Matematyka pomoże niesłyszącym. W jaki sposób?

Inżynierowie z Politechniki Lubelskiej z pomogą lekarzom znaleźć optymalne miejsce wszczepienia implantu ucha środkowego. Tworzą model matematyczny ucha z implantem, który pokaże, w jakim ułożeniu pacjent może słyszeć dźwięk najbliższy rzeczywistemu.

Lubelscy naukowcy zbadają wpływ aktywnego implantu ucha środkowego na przewodzenie dźwięku do ucha wewnętrznego. Badania takie są konieczne, aby powstające implanty były przewidywalne i działały w sposób z góry zaplanowany przy określonych typach schorzeń. Zespół z Uniwersytetu Medycznego w Lublinie sprawdzi działanie modelu w praktyce.

„Aktywne implanty są już stosowane w praktyce lekarskiej w przypadku osób cierpiących na niedosłuch, ale ich rola i oddziaływanie na struktury ucha ludzkiego nie jest do końca poznana. Ponadto, ich skuteczność zależy od bardzo wielu czynników. Dlatego zajmujemy się wyjaśnieniem sprzężenia pomiędzy strukturą ucha a elektromagnetycznym implantem” – mówi dr hab. Rafał Rusinek z Katedry Mechaniki Stosowanej Politechniki Lubelskiej.

Czytaj także: Stan współczesnej oświaty. Czy czas na radykalne zmiany?

„Skuteczność implantów zależy od tego, czy lekarz wszczepi implant w dobrym miejscu”

Jak wyjaśnia w rozmowie z PAP, inspiracją dla badań stały się doświadczenia zespołu prof. Marcina Szymańskiego z Uniwersytetu Medycznego w Lublinie. Profesor, który sam zajmuje się wszczepianiem implantów pacjentom, zasygnalizował inżynierom problem optymalnego umieszczenia implantu w uchu. Uznał, że precyzyjne wyliczenia znacznie ułatwiłyby mu pracę. Mechanicy i fizycy dostrzegli w tym pomyśle szansę na odkrycie nowych, nieopisanych dotąd zjawisk akustycznych, jakie zachodzą w ludzkim uchu pod wpływem działania implantu. Obecnie prof. Szymański jest konsultantem, który wyjaśnia inżynierom, jak implanty działają w praktyce i dostarcza danych niezbędnych do opracowania modelu.

Dr hab. Rusinek tłumaczy wyzwania obliczeniowe, z jakimi zmierzy się jego zespół badawczy. „Skuteczność implantów zależy od tego, czy lekarz wszczepi implant w dobrym miejscu. Każdy pacjent jest trochę inny, ma inną chorobę i nieco inaczej zbudowane ucho. Dlatego w każdym przypadku należy dobrać optymalne miejsce wszczepienia. Nie można szukać tego optimum wykonując badania podczas zabiegu operacyjnego. Dlatego opracowujemy model, który pozwoli ocenić, gdzie należy umieścić implant tak, żeby działał on jak najbardziej poprawnie” – mówi dr hab. Rusinek.

Model pokaże, jak zachowuje się implant w uchu w zależności od zadanego położenia i warunków anatomicznych ucha. Pozwoli zrozumieć oddziaływanie implantu na ucho, a także ucha na implant.

Projekt pomoże niesłyszącym?

Najpierw naukowcy opracują nowy – matematyczny nieliniowy model zdrowego ucha środkowego. Następnie model ten będzie użyty do analizy ucha z aktywnym implantem, który zapewnia poprawę słuchu w przypadku niedosłuchu przewodzeniowego i odbiorczego. Niedosłuch przewodzeniowy to zaburzenie transmisji dźwięku ze środowiska zewnętrznego do ucha wewnętrznego. Niedosłuch odbiorczy to najczęściej występujący problem u pacjentów, a jego objawy to złe słyszenie tonów wysokich i szumy uszne.

Badacze liczą na to, że projekt przyniesie ciekawe wyniki naukowe. Badania będą finansowane przez Narodowe Centrum Nauki, a więc mają charakter badań podstawowych.

„Szukamy zjawisk zwanych nieliniowymi. Nie są one możliwe do przewidzenia na drodze praktycznej. Obserwujemy co się dzieje, kiedy na ucho pacjenta działamy dźwiękiem o określonej częstotliwości. W praktyce powinien usłyszeć taki sam dźwięk, ale może się okazać, że przy pewnych parametrach implantu usłyszy dźwięk zniekształcony albo zupełnie inny. Spodziewamy się tego, ponieważ implant jest ciałem obcym i modyfikuje rzeczywistą strukturę ucha ludzkiego” – mówi dr hab. Rusinek.

Opracowywany przez niego model numeryczny to narzędzie wirtualne. Będzie to program stworzony na podstawie równań matematycznych opisujących, jak implant zachowa się w poszczególnych przypadkach. Mówiąc precyzyjnie – naukowcy będą badać zachowanie ucha z wszczepionym implantem.

„Celem naszych badań jest określenie warunków, w których kosteczki słuchowe zachowują się przewidywalnie oraz nieprzewidywalnie, czyli nieregularnie lub nawet chaotycznie. Ma to kluczowe znaczenie dla rozwoju praktyki medycznej” – podkreśla prof. Rafał Rusinek.

Wyniki matematyków zostaną zweryfikowane przez lekarzy

Wyniki prac naukowców z Politechniki zostaną zweryfikowane przez lekarzy w eksperymencie na kości skroniowej. Dzięki wykorzystaniu Dopplerowskiego Wibrometru Laserowego badacze porównają zachowanie rzeczywistego ucha zdrowego i ucha z implantem.

„Kiedy już będziemy umieli skorzystać z modelu musimy zweryfikować, czy wyniki uzyskane za jego pomocą są zbieżne z rzeczywistością. Sprawdzimy, czy faktycznie nie ma zniekształceń w odbiorze dźwięku. Ustalimy, czy w uchu ludzkim zachodzą te same zjawiska, które opisaliśmy językiem matematyki” – podsumowuje prof. Rusinek.

Projekt rozpoczyna się w styczniu i potrwa trzy lata.

Źródło: Serwis Nauka w Polsce – www.naukawpolsce.pap.pl, Autorka: Karolina Duszczyk