11/23/09

BIOACUSTICA

1. Caracteristicile semnalului acustic

2. Biofizica recepţiei auditive

11/23/09

Semnal acustic

Definiţie Impedanţă acustică

Semnal acustic - obiectiv, fizic Sunet - subiectiv, psihofizic

11/23/09

Impedanţa acustică Unitate:

Nsm-3 ( ohm acustic) sau rayl; Zc =ρc

Zc - impedanţa caracteristică (rezistenţa acustică) aer: 407 rayl, c – viteza sunetului Valori : gaze: 102-103

lichide: 106

solide: 107

11/23/09

Presiunea acustică

pa = pef = pmax/√2pa maximă = 20 Pa (N/m2)

pa minimă = 2*10-5 Pa = 20 µPa

pa = pt - pat

11/23/09

Caracteristicile semnalului acustic

1. Intensitatea semnalului acustic

2. Nivelul semnalului acustic3. Frecvenţa semnalului

acustic4. Compoziţia în armonici a

semnalului

11/23/09

Intensitatea semnalului acustic

I = pa2/Z

Imaximă = 202/400 = 1 W/m2

Iminimă = 4 .10-10/400 = 10-12 W/m2

11/23/09

Nivelul semnalului acusticScări de decibeli

Nivel de intensitate:

Nivel de presiune:

I0 =10-12 W/m2 = 1 pW/m2

p0 = 2⋅ 10-5 = 20 µPa

0I I

Ilog 10N =

=

=

0

2

0p p

p20logpp10logN

dB

11/23/09

Frecvenţa semnalului acustic

Infrasunete: < 16 Hz Sunete: 16 - 20.000 Hz Ultrasunete : 20.000 - 109 Hz Hipersunete : 109 - 1014 Hz

11/23/09

Clasificarea sunetelor

periodice simple (sunete pure) periodice complexe aleatoare (ex. zgomote)

11/23/09

Sunete pure

11/23/09

Sunet pur, muzical, zgomot şi voce umană

11/23/09

Compoziţia în armonici a semnalului acustic Analiza Fourier a sunetelor

=+++++++= )...))( 21 nϕωϕωϕω tsin(nAtsin(2AtsinAAf(t) n210

)kϕω ++= ∑=

tsin(kAAn

1kk0

11/23/09

Psihoacustic

Intensitate – tărie sonoră Frecvenţă – înălţime tonală Compoziţie în armonici - timbru

11/23/09

Biofizica recepţiei auditive

1. Introducere. Funcţiile sistemului auditiv periferic

2. Descrierea receptorului auditiv

3. Mecanica cohleară 4. Biopotenţialele urechii

11/23/09

Sistemul auditiv

1. Sistemul auditiv central 2. Sistemul auditiv periferic

11/23/09

Cortex auditiv (3) în aria temporală (2) la om. Aria auditivă este reprezentată prin transparenţă.(1 = scizura lui Sylvius)

11/23/09

Sistemul auditiv periferic

11/23/09

Secţiune prin ureche

11/23/09

Funcţiile sistemului auditiv periferic 1. Transmisia vibraţiei acustice

(urechea externă şi urechea medie)

2. Analiza semnalului acustic (diferite elemente ale urechii interne)

3. Traducerea semnalului acustic în influx nervos (celulele ciliate interne)

11/23/09

Urechea externă

1. Pavilionul (localizare, protecţie, amplificare) 2. Conductul auditiv extern (CAE) - rezonator

11/23/09

Rezonanţa CAE

νrez = c

4L= 3.400 Hz ν2 = 3c

4L= 3ν1 = 10.000 Hz

11/23/09

Urechea medie

1. Timpanul 2. Lanţul de oscioare. 3. Fereastra ovală 4. Fereastra rotundă. 5. Trompa lui Eustachio

1

23

4

5

11/23/09

Funcţiile urechii medii

1. Adaptarea de impedanţă 2. Protecţia urechii interne prin

reflexul stapedian

11/23/09

Lanţul de oscioare şi adaptarea de impedanţă

sistemul de pârghii alcătuit de cele trei oscioare (1,3 ori) raportul între ariile timpanului şi ferestrei ovale (cca. 15)

i

e

e

i

e

i

SS

FF

ppH ⋅==

funcţţia de transfer a urechii medii, H:

H are valori între 17-21

11/23/09

Urechea internă

STRUCTURĂ

Labirintul osos - rol protector

Labirintul membranos - conţine elementele funcţionale ale auzului (labirintul anterior) şi echilibrului (labirintul posterior)

11/23/09

Schemă prin transparenţă: labirintul membranos conţinând endolimfă; sus: labirintul osos.

1. Canal semicircular anterior; 4. Saculă; 5. Canal cohlear; 6. Helicotremă;7. Canal lateral (orizontal); 8. Canal posterior; 10. Fereastră ovală;11. Fereastra rotundă; 12. Rampa vestibulară; 13. Rampa timpanică; 14. Utriculă

11/23/09

Funcţiile urechii interne

Funcţia de analiză - localizarea pasivă a vibraţiei pe membrana bazilară + mecanismele active de finisare a analizei în celulele ciliate externe

Funcţia de traducere - energia mecanică a vibraţiei este tradusă în energie bioelectrică la nivelul celulelor ciliate

11/23/09

Secţiune prin cohlee

11/23/09

Secţiune transversală în cohlee la nivelul unei spire

11/23/09

Secţiune schematică prin organul lui Corti

1- CCI, 2- CCE

11/23/09

Celulele ciliate micrografie electronică

11/23/09

Celule ciliate

1. Nucleu2. Stereocili3. Placa cuticulară4. Nerv auditiv (neuron de tip I)5. Fibră eferentă laterală6. Fibră eferentă mediană7. Nerv auditiv (neuron de tip II)

11/23/09

11/23/09

11/23/09

Traducerea mecano-electrică

Se realizează la nivelul celulelor ciliate:

1. În CCE determină procesele active de amplificare a maximului cohlear

2. În CCI asigură traducerea semnalului acustic în influx nervos

11/23/09

Conţinutul ionic al perilimfei şi endolimfei

peri endo

Na+ 154 1

K+ 3 161Cl- 128 131

11/23/09

Cuplajul mecano-electric în organul lui Corti

11/23/09

Celule ciliate externe şi interne

11/23/09

Aranjamentul stereocililor, legături

Legături laterale

Legături apicale (tip links)

11/23/09

Traducerea mecano-electrică în celulele ciliate

11/23/09

Traducerea mecano-electrică în celulele ciliate

11/23/09

MECANICA COHLEARĂ

1. Mecanisme pasive Ohm, Helmholtz - teoria

rezonanţei von Békésy - unda

propagată

2. Mecanisme active

11/23/09

Distribuţia frecvenţelor de-a lungul membranei bazilare, tonotopia pasivă

11/23/09

Unda propagată (călătoare)

11/23/09

11/23/09

Unda propagată (călătoare)

11/23/09

Amplificarea cohleară, mecanisme active

11/23/09

Traducere mecano-electrică în CCE

11/23/09

Structura membranei plasmatice laterale a CCE şi a complexului submembranar senzorimotor - prestin

Modelul membranei laterale (1) a CCE şi imaginea acesteia (2) în microscopie de forţă atomică

1

2

11/23/09

Proteina motoare (prestin)

11/23/09

Amplificarea cohleară

(Ashmore & Kolstone 1994)

11/23/09

Otoemisiuni

Otoemisiuni produse prin emisia unui sunet (clic) de 20 dB de către urechile a doi subiecţi cu auz normal

11/23/09

Traducerea semnalului acustic în influx nervos în CCI

Etape: Deflexia stereocililor CCI Deschiderea canalelor de K+

Intrarea ionilor de K+ în celulă - depolarizare Propagarea depolarizării spre zona bazală Deschiderea canalelor de Ca++

Fuzionarea veziculelor cu neurotransmiţători cu membrana bazală

Eliberarea neurotransmiţătorilor (acid glutamic) în spaţiul sinaptic

11/23/09

Traducere mecano-electrică în CCI

11/23/09

Propagarea depolarizării spre zona bazală

11/23/09

Traducere – influx nervos

11/23/09

Efectul zgomotului excesiv asupra CCI

CCI suprastimulată eliberează prea mult glutamat lezând terminaţia nervoasă

11/23/09

Efectul zgomotului excesiv asupra CC

11/23/09

Cauzele principale ale presbiacuziei (ecuaţia lui Hawkins)

11/23/09

Pierderile auditive datorate vârstei

11/23/09

ASPECTELE BIOELECTRICE ALE EXCITAŢIEI AUDITIVE- potenţialele înregistrate la nivelul lichidelor

intracohleare- potenţialele înregistrate la nivelul celulelor ciliate

(potenţialul microfonic cohlear şi potenţialul de sumaţie)

- potenţialele înregistrate la nivelul fibrelor aferente ale nervului cohlear, curbe de acord

- potenţialele globale, la nivelul nervului cohlear

11/23/09

Potenţialele receptoare ale celulelor ciliate

Potenţialele receptoare ale celulelor ciliate: (a, b) frecvenţa de 300 Hz; (c) frecvenţa de 3 KHz (80 dB)potenţialul de sumaţie (modificat după Buser & Imbert 1987).

11/23/09

Depolarizare

11/23/09

Hiperpolarizare

11/23/09

Activitatea electrică a fibrei. Curbe de acord.

Curbe de acord ale fibrelor nervoase pentru două frecvenţe de stimulare: 1.100 Hz şi 11.000 Hz.

Activitatea electrică a unei fibre nervoase

11/23/09

Activitatea electrică globală la nivelul nervului cohlear

Potenţial de acţiune al nervului cohlear, caracterizat de mai multe componente notate N1, N2, N3. Partea iniţială (CM) reflectă potenţialul microfonic

11/23/09

Noţiuni de psihoacusticăCaracteristicile sunetului auzit

1. Tăria sonoră2. Înălţimea tonală3. Timbrul

11/23/09

Tăria sonoră. Reţeaua de linii izosonice

Reţeaua de linii izosonice normalizate

MAF - curba normalizată a pragului absolut de audibilitate în câmp liber

Scara fonilor (indici de tărie sonoră) – nivel de izosonie

(după Robinson şi Dadson)

11/23/09

Praguri

Prag absolut de audibilitate (normal)

Prag dureros Prag diferenţial Aria normală de audibilitate (arie

auditivă, câmp auditiv)

11/23/09

Câmpul auditiv (aria auditivă)

Nmaxim = 120 dB; Nminim = 0 dB

11/23/09

Nivele de intensitate sonoră ale unui număr de zgomote obişnuite

S ursa sau de scrie rea zgomotului Nive l (dB) Intens itate (W /m 2)

Pragul dure ros 120 1 Discoteca 110 10-1 Nituire 95 3,2 ⋅ 10-3 W Tren ae rian 90 10-3 Traficul une i s trazi aglomera te 75 3,2 ⋅ 10-5 W Conversa tie normala 65 3,2 ⋅ 10-6W Automobil s ilentios 50 10-7 S tudio de inregis tra re 40 10-8 Soapta 20 10-10 Fosne tul frunze lor 10 10-11 P ragul normal de audibilita te (la 1 KHz)

0 10-12

11/23/09

Praguri de detecţie şi praguri de discriminare a intensităţii sonore

Prag de audibilitate, prag normal de audibilitate Examen curent: - clinică- audiometrie clinică, pentru explorarea

funcţiei auditive în vederea diagnosticării şi evaluării deficienţelor auditive

- protezarea auditivă- audiometrie protetică, în scopul orientării şi adaptării protezelor auditive

Presbiacuzie - ridicarea pragului de audibilitate, în special în domeniul frecvenţelor înalte

Pierdere de 25 dB - degradare semnificativă a inteligibilităţii vorbirii

11/23/09

Codificarea senzaţiei de intensitate sonoră

1) frecvenţa impulsurilor nervoase care se propagă prin fibrele nervului auditiv;

2) creşterea numărului de fibre excitate 3) existenţa neuronilor cu praguri de

excitare diferite

11/23/09

ÎNĂLŢIMEA TONALĂ A SUNETULUI AUZIT

Înălţimea tonală a unui sunet este componenta senzaţiei auditive asociată cu frecvenţa semnalului acustic, aşa cum tăria sonoră este componenta asociată cu intensitatea acestuia

Codificare spaţială

11/23/09

Divizarea spectrului sonor

Divizare elementară bazată pe frecvenţă: < 150 Hz - grave extreme 150 Hz 400 Hz – grave 400 Hz 1.500 Hz – medii 1.500 Hz 3.500 Hz – înalte > 3.500 Hz - înalte extreme

Intervale muzicale: Gama cromatică - octava divizată în semitonuri Ex. de octavă (octavă armonică): 16-32 Hz Savart - unitate de înălţime tonală

(1953- frecvenţa notei la3 este fixată la 440 Hz)(diapazon)

11/23/09

TIMBRUL

Timbru - componentă a senzaţiei auditive care permite să se diferenţieze două sunete care au aceeaşi înălţime tonală şi aceeaşi tărie sonoră

Este corelat cu distribuţia spectrală a semnalului acustic

11/23/09

Spectre

Spectre de linii ale unor sunete complexe emise de vioară şi corn: (a) vioară coarda re3; (b) vioară coarda la3; (c) corn nota re3 (d) corn nota la3

11/23/09

Înălţimea tonală a sunetelor complexe

senzaţia de înălţime tonală produsă de un sunet periodic complex este determinată de frecvenţa fundamentală

fenomenul “fundamentalei absente”