Influence of the Pathology of the Tympanic Membraneon the Spectrum of Natural Frequencies of Free Oscillations of the Middle Ear

Abstract

Цель. Изучить спектры собственных частот свободных колебаний среднего уха в норме и среднего уха с очагом патологии в области задневерхнего квадранта тимпанальной мембраны на основании конечно-элементного моделирования.Материалы и методы. Патологические изменения описываются нелинейным изменением упругих свойств (модуля упругости и коэффициента Пуассона) барабанной перепонки. Наименьшее значение модуля упругости коэффициента Пуассона соответствует очагу патологии, расположенному в области задневерхнего квадранта. Расположение очага патологии соответствует точке соприкосновения тимпанальной мембраны и длинного отростка наковальни при высоком отрицательном звуковом давлении. Конечно-элементная модель среднего уха разработана на основании томографических данных и состоит из тимпанальной мембраны и костей среднего уха, связки и сухожилия, наковальне-молоточкового и наковальне-стременного суставов. Граничные условия соответствуют закреплению барабанной перепонки в тимпанальном кольце, прикреплению костей среднего уха к тимпанальной полости посредством сухожилий и связок, а также закреплению пластины стремени в овальном окне посредством стапедиальной связки.Результаты. Возникновение ретракционного кармана тимпанальной мембраны (барабанной перепонки) является одним из нарушений звуковой проводимости среднего уха. На различных стадиях заболевания могут использоваться различные подходы к лечению ретракционного кармана, в частности хирургическое вмешательство (установка хрящевого трансплантата) и медикаментозное лечение. В качестве фактора, указывающего на необходимость трансплантации, может рассматриваться изменение значений собственных частот свободных колебаний среднего уха с ретракционным карманом по сравнению со средним ухом в норме. Показано, что спектры собственных частот свободных колебаний практически не различаются в звуковом диапазоне частот для среднего уха в норме и среднего уха с очагом патологии; незначительные различия наблюдаются только на высоких частотах (более 3,5 кГц).Выводы. Сравнительный анализ спектров собственных частот свободных колебаний для среднего уха в норме и среднего уха с очагом патологии на тимпанальной мембране показывает, что на начальной стадии возникновения ретракционного кармана нецелесообразно хирургическое вмешательство, более предпочтительным в этом случае является медикаментозное лечение. Purpose. The aim of this study is to assess the spectra of eigenfrequencies of the normal middle ear and the middle ear with a pathological focus in the region of the tympanic membrane posterosuperior quadrant based on finite element modelling.Materials and methods. Pathological changes are described with non-linear changes of the tympanic membrane elastic properties (modulus of elasticity and Poisson’s ratio). The minimal value of the elastic modulus and Poisson’s ratio correspond to the pathology focus located in the posterosuperior quadrant. The location of the pathological focus corresponds to the contact point of the tympanic membrane and the incus long process under the action of high sound pressure. The finite element model of the middle ear was developed on the base of tomographic data. This model consists of the tympanic membrane and ossicular bones, ligaments and tendons, incudomalleolar and incudostapedial joints. The boundary conditions correspond to the fixation of the tympanic membrane in the tympanic annulus, the attachment of the ossicular bones to the tympanic cavity by means of tendons and ligaments, as well as the fixation of the stapedial footplate in the oval window by means of the stapedial tendon.Results. The retraction pocket of the tympanic membrane (tympanic membrane) is one of the disorders in sound conduction of the middle ear. Different approaches to the treatment of the retraction pocket can be used at different stages of the disease, in particular, surgical operation (attachment of a cartilage graft) and pharmacological treatment. Changes of the middle ear eigenfrequencies with the retraction pocket can be considered as the factor that indicates the need for transplantation. Eigenfrequencies for identical main modes of the normal middle ear and the middle ear with pathological changes almost do not differ for sound frequency range; the differences are observed only for high frequencies (more than 3.5 kHz).Conclusions. It can be concluded that the surgical intervention is inappropriate during the initial stage of the retraction pocket; in this case, pharmacological treatment is more preferable.