cu un sunet standard, avand frecventa de 1000 Hz si un anumit nivel sonor.Intensitatea sunetului-test este variata pan ace subiectul apreciaza ca cele doua sunete au aceeasi intensitate auditiva.Se modifica frecventa sunetului test si se procedeaza la fel, subiectului cerandu-i-se sa aprecieze din nou cele doua sunete au aceeasi intensitate auditiva.Repetand experimentul cu alte sunete test de frecventa diferita, dar pastrand neschimbat sunetul standard, se traseaza una din curbele din (fig 28)

Reluand experimentele, dar cu alt sunet standard, se obtine o alta curba.Si asa se pot trasa toate curbele intre nivelul sonor la pragul de audibilitate (curba de zero belli) si cea de 12 belli (pragul senzatiei dureroase).

Faptul ca intensitatea auditiva depinde de frecventa rezulta clar din fig 28.Se observa ca pentru a fi auzite sunetele cu frecventa cuprinsa intre 1000 si 3000 Hz au nevoie de un nivel sonor mai scazut decat cele care au frecventa mai mare sau mai mica.Pentru a fi bine auzite este necesar ca atat sunetele mai inalte, cat si cele mai joase sa aiba intensitate mai mare.

Se observa, de asemenea, construind la o anumita frecventa o paralela la axa nivelului sonor ca un sunet de o frecventa data poate fi auzit mai intens sau mai putin intens sau deloc, cand este de taria data de intersectia cu curba zero belli sau zero foni.

Intrucat aspectul grafic al curbelor de egala intensitatea auditiva este aproximativ acelasi pentru un mare numar de subiecti cu auzul normal, concluziile expuse au valabilitate generala.

Puterea de rezolutie in intensitate este de aproximativ 0,25 ceea se inseamna un bell.Cu alte cuvinte, pentru ca doua sunete sa para de intensitati diferite, diferenta trebuie sa fie de cel putin un bell.

Sensibilitatea auzului scade cu varsta.Aceasta se manifesta prin faptul ca inaintand in varsta, pentru a auzi un sunet, nivelul lui sonor trebuie sa creasca.

Luind ca valoare zero nivelul sonor de prag la 1000 Hz, se poate observa mai intai ca marind frecventa, nivelul sonor al pragului la aceeasi varsta creste, iar pentru o anumita frecventa, nivelul de prag creste cu varsta, cu exceptia frecventei de 1000 Hz.

Astfel, alegerea frecventei sunetului standard la 1000 Hz este justificata de faptul ca pentru aceasta frecventa nu exista fluctuatii cu varsta a sensibilitatii organismului uman.

Componentele armonice si timbrul

Un sunet emis are un caracter complex.Alaturi de sunetul fundamental sunt emise simultan si cateva dintre armonicile lui.

Se demonstreaza ca o miscare periodica cu frecventa v, indiferent de aspectul ei, poate fi descompusa intr-un sir de componente periodice cu frecvente egale cu un multiplu al lui v .

Componenta cu frecventa cea mai joasa (v) se numeste fundamentala sau armonica de ordinul 1.Componentele cu frecventele urmatoare (2v, 3v) poarta numele de armonice superioare (de ordinul 2, 3, , etc.).In fig 29 este reprezentat un sunet cu perioada 1/300 s (v1=300 Hz) descompus in trei armonice cu perioade 1/600 s, 1/900 s, 1/1200 s (v2=600 Hz, v3=900 Hz, v4=1200 Hz).Dovada experimentala a existentei armonicilor se face cu ajutorul unui analizator mecanic sau electronic, fotografiile fiind luate de pe ecranul unui osciloscop.

Numarul armonicelor si nivelul de intensitate sonora al acestora confera calitatea de timbru, care da omului capacitatea de a deosebi doua sunete de aceeasi frecventa emise de doua surse diferite.

In fig 30 sunt aratate spectrele sunetelor de 440 Hz date de un pian si o vioara.

Specialistii, si nu numai ei, pot distinge clar sunete de aceeasi frecventa emise de doua instrumente diferite de acelasi tip.Cu cat numarul armonicelor este mai mare, cu atat mai amplu apare un sunet.

Peste limita superioara a auzului uman se gasesc ultrasunete (v>20 kHz).Unele animale percep sau emit ultrasunete.Cainii si sobolanii aud pana la 40 kHz, liliecii pana la 60 kHz, iar greierii produc vibratii pana la 40 kHz.

Pentru om, ultrasunetele au importante aplicatii atat in diagniza, cat si in tratamente.Datorita lungimii de unda mici ultrasunetele au proprietatile de a fi emise directionat catre o anumita regiune strict delimitata si de a concentra in acele locuri o energie relativ mare.Totodata, ultrasunetele se reflecta pe suprafetele de separatie ale tesuturilor si, fiind receptionate si convertite in semnale luminoase, se poate obtine o imagine pe ecranul unui osciloscop catodic.Aplicand aceasta proprietate, ultrasunetele sunt folosite la testarea unor tesuturi, detectarea tumorii si a actiunii valvulelor inimii prin studierea mersului undelor in regiunile testate.

Metoda se bazeaza indeosebi pe studiul reflexiei ultrasunetelor.Datorita si lungimii se unda, potrivita cu dimensiunile organelor si tumorilor eventuale, dar mai ales pentru ca sunt considerate mai putin periculoase, ultrasunetele sunt preferate razelor X in astfel de investigatii(ultrasonograice).

Ultrasunetele de frecventa mai mare au un efect local, fiind puternic absorbite si produc o actiune spasmolitica, analgezica si antiinflamatoare.Sunt utilizate in afectiuni ale aparatului locomotor, pentru tratarea spondilozei si spondilitei, in tratamentul unor spasme si a arteritelor.

In terapeutica, se crede ca ultrasunetele de putere mare vor avea un viitor in distrugerea selectiva a tesuturilor bolnave.