Upload
others
View
6
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Sveučilište u ZagrebuFakultet elektrotehnike i računarstva
Biomedicinska instrumentacija
Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacijaP3 – Rehabilitacija sluha i
umjetna pužnica
Ak.god. 2009./2010.
prof.dr.sc. Ratko Magjarević
11
prof.dr.sc. Ratko Magjarević
Osjetila i receptorski potencijaliOsjetila pretvaraju vanjske informacije u
električne impulse pogodne za prijenos ielektrične impulse pogodne za prijenos i obradbu u živčanom sustavu.
Osjetila se mogu podijeliti na:• mehanoreceptore (dodir, tlak, sluh)mehanoreceptore (dodir, tlak, sluh)• termoreceptore (toplina, hladnoća)
kemoreceptore (miris okus reakcije na O i CO )• kemoreceptore (miris, okus, reakcije na O2 i CO2)• fotoreceptore (vid)• nociceptore (bol)
2Biomedicinska instrumentacija
Sluh Zbog nemogućnosti razmatranja
instrumentacije vezane za svaki osjet uinstrumentacije vezane za svaki osjet, u okviru predavanja obradit ćemo (samo) đ j k ji ć j j č j j tuređaje koji omogućuju pojačavanje osjeta
sluha.
3Biomedicinska instrumentacija
Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje
zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do 20
kHz u rasponu intenziteta između 0 dB i 120 dB. p Primjer:
• govorno frekvencijsko područje je između 500 Hz i 3000 g j p j jHz
• intenzitet šaptanja je 30 dB, uličnog prometa 70 dB, bušilice 110 dB a zrakoplova na pisti čak 130 dBbušilice 110 dB, a zrakoplova na pisti čak 130 dB
• u čovjeka nastaje neugoda zvuka i bol pri intenzitetu od 140 dB140 dB
• sazrijevanjem i starenjem se slušno polje smanjuje frekvencijom i intenzitetom.
4Biomedicinska instrumentacija
Oštećenje sluhaOštećenje nastaje odmah po rođenju
(prelingvalno) ili poslije razvoja govora(prelingvalno) ili poslije razvoja govora (postlingvalno)
Uzrok:• nasljedne bolestinasljedne bolesti• meningitis
toksičko djelovanje nekih lijekova• toksičko djelovanje nekih lijekova • buka • trauma
5Biomedicinska instrumentacija
Rehabilitacija sluha
) O l t d b t l t da) Oralne metode – npr. verbotonalna metoda rehabilitacije sluha (vidi akademik Petar Guberina, SUVAG). Pronalazi se optimalno slušno polje na kojeg se usmjerava p j j g jslušanje i govor i odabire odgovarajuće slušno pomagaloslušno pomagalo
b) Neoralne metode
6Biomedicinska instrumentacija
Građa uha
Uho sastoji od tri djela: čekić nakovanjosjet ravnoteže
•vanjskog, •srednjeg i •unutarnjeg uha•unutarnjeg uha
pužnicastremen
Kod osoba s normalnim sluhom, akustički valovi prodiru zvukovodom do bubnjića i malih koščica u srednjem uhu.
7Biomedicinska instrumentacija
MiddleEar
MiddleEar
BrainBrain
EarEar Organ of CortiOrgan of Corti
MastoidMastoidBrainBrain
Cochlea(Inner ear)Cochlea
(Inner ear)
8Biomedicinska instrumentacija From G. Clark
Pužnica Pužnica (kohlea, lat. cochlea) je složena koštana i
opnasta struktura za percepciju zvuka, smještena u sljepoočnoj kosti glavesljepoočnoj kosti glave
Ima oblik pužje kućice, s 2,5 zavoja U pužnici vibracije zvuka prelaze preko membrane U pužnici vibracije zvuka prelaze preko membrane
nazvane bazilarna membrana i pretvaraju se u električke impulse zahvaljujući Cortijevom organu. Membrana filtrira zvukove tako da više frekvencijeMembrana filtrira zvukove tako da više frekvencije izazivaju najjače vibracije na bazalnom, a niske frekvencije na vrhu pužnice.
U pužnici postoji 3.400 unutarnjih i 12.000 vanjskih osjetnih stanica, poredanih u tri do pet redova.
Osjetilne stanice ine i a oko 30 000 ganglijskih stanica Osjetilne stanice inervira oko 30.000 ganglijskih stanica slušnog živca.
9Biomedicinska instrumentacija
Cortijev organ Dlačice (lat. stereocilia) na
stanicama u Cortijevom organu (koje su osjetilaorganu (koje su osjetila zvuka) uslijed vibracija pomiču se naprijed-natrag p p j g
Pomicanje uzrokuje pojavu električkih signala na
š i žizavršecima živaca Električki signali informaciju o
zvuku odvode u mozak gdjezvuku odvode u mozak gdje se ona dekodira kao zvuk, govor i sl.
10Biomedicinska instrumentacija
Građa Cortijeva organa
HairsHairs
OuterOuterTectorial membraneTectorial membrane
hair cellhair cell Innerhair cell
Innerhair cell
B ilB il P i h l ditP i h l dit11Biomedicinska instrumentacija
Basilarmembrane
Basilarmembrane
Peripheral auditorynerve fibres
Peripheral auditorynerve fibres
BrainBrainFrom G. Clark
Vremensko kodiranje Pretpostavlja se da frekvencija zvuka odgovara
frekvenciji akcijskih potencijala u auditornim živcima
500Hz Sound Wave500Hz Sound Wave
Auditory Brainstem Action Potentials
12Biomedicinska instrumentacijaClark (1969)
Prostorno kodiranje
U pužnici se vremensko
20
vremensko kodiranje pretvara u
AuditoryCortex
2 5 10 20 pretvara u prostorno, budući da su različiti dijelovi pužnice osjetljiviji na
5 kHzosjetljiviji na više odnosno niže
Cochlea
20 kH10 kHz
2 kHzniže frekvencije.
13Biomedicinska instrumentacija
20 kHz10 kHz
From G. Clark
Frekvencijska područja u pužnici
14Biomedicinska instrumentacija
Oštećeni sluh Osobe oštećenog sluha imaju djelomično ili potpuno
oštećene i vanjske i unutarnje osjetilne stanice Potrebno je premostiti oštećene osjetne stanice Pojedine frekvencije zvuka podražuju samo one osjetne
čstanice koje se nalaze na specifičnim mjestima unutar pužnice.
I dik ij d jIndikacije za ugradnju Za ugradnju umjetne pužnice mora postojati obostrana
gluhoćagluhoća Prag sluha je ispod 93 dB Starost osobe oštećenog sluha mora biti najmanje dvije Starost osobe oštećenog sluha mora biti najmanje dvije
godine, dok gornje dobne granice nema
15Biomedicinska instrumentacija
Umjetna pužnica Umjetna pužnica (kohlearni implantat) je
elektronički uređaj koji omogućuje slušanjeelektronički uređaj koji omogućuje slušanje osobama oštećenog sluha
Radi na načelu pretvaranja zvučnih signala u Radi na načelu pretvaranja zvučnih signala u električne
Putem elektrode ugrađene u pužnici el impulsi Putem elektrode ugrađene u pužnici el. impulsi prenose se preko oštećenih osjetilnih stanica na završetak slušnog živca na moždano deblo sve dozavršetak slušnog živca, na moždano deblo, sve do slušne kore mozga
Umjetna pužnica značajan je napredak u odnosu Umjetna pužnica značajan je napredak u odnosu na tzv. slušni aparat, koji je samo audio-pojačalo
16Biomedicinska instrumentacija
Umjetna pužnica s višekanalnim implantatom
Speechsignals
Nervesignals
Radiowaves
Cochlearimplant
Speechprocessor
BrainSkin
implantprocessor
17Biomedicinska instrumentacija
BrainSkin
From G. Clark
Multipolarna elektroda položena u pužnicu
18Biomedicinska instrumentacija
AuditoryNervesAuditoryNervesAuditoryNervesAuditoryNerves From G. Clark
Monopolarna i bipolarna stimulacija
MonopolarMonopolarMonopolarMonopolarStimulationMonopolarStimulationMonopolarStimulation
BipolarS
BipolarS
19Biomedicinska instrumentacija
StimulationStimulation AuditoryNervesAuditoryNerves From G. Clark
Položaj elektrode za stimulaciju
Doživljaj zvuka mijenja
A dit t5k3k1k
zvuka mijenja se izborom elektrode za Auditory cortex
of brain500
300200
100stimulaciju u pužnici
100 200 300 500 1000 3000 5000100 200 300 500 1000 3000 5000
20Biomedicinska instrumentacijaTimbre “Sharp”“Dull”
Tong, Black, Clark et al (1979)
Električki signal
21Biomedicinska instrumentacija
Električki signal dobiven pretvorbom zvuka
Perception of Vowels vs Site of Electrical Stimulationin 1st Deaf Adult 1978
F = 2 kHzApical neurons
getle
1.5k 2.5kF = 3 kHz
1k 3.5ksit
(seat)Round
WindowExtracochlearli
ea
5khotF = .7 kHz oo7k10k(cord)or
22Biomedicinska instrumentacija© G Clark Foundation/NLA
Tong et al (1979)
From G. Clark
F0/F1/F2 (1985) & Multipeak-HFF (1989)
Speech Wa eformSpeech Waveform
Formant FiltersF1 F2
1000200 500 2000 5000
Frequency PeaksFrequency
El t d B dlBasalApical
23Biomedicinska instrumentacija
Electrode BundleFrom G. Clark
Cochlear Implant Speech Perception(Open-set scores - electrical stimulation alone at 3 months)( p )
Words100
Sentencesn = 148
n = 7780
n = 32
ct (%
)
60
n = 45
Cor
rec
40
(Prototype)20
n = 16
n = 2
Year: 1978 79 1986 1989 1991 19980
1982 85 2005
24Biomedicinska instrumentacijaStrategy:
Year: 1978-79 1986 1989 1991 19981982-85 2005
From G. Clark
Blok shema umjetne pužnice
1) mikrofon, koji snima okolni zvuk, a smješten je iza uške poput standardnog slušnog pomagala,
2) govorni procesor (engl. speech processor), koji pretvara zvuk u električne2) govorni procesor (engl. speech processor), koji pretvara zvuk u električne signale,
3) zavojnica (antena), koja prenosi električne signale na prijemnik ugrađen u kost iza uhaiza uha
4) prijemnik s elektrodom, ugrađenom u pužnicu
25Biomedicinska instrumentacija
Umjetna pužnicasastoji se od:1) mikrofona, koji snima okolni zvuk, a
j št j i šk t
1smješten je iza uške poput standardnog slušnog pomagala,
2) govornog procesora (engl. speech ) k ji k2 processor), koji pretvara zvuk u
električne signale, 3) zavojnice (antene), koja prenosi
č
2
električne signale na prijemnik ugrađen u kost iza uha
4) prijemnika s elektrodom
3
4
26Biomedicinska instrumentacija
Elektrode za umjetnu pužnicu Izvedbe se razlikuju se po broju
pojedinačnih elektroda: redovito se radi opojedinačnih elektroda: redovito se radi o multipolarnim elektrodama, dakle l kt d k j i telektrodama koje istovremeno mogu
stimulirani na više mjesta (višekenalna stimulacija)
Stimulus mome biti Stimulus mome biti• analogni signal• impulsni signal
27Biomedicinska instrumentacija
Prijenos i obrada signala Prijenos signala može biti
perkutani uvodi se kroz kožu• perkutani – uvodi se kroz kožu• transkutani – preko kože, nema prodiranja pod
k žkožu
Obrada signala – izlučivanje svojstava g j jsignala (feature extraction); formanti
Formant je osnovni nastavak u lingvistici Formant je osnovni nastavak u lingvistici, predstavlja maksimum u spektru snage govora
28Biomedicinska instrumentacija
FormantiVowel Formant f1 Formant f2
u 320 Hz 800 Hzo 500 Hz 1000 Hzɑ 700 Hz 1150 Hza 1000 Hz 1400 Hza 1000 Hz 1400 Hzø 500 Hz 1500 Hzy 320 Hz 1650 Hzy 320 Hz 1650 Hzæ 700 Hz 1800 Hze 500 Hz 2300 Hzi 320 Hz 2500 Hz
29Biomedicinska instrumentacija
Umjetna pužnica Elektroda je u bliskom dodiru sa slušnim živcem,
kojega stimulira električnim impulsimakojega stimulira električnim impulsima Slušnim živcem se djelomično obrađena zvukovna
informacija prenosi u središnji slušni sustav i doinformacija prenosi u središnji slušni sustav i do područja u mozgu koje je odgovorno za slušanje
Središnji slušni sustav obradom tako primljene Središnji slušni sustav obradom tako primljene zvučne informacije omogućuje njeno razumijevanje i svrsishodno iskorištavanjei svrsishodno iskorištavanje
Sustav umjetne pužnice pacijentu omogućuje da č k d š ččuje, a mozak da i razumije ono što čuje
30Biomedicinska instrumentacija
Literatura http://www2.mefst.hr/UserDocsImages/TNZ_udzbenik/P25.pdf
31Biomedicinska instrumentacija