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Un innovativo sistema sperimentale ha permesso di valutare più approfonditamente la forma e le caratteristiche del movimento della membrana timpanica a seguito di un impulso acustico.

I movimenti della superficie della membrana timpanica indotti dal suono sono influenzati dalle sue proprietà meccaniche e fisiche e dalla microstruttura, e la vibrazione dipende dalla frequenza dell’impulso: i modelli spaziali delle vibrazioni, infatti, tendono a diventare più complessi all’aumentare della frequenza.

Sono state sviluppate diverse metodologie ottiche per studiare questi modelli di movimento dal punto di vista quantitativo e comprendere meglio la funzione della membrana timpanica per l’udito.

Un gruppo di ricercatori statunitensi ha sviluppato un sistema di olografia digitale ad alta velocità per misurare la forma della membrana timpanica e i movimenti transitori indotti dagli impulsi acustici, che hanno descritto in un lavoro di recente pubblicazione.

Un nuovo sistema di misurazione alla prova

I ricercatori hanno utilizzato l’apparato sperimentale su otto ossi temporali prelevati da cadaveri, trattati in modo da rendere più accessibile possibile l’osservazione della superficie della membrana timpanica, lasciando intatto l’orecchio interno.

Alle prime 5 membrane timpaniche è stato applicato uno strato sottile di vernice bianca idrosolubile, mentre le altre 3 non sono state trattate con questo procedimento in quanto, con il dispositivo sperimentale utilizzato, è stato possibile ottenere un aumento della luce riflessa prodotta dalla sorgente laser sufficiente a misurare la forma e il movimento della membrana.

Il sistema olografico digitale ad alta velocità per la misurazione della forma e delle vibrazioni della membrana timpanica prevede una sorgente laser da 200 mW a singola lunghezza d’onda (532 nm). Il raggio emesso viene diviso da uno splitter in un raggio di riferimento e in un raggio oggetto, e uno specchio montato su un attuatore piezoelettrico modula la fase del raggio di riferimento per misurare la forma e lo spostamento della superficie della membrana timpanica.

Sul percorso del raggio oggetto è posto uno specchio rotante motorizzato che modifica l’angolo di illuminazione per la misurazione della forma, mentre una lente diffonde il raggio per illuminare il più possibile la superficie della membrana; un’altra lente raccoglie l’onda riflessa dal campione.

Il fronte d’onda riflesso dal campione e quello di riferimento, espanso dalla lente, vengono combinati da uno splitter posto davanti alla telecamera ad alta velocità.

Lo stimolo acustico è prodotto da un altoparlante, mentre un microfono piezoelettrico controlla lo stimolo entro 4 mm dal centro della membrana. 

Per quanto riguarda la forma, le misurazioni effettuate indicano che in 7 casi su 8 gli ossi temporali hanno membrane timpaniche molto simili, con variazioni minime della profondità (inferiori a 0,3 mm).

Sono state eseguite analisi di frequenza e di risposta all’impulso in ciascun punto della membrana timpanica che hanno permesso di costruire mappe di superficie in due dimensioni per quanto riguarda i parametri di frequenza e di tempo considerati.

Le mappe 2D mostrano che la maggior parte della superficie della membrana timpanica ha una frequenza dominante di circa 1,5 kHz. I tempi di salita suggeriscono che gran parte della superficie viene messa in movimento entro 50 μs dall’impulso acustico. Le mappe del tempo di decadimento esponenziale mostrano invece variazioni spaziali dello smorzamento, che risulta dipendente dalla frequenza dominante nelle varie zone della membrana timpanica.

Uno sguardo al futuro

“In questo lavoro sono descritte nuove procedure per eseguire misurazioni olografiche ad alta velocità della forma e dei movimenti transitori ad alta velocità, che vengono completate in pochi secondi” commentano gli autori. “In futuro applicheremo lo stesso metodo di analisi a ossi temporali in cui vengono simulate sperimentalmente diverse condizioni patologiche, per cercare di identificare tendenze nei dati associati alle patologie che indichino un’utilità clinica per le nostre tecniche. Per automatizzare il processo di analisi potranno essere utilizzati il data mining e l’intelligenza artificiale. Inoltre, si studierà un progetto per realizzare un otoscopio olografico per misurare i movimenti della membrana timpanica nell’orecchio intatto di soggetti viventi”.

Reference

Tang H, Psota P, Rosowski JJ, et al. Analyses of the tympanic membrane impulse response measured with high-speed holography. Hear Res. 2021 Oct;410:108335.

28 Febbraio 2022
Autore: 1951