Bioingegneria dei Sistemi Neurosensoriali
Introduzione ai sistemi sensoriali
Schema a blocchi di un sistema sensoriale:
Ingresso (Stimolo) Recettori Nuclei intermedi SNC Sensazione
La sua funzione è quella di mettere in trasmissione i vari componenti del sistema nervoso con le
diverse parti de corpo, di riconoscere e processare stimoli e informazioni (endogene o esogene),
generare sensazioni, eseguire un riconoscimento, controllare azioni movimenti e secrezioni interne,
generare e processare segnali relativi alle funzioni di alto livello.
Ci sono due diversi percorsi neurali:
Via Afferente (dalla periferia al centro)
Via Efferente (dal centro alla periferia)
Inoltre i sistemi sensoriali sono collegati tra di loro e collegati anche con sistemi non-sensoriali.
Il problema principale è poter conoscere e misurare la relazione tra stimolo e sensazione, questo per
poter descrivere i comportamenti, diagnosi, disegnare protesi e impianti per il supporto. E’
necessario quindi quantificare uno stimolo e bisogna quindi poterlo misurare in modo molto
accurato.
La Psicofisica è una disciplina della psicologia che studia le relazioni tra stimoli fisici e i loro
correlati soggettivi (percezioni). Vengono quindi misurate le sensazioni che differenti stimoli
danno, usando metodi che possono essere affidabili e ripetibili. Inoltre è richiesta la collaborazione
dei soggetti.
Anatomia funzionale del sistema nervoso
Il sistema nervoso è estremamente complicato, sia a livello macro-strutturale (differenti sotto
sistemi) sia a livello micro-strutturale (Citoarchitettura) , ci sono nervazioni incrociate e feedbacks,
inoltre ci possono essere differenti tipologie di raggruppamento basate su:
- Evoluzione: evoluzione del sistema nervoso come adattamento al cambiamento delle dimensioni
del corpo umano e della mobilità
- animali a simmetria radiale con nervazione radiale
- SN che si sviluppa lungo una linea dritta
- negli umani il cervello è diverso a seconda delle regioni che lo
compongono
- Sviluppo embrionale: lo sviluppo embrionale imita l’evoluzione. Già nei passi iniziali dello
sviluppo sono presenti tutti i principali componenti del sistema ventricolare. Possiamo suddividere
il cervello in
- proencefalo: più esterno, comprende corteccia, sistema limbico e talamo.
- tronco encefalico (Brainstem): più interno, comprende cervelletto formazione
reticolare, ponte, lamina quadrigemina e nuclei.
- Anatomia: differenti strutture e sotto strutture
- Funzionalità: le funzioni di alto livello hanno il loro corrispettivo nelle strutture anatomiche.
La corteccia celebrale (90% del cervello), composta da materia
grigia (cellule + fibre senza guaina mielinica) e materia bianca
(assoni mielinati che interconnettono differenti regioni), la
superficie della corteccia è ripiegata in modo da aumentarne
l’area esterna.
I lobi che compongono la corteccia sono Il sistema uditivo si situa nel lobo temporale.
La corteccia è organizzata in colonne e strati. I neuroni corticali sono classificati come piramidali
(sono i principali neuroni di output ma hanno rami che terminano anche nell’area locale) o stellati
(la maggior parte, hanno assoni che terminano nell’area locale).
Le connessioni possono essere afferenti (dai nuclei encefalici alla corteccia) o efferenti (dalla
corteccia ai nuclei encefalici) oppure tra diverse aree della corteccia (ipso o contro laterali).
La plasticità del sistema nervoso continua nel tempo.
La fessura sagittale separa i due emisferi.
Funzioni principali:
Aree sensoriale, ogni sistema sens. ha una o più aree specifiche (principali e secondarie)
Corteccia motoria, legata sia al sistema motorio sia alle sensazioni
Aree di decisione
Aree di integrazione, connessione tra differenti sistemi sensoriali e di controllo
Brodmann ha diviso la corteccia celebrale in 47 differenti aree, ciascuna della quale svolge una
specifica funzione. Le aree 41 e 42 sono dedicate al sistema uditivo. Gli input sensoriali viaggiano
attraverso il midollo spinale e il tronco encefalico.
Il talamo è la più importante stazione nella maggior parte delle vie sensoriali, è importante per la
generazione di emozioni e sensoriali. Il nucleo genicolato medio fa parte della via uditiva.
Il tronco encefalico è costituito da: Mesencefalo (connette i differenti nuclei dell’encefalo),
Rombencefalo (composto da ponte e Cerebellum), Mielencefalo, Formazione reticolare
Ci sono 12 paia di nervi cranici, l’VIII nervo si chiama vestibolo-cocleare e trasporta segnali
riguardanti sia l’udito che l’equilibrio.
Il midollo spinale è invece formato da 31 paia di nervi spinali, che si possono dividere in diverse
regioni (cervicali, toraciche, lombari, sacrali, coccigea)
L’orecchio e la coclea
Stimolo parte meccanica parte nervosa sensazione
Le onde di pressione acustica attraverso il mezzo (aria) entrano nell’orecchio esterno e si
trasmettono alla membrana timpanica, il segnale viene meccanicamente amplificato e trasportato
dall’orecchio medio fino all’orecchio interno. Dalla coclea il segnale viaggia fino al gamglio spirale
e al nucleo cocleare dove avviene l’elaborazione.
L’orecchio esterno è composto da pinna, che raccoglie le onde di pressione e localizza la sorgente
del suono, e dal canale dell’orecchio esterno, che è lungo circa 25mm ed amplifica il suono di circa
5-10dB. I padiglioni destro e sinistro non sono uguali, queste piccole differenze, modificando
leggermente lo spettro del segnale, fanno capire al cervello da quale orecchio stiamo sentendo.
L’orecchio medio è composto dalla membrana timpanica, che trasmette il suono dall’aria alla catena
degli ossicini, e dalla catena degli ossicini (martello, incudine e staffa). Hanno la funzione di
adattatore di impedenza, da bassa ad alta, per massimizzare il flusso di energia. Inoltre ha la
funzione di adattatore di pressione, che sulla finestra ovale viene amplificata di 26 volte. L’orecchio
medio consiste in un filtro passa basso con una frequenza di taglio di 1-2 kHz
L’orecchio interno è all’interno della teca cranica ed è costituito dal complesso vestibolare, che si
occupa dell’equilibrio, e dalla coclea che è scavata all’interno dell’osso.
Via afferente: coclea, tronco encefalico, corteccia
Via efferente (feedback): dai nuclei superiori del tronco encefalico verso cellule ciliate oppure a
livello motorio (irrigidimento della staffa rispetto al martello o del muscolo circolare attorno al
timpano)
Coclea: parte più fragile del sistema uditivo, è scavata all’interno dell’osso temporale. E’ a spirale e
parte dalla base (finestra ovale) per finire con l’apice. E’ piena di liquido (endolinfa e perilinfa) che
riempie la scala tympani, la scala media e la scala vestibuli.
L’organo di corti si trova all’interno della scala media ed è composto da
Membrana basilare (che lo collega con la scala tympani) ed è la membrana che risuona a
diverse frequenze a seconda della sua posizione all’interno della spirale (quindi a seconda
della sua frequenza di risonanza). Più la membrana è vicina alla base e più è sensibile alle
alte frequenze, in questo la coclea funziona come un analizzatore di spettro.
Cellule ciliate esterne (3 righe) vengono messe in oscillazione dal movimento della
membrana basilare. Sono circa 13.000 ed ognuna è collegata con più fibre efferenti
Cellule ciliate interne (1 riga) sono collegate con le fibre nervose. Sono circa 3500 ed
ognuna è collegata con 20 fibre nervose. Il 95% delle fibre afferenti sono connesse con
queste cellule ciliate (collegamenti 1:1)
Membrana tectoria (che lo collega con la scala vestibuli) è rigida e viene messa in
movimento dalle cellule ciliate esterne. Con il conseguente movimento delle stereocilia delle
cellule ciliate interne, sensibili allo spostamento, avvengono cambiamenti nei potenziali
intracellulare delle cellule ciliate interne e ne consegue la trasduzione meccano-elettrica.
Ogni cellula ciliata ha molte stereocilia (60 per le interne e 100 per le esterne). La loro
deflessione causa l’apertura di canali ionici sui tip-links che collegano stereocilia di righe
diverse. Una deflessione delle cilia causa un allungamento dei tip links e un conseguente
aumento della probabilità di apertura dei canali ionici (eccitazione)
Si è cercato un modello matematico della coclea e ce ne sono con diversi gradi di complessità.
Si è notato che l’ampiezza dello spostamento della membrana è costante al variare della
frequenza di stimolo, mentre c’è un aumento dello sfasamento all’aumentare della frequenza (a
bassa frequenza i punti sulla membrana basilare vibrano in fase con la staffa).
Von Bekesy propose un modello semplice che modellava la membrana come un banco di
oscillatori armonici con una frequenza di risonanza che diminuiva esponenzialmente dalla base
all’apice.
Teoria della batteria di Davis: secondo questa teoria lo stria vascularis contribuiva all’energia
metabolica necessaria per mantenere il potenziale endococleare positivo. La superfice superiore
delle cellule ciliate funzionava come una resistenza variabile che dipendeva dal movimento
delle stereocilia. La variazione di resistenza faceva cambiare la corrente che passava attraverso
le cellule tra il potenziale endococleare positivo e il potenziale intracellulare negativo.
Il potenziale microfonico cocleare è stato registrato all’esterno della coclea negli anni 30. Il
segnale registrato è assolutamente simile al segnale di input all’orecchio. Il potenziale
microfonico cocleare registrato alla finestra ovale è la somma dei potenziali generati dalla gran
parte delle cellule ciliate. Le cellule ciliate rispondono alle sollecitazioni in una sola direzione,
infatti se viene dato in ingresso un segnale negativo esso viene raddrizzato dalle cellule ciliate
che si iperpolarizzano. Invece in caso di input positivi c’è una depolarizzazione con la
generazione di spike.
Protesi acustiche
Possono essere di diversi tipi a seconda della tecnologia utilizzata, delle dimensioni, ecc.
P
dB SPL (Sound Pressure Level) = 20 * Log eff dove P0eff = 20µPa
P
0eff
dB HL (Hearing Level): è una misura psicoacustica, il suo valore dipende dal valore di
riferimento P0 che viene definito come la “media” di udito normale. Dipende dalla frequenza del
segnale emesso.
Esistono protesi per perdite uditive fino a -90dB. Le perdite uditive possono essere di tipo
cocleare/neurosensoriale oppure di carattere conduttivo. Si possono creare bande di frequenze,
ognuna delle quali può avere un guadagno programmabile.
Schema a blocchi semplificato di una protesi uditiva:
Microfono Pre-amplificazione Filtraggio Controllo volume e limitatori Amplificazione Altoparlante
Tipologie di dispositivo:
Esterno (BTE Behind the ear). Il dispositivo è esterno ed un tubicino di plastica porta il
suono all’interno del canale uditivo.
Interno (ITE In the ear). Il dispositivo è interno alla conca dell’orecchio.
Non esce neanche dall’orecchio (ITC in the canal). I dispositivi sono miniaturizzati in
modo da poter stare tutti dentro al canale.
Microfono: può essere omnidirezionale o direzionale (con una sensibilità diversa a seconda della
provenienza del suono. Risposta in frequenza piatta nel range uditivo 100-5000 Hz
Amplificatore di potenza: la sua funzione è aumentare il livello del segnale elettrico che bisogna
mandare all’altoparlante. L’amplificazione si divede in filtraggio e “vera” amplificazione. Ad
esempio si può utilizzare un filtro passa alto per tagliare le frequenze troppo basse e quindi non
udibili. Il guadagno può essere lineare o non lineare. Un guadagno non lineare e decrescente può
essere migliore in quanto non si rischia di sforare la soglia di massima udibilità.
Loudness (Ampiezza percepita dal soggetto) un dispositivo lineare amplifica sia i suoni deboli sia i
suoni forti, una buona protesi deve amplificare adeguatamente i suoni deboli ma non aplificare
troppo quelli forti. Si può quindi introdurre un guadagno non lineare oppure un limitatore
dell’output (Automatic Gain Control) che può fare o Peak Clipping (distorcendo però il segnale)
oppure facendo una compressione (attivabile quando l’output supera una certa soglia)
Dispositivi programmabili: hanno il vantaggio di avere canali multipli con compressioni non lineari,
memorie per poter memorizzare parametri a seconda delle condizioni di ascolto.
Possono esserci dispositivi: Analogici, Analogici con controllo digitale e puramente Digitali
Feedback acustico: problema se si crea un loop tra microfono e speakers (effetto Larsen). Bisogna
cercare di creare una massima distanza tra microfono e altoparlante (meglio dispositivi esterni)
Venting: Per prevenire le infezioni all’interno dell’orecchio devono poter far passare l’aria. Inoltre
la conca è un amplificatore naturale delle basse frequenze.
Impianti Cocleari
Stimolazione elettrica per sordità di tipo profondo. C’è l’assenza di cellule ciliate (causa principale)
ma c’è anche la possibilità che le cellule del ganglio spirale o i neuroni uditivi siano danneggiati. Si
simula l’effetto degli spike prodotti dai recettori cocleari sui neuroni supersititi. Vengono impiantati
dispositivi cocleari per perdite uditive superiori a 90dB e per livelli di comprensione della parola
inferiori al 30%. Prima di eseguire l’operazione si fa una scansione ad alta risoluzione dell’osso
temporale per poter vedere la struttura della coclea del paziente. Vengono impiantate anche in
bambini fino ad 1 anno di età, infatti prima si interviene e migliori sono le possibilità di una
riabilitazione ottimale. La misura della protesi è la stessa per adulti e bambini, infatti le dimensioni
della coclea sono stabili nel tempo.
La frequenza di stimolazione è la stessa per tutti gli elettrodi, ognuno dei quali è posto in prossimità
di una certa banda di frequenze sulla membrana basilare.
All’esterno viene inserito il microfono (Behind the ear) e lo speech processor. Il trasmitter coil è
invece impiantato intra-cutaneo. Non c’è collegamento diretto tra trasmettitore e ricevente perché
vengono usate le radio frequenze (è possibile usare una soluzione percutanea con un collegamento
diretto (filo) con l’array di elettrodi ma è più invasivo). La ricevente è presente nell’orecchio interno
ed è collegata con un array di elettrodi (generalmente 22) che sono inseriti all’interno della scala
tympani. Gli array sono dei tubi lunghi (17mm) e flessibili e sono costituiti dagli elettrodi (0,40,6mm) separati da appostiti anelli di distanziazione. Gli elettrodi possono essere dritti o già piegati,
questi ultimi hanno una buona stimolazione con un conumo minore di corrente.
Lo stimolo è uno stimolo in corrente, viene dato con una frequenza di 500-100 impulsi/secondo ed è
un impulso rettangolare, bifasico e bilanciato (non può esserci un residuo di corrente nella coclea) le
correnti sono dell’ordine del mA.
Mappare il range dinamico. Il range di ampiezza acustica nel parlato (30dB) è più grande del range
dinamico dell’impianto (5dB) La funzione di compressione (Automatic Gain Control) mappa
l’input acustico con il range elettrico dell’uscita. E’ una compressione logaritmica che parte da una
soglia inferiore (Threshold) e arriva ad una soglia superiore (Most Confortabile Level). Vengono
quindi impostati i livelli T di minimo e C di massimo.
Il range di pressioni sonore che possono venire catturate viene definito IDR Input Dinamic Range e
solitamente si aggira sugli 80dB in modo tale da avere un buon ascolto nella maggior parte delle
situazioni uditive. IDR larghi sono usati infatti per l’ascolto quotidiano, mentre può essere preferita
una banda più stretta in caso di ambienti con un alto rumore di fondo. È possibile creare dei
programmi ad hoc per ogni situazione uditiva.
Ci sono due loop di controllo, uno che risponde velocemente per proteggere da improvvisi aumenti
di volume, un altro che risponde lentamente e che si adatta alla condizione ambientale presente.
Gli impianti cocleare devono essere personalizzati per le esigenze e le condizioni di ciascun
paziente. Ci sono delle procedure apposite per poter regolare i livelli C e T di ogni elettrodo. Si crea
così una mappatura dei livelli dell’impianto cocleare. E’ un procedimento lungo che può durare da
20 minuti a 2 ore ed è un procedimento che può essere attuato solo con la collaborazione del
paziente.
Un altro metodo alternativo per il settaggio dell’impianto cocleare è la Telemetria di risposta
Neurale, con questo metodo gli elettrodi vengono usati per misurare le risposte dal sistema nervoso
uditivo. Vengono misurati i potenziali di azione e questi segnali vengono inviati allo speech
processor. Si può creare in questo modo una mappa senza nessuna risposta soggettiva del paziente
(utilizzato per bambini o neonati). Iil calcolo della C avviene con formule: 1st NRI = 85% di C.
La risposta neurale è debole e solitamente molto sporcata dal rumore elettrico. Bisogna quindi
pulire il segnale prima di poterlo analizzare. Ci sono diversi metodi metodi di misurazione della
risposta neurale:
1) Alternando le fasi dello stimolo, assumendo uguale la risposta ad uno stimolo negativo e ad
uno stimolo negativo, in questo modo facendo la media tra le due risposte si dovrebbe
cancellare il rumore, mantenendo la risposta neurale.
2) Foward Masking: sfrutta la refrattarietà neurale, un impulso che segue una maschera
produrrà solo rumore e non risposta neurale.
3) Template subtraction: usa proprietà statistiche per caratterizzare il rumore elettrico e quindi
per pulire il segnale ottenendo la risposta neurale.
La stimolazione elettrica avviene attraverso il passaggio di corrente tra un elettrodo attivo ed un
elettrodo “indifferente”.
Modi di stimolazione:
1) Bipolare: sia l’elettrodo attivo che quello passivo sono all’interno della coclea e possono
essere o adiacenti lungo l’array BP oppure con dei “salti” BP+1 e BP+2, in questo modo
però si perdono dei canali utilizzabili. Ha un campo di eccitazione molto focalizzata, ma ha
una bassa capacità di stimolazione nervosa.
2) Monopolare: l’elettrodo indifferente è posto fuori dalla coclea, nell’osso mastoiedeo. E’ una
stimolazione poco focalizzata ma ha una alta capacità di stimolazione nervosa.
3) Common Ground: La corrente circola tra l’elettodo attivo designato e tutti gli altri elettrodi
dell’array che sono connessi elettronicamente e che quindi costituiscono un signolo
elettrodo di riferimento. E’ una modalità utile per riscontrare anomalie negli elettrodi.
Lo Speech Processing: avviene attraverso un banco di analizzatori di spettro, ognuno delle quali
tarato su una opportuna banda di frequenze, viene quindi estratto l’inviluppo di ciascun segnale,
avviene una compressione (non lineare) ed infine viene creato l’output elettrico. Gli impulsi di
output vengono inviati sfalsati in modo tale da non creare interferenze tra i vari elettrodi. Non
vengono utilizzati neanche tutti gli elettrodi (22) presenti sull’array perché se no interferirebbero tra
di loro. Si può scegliere quali elettrodi accendere o in modalità Continuous Interleaved Sampling
CIS (il medico sceglie quali elettrodi accendere e lasciare accesi) oppure si può stabilire solo il
numero N di elettrodi da accendere su M elettrodi disponibili e si lascia allo speech processor il
compito di scegliere quali N elettrodi accendere.
Dispositivi Impiantabili: impianti dell’orecchio medio e protesi inserite nell’osso
Sono dispositivi di stimolazione meccanica. Entrambi gli impianti hanno l’eliminazione della
ricevente, c’è una stimolazione diretta della catena degli ossicini (MEI) o dell’osso temporale.
Hanno come vantaggio il confort di avere il canale aperto, la risonanza normale del canale viene
mantenuta e il feedback acustico viene eliminato.
MEI (Middle ear Implants) possono essere a trasduzione elettromagnetica o piezoelettrica (entrambi
trasformano stimoli acustici in vibrazioni). Il sensore piezoelettrico trasduce il segnale vibrazionale
in ingresso alla membrana timpanica(appoggiato al primo ossicino). C’è quindi l’elaborazione del
segnale in corrente (amplificazione) e infine un attuatore piezoelettrico (driver) stimola la catena
degli ossicini(appoggiato all’ultimo ossicino). Non è ancora un dispositivo impiegato su larga scala.
Usa la naturale anatomia del corpo per ridurre il rumore di fondo, la distorsione e il feedback
acustico. Il sound processor filtra e aumenta il segnale elettrico e lo manda al driver. La batteria
deve essere sostituito chirurgicamente ogni 3-9 anni. La trasduzione piezoelettrica è
significativamente meno efficiente di quella elettromagnetica e il suo guadagno è 30-50dB al
massimo, ma ha come vantaggio di essere completamente impiantabile.
Impianti MEI elettromagnetici sono molto più efficienti ed hanno a livello teorico la possibilità di
amplificare fino a 130 dB SPL. La trasduzione elettromagnetica è generata da un campo magnetico
generato da un solenoide alimentato a corrente variabile a seconda dell’uscita del microfono extra
sensibile che è posto sotto la cute. Ha il vantaggio di avere la batteria ricaricabile esternamente.
Il Vibrant Soundbridge è un dispositivo semi-impiantabile ed più diffuso nel mondo, consiste in un
microfono esterno e a dei circuiti per la generazione di corrente che sono interni al cranio. Infine
l’elettromagnete è posizionato direttamente sulla catena degli ossicini e la mette in vibrazione. Il
processore audio è esterno ed si attacca allo scalpo con attrazione magnetica tra l’unità esterna e
l’unità impiantata. Come benefici ha una qualità del suono più naturale e trasmette anche le
frequenze più basse.
Il consumo massimo di potenza di un dispositivo elettromagnetico impiantabile si calcola come la
forza trasmessa * spostamento prodotto * 2 max frequenza trasmissibile dalla protesi (0,1 µW)
BAHA (Bone Anchored Hearing Aids) a trasduzione elettromagnetica. Un microfono registra le
onde sonore e il segnale viene trasformato in variazioni della corrente circolante in un solenoide,
che fa variare il campo magnetico nel quale è immerso il magnete che quindi oscilla ad una
frequenza uguale a quella della corrente circolante. Il magnete causa delle vibrazioni che attraverso
l’osso temporale vengono portate fino all’orecchio interno.
Tuning Curves
Le tuning curves delle cellule ciliate interne servono a far vedere quale è il livello di pressione
sonora SPL necessario per produrre una risposta elettrica di ampiezza costante, in funzione della
frequenza di stimolazione. ISO-AMPIEZZA = ampiezza costante del potenziale intracellulare
Le tuning curves della membrana basilare mostrano l’ampiezza
dello spostamento della membrana basilare rispetto ad un tono di
input. Se l’ampiezza dello stimo è sopra la soglia di sparo (Trashold)
per ogni frequenza caratteristica della membrana basilare allora le
cellule ciliate sparano, se invece la soglia non viene superata le
cellule non sparano. La soglia reale è più stretta di quella della
membrana basilare, infatti anche i neuroni hanno una loro soglia di
sparo (secondo filtro introdotto dalla presenza delle cellule ciliate
esterne)
Il filtro totale (I e II filtro) avrà quindi un fattore di qualità Q10
che ci dice quando un filtro è selettivo. È il rapporto tra la
frequenza caratteristica e la larghezza della banda a -10dB. Il
fattore di qualità Q varia a seconda della frequenza caratteristica.
Le fibre dell’VIII nervo rispondono agli stimoli sonori aumentando la frequenza di sparo o
sincronizzando la loro attività o entrambe le cose. Ci sono spari anche senza stimoli, fenomeni di
scarica automatica. La frequenza di sparo di una singola fibra nervosa dipende sia dall’intensità sia
dalla vicinanza o meno alla frequenza propria della fibra. In qualsiasi caso la frequenza minima di
sparo è sempre > 0. Le tuning curves delle fibre nervose sono molto appuntite ed asimmetriche, le
fibre nervose spareranno con molta selettività a seconda della frequenza di stimolazione.
I diversi neuroni dei nervi uditivi hanno diverse proprietà di tuning, infatti i neuroni del ganglio
spirale hanno soglie di sparo molto diverse tra di loro, a seconda della frequenza caratteristica alla
quale sono sensibili e possono quindi venire classificati.
Post Stimulus Time (PST) Histograms
È un modello semplificato di risposta al un click. Viene dato uno stimolo al sistema, la membrana
basilare si muove alla frequenza caratteristica, la trasduzione avviene se c’è il superamento della
soglia. Il grafico risultante descrive la probabilità di avere uno spike dopo uno stimolo. Il ritardo tra
il primo picco è collegato alla distanza che c’è tra la fibra e la finestra ovale. Infatti questo ritardo
diminuisce con l’aumentare della frequenza. Sopra una certa frequenza (4kHz) è impossibile
distinguere due picchi vicini. La maggior parte delle oscillazioni successive sono probabilmente
dovute alle emissioni otoacustiche.
Emissioni Otoacustiche
Sono delle deboli emissioni sonore generate dalla coclea, in particolare esse sono causate dalle
cellule ciliate esterne, che si comportano quindi come un amplificatore della coclea.
Il movimento della membrana basilare può essere semplicemente modellato come un banco di
oscillatori armonici ognuno con la sua frequenza propria, che decresce esponenzialmente dalla base
all’apice, esattamente come per la trasduzione del suono.
Le misure in vivo hanno dato dei risultati diversi dalla teoria di Von Bekesy, si è spiegato ciò con
l’introduzione di una nuova teoria. Secondo questa teoria esiste un amplificatore cocleare che
aumenta la selettività in frequenza della coclea. Questa amplificazione attiva è dovuta alle cellule
ciliate esterne. Le cellule ciliate interne e le cellule ciliate esterne hanno caratteristiche comuni, in
entrambi i casi c’è un ccollegamento tra la deflessione delle stereocilia e la depolarizzazione.
Le cellule ciliate interne non sono in diretto contatto con la membrana tectoriale e sono stimolare
dal movimento del fluido che viene causato dal movimento relativo tra la membrana tectoriale e
l’organo del Corti.
Le cellule ciliate esterne hanno stereocilia che sono direttamente collegate con la membrana
tectoriale e che possono amplificare i movimenti relativi tra la membrana tectoriale e la membrana
basilare con l’apertura dei canali ionici.
Le emissioni otoacustiche possono essere spontanee o evocate (dovute a stimolo con click o burst,
prodotte da distorsione, prodotte da stimolo in frequenza)
Possono essere registrate in soggetti sani o malati, non è una misura invasiva, cambiano
radicalmente da soggetto a soggetto, sono decisamente non lineari.
Spontanee: sono segnali acustici spontanei emessi dalla coclea e registrabili nel canale uditivo. Nel
dominio delle frequenze appaiono come una serie di segnali a banda stretta sopra un rumore di
fondo e possono essere considerate combinazioni di toni puri. Sono presenti nel 70% degli adulti
sani.
Evocate con click: vengono stimolate con un click della durata di 80µs, 50Hz e a circa 80dB SPL.
Vengono misurate per 20ms dopo il termine dello stimolo. I click sono stimoli a larga banda, quindi
tutte le cellule ciliate esterne vengono stimolate. Le emissioni otoacustiche aumentano in ampiezza
con l’aumentare dell’ampiezza dello stimolo, ma in maniera non lineare. La percentuale di
riproducibilità delle emissioni otoacustiche è un segno del buon funzionamento dell’orecchio, una
scarsa riproducibilità può essere sintomo di problemi uditivi.
Le emissioni otoacustiche nei neonati e nei bambini hanno ampiezze maggiori rispetto agli adulti e
sono più rumorose su tutta la regione di frequenze. Sono anche a più alta energia nelle alte
frequenze rispetto agli adulti.
Emissioni otoacustiche dovute a prodotti di distorsione. Sono causate da prodotti di distorsione
della coclea, si misurano dopo la stimolazione con due sinusoidi a frequenza molto ravvicinata
f2=1,2*f1 .
Le emissioni sono generate dalle non linearità della coclea. In risposta alle due frequenze in input,
le emissioni contengono i due toni pure alle due frequenze più una serie di picchi a frequenze che
sono combinazione lineare di f1e f2, in particolare è molto forte il prodotto di distorsione dato da
(2f1-f2 ). Nelle misure cliniche si fanno variare o le frequenze o le ampiezze e si tracciano i grafici
relativi. Le emissioni otoacustiche dovute al prodotto di distorsione sono indipendenti dall’Hearing
Level per HL di 20dB, mentre iniziano ad essere assenti in soggetti con HL maggiore di 40dB.
Inoltre con l’età l’ampiezza di queste emissioni diminuisce.
Potenziali Evocati
Si dividono in potenziali di campo vicino, misurabili con ElettroCocleoGramma direttamente sulla
superficie delle strutture (nervi, nuclei) hanno ampiezze elevate e rappresentano l’attività neurale
della singola struttura, e in potenziali di campo lontano misurabili con AuditoryBrainstepResponse
lontano dalle sorgenti, sullo scalpo, hanno ampiezze minori e rappresentano l’attività neurale di più
di una struttura.
Elettrococleografia: registra i potenziali elettrici sulla coclea. È formata da
CM cocler microphonic (dalle cellule ciliate esterne) è un segnale in alternata, rispecchia la forma
d’onda dello stimolo.
SP summating potenzial (dalle cellule ciliate esterne) è un segnale in continua della stessa durata
dello stimolo
AP Potenziale d’azione (dall’VIII nervo) è un componente transitorio
Stimoli, possono estere click o burst di rumore, click di condensazione o rarefazione (diversa
polarità) hanno una finestra temporale di 10-20ms.
Registrazione: con una banda che può essere larga o stretta a seconda di ciò che vogliamo andare ad
analizzare.
Dai grafici dei potenziali d’azione possiamo riscontrare 2 picchi, N1 ed N2. Ad alte intensità di
stimolo ci sono poche variazioni di latenza e il picco è alto, a basse intensità le fibre non sono
sincrone e sparano meno (picco basso).
Dai grafici possiamo trovare la soglia di identificazione del segnale del potenziali di azione, è un
livello soggettivo perché si trova visivamente, e la latenza del primo picco, che serve per
differenziare soggetti normali da soggetti patologici.
Possiamo vedere come le perdite uditive possano essere causate da diversi tipi di problemi:
- perdite dovute alla meccanica di conduzione del suono
- perdite neurosensoriali
Auditoriy Brainstem Responses (ABR) è un potenziale evocato lontano, si presenta nei primi 10ms
dopo la somministrazione di un suono transitorio. Viene misurato con 2 elettrodi, uno posto al
vertice e l’altro posto o sul mastoide o sul lobo dell’orecchio. Registra tipicamente 5-7 picchi
nell’onda del segnale. Il valore che si estrae è la latenza. Le differenti componenti dell’onda ABR
sono generate dall’attività neurale seguendo la sequenza di strutture attivate presenti sul cammino
del segnale uditivo neurale. Le ampiezze misurate sono nell’ordine delle centinaia di nV. Si può
diminuire il tempo di latenza con delle cuffie non sovra-aurali ma inserite all’interno del condotto
uditivo. Diminuendo l’intensità dello stimolo: aumenta il tempo di latenza, diminuisce l’ampiezza
delle curve, viene modificata la forma delle curve. Se aumenta la frequenza di stimolazione: le onde
diminuiscono in ampiezza e la latenza aumenta. L’ABR viene solitamente campionato a 512 punti.
Si può misurare l’ABR ipso laterale o contro laterale e le forme d’onda sono un po’ diverse.
Auditory Evoked Response: è il sommario di ABR (early), molto stabile indipendente dallo stato
del soggetto, MiddleLatencyResponse (misurata in modo simile all’ABR e viene generata dal
strutture neurali più centrali dell’ABR e anche dalla corteccia uditiva) che dipende dallo stato di
attenzione del soggetto, LATE è in questa parte che avviene l’elaborazione.
