G. Zimatore, M.Cavagnaro, A. Colosimo
     Department of Biochemical Sciences and CISB, University "La Sapienza" Roma

 

 

Introduzione

 

L’interesse per le impronte digitali acustiche nasce dall’idea che per realizzare un corretto modello biofisico di un sistema fisiologico se ne debba riprodurre piuttosto che il comportamento medio, la variabilità delle caratteristiche individuali. In questo lavoro vengono presentati i risultati ottenuti dall’analisi delle emissioni otoacustiche evocate da transienti (TEOAE) nell’ambito più vasto dello studio e della modellizzazione di segnali fisiologici.

Fig.1

Le emissioni otoacustiche sono segnali generati dai micro-meccanismi attivi presenti nelle cellule cicliate esterne (OHC) all’interno dell’organo del Corti nella coclea (1). Il quesito a cui s’intende rispondere è relativo all’origine ed alla localizzazione delle caratteristiche individuali delle emissioni otoacustiche già osservate dagli autori nelle TEOAE (2). Ci si chiede cioè se esse siano dovute a fattori genetici o se vadano delineandosi con l’esperienza; se derivino principalmente da caratteristiche morfo-anatomiche dell’orecchio medio oppure da specifiche proprietà della coclea che rendono possibile la riflessione delle onde acustiche in emissioni otoacustiche.

 

A questo scopo si è scelto di utilizzare la tecnica dell’analisi delle ricorrenze che permette di rivelare la struttura fine dei segnali TEOAE (3) per individuare e fattorizzare i contributi dell’orecchio medio e dell’orecchio interno (Fig.1).

 

Risultati

 

I risultati sono divisi in due sezioni distinte: la prima riguarda i segnali di individui adulti normoacusici confrontati con segnali patologici, registrati in soggetti affetti da patologie localizzate nell’orecchio medio o nella coclea, attraverso una batteria di test clinici convenzionali (Fig.2). Nella seconda gli stessi segnali di riferimento sono confrontati con segnali simulati, ottenuti a partire da un modello dell’orecchio basato sull’analogia elettro-acustica e proposto da Giguerre e Woodland (4). Il comportamento del modello è stato analizzato tramite il programma di simulazione di circuiti elettronici PSPICE^TM, modificando gli elementi circuitali corrispondenti a specifiche parti anatomiche dell’orecchio medio e della coclea.

 

 

Per realizzare il confronto ci si è riferiti ad un “Training Set” costituito da 73 segnali di un gruppo omogeneo in età di individui adulti normoacusici. Per ciascun segnale sono stati calcolati i tre descrittori globali dell’analisi delle ricorrenze (RQA): %ricorrenza , %determinismo ed entropia (2-3) e calcolate le componenti principali (PC) della matrice unità-variabili  (di dimensione 73*3). Sul piano individuato dalle prime due componenti principali (5) (variabilità spiegata: PC1=85.42%, PC2=9.23%) si rappresenta la variabilità individuale stimata sull’intera popolazione adulta sana (nel cerchio centro zero e raggio 2 cadono il 99% dei segnali) (Fig.3).

 

 

 

 

      Fig.3                                                                                

 

Sono state proiettate (secondo i coseni direttori del Training set) le PC1 e PC2 calcolate sui descrittori di ricorrenza dei due “Test Set”: segnali patologici (Fig.4)  e segnali simulati (Fig.5).

 

Si può osservare che:

I.                    Le patologie a carico dell’orecchio medio escono bruscamente dalla regione della variabilità individuale della popolazione adulta sana, mentre non si verifica per quelle patologie a carico della coclea per le quali c’è ancora segnale (nel caso di completa distruzione della funzione cocleare non si registrerebbero affatto emissioni otoacustiche).

 

II.                 Piccole variazioni fisiologiche (come indicate in letteratura) dell’orecchio medio si sovrappongono ai segnali di riferimento (CHL in Fig.5); drastiche alterazioni di intere regioni cocleari proiettano i punti corrispondenti all’esterno della regione individuata dai segnali di riferimento (i 4 punti “coclea” con PC2>2 in Fig.5).

 

 

 

 

Fig.4                                                                                             Fig.5

 

 

Conclusioni e Prospettive

 

Da queste osservazioni risulta che il contributo dell’orecchio medio è predominante nelle caratteristiche dinamiche delle emissioni otoacustiche ed in particolare nelle impronte digitali acustiche.

            In futuro si intende sfruttare a fondo il modello per simulare le diverse patologie, e per confrontare i segnali prelevati in diversi punti della linea di trasmissione, in particolare all’uscita della coclea.

Altri sviluppi previsti riguardano l’utilizzazione una più ampia del modello, oggi ristretta alle sole TEOAE; raffinando la rappresentazione fenomenologica dell’amplificatore cocleare che simula i micro-meccanismi attivi delle cellule ciliate esterne, a nostro avviso l’aspetto più debole del modello al suo stato attuale.

 

 

 

Bibliografia :

 

1. Probst R., B.L. Lonsbury-Martin, G.K.Martin. A review of otoacoustic emissions. J. Acoust. Soc. Am. 89:  2027-2067, 1991.
2. Zimatore G., Parlapiano C., Grisanti G., Giuliani A. and Colosimo A. "Revealing deterministic structures in click-evoked otoacousticemissions"J. Appl. Physiol.88: 1431-1437, 2000.
3. Zimatore, G., Hatzopoulos, S., Giuliani, A., Martini, A., Colosimo, A.: Comparison of transient otoacoustic emission (TEOAE) responses from neonatal and adult ear. J. Appl. Physiol. 92 2521-2528, 2002.

 

 

 

 

 

 

4. Giguerre GC and Woodland PC. A computational model of the auditory periphery for speech and  hearing reserch. I. Ascending path. J. Acoust. Soc. Am. 95, 331-342, 1994.
5. Bartholomew DJ. The foundation of factor analysis. Biometrika. 71: 221-232, 1984.