CC BY
154
УДК 612.854:597/599
РЫЧАЖНАЯ СИСТЕМА СРЕДНЕГО УХА У ВЫСШИХ ПОЗВОНОЧНЫХ (КЛИНИЧЕСКОЕ ПРИЛОЖЕНИЕ)
Г.Ш. Туфатулин, Е.Е. Савельева, к. м. н., асс., Н.А. Арефьева, д. м. н., профессор,
зав. кафедрой оториноларингологии, Башкирский государственный медицинский университет, г. Уфа
В статье приведены результаты изучения особенностей морфологии наковальне-молоточкового сустава у позвоночных животных, выявлена зависимость строения сустава от особенностей жизнедеятельности организма и представлено клиническое приложение выявленных закономерностей. Поскольку одним из основных симптомов хронического гнойного среднего отита является нарушение функции звукопроведения за счёт изменения рычажной системы среднего уха, то представляет интерес математическая модель возможного применения ортотопической ксенотрансплантации слуховых косточек. Предложенный метод ортотопической ксенотрансплантации молоточка и наковальни теоретически может усилить звук на 40 дБ, увеличивая звуковое давление в 46 раз за счёт удлинения оси молоточка и наковальни на 3 мм и увеличения площади барабанной перепонки на 10 мм2.
The results of the research of morphological peculiarities of incudomalleal articulation of vertebrates have been shown, the dependence of joint structure from vital functions of organism has been presented, and clinical application of discovered patterns has been shown. As far as one of the main symptoms of chronic purulent otitis media is the disorder of sound conduction cause of the changes in sheave-linkage of the middle ear, the mathematic model of possible using of orthotopic xenotransplantation of ear bones is of interest. The method offered of orthotopic xenotransplantation of malleus and anvil can theoretically amplify the sound by 40 decibel, increasing sound pressure in 46 times due to prolongation of malleus and anvil axis by 3 mm and due to enlargement of ear-drum membrane square by 10 mm2.
Среднее ухо млекопитающих образует механическую систему, выполняющую функцию выравнивания импе-дансов воздуха и слухового аппарата для передачи энергии звуковой волны из воздушной среды на внутреннее ухо [8]. Основными элементами этой системы являются слуховые косточки. Признаки наличия слуховых косточек впервые проявляются в классе Рыбы. У рыб три передних позвонка модифицированы в так называемые веберовы (слуховые) косточки. У бесхвостых амфибий (лягушки) среднее ухо развито таким образом, что изменения давления передаются от несколько вогнутой барабанной перепонки костным стержнем (columella) камерам лабиринта [10]. У пресмыкающихся среднее ухо принципиально не отличается от уха земноводных. У птиц роль звукопроводящего аппарата играет одна косточка - columella. Среднее ухо млекопитающих всегда представлено молоточком (malleus), наковальней (incus) и стременем (stapes) [9]. В барабанной полости позвоночных животных имеется два сустава. Головка молоточка соединяется с телом наковальни и образует молоточко-наковальневый сустав (articulatio incudomallearis). Наковальня в свою очередь чечевице-образным отростком соединяется с головкой стремени, образуя наковальнестременной сустав (articulatio incudostapedia). Суставы укреплены миниатюрными связками [5].
Целью работы явилось изучение особенностей морфологии молоточко-наковальневого сустава (articulatio incudomallearis) у позвоночных животных (утка, рысь, козёл, свинья, корова и человек), выявление отличий в форме и размерах суставных поверхностей и их сочленения с точки зрения физиологии звукопроведения, раскрытие зависимости строения сустава от особенностей жизнедеятельности организма и клиническое приложение выявленных закономерностей.
Материалы и методы. Были отпрепарированы колумелла у утки, а также молоточек и наковальня у рыси, козла, свиньи, коровы и 7-месячного мертворожденного плода человека. Изъятие косточек проводилось различными путями в зависимости от особенностей анатомии черепа: у утки, рыси и плода человека - заушным доступом, у козла, свиньи и коровы -путём распила крыши черепа и трепанации tegmen tympani. Изъятые косточки варились в воде в течение часа, после чего обсушивались и изучались размеры их суставных поверхностей, соотношения и особенности сочленения.
Результаты. Columella auris утки (рис. 1) представляет собой кость длиной 6,5 мм, имеющую в верхней части обширные суставные поверхности, покрытые хрящом, для сочленения с аналогичными суставными впадинами аттика. По форме колумелла прямая, в барабанной полости расположена под углом 45°. В средней части имеет отросток длиной 1,5 мм для сочленения с барабанной перепонкой. Заканчивается кость тонкой пластинкой, непосредственно контактирующей с лабиринтом. Columella auris укреплена многочисленными связками, имеет относительно большой вес, соответственно, малоподвижна. По форме сустав между колумеллой и аттиком блоковидный.
А гг
Рис. 1. Columella auris утки.
Рис. 2. Молоточко-наковальневый сустав рыси.
Молоточко-наковальневый сустав рыси (рис. 2) по форме седловидный. Молоточек рыси имеет длину 5,0 мм, весьма тонкий и небольшой по весу. Длина его тонкой рукоятки - 3,5 мм. Имеется небольшая головка с суставной впадиной для сочленения с наковальней и короткий отросток длиной 1,2 мм. Наковальня рыси также имеет небольшой вес, длина 3,6 мм. Длина её длинной ножки равна 1,9 мм, на конце имеет чечевицеобразное утолщение для соединения с головкой стремени. Основную часть тела занимает суставная впадина. Суставные хрящи на молоточке и наковальне не выражены. Короткая ножка наковальни имеет длину 2,0 мм. Косточки очень тонкие, легко смещаются при колебаниях воздуха. Суставная капсула по объёму небольшая, очень хрупкая.
У козла articulatio incudomallearis седловидной формы (рис. 3). Молоточек имеет длину 5,2 мм, треугольной формы рукоятка - 4 мм. Короткий отросток отсутствует, сочленение с барабанной перепонкой происходит всей поверхностью рукоятки. Головка молоточка длиной 2,7 мм расположена под углом 110° к рукоятке. Имеет глубокую суставную впадину. Наковальня имеет длину 4,1 мм, обе ножки короткие, тело объёмное, шаровидной формы, с небольшой суставной впадиной. Слуховые косточки козла не имеют некоторых структурных компонентов, характерных для высших форм млекопитающих. Сустав между молоточком и наковальней большой подвижностью не обладает.
Ґ*Ґ*4
Рис. 3. Молоточко-наковальневый сустав козла.
Рис. 4. Молоточко-наковальневый сустав свиньи.
Сустав свиньи (рис. 4) также седловидный по форме. Молоточек резко отличается от косточек других животных. Тонкая рукоятка имеет длину 3,2 мм, короткий отросток длиной 1 мм направлен вверх. Между рукояткой и головкой имеется тонкий костный стержень длиной 1,5 мм, расположенный по отношению к рукоятке под углом 1000. Головка представлена тонкой изогнутой пластинкой, образуя глубокую суставную № 3 июнь 2008 МЕДИЦИНСКИЙ АЛЬМАНАХ
впадину, внизу переходящую в тонкий шиповидный отросток длиной 0,8 мм. Длина головки - 2,9 мм. Общая длина наковальни - З,0 мм, длинная ножка (0,9 мм) заканчивается чечевицеобразным отростком, короткая ножка (0,8 мм) пирамидальной формы. Тело имеет суставную впадину. Движения в суставе ограничены из-за наличия шиловидного отростка.
Молоточко-наковальневый сустав коровы шаровидный (рис. 5). Молоточек очень крупный - 9,9 мм, рукоятка (5 мм) слегка изогнута. Ярко выражен короткий отросток. На «шейке» молоточка (З,0 мм) имеется тонкий отросток длиной 1,2 мм, направленный вниз. Головка длиной З,1 мм имеет неярко выраженную суставную впадину. Наковальня длиной 5,7 мм имеет короткую (2,З мм) и длинную (2,7 мм) ножку с чечевицеобразным утолщением. Тело объёмное, суставная поверхность плоская. Таким образом, сустав очень подвижен из-за отсутствия выраженных «блокаторов» движения.
Рис. 5. Молоточко-наковальневый сустав коровы.
Слуховые косточки семимесячного мертворожденного плода человека (рис. 6) абсолютно не отличаются по размерам и форме от таковых у взрослого [6]. Длина молоточка - 7,6 мм, тонкой изогнутой рукоятки - 4,0 мм, короткого отростка - 1,0 мм. Головка молоточка овоидной формы, впадин не имеет. Короткая ножка наковальни треугольной формы, длина 2,8 мм. Тело имеет большую суставную впадину, таким образом, молоточко-наковальневый сустав человека по форме шаровидный [5]. Длинная ножка (З,2 мм) тонкая, на конце имеет крючковидный изгиб. Сустав между молоточком и наковальней обеспечивает достаточно свободный объем движений (по осям ротации слуховых косточек) [З].
Рис. б. Молоточко-наковальневый сустав 7-месячного плода человека.
Обсуждение. Одним из основных симптомов хронического гнойного среднего отита является нарушение функции звуко-проведения за счёт изменения рычажной системы среднего уха (цепи слуховых косточек) [2]. Для восстановления цепи звукопроведения используется тимпанопластика. В литературе имеются сообщения о замещении рычажной системы косточек среднего уха пересадкой косточек трупного материала [1]. Представляет интерес математическая модель возможного применения ортотопической ксенотрансплантации слуховых косточек.
В норме механическая система среднего уха усиливает звуковые колебания в 26 раз. Это достигается двумя факторами. Во-первых, существует разница площадей барабанной перепонки ^1 = 64 мм2) и овального окна ^2 = 3 мм2), равная 20. Во-вторых, система косточек работает как рычаг с выигрышем в силе со стороны внутреннего уха в 1,3 раза. Это значит, что ось наковальни и молоточка Ш) в 1,3 раза длиннее оси стремени ^2). На барабанную перепонку действует звуковое давление р1, обуславливая силу: F1=p1S1. На овальное окно при этом действует сила F2, создающая звуковое давление р2 в жидкой среде: F2 = р2Б2.
Учитывая разность длин осей слуховых косточек, можно записать: F1/F2 = 1_2/Ь, откуда: р2/р1 = S1/S2 • Ь/1_2 = 20- 1,3 = 26, или в логарифмических единицах
ЩБ = 20 1д(р2/р1) = 20 1д 26 = 20 • 1,415 = 28 дБ.
Таким образом, при физиологическом звукопроведении звук от барабанной перепонки до внутреннего уха усиливается в 26 раз, или на 28 дБ [4]. Из расчётов видно, что чем длиннее ось молоточка и наковальни, тем больше звуковое давление, передаваемое в лабиринт.
Нами было подсчитано, что при увеличении оси молоточка и наковальни на 3 мм можно достичь усиления звука.
В норме у человека - L1/L2 = 7/5,4 = 1,3; если L1 = 10 мм, то ЬД2 = 10/5,4 = 1,85; тогда р2/р1 =20 • 1,85 = 37; 1_дБ = 20 1д37 = 31 дБ.
Таким образом, увеличив ось молоточка и наковальни до 10 мм, можно добиться усиления звука на 31 дБ. Для большего усиления звуковых сигналов можно одновременно с увеличением оси молоточка и наковальни воспользоваться вторым механизмом усиления звука - разностью площадей барабанной перепонки и овального окна [7]. Таким образом, увеличивая площадь барабанной перепонки в среднем на 10 мм2, т. е. до 74 мм2, можно достичь ещё большего усиления звука.
При этом ^2 = 74/3 = 25.
Тогда р2/р1 = 25 • 1,85 = 46, 1_дБ = 26 1д46 = 40 дБ.
При одновременном удлинении оси L1 и увеличении барабанной перепонки можно достичь усиления звука в 46 раз, или на 40 дБ.
Выводы
1. Суставы барабанной полости, впервые появившись у птиц, эволюционировали и достигли совершенства у человека. Наиболее совершенной формой молоточко-наковальневого сустава является шаровидная, обеспечивая большой объём движений и оптимальное звукопроведение.
it
ІД і,}
2. Предложенный метод ортотопической ксенотранспланта-ции молоточка и наковальни теоретически может усилить звук на 40 дБ, увеличивая звуковое давление в 46 раз за счёт удлинения оси молоточка и наковальни на 3 мм и увеличения площади барабанной перепонки на 10 мм2.
3. Результаты работы можно применить при изучении цикла медико-биологических дисциплин, основ отохирургии для правильного понимания анатомии и физиологии структур уха
в фило- и онтогенезе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Арс Бернар. Тимпанопластика с применением тимпано-оссикулярного трансплантата (перевод Борисенко О.Н.). Журнал ушных, носовых и горловых болезней 2003; 1.
2. Арефьева Н.А. Клинические лекции по отиатрии. Уфа; 2007.
3. Бабияк В.И., Гофман В.Р., Накатис Я.А. Нейрооториноларингология. СПб, Гиппократ, 2002.
4. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. М., Высшая школа, 1999.
5. Сапин М.Р. Анатомия человека. М., Медицина, 2001.
6. Стратиева О.В. Клиническая анатомия уха. СПб, Спецлит, 2004.
7. Шварцман Н.А. Способ хирургического лечения вторичной сенсонев-ральной тугоухости. Патент Российской Федерации. 2006.
8. Art J.J. Auditory function at the receptor level in reptiles'. Cambridge: Cambridge University Press. 1984.
9. Chung, Shin-Ho, A. Pettigrew and M. Anson. Dynamics of the amphibian middle ear. Nature. 1978; 272.
10. Feng A. S., Shofner W. P. Peripheral basis of sound localisation in anurans, acoustic properties of the frog's ear. Hearing Research. 1981; 5.
