Luận văn Thiết kế chế tạo nguồn kích thích âm thanh dùng cho việc nghiên cứu điện thế gợi thính

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP.HCM – NĂM 2007 SVTH: TRẦN THÀNH NHÂN GVHD: ThS LÊ CAO ĐĂNG 1 CHƯƠNG 1. MỤC TIÊU LUẬN VĂN Theo thống kê, bệnh điếc – suy giảm thính lực chiếm khoảng 10% - 15% dân số [3]. Đặc biệt tỉ lệ mắc bệnh điếc ở trẻ sơ sinh là 2/1000, trẻ không những bị khuyết đi thế giới âm thanh mà còn khuyết luôn cả chức năng ngôn ngữ [2,3], vì câm là hệ quả của điếc. Việc chẩn đoán sớm để phục hồi thính giác và phát triển khả năng ngôn ngữ cho các em là vấn đề hết sức cần thiết và có ý nghĩa xã hội lớn. Tuy nhiên, các phương pháp chẩn đoán trước đây cần có sự cộng tác của bệnh nhân nên gây nhiều khó khăn khi áp dụng đo trên trẻ nhỏ. Hiện nay, trên thế giới đã ứng dụng rộng rãi phương pháp đo điện thế gợi thính (Auditory Evoked Potentials – AEPs) trong việc chẩn đoán, riêng tại Việt Nam những nghiên cứu về vấn đề này chưa phổ biến và những ứng dụng của nó còn rất hạn chế [2]. Cho đến nay, chỉ mới có một báo cáo về kết quả khảo sát “Các chỉ số của điện thế gợi thính giác thân não (BAEPs – Brainstem Auditory Evoked Potentials) trên người Việt Nam bình thường” của bệnh viện Điều dưỡng – Phục hồi chức năng Bưu Điện II do bác sĩ Nguyễn Hữu Công và bác sĩ Nguyễn Thị Thu Thảo thực hiện. Phương pháp này giúp chúng ta khảo sát tính toàn vẹn của hệ thống dẫn truyền thính giác từ tai trong qua dây thần kinh thính giác (dây thần kinh số VIII) vào trong cầu não lên trung não qua dải dọc bên (lateral lemniscus) cùng bên tới củ não sinh tư dưới (inferior colliculus) bên đối diện và kết thúc ở vỏ não thính giác. Để tiến hành phương pháp phải cần có các thiết bị chuyên dụng bao gồm: nguồn kích thích âm, thiết bị thu nhận tín hiệu và phần mềm xử lý vì điện thế này rất nhỏ khoảng vài microvolt nằm lẫn trong nền nhiễu có điện thế khoảng milivolt. Các bác sĩ ở bệnh viện ĐD – PHCN BĐ II đã sử dụng máy Neuropack của hãng Nihon Kohden để đo đạc. Hiện tại, phòng thí nghiệm của bộ môn Vật lý y sinh có thiết bị MP30 của hãng Biopac có khả năng thu nhận tín hiệu điện sinh học và kết hợp xử lý với phần mềm đi kèm. Dựa vào thiết bị này, chúng ta có thể thực hiện các thí nghiệm về đo điện tim (ECG), điện cơ (EMG), From www.bme.vn LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP.HCM – NĂM 2007 SVTH: TRẦN THÀNH NHÂN GVHD: ThS LÊ CAO ĐĂNG 2 điện thế gợi thính (AEPs)... nhằm giúp sinh viên hiểu rõ hơn lý thuyết đã học. Tuy nhiên, các thí nghiệm trên cần phải có nguồn kích thích phù hợp để tạo ra đáp ứng sinh học. Đề tài thiết kế nguồn kích thích âm với dải tần số rộng và âm lượng thay đổi đã được chọn nhằm phục vụ cho mục tiêu tìm hiểu và nghiên cứu điện thế gợi thính (Auditory Evoked Potentials - AEPs). Kết hợp việc sử dụng MP30 làm bộ thu tín hiệu, chúng ta có thể thực hiện các thí nghiệm về đo điện thế gợi thính ở các tần số khác nhau. Các kết quả thí nghiệm có so sánh đối chiếu với kết quả chuẩn cho thấy, nguồn kích chế tạo hoàn toàn có thể phục vụ cho việc đo điện thế gợi thính tại phòng thí nghiệm của bộ môn Vật lý kỹ thuật y sinh. Điều này góp phần vào việc xây dựng thêm các bài thí nghiệm cho sinh viên, đồng thời cũng tạo điều kiện cho các nghiên cứu theo hướng chẩn đoán các vấn đề về tai sau này. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP.HCM – NĂM 2007 SVTH: TRẦN THÀNH NHÂN GVHD: ThS LÊ CAO ĐĂNG 3 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN 2.1 Cấu tạo của tai Chức năng của bộ tiền đình-ốc tai (vestibulocochlear) liên quan đến việc giữ thăng bằng và thính giác. Cơ quan này được cấu tạo bởi 3 phần: tai ngoài tiếp nhận sóng âm; tai giữa, dẫn truyền sóng âm từ không khí đến xương và từ xương đến tai trong; và tai trong, nơi các rung động được chuyển đổi thành các xung thần kinh đặc hiệu theo dây thần kinh thính giác về hệ thần kinh trung ương, ngoài ra còn có cơ quan tiền đình tai có vai trò giữ thăng bằng. 2.1.1 Tai ngoài Tai ngoài (auricle, or pinna) cấu tạo bởi mô sụn chun có hình dạng tấm không đồng đều với da phủ ngoài ở các mặt. Ống tai ngoài (external auditory meatus) có dạng hình ống dẹp, hình thành từ bề mặt của xương thái dương. Đầu trong của ống tai ngoài có màng nhĩ. Biểu mô ống tai ngoài là biểu mô lát tầng có sừng, liên tục với biểu bì bên ngoài. Ở tầng dưới niêm của ống tai ngoài có nang lông, tuyến bã và các tuyến ráy tai (ceruminous gland) (một biến thể của tuyến mồ hôi). Các tuyến ráy tai là tuyến ống xoắn chế tiết ra chất ráy tai (cerumen, earwax) màu vàng nâu, hơi cứng, là hỗn hợp của mỡ và sáp. Lông và ráy tai có vai trò bảo vệ ống tai ngoài. Đoạn 1/3 ngoài của thành ống tai ngoài được nâng đỡ bởi mô sụn chun, còn đoạn trong được nâng đỡ bởi xương thái dương. Đầu cuối ống tai ngoài có một màng hình bầu dục, gọi là màng nhĩ (tympanic membrane, eardrum). Mặt ngoài màng nhĩ có biểu bì mỏng, mặt trong màng nhĩ có phủ lớp biểu mô vuông đơn tiếp liền với biểu mô của hòm tai. Xen giữa 2 lớp biểu mô này là một lớp mô liên kết chắc được cấu tạo bởi các sợi collagen và sợi keo cùng các nguyên bào sợi. Màng nhĩ là cấu trúc truyền sóng âm đến các xương con ở trong tai giữa. Chức năng của tai ngoài là bắt âm thanh và hướng nó vào màng nhĩ. Cũng giống như ăngten parabol bắt sóng điện từ, tai ngoài hoạt động như một bộ bắt sóng âm thanh rất LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP.HCM – NĂM 2007 SVTH: TRẦN THÀNH NHÂN GVHD: ThS LÊ CAO ĐĂNG 4 hiệu quả và tập trung âm thanh vào ống tai ngoài. Không phải ở tất cả mọi hướng tai ngoài đều thu nhận tốt âm thanh. Tai ngoài chỉ thu tốt âm thanh có các tần số khác nhau khi nguồn âm thanh nằm ở những vị trí đặc biệt so với đầu. Khả năng định vị nguồn phát âm thanh trong môi trường xung quanh, đặc biệt dọc theo trục đứng phụ thuộc rất lớn vào đặc tính hợp âm của tai ngoài. Hình 2.1: Cấu trúc giải phẫu củ a tai 2.1.2 Tai giữa Tai giữa (middle ear, tympanic cavity) là một khoang không đều, nằm bên trong thành xương thái dương ở đoạn giữa màng nhĩ và bề mặt xương của tai trong. Tai giữa ở phía trước thông nối với hầu qua vòi tai (auditory tube) hay vòi eustachio (Eustachian tube), ở phía sau thông với các xoang khí trong mõm chũm của xương thái dương. Tai giữa có biểu mô lát đơn nằm bên trên lớp đệm mỏng và gắn chặt vào màng xương ở sát bên dưới. Ở cạnh vòi tai và vùng trong tai giữa, biểu mô lát đơn lót tai giữa dần dần chuyển dạng thành biểu mô trụ giả tầng có lông chuyển. Tuy thành thường xuyên bị xẹp song vòi tai mở ra trong quá trình nuốt vào, tạo sự thăng bằng áp suất trong tai giữa đối với áp suất khí Tai ngoài Tai giữa Tai trong Loa tai Xương tai Xương thái dương Cửa ovan Sụn Màng nhĩ Tĩnh mạch cảnh trong Cửa tròn Ống tai Đi vào hầu Xương mê đạo Dây TK tiền đình (VIII) Dây TK mặt (VII) LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP.HCM – NĂM 2007 SVTH: TRẦN THÀNH NHÂN GVHD: ThS LÊ CAO ĐĂNG 5 quyển. Ở thành xương trong của tai giữa có 2 vùng hình chữ nhật có màng phủ ngoài và không có xương gọi là cửa sổ bầu dục (oval window) và cửa sổ tròn (round window). Hình 2.2: Xương bú a, xương đe, xương ba øn đạ p Màng nhĩ được nối vào cửa sổ bầu dục bởi một chuỗi 3 xương tai (auditory ossicle) nhỏ là xương búa (malleus), xương đe (incus) và xương bàn đạp (stape). Chúng giữ vai trò truyền các âm thanh thành dao động cơ học do màng nhĩ tạo ra đến tai trong. Xương búa tự vùi vào màng nhĩ còn xương bàn đạp gắn vào cửa sổ bầu dục. Các xương tai kết nối vào nhau bằng các khớp hoạt dịch, giống như các cấu trúc khác trong hòm tai, các xương con cũng có biểu mô lát đơn. Bên trong tai giữa có 2 cơ nhỏ gắn vào xương búa và xương bàn đạp, có chức năng điều chỉnh sự dẫn truyền âm thanh. 2.1.3 Tai trong Tai trong (internal ear) hay mê đạo (labyrinth) cấu tạo bao gồm 2 mê đạo. Mê đạo xương (bony labyrinth) bao gồm một chuỗi các tế bào (hốc) trong phần xương đá của xương thái dương và chứa mê đạo màng (membranous labyrinth) bên trong. Mê đạo màng bao gồm một chuỗi các hốc thông nhau và được lót bởi biểu mô có nguồn gốc ngoại bì. Mê đạo màng có nguồn gốc từ túi thính giác (auditory vesicle) phát triển từ ngoại bì ở 2 bên đầu của phôi. Trong thời kỳ phôi thai, các túi thính giác lõm vào mô liên kết bên dưới và không còn liên hệ với ngoại bì vùng đầu nữa, di chuyển sâu vào bên trong vùng mô xương phôi thai sẽ trở thành xương thái dương sau này. Trong thời kỳ này, túi thính giác trải qua LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP.HCM – NĂM 2007 SVTH: TRẦN THÀNH NHÂN GVHD: ThS LÊ CAO ĐĂNG 6 một loạt các biến đổi phức tạp về hình thái, tạo ra 2 vùng đặc biệt của mê đạo màng là túi bầu dục (utricle) và túi nhỏ (saccule). Các ống bán khuyên (semicircular duct) có xuất nguồn từ túi bầu dục, còn ốc tai (cochlea) có xuất nguồn từ túi nhỏ. Ở các vùng kể trên, biểu mô biệt hóa tạo nên các cấu trúc cảm giác như vết thính giác (maculae) ở túi bầu dục và túi nhỏ, mào thính giác (cristae) ở ống bán khuyên, và cơ quan Corti (organ of Corti) ở ống ốc tai. Mê đạo xương (bony labyrinth) là các hốc bên trong xương thái dương. Đây là một khoang trung tâm không đều, gọi là tiền đình tai (vestibule), chứa túi bầu dục và túi nhỏ. Phía sau tiền đình tai có 3 kênh bán khuyên (semicircular canal) vây quanh các ống bán khuyên; phía trước ngoài ốc tai (cochlea) có các ống ốc tai (cochlear duct). Ốc tai có tổng chiều dài khoảng 35 mm, quấn 2 vòng rưỡi quanh một mô xương gọi là trụ ốc tai (modiolus). Trụ ốc tai có các hốc chứa các mạch máu, thân và các sợi nhánh của các nơron nhánh thính giác của dây thần kinh sọ số VIII (hạch xoắn). Hai bên trụ ốc tai nhô ra các gờ xương mảnh gọi là các lá xoắn (osseous spriral lamina). Các lá xoắn đi qua ốc tai đến vùng đáy nhiều hơn vùng đỉnh. Mê đạo xương có chứa đầy ngoại dịch (perilymph) có thành phần ion giống như một chất gian bào ở các cơ quan khác, song có rất ít protein. Mê đạo màng có chứa nội dịch (endolymph) có đặc điểm ít sodium (natri) và nhiều potassium (kali), nồng độ protein ít. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP.HCM – NĂM 2007 SVTH: TRẦN THÀNH NHÂN GVHD: ThS LÊ CAO ĐĂNG 7 Hình 2.3: Cơ quan tiền đình ốc tai Mê đạo màng • Túi nhỏ và túi bầu dục: Túi nhỏ và túi bầu dục có cấu tạo là bao mô liên kết mỏng có biểu mô lát đơn. Mê đạo màng gắn chặt vào màng xương ngoài của mê đạo xương bởi một dải mô liên kết mỏng cũng có chứa mạch máu nuôi dưỡng biểu mô của mê đạo màng. Trong thành của túi nhỏ và túi bầu dục có thể nhìn thấy các vùng nhỏ, gọi là vết thính giác (maculae), các tế bào thần kinh – biểu mô đã biệt hóa có tiếp nhận các nhánh của dây thần kinh tiền đình. Vết thính giác của túi nhỏ nằm ở sàn của túi, còn vết thính giác của túi bầu dục nằm ở thành bên, nên các vết thính giác thẳng góc với nhau. Các vết thính giác ở cả 2 vị trí khác nhau đều có cấu trúc mô học giống nhau. Vết thính giác được tạo bởi một thành dày với 2 loại tế bào tiếp nhận thính giác, một số tế bào nâng đỡ và các tận cùng thần kinh đến và đi. Các tế bào tiếp nhận thính giác, hay tế bào lông (hair cell), có đặc điểm cấu tạo với 40-80 lông giả dài và cứng, là các vi nhung mao biệt hóa cao, và 1 lông điển hình. Các lông giả sắp xếp thành dải với chiều dài tăng dần, cái dài nhất là khoảng 100µm và nằm Trước Mào lược nằm trong ống bán khuyên Dây TK tiền đình Dây TK tiền đình ốc tai Dây TK mặt Nhánh TK ốc tai Ống ốc tai Vết rãnh Ốc tai Ống ốc tai Vết trong túi nhỏ Vịn nhĩ Sau Bên Vết trong túi bầu dục Màng tiền đình LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP.HCM – NĂM 2007 SVTH: TRẦN THÀNH NHÂN GVHD: ThS LÊ CAO ĐĂNG 8 sát lông điển hình. Lông điển hình có thể đáy và 9 + 2 vi ống ở đoạn gần, sau đó 2 vi ống trung tâm sẽ mất đi. Lông điển hình này thường được gọi là lông rung (kinocilium), song có lẽ không chuyển động. Có 2 loại tế bào lông được phân biệt theo kiểu tiếp nhận tận cùng thần kinh đến. Các tế bào lông I có các tận cùng thần kinh có hình chén và to, bao quanh hầu hết phần đáy của tế bào; các tế bào lông II có nhiều tận cùng thần kinh đến. Cả 2 loại tế bào lông I và II đều có tận cùng thần kinh đi có lẽ có tính ức chế. Các tế bào nâng đỡ nằm xen kẽ giữa các tế bào lông là các tế bào hình trụ có các vi nhung mao ở mặt đỉnh. Bao phủ bề mặt các tế bào thần kinh biểu mô này là một lớp dạng keo glycoprotein dày, có lẽ do các tế bào nâng đỡ chế tiết ra, ở bề mặt có các tinh thể carbonate calcium gọi là nhĩ mạch (otolith, otoconia). • Ống bán khuyên Các ống bán khuyên (semicircular duct) có hình dạng tương ứng với các phần của mê đạo xương. Các vùng tiếp nhận thính giác ở bóng (ampulla) ống bán khuyên có dạng các gờ dài được gọi là các mào bóng (cristae ampulares). Các gờ này thẳng góc với trục của ống bán khuyên. Các mào bóng có cấu tạo giống như các vết thính giác nhưng có lớp dạng keo glycoprotein dày hơn, lớp này có chỗ dạng hình nón gọi là đài (cupula) mào bóng và không có lớp nhĩ thạch. Đài mào bóng nằm suốt chiều dài bóng ống bán khuyên và tiếp xúc với thành bóng đối diện. • Ống và túi nội dịch Ống nội dịch (endolymphatic duct) ở đoạn khởi đầu có biểu mô lát đơn, gần về phía túi nội dịch (endolymphatic sac) biểu mô dần dần chuyển sang trụ đơn cao với 2 loại tế bào; 1 trong số 2 loại tế bào này có vi nhung mao ở bề mặt và có nhiều hạt ẩm bào và không bào ở bào tương vùng đỉnh. Người ta cho rằng loại tế bào này có vai trò hấp thụ nội dịch, nhập bào các vật lạ và các mảnh vụn tế bào có trong nội dịch. • Ống ốc tai Ống ốc tai (cochlear duct) là phần lồi ra của túi nhỏ, được biệt hóa cao để tiếp nhận âm thanh. Ống ốc tai dài khoảng 35 mm và được bao quanh bởi khoang ngoại dịch. Dưới LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP.HCM – NĂM 2007 SVTH: TRẦN THÀNH NHÂN GVHD: ThS LÊ CAO ĐĂNG 9 kính hiển vi quang học, ốc tai (ở trong mê đạo xương) được chia làm 3 khoang là: vịn tiền đình (scala vestibuli) ở trên; vịn giữa (scala media) là ống ốc tai, nằm ở giữa; và vịn màng nhĩ (scala tympani). Ống ốc tai, có chứa nội dịch, chấm dứt ở vùng đỉnh ốc tai. Hai vịn còn lại chứa ngoại dịch, và thực ra là ống dài bắt đầu từ cửa sổ bầu dục (oval window) và chấm dứt tại cửa sổ tròn (round window); hai vịn thông nhau tại vùng đỉnh ốc tai bởi 1 lỗ thông gọi là khe vịn (helicotrema). Màng tiền đình (vestibular membrane) hay màng Reissner (Reissner’s membrane) có cấu tạo bởi 2 lớp biểu mô lát, một có nguồn gốc từ vịn giữa và một có nguồn gốc từ vịn tiền đình. Các tế bào ở các biểu mô này có nhiều hình thức liên kết chặt nên chúng giúp giữ được sự sai biệt gradient lớn ở khu vực 2 bên màng. Vết màng (stria vascularis) là chỗ biểu mô có nhiều mạch máu, nằm ở thành bên của ống ốc tai. Vết mạch có các tế bào có nhiều chỗ lõm màng bào tương đối khá sâu ở mặt đáy tế bào với nhiều ti thể. Các đặc điểm hình thái này cho biết chúng là các tế bào có tính năng chuyên chở ion và nước, và người ta cho rằng chúng tạo ra thành phần cấu trúc ion của nội dịch. Trong cấu trúc của tai trong có chứa các thụ thể thính giác đặc hiệu gọi là cơ quan Corti (organ of Corti) có các tế bào lông đáp ứng các tần số âm thanh khác nhau. Cơ quan Corti nằm trên một lớp chất nền gọi là màng nền (basilar membrane). Có thể phân biệt được các tế bào nâng đỡ và 2 loại tế bào lông. Có khoảng 3-5 hàng tế bào lông ngoài (outer hair cell) được gọi tên như trên do có vị trí xa phần đáy của cơ quan Corti, và 1 hàng tế bào lông trong (inner hair cell). Đặc điểm mô học chính của các tế bào này là có dạng chữ W (các tế bào lông ngoài) hay lót (tế bào lông trong) với các lông giả. Thể đáy hiện diện ở trong vùng bào tương ở sát các lông giả cao nhất. Khác với ở tiền đình tai, các tế bào lông ở ốc tai không có lông điển hình. Việc không có lông rung điển hình mang lại tính cân đối cho tế bào lông rất quan trọng trong việc dẫn truyền thính giác. Ngọn của các lông giả cao nhất ở các tế bào lông ngoài cắm vào màng mái (tectorial membrane) là lớp chất tiết giàu glycoprotein của một số tế bào của rìa xoắn ốc (spiral limbus). LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP.HCM – NĂM 2007 SVTH: TRẦN THÀNH NHÂN GVHD: ThS LÊ CAO ĐĂNG 10 Trong số các tế bào nâng đỡ có tế bào trụ (pillar cell) là đặc biệt nhất. Các tế bào trụ có rất nhiều siêu ống giúp cho chúng trở nên cứng chắc; chúng tạo nên một khoảng trống hình tam giác nằm giữa lớp các tế bào lông ngoài và lông trong được gọi là đường hầm trong (inner tunnel) có vai trò trong sự dẫn truyền âm. Các tế bào lông ngoài và lông trong đều có các tận cùng thần kinh đến và đi; trong đó các tế bào lông trong có nhiều tận cùng thần kinh đến hơn và sự khác biệt này chưa được hiểu rõ. Thân của các nơron hai cực đến cơ quan Corti nằm ở bên trong lõi xương của trụ ốc tai và tạo nên hạch xoắn. 2.2 Chức năng nghe của tai 2.2.1 Âm thanh Âm thanh là sóng cơ học có biên độ nhỏ mà thính giác của con người có thể nhận biết được. Thí dụ: sóng âm phát ra từ một nhánh âm thoa, một dây đàn, một mặt trống đang rung động. Mỗi âm đơn có một tần số riêng. Đơn vị tần số là Hertz (viết tắt là Hz). Hertz là tần số của một quá trình dao động âm mà cứ mỗi giây vật thực hiện được một dao động. Dao động âm có tần số khoảng từ 20 - 20.000 Hz. Những dao động cơ có tần số dưới 20 Hz gọi là hạ âm, trên 20.000 Hz gọi là siêu âm. f 20000 Hz Hạ âm Âm (nghe được) Siêu âm Về phương diện vật lý, âm nghe được hay không nghe đư