Akustika a biofyzika sluchu
Biofyzika
Zvuk
 Mechanické vlnění
 Šíří se v plynech, kapalinách i
pevných látkách
 Rychlost šíření ve vzduchu:
340m/s = 1 Mach, při 0◦C
322m/s
 Slyšitelný zvuk
 Mechanické vlnění o
frekvencích cca 15Hz až 15kHz
Příjem a vedení zvuku
 Minimální výchylka bubínku 0,1Å
(angstrom = 0.1nm, molekula
vody 3,1Å = 3∙10-10mm)
 Maximální akceptovatelná
výchylka 0.1mm
 Kůstky středního ucha
 Mechanický převod zvuku (páka na oválné
okénko)
 Při vysoké intenzitě zvuku se svaly uvolní
(sníží se úroveň vibrací)
Hlemýžď (kochlea)
 Kostěný kanálek ve tvaru hlemýždě:
 Vyplněný endolymfou obklopen dvěma prostory s perilymfou
 vibrace oválného okénka  tlakové změny perilymfy, které se nakonec vyrovnají na
membráně okrouhlého okénka
 transformuje mechanické vibrace středního ucha na vibrace tekutiny
Postupující vlna v hlemýždi
 Postupující vlna v hlemýždi - různým kmitočtům odpovídají různá místa
endolymfatické trubice
Podráždění buněk
Kmity endolymfatické trubice působují posun tektoriální membrány proti
bazilární membráně, na které spočívají vláskové buňky (sekundární receptory
sluch. orgánu), které jsou vybaveny stereociliemi.
Ohyb stereocilií  podráždění
vláskových buněk 
(mechanoelektrická transdukce – jev
podobný piezoelektrickému)
 vznikne receptorový potenciál 
 vznik akčních potenciálů ve vláknech
sluchového nervu
Centrální zpracování zvukové informace
 Hlasitá a tichá zvuková informace ve sluchovém nervu
Lokalizace směru zvuku
 zpoždění zvuku
 doba latence – čím menší je akustický tlak, tím pomaleji se šíří akční
potenciály nervem
Fyzikální vlastností sluchu
 Závislost citlivosti sluchu [%] na věku (horní mezní frekvence)
Práh slyšení
 Práh slyšení: Minimální výchylka ušního bubínku 0,1Å, což odpovídá akustickému tlaku asi
2.10-5 Pa = 2.10-10 baru (na 1 kHz) - označme p0
 Hladina akustického tlaku [dB]: L = 20.log(p/p0) [dB]
 Max. akceptovatelný akust. tlak je p = 2.102 Pa = 107.p0 (tj. 140 dB)
 Běžná konverzace ... p  10-1 Pa (asi 70 dB)
izofóny
(červeně křivka
sluchového prahu)
jsou subjektivní hladiny
hlasitosti
1 fón ... 1 dB na 1 kHz
Oblast slyšitelnosti, hluk
Psychofiziologické fenomény
 Omezený frekvenční rozsah a nerovnoměrná citlivost sluchu k různým
frekvenčním složkám
• složky mimo slyšitelné pásmo (16 Hz až 22 kHz) lze vyloučit
• složky pod prahem slyšitelnosti lze vyloučit
 Maskovací efekty (vrozené omezení sluchu)
• frekvenční maskování – silnější úzkopásmový tón potlačí vnímání slabších
složek s blízkými kmitočty, tyto lze tedy vyloučit
• časové maskování – nevnímáme zvuky následující krátce po (a dokonce i
krátce před) silnějším zvuku, tyto lze tedy vyloučit
Subjektivní audiometrie
 Při těchto vyšetřovacích metodách je nezbytná spolupráce pacienta.
 Zvuk je veden ze sluchátek do zevního zvukovodu až do vnitřního ucha, kde
se mechanický podnět transformuje na elektrický vzruch.
NEBO
 Vyšetření tzv. kostního vedení se provádí kostním vibrátorem přiloženým na
výběžek kosti skalní za boltcem. Zvuk je potom veden kostmi lebky přímo do
vnitřního ucha.
 Standardní vyšetření se provádí v akusticky definovaném prostoru – tiché
komoře (audiometrická kabina).
Tónová audiometrie
 Rinneho test (převodní porucha) – ladička 256 Hz nebo 400 Hz
sleduje se rozdíl mezi vnímáním zvuku šířícího se
 kostním vedením (ladička přiložena ke kosti blízko ucha) a
 vzdušným (kůstkovým) vedením (ladička u ucha)
• normální sluch – klient slyší zvuk kůstkovým vedením 2x déle
 Weberův test (ladička přiložena doprostřed čela)
• normální sluch – klient vnímá zvuk symetricky
• převodní porucha – lokalizace zvuku do postiženého ucha
• percepční porucha - lokalizace zvuku do citlivějšího ucha
Tónová audiometrie
audiogram normálně slyšícího pravého
ucha
audiogram levého ucha s poruchou
vzdušného vedení
Tónová audiometrie
oboustranná kochleární porucha úplná hluchota
Impedanční audiometrie (objektivní)
Měření akustické impedance
• bubínku
• mechanického systému středního ucha
Audiometr má 3 části:
• tónový generátor zvukové vlny
(220 a 660 Hz)
• měření vlastností odraženého zvuku
• nastavení tlaku vzduchu ve vnějším
zvukovodu
Měří se závislost akustické vodivosti struktur
vnějšího a vnitřního ucha na tlaku zvuku
ve vnějším zvukovodu
- tympanogram
Reflexivní audiometrie
měří odezvy na akustické podněty v různých místech sluchového
systému
Elektrokochleografie
• krátké (ms) stimulační impulsy (1, 2 nebo 4 kHz)
• evokovaný signál měřen tenkou elektrodou
zavedenou propíchnutým bubínkem
mezi oválné a okrouhlé okénko.
Referenční elektroda na boltci.
Audiometr
• měří a analyzuje el. signály na počátku
sluchového nervu
• růst intenzity stimulu
 růst 1. negativní vlny
Ztráta sluchu
Hluchota nebo sluchová porucha
= snížená nebo chybějící schopnost vnímat zvukové informace.
Sluchovou vadu lze definovat jako zvýšení
sluchového prahu, které je trvalé, nemá tendenci ke zlepšení a nelze ho
ovlivnit žádným způsobem léčby.
Sluchová vada může být důsledkem poškození kterékoliv části sluchového
orgánu.
 Klinické studie:
 vzdušné vedení
 ztráta do 60dB – porucha středního ucha
 ztráta více než 60db – porucha středního
i vnitřního ucha
Ztráta sluchu
Některé případy ztráty sluchu jsou vratné lékařskou léčbou,
mnohé vedou k trvalému postižení.
 dlouhodobý pobyt v prostředí se zvýšenou hladinou hluku
 následkem chronických zánětů středouší
 prohlubující se otosklerózou (skleróza částí ucha)
 Životně důležitý je věk, ve kterém sluchová ztráta nastala,
protože to může zasahovat do učení se mluvené řeči. Sluchové
pomůcky a hlemýždí implantáty mohou zmírnit některé
problémy způsobené sluchovou poruchou, ale často jsou
nedostatečné.
Sluchové vady
 Z terapeutického hlediska není podstatný stupeň sluchové vady, ale místo
léze (porucha struktury)
v řetězci jednotlivých částí sluchového orgánu.
 vada převodního systému
s lokalizací od zevního zvukovodu po oválné okénko (perforace bubínku,
záněty středouší nebo Eustachovy tuby, osteoskleróza)
Celková ztráta sluchu může dosáhnout až 70 dB.
 vada percepční
s poruchou činnosti vláskových a dalších funkčních elementů vnitřního ucha,
porucha vláken sluchového nervu, (postižení blanitého labyrintu, především
vláskové buňky a nebo sluchového nervu (úraz). Charakteristikou je vzestup
sluchového prahu na frekvenci 4 kHz až o 45 dB.
 vada centrální
s lokalizací ve sluchové dráze CNS.
Kofochirurgie
 Chirurgická korekce či rekonstrukce částí sluchového řetězce ve středním
uchu, případně plastická náhrada bubínku nebo oválného okénka je jedním
způsobem nápravy poruchy slyšení. Tyto výkony v kofochirurgii (kofóza –
úplná hluchota) jsou označovány jako tympanoplastiky.
 Prakticky ale u všech těchto zákroků je třeba provést kompenzaci zbývající
sluchové vady sluchadlem.
Podpora senzoriky
Sluchové protézy
 sluchadla analogová nebo digitální
 kochleární neuroprotézy
Požadavky na sluchadla
 Zvukový signál nesmí po zesílení sluchadlem na jeho výstupu překročit práh
nepříjemného poslechu (UCL) a působit svému uživateli příliš hlasitý
sluchový vjem.
 Sluchadlo nesmí urychlit vývoj sluchové vady (heredodegenerativní vady
apod.).
 Sluchadlo by mělo svému uživateli zajistit aktivní sluch bez nutnosti
koncentrovat se na přijímané zvuky.
Ukázka sluchadel
Sluchadlo pro kostní vedení (BAHA)
Kochleární neuroprotézy
předpoklady
 těžká ztráta sluchu, tzn. na řečových frekvencích mají ztrátu
kolem 90 dB
 není poškozený hlemýžď
 sluchový nerv je dráždivý
 Systém umožňuje vhodným elektrickým drážděním vyvolat sluchový vjem.
Kvalita subjektivního vjemu je však jiná než u normálně slyšícího, zdravého
člověka. Mozek pacienta se musí znova naučit tyto podněty vyhodnocovat.
 Principiálně je možné elektrody implantované do hlemýždě budit signálem
přivedeným: vodiči transkutánně, induktivní vazbou nebo telemetricky.
Počet kanálů zpracovávajících akustický signál, a tím i počet implantovaných
elektrod může být různý: 1, 4, 8, 12, 16 nebo 22.
Kochleární neuroprotézy
signálový
procesor
vysílač
mikrofón
přijímač
kůže
implantované
elektrodové pole
s kontakty
……..…
• elektrodové pole zavedeno do hlemýždě vnitřního ucha
• elektrody jsou buzeny podle frekvenčního obsahu zvuku
 … blízko báze vf složky, u apexu nf složky…
• signálový procesor rozkládá signál na dílčí frekvenční pásma
Kochleární implantát
Implantace – příprava pacienta,
monitorování nervu
Implantace – příprava operačního pole
Implantace - vkládání implantátů
Zaznamenávání EABR
(evokované sluchové odpovědi mozkového
kmene)
Závěr operace
Jak pacient slyší s kochleárním implantátem?
http://auditoryneuroscience.com/prosthetics/music
http://shelaza.com/links/what-do-hearing-loss-hearing-aids-and-cochlear-implants-sound-like/
http://www.kplu.org/post/hear-what-familiar-tune-sounds-hearing-implant
Existuje akustický klam?
Shepardův ton:
stoupající
http://www.youtube.com/watch?v=BzNzgsAE4F0
klesající
http://www.youtube.com/watch?v=u9VMfdG873E