31
Sveučilište u Zagrebu Fakultet elektrotehnike i računarstva Biomedicinska instrumentacija Biomedicinska instrumentacija Biomedicinska instrumentacija P3 – Rehabilitacija sluha i umjetna pužnica Ak.god. 2009./2010. prof.dr.sc. Ratko Magjarević 1 prof.dr.sc. Ratko Magjarević

Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

  • Upload
    others

  • View
    6

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

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

Page 2: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

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

Page 3: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

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

Page 4: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

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

Page 5: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

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

Page 6: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

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

Page 7: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

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

Page 8: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

MiddleEar

MiddleEar

BrainBrain

EarEar Organ of CortiOrgan of Corti

MastoidMastoidBrainBrain

Cochlea(Inner ear)Cochlea

(Inner ear)

8Biomedicinska instrumentacija From G. Clark

Page 9: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

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

Page 10: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

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

Page 11: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

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

Page 12: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

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)

Page 13: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

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

Page 14: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

Frekvencijska područja u pužnici

14Biomedicinska instrumentacija

Page 15: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

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

Page 16: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

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

Page 17: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

Umjetna pužnica s višekanalnim implantatom

Speechsignals

Nervesignals

Radiowaves

Cochlearimplant

Speechprocessor

BrainSkin

implantprocessor

17Biomedicinska instrumentacija

BrainSkin

From G. Clark

Page 18: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

Multipolarna elektroda položena u pužnicu

18Biomedicinska instrumentacija

AuditoryNervesAuditoryNervesAuditoryNervesAuditoryNerves From G. Clark

Page 19: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

Monopolarna i bipolarna stimulacija

MonopolarMonopolarMonopolarMonopolarStimulationMonopolarStimulationMonopolarStimulation

BipolarS

BipolarS

19Biomedicinska instrumentacija

StimulationStimulation AuditoryNervesAuditoryNerves From G. Clark

Page 20: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

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)

Page 21: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

Električki signal

21Biomedicinska instrumentacija

Električki signal dobiven pretvorbom zvuka

Page 22: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

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

Page 23: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

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

Page 24: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

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

Page 25: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

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

Page 26: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

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

Page 27: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

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

Page 28: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

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

Page 29: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

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

Page 30: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

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

Page 31: Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacija ... · Sluh Sluh je osjetilni modalitet koji omogućuje slušanje zvuka. Ljudsko uho zamjećuje frekvencije od 16 Hz do

Literatura http://www2.mefst.hr/UserDocsImages/TNZ_udzbenik/P25.pdf

31Biomedicinska instrumentacija