Nieuwe meettechnieken voor studie van gasuitwisseling in het

Faculteit Wetenschappen
Departement Fysica
Onderzoeksgroep BiMeF
Nieuwe meettechnieken voor studie van gasuitwisseling
in het middenoor
Ontwerp van een volumesensor en een helium gasdetector
-
Proefschrift voorgelegd tot het behalen van de graad
Master in de Wetenschappen (Fysica)
aan de Universiteit Antwerpen
te verdedigen door Jef Aernouts
Promotor: Prof. Dr. J.J.J. Dirckx
Copromotor: J.R.M. Aerts
academiejaar 2006-2007
Measure what is measurable, and make measurable what is not so.
Galileo Galilei
ii
Dankwoord
Deze thesis is het eindstation in mijn vierjarige opleiding Fysica aan de Universiteit Antwerpen, en zou nooit gelukt zijn zonder de hulp, de steun en de begeleiding van sommige mensen.
Daarom zou ik graag eerst een dankwoord richten aan zij die mij geholpen hebben zo ver te
geraken.
In de eerste plaats wil ik mijn ouders bedanken. Ma en pa, bedankt om mij in goede en
kwade dagen te steunen in mijn studieloopbaan. Tevens dank voor alle andere steun die
jullie me altijd gegeven hebben. Ook aan mijn twee broers, Jan en Bert, merci voor de toffe
broederschap.
Vervolgens wil ik graag mijn promotor en copromotor bedanken. Een oprechte ‘dank U wel’
aan professor Joris Dirckx en doctorandus Johan Aerts voor de zeer goede academische steun
gedurende mijn thesisjaar. Dank voor de tijd die jullie voor me hadden, ondanks jullie drukke
agenda.
Verder wil ik Jan Buytaert bedanken voor de hulp en goede raad bij mijn thesis. Ook aan
de mannen van het technisch atelier, Fred Wiese, William Deblauwe en Jan Van Hecke, een
dikke merci voor de (praktische) hulp. In het geheel zou ik graag alle mensen betrokken bij
BiMeF willen bedanken voor de toffe sfeer en de goede collegialiteit.
Ook dank aan al mijn klas- en kotgenoten. Dankzij jullie waren de voorbije vier jaar onvergetelijk. De leuke niet-academische momenten met jullie zijn stilaan ontelbaar geworden...
Jef,
25 mei 2007
[email protected]
iii
Voorwoord
Deze thesis is gerealiseerd in het labo van de onderzoeksgroep biomedische fysica (BiMeF)
aan de Universiteit Antwerpen. Binnen het domein van de biomedische fysica zijn zij vooral
gespecialiseerd in onderzoek naar het gehoororgaan en het vestibulair systeem.
Eén van de huidige topics of interest, niet enkel binnen de groep maar op internationaal niveau,
is de gasuitwisseling in het middenoor. Deze fysiologische handeling van het organisme is tot
op heden weinig begrepen. Veel onderzoek wordt uitgevoerd om de gebrekkige kennis aan te
vullen om zo tot een correcte modellering te komen. Eén van de grote struikelblokken hierin
is het vinden van geschikte meetopstellingen.
Vele experimenten worden nog steeds gedaan waarbij men de gasuitwisseling bestudeert door
de druk in het middenoorsysteem te meten in functie van de tijd. Dit brengt echter een aantal
onvermijdbare (technische) fouten met zich mee, die leiden tot systematische afwijkingen in
de resultaten. Bovendien meet men dan de netto gasuitwisseling, die een resultante is van de
diffusie van al de aanwezige gascomponenten.
Daarom stelt deze thesis twee nieuwe meettechnieken voor om onderzoek uit te voeren op
de gasuitwisseling in het middenoor: een hoge resolutie differentiële gasvolume sensor en een
helium gasdetector.
Het eerste hoofdstuk (Inleiding) van de dissertatie bevat een korte inleiding op het topic dat
men met de meettechnieken wil onderzoeken, de gasuitwisseling in het middenoor, gevolgd
door een korte samenvatting van de werking van de twee meettechnieken en een schets van
het geleverde werk.
In hoofdstuk 2 (Anatomie van het oor) wordt de anatomische structuur van het oor behandeld.
Om het middenoor anatomisch te kunnen plaatsen, komt het ganse oor aan bod.
Hoofdstuk 3 (Fysiologie van het middenoor) bespreekt de fysiologie van het middenoor. Eerst
wordt kort de transformatiefunctie toegelicht, waarna uitgebreid wordt ingegaan op de drukregulatie die plaatsvindt door gasuitwisseling.
In hoofdstuk 4 (Hoge resolutie differentiële gasvolume sensor) wordt de eerste meettechniek
besproken. De verschillende componenten worden individueel toegelicht, een theoretische
beschrijving van het detectiemechanisme wordt gegeven waarna een uitvoerige bespreking van
de resultaten aan bod komt. De techniek is gebruiksklaar gemaakt met bijhorende grafische
gebruikersinterface.
iv
v
In hoofdstuk 5 (Helium gasdetector) wordt de tweede zelfgemaakte detector besproken. Eerst
wordt uitgelegd hoe men het toestel kan gebruiken om middenooronderzoek te doen, vervolgens wordt de opbouw van het apparaat toegelicht waarna twee verschillende detectiemethodes met elkaar worden vergeleken. Aanvullend onderzoek is nodig om de techniek effectief
inzetbaar te maken als meetinstrument voor de gasuitwisseling in het middenoor.
In het voorlaatste hoofdstuk (In vivo experiment) wordt beschreven hoe de hoge resolutie differentiële gasvolume sensor gebruikt is om in vivo metingen te doen op een konijn. De resultaten
tonen éénduidig aan dat de techniek ingezet kan worden om fysiologische experimenten uit
te voeren. De correctheid van de data is getest door de resultaten te vergelijken met reeds
uitgevoerde experimenten.
Hoofdstuk 6 (Besluit) bevat het besluit, waarin de twee technieken met elkaar worden vergeleken en de belangrijkste resultaten nog eens op een rijtje worden gezet.
Inhoudsopgave
1 Inleiding
2 Anatomie van het oor
2.1 Inleiding . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Het uitwendig oor . . . . . . . .
2.2.1 De oorschelp . . . . . . .
2.2.2 De uitwendige gehoorgang
2.3 Het middenoor . . . . . . . . . .
2.3.1 Het trommelvlies . . . . .
2.3.2 De middenoorcaviteit . .
2.3.3 De gehoorbeentjes . . . .
2.3.4 De middenoorspiertjes . .
2.4 Het binnenoor . . . . . . . . . . .
2.4.1 Het vestibulum . . . . . .
2.4.2 De semicirculaire kanalen
2.4.3 De cochlea . . . . . . . .
1
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
3 Fysiologie van het middenoor
3.1 Transformatiefunctie . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1 Eigenschappen van geluid . . . . . . . . . . .
3.1.2 Transmissie van geluid naar het binnenoor . .
3.2 Drukregulatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1 Inleiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2 Processen die de middenoordruk beı̈nvloeden
3.2.3 Gevolgen van middenoordruk disregulatie . .
3.2.4 Efficiëntie van middenoor drukregulatie . . .
4 Hoge resolutie differentiële gasvolume sensor
4.1 Inleiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Apparaat . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 Opstelling . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2 Beschrijving van de lichtstralen . .
4.3 Resultaten . . . . . . . . . . . . . . . . . .
vi
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
3
3
4
4
4
5
5
6
7
7
8
8
9
9
.
.
.
.
.
.
.
.
11
11
11
13
13
13
14
16
17
.
.
.
.
.
20
20
21
21
27
30
vii
Inhoudsopgave
4.4
4.3.1 Kalibratie . . . .
4.3.2 Druppeloplossing
4.3.3 Artefacten . . . .
4.3.4 Meetresolutie . .
Besluit . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
5 Helium gasdetector
5.1 Inleiding . . . . . . . . . . . . . .
5.2 Apparaat . . . . . . . . . . . . .
5.2.1 Opstelling . . . . . . . . .
5.2.2 Responstijd . . . . . . . .
5.3 Resonantiemethode . . . . . . . .
5.3.1 Theoretische beschouwing
5.3.2 Praktische uitwerking . .
5.3.3 Resultaten . . . . . . . .
5.4 Fasemethode . . . . . . . . . . .
5.4.1 Theoretische beschouwing
5.4.2 Praktische uitwerking . .
5.4.3 Resultaten . . . . . . . .
5.5 Besluit . . . . . . . . . . . . . . .
6 In vivo experiment
6.1 Opbouw experiment . . . . . .
6.1.1 Inleiding . . . . . . . . .
6.1.2 Proefdier . . . . . . . .
6.1.3 Meetmethode . . . . . .
6.2 Resultaten . . . . . . . . . . . .
6.2.1 Geboord gaatje in bulla
6.2.2 Perforatie trommelvlies
6.3 Besluit . . . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
30
31
33
36
37
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
39
39
41
41
43
44
44
45
46
49
49
51
51
56
.
.
.
.
.
.
.
.
58
58
58
59
59
60
60
62
63
7 Besluit
A Extra informatie bij de differentiële gasvolume sensor
A.1 Lichtbron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.2 Capillair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.3 Capillairhouder met lenzensysteem en CCD . . . .
A.4 PC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bibliografie
64
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
66
66
67
67
69
71
HOOFDSTUK
1
Inleiding
Het gehoorzintuig bij zoogdieren is in staat tot spectaculaire prestaties. Schuuruilen, bijvoorbeeld, kunnen jagen in volledige duisternis afgaande op de zachte geluiden gemaakt door de
prooi. Vleermuizen kunnen nachtvlinders detecteren, opsporen en vangen door gebruik te
maken van gereflecteerde geluidspulsen van enkele tienden van seconden. Hoewel de sensitiviteit van het menselijk gehoororgaan niet zo goed is als bovenstaande, zijn we toch in staat
een familiaire stem te herkennen aan de hand van één uitgesproken woord.
Bij zoogdieren is de geluidsdetectie een complexe functie. Het moet werken tussen twee
omgevingen met verschillende eigenschappen. In de buitenomgeving vormen geluidsgolven de
input. In het interne van het oor zijn het zenuwpulsen die de output vormen. Gedurende het
proces van geluidsdetectie en codering moet het oor dus een complexe transformatiefunctie
uitoefenen.
Eén belangrijke fase van de transformatie gebeurt in het middenoor. Hier worden de geluidsgolven in lucht overgebracht naar de vloeistof van het binnenoor. Het middenoor kan
beschouwd worden als een caviteit, in contact met de keelholte via de buis van Eustachius,
met één beweegbare wand: het trommelvlies. De buis van Eustachius is het meeste van de
tijd toe, zodat ook de caviteit het merendeel van de tijd gesloten is. In de afgesloten kamer
heerst een druk die de werking van de transformatie beı̈nvloedt. De druk wordt telkens bij
slikken en geeuwen dichter bij atmosferische druk gebracht door gasstromen doorheen de buis
van Eustachius, maar variaties treden op als gevolg van gasuitwisseling tussen het middenoor en de bloedvaten rondom de caviteit. Grote afwijkingen van deze variaties leiden tot
pathologieën.
Voor een correcte modellering van het regelsysteem moet de gasuitwisselingssnelheid tussen
de caviteit en het bloed gekend zijn. Men kan die snelheid meten door in het middenoor een
vreemd gas aan te brengen, dat vervolgens zal oplossen in het bloed, en dit bloed terug zal
verlaten via de longen. In functie hiervan stelt deze thesis twee meettechnieken voor.
Hoge resolutie differentiële gasvolume sensor
Een eerste experimentele opstelling laat toe om gasvolumeveranderingen bij quasi-constante
druk te meten. De meettechniek is een verbeterde versie van het werk van Kania R. et al.,
1
Hoofdstuk 1. Inleiding
2
[10], en de primitieve versie werd reeds toegepast tijdens onderzoek van Marcusohn Y., Dirckx
J.J.J. en Ar A., [7].
De setup bestaat uit een horizontaal geplaatst capillair, waarin zich een druppel bevindt.
Langs het ene uiteinde wordt het capillair verbonden met een gesloten caviteit, langs het
andere uiteinde met een lichtbron. Gasvolumeveranderingen in de caviteit zorgen voor een
uitwijking van de druppel. Licht plant zich voort doorheen de relatief dikke capillairwand
als gevolg van interne reflectie, en buigt af wanneer het de druppel tegenkomt. Hier valt het
licht, via een lens, in op een CCD. Via software wordt vervolgens de positie van de druppel
met een zeer hoge resolutie bepaald. Na kalibratie kan men hieruit zeer kleine (≈ 0,06 µl)
volumeveranderingen meten.
Mijn werk bestond uit het programmeren van software die leidt tot een goede meetgevoeligheid
en resolutie, kalibratie van het geheel, het bepalen van de beste experimentele condities (soort
druppel, lengte druppel enz.) en het geven van een theoretische achtergrond bij het apparaat
(drukartefact, lichtbeschrijving enz.).
De opstelling is gebruiksklaar gemaakt en een grafische interface werd geprogrammeerd. Bij
wijze van demonstratie en als bewijs dat het toestel effectief gebruikt kan worden, is het
toestel ingezet bij een in vivo meting op een konijn.
Helium gasdetector
Het tweede apparaat dat werd ontworpen, is een helium gasdetector. De sensor is gebaseerd
op de akoestische geleidbaarheid van een gas in een caviteit.
Het middenoor is gevuld met een gasmengsel dat bestaat uit N2 , O2 , CO2 en H2 O. De akoestische eigenschappen van al deze componenten zijn gelijkaardig. Wanneer men het middenoor
spoelt met helium, zal dit de middenoorcaviteit via het mucosa verlaten. Aangezien de geluidssnelheid en akoestische impedantie van He in grote mate verschilt van die van de typische
middenoorgassen, kan aan de hand van meting van de akoestische parameters de diffusiesnelheid van het middenoorvreemd gas berekend worden. Waar men bij de hoge resolutie differentiële gasvolume sensor de netto gasuitwisseling meet van al de aanwezige gascomponenten,
meet men hier de diffusie van één individuele gascomponent.
De detector bestaat uit een cilindervormige caviteit met in één zijde een luidspreker, aan de
andere zijde een opening om het apparaat te koppelen met een te onderzoeken systeem en in
de mantel een microfoon. De luidspreker levert een ingangssignaal, dat via het systeem (gas
in de caviteit) wordt omgezet en overgebracht naar de microfoon. Twee methodes worden
met elkaar vergeleken om terug te rekenen naar de He-concentratie. De eerste methode is
gebaseerd op verschuivingen van de resonantiefrequentie na het ‘aanslagen’ van het gas in de
caviteit, de tweede op faseverschuivingen tussen een continu in- en uitgangssignaal.
Aanvullend wordt een theoretische achtergrond bij beide detectiemethodes gegeven (meetmethode, signaalverwerking), de praktische uitwerking wordt behandeld (instellingen van de
verschillende componenten, meetsoftware) en de eerste resultaten worden besproken. Aanvullend onderzoek is nodig om de techniek effectief inzetbaar te maken als meettoestel voor
de gasuitwisseling in het middenoor.
HOOFDSTUK
2
Anatomie van het oor
Het middenoor is één van de drie subeenheden van het zoogdierlijk gehoororgaan. De belangrijkste functie ervan is geluidstrillingen uit de omgeving overbrengen naar de vloeistof
van het binnenoor.
Om het middenoor anatomisch te plaatsen, wordt het ganse oor besproken. Dit betekent dat
zowel het uitwendig oor, het middenoor als het binnenoor aan bod komt. Het menselijk oor
wordt, zijnde het meest relevant, als voorbeeld genomen. Een meer gedetailleerde uitwerking
vindt men in [1], [2], [3] en [4].
2.1 Inleiding
Figuur 2.1: Schematische weergave van het menselijk oor.
Het gehoororgaan is, naast bijvoorbeeld de ogen en de neus, één van de zintuigen van de
mens. Het is een fysiologisch middel dat het organisme in staat stelt tot de perceptie van
geluidsgolven. Deze informatie geeft de mens de mogelijkheid een bepaald gedeelte van de
werkelijkheid waar te nemen. De mens heeft, net zoals alle andere zoogdieren, twee oren.
3
Hoofdstuk 2. Anatomie van het oor
4
Het klein verschil in detectietijd tussen geluidsgolven die op de twee oren invallen verschaft
informatie over de positie van de geluidsbron.
Het gehoorzintuig wordt op anatomische en fysiologische gronden als volgt ingedeeld (Figuur
2.1):
• het uitwendig oor: oorschelp, uitwendige gehoorgang;
• het middenoor: trommelvlies, middenoorcaviteit, gehoorbeentjes, middenoorspiertjes,
buis van Eustachius;
• het binnenoor: cochlea en vestibulair systeem.
2.2 Het uitwendig oor
Het uitwendig oor bestaat uit de oorschelp en de uitwendige gehoorgang (Figuur 2.2). Het
geleidt geluidsgolven uit de omgeving naar het middenoor.
Figuur 2.2: Schematische weergave van het uitwendig oor (grijs).
2.2.1 De oorschelp
De oorschelp is een grillig gevormd stuk kraakbeen dat is bedekt met huid en een min of meer
sterk ontwikkeld aanhangsel (de oorlel) dat geheel uit vet en huid bestaat. De functie van
de oorschelp is bij de mens gering. Het heeft een beperkte geluidsopvangende functie, vooral
voor hoge tonen, en draagt hierbij enigszins bij tot de richtingsbepaling tijdens het horen.
2.2.2 De uitwendige gehoorgang
De uitwendige gehoorgang is ongeveer 2, 5 cm lang en de diameter varieert rond 0, 6 cm, [3].
Het is een kanaal dat de oorschelp met het trommelvlies verbindt. Vlak voor het trommelvlies
verwijdt de gehoorgang zich een beetje. Als gevolg hiervan kan zich na zwemmen of wassen
water vlak voor het trommelvlies ophopen.
Hoofdstuk 2. Anatomie van het oor
5
De functie van de gehoorgang is in de eerste plaats bescherming tegen beschadiging van
buiten. De haren aan de ingang en de trechtervorm dragen hiertoe bij.
2.3 Het middenoor
Geluidsgolven worden, nadat ze zijn opgevangen door de oorschelp, via de gehoorgang naar
het middenoor geleid. Het middenoorsysteem brengt deze drukgolven over op de vloeistof van
het binnenoor. Een gedetailleerde fysiologische beschrijving van het middenoor vindt men in
hoofdstuk 3.
Het middenoor bestaat uit het trommelvlies, de buis van Eustachius en de luchthoudende middenoorcaviteit met de drie gehoorbeentjes (hamer, aambeeld en stijgbeugel) en twee
middenoorspiertjes (Figuur 2.3).
Figuur 2.3: Schematische weergave van het middenoor.
2.3.1 Het trommelvlies
Luchtdrukvariaties in de uitwendige gehoorgang doen het trommelvlies, ook wel tympanisch
membraan genoemd, bewegen. Het trommelvlies op zijn beurt brengt de geluidsenergie over
op de gehoorbeentjes. Het begrenst de middenoorcaviteit aan de laterale zijde, en isoleert de
holte op deze manier van het uitwendig gehoorkanaal.
Het membraan wordt verdeeld in de stugge pars tensa en de dunne, daarboven gelegen, veel
kleinere pars flaccida. De pars tensa bestaat uit drie lagen, die samen voor de stevigheid en
elasticiteit van het membraan zorgen. De pars flaccida is minder stevig door een ongestructureerde bouw (Figuur 2.4).
Het trommelvlies heeft een kegelvormige stand. Het midden wordt gevormd door het uiteinde
van de hamersteel, de umbo. De hamersteel bevindt zich hecht verankerd in de bindweefsel-
Hoofdstuk 2. Anatomie van het oor
6
Figuur 2.4: Schematische weergave van het trommelvlies.
laag. Ter hoogte van de hamerhals bevinden zich twee horizontaal verlopende ligamenten, die
de grens vormen tussen de pars tensa en pars flaccida.
2.3.2 De middenoorcaviteit
De middenoorcaviteit is een kleine, met gas gevulde holte die zich in het temporaal bot
bevindt. Het gemiddelde totale gasvolume bij de mens bedraagt 6 ml, [11]. Bij het New
Zealand wit konijn, een veel gebruikt proefdier bij middenoorexperimenten, is het totale
volume 300 µl, [7]. In de laterale wand van de holte ligt het trommelvlies. In de mediale
wand bevinden zich twee openingen die naar het binnenoor leiden: het ovale venster en het
ronde venster. In het ovale venster staat de voetplaat van het laatste gehoorbeentje, de
stijgbeugel, die zorgt voor een vloeistofdrukgolf in het binnenoor. In het ronde venster zit het
‘tweede tympanisch membraan’ ingespannen, dat uitwijkt bij beweging van het ovale venster
om de vloeistofverplaatsingen op te vangen.
Naar voren loopt de middenoorcaviteit door in de buis van Eustachius. Deze tube verbindt
de middenoorcaviteit met het nasopharynx, het achterste deel van de neus- en keelholte. De
uitmonding van de buis van Eustachius is het meeste van de tijd gesloten en laat enkel een
peristaltische injectie van gas aanwezig in het nasopharynx toe bij geeuwen of slikken. Bij
voldoende grote drukken opent de buis zich volledig. Tijdens opening wordt voor verversing
van het middenoorgas en gelijke druk aan beide kanten van het trommelvlies gezorgd. Al
deze factoren zijn belangrijk voor een goede transformatiefunctie, zie hoofdstuk 3.
Naar achter gaat het bovenste deel van de middenoorcaviteit over in het antrum mastoideum.
Dit is een ronde ruimte waarin talrijke kleine holtes, de mastoı̈dale cellen, uitmonden. Deze
met lucht gevulde en met slijmvlies (mucosa) beklede ruimten vormen een stelsel van kamertjes, die het volume van de caviteit vergroten. Sommige dieren, zoals bijvoorbeeld ratten
en konijnen, hebben geen mastoı̈dale cellen. De caviteit wordt hier omhuld door een bolvormig bot, bulla genaamd. Gasuitwisseling tussen het middenoor en het bloed gebeurt via
het mucosa. Een verstoorde gasuitwisseling wordt in verband gebracht met pathologieën van
trommelvlies (oa. retraction pockets) en middenoor.
Hoofdstuk 2. Anatomie van het oor
7
2.3.3 De gehoorbeentjes
De drie gehoorbeentjes, opgehangen in de middenoorcaviteit, vormen samen met het trommelvlies het mechanisme voor de geleiding van het geluid (Figuur 2.5).
Figuur 2.5: Schematische weergave van de drie gehoorbeentjes.
De hamer (malleus) bevindt zich met zijn steel in het trommelvlies en is via de hals met
de kop verbonden. Deze heeft een zadelvormig gewrichtsvlak, waartegen het lichaam van
het aambeeld (incus) is gelegen. Het lange been van het aambeeld is via een echt gewricht
verbonden met de kop van de stijgbeugel (stapes). De voetplaat van de stijgbeugel bedekt
het ovale venster. Meerdere met de wand verbonden ligamenten houden de gehoorbeentjes
op hun plaats.
De gehoorbeentjes geleiden de door de geluidsgolven ontstane trilling van het trommelvlies
naar het binnenoor. Daarbij voeren hamer en aambeeld een soort hefboombeweging uit en de
stijgbeugel een schommelbeweging, zie hoofdstuk 3. De voetplaat van de stijgbeugel brengt
de trillingen over op de vloeistof in de cochlea.
2.3.4 De middenoorspiertjes
Aan de gehoorketen zijn twee spiertjes bevestigd:
• de musculus stapedius die vanuit een benige uitbochting uit de achterwand van het
middenoor naar de kop van de stijgbeugel loopt;
• de musculus tensor tympani, die van de mediale wand naar de hals van de hamer loopt.
Beide spieren reguleren de spanning van het geleidingsapparaat. De musculus tensor tympani
trekt het trommelvlies naar binnen en drukt de stijgbeugel in het ovale venster. Hij maakt
het gehoorsysteem zo gevoeliger. De musculus stapedius trekt de stijgbeugel uit het ovale
venster en veroorzaakt zo een verzwakking van de geluidsoverdracht. De twee spieren zijn
Hoofdstuk 2. Anatomie van het oor
8
dus antagonisten. Wanneer de oren blootgesteld worden aan zeer hoge geluidsintensiteiten,
trekken de twee spieren op een zodanige wijze samen dat ze beschadiging van de receptorcellen
in de cochlea voorkomen.
2.4 Het binnenoor
Het binnenoor wordt ook het labyrint genoemd. Het ligt diep in het temporaal bot, en
verstrekt zodus een veilige omgeving voor de delicate receptoriële eenheid. Het binnenoor
heeft twee functies:
• omzetting van vloeistofgolven in zenuwpulsen die wij ervaren als geluid;
• hoofdverplaatsingen detecteren (evenwichtsfunctie).
Men onderscheidt twee delen: het benig labyrint en het membraneus labyrint. Het benig
labyrint is een systeem van kronkelende kanalen doorheen het bot, en is op zichzelf ingedeeld
in het vestibulum, de cochlea en de drie semicirculaire kanalen (Figuur 2.6). Het membraneus
labyrint is een continue opeenvolging van holtes en kanalen dat binnenin het benig labyrint
ligt.
Het benig labyrint is gevuld met perilymfe. Het membraneus labyrint vlot in dit perilymfe,
en is gevuld met endolymfe. De twee vloeistoffen geleiden de geluidsgolven en ondervinden
een inertie na hoofdbewegingen.
Figuur 2.6: Schematische weergave van het binnenoor.
2.4.1 Het vestibulum
Het vestibulum is de centraal gelegen eivormige caviteit van het benig labyrint. Het ligt
posterior ten opzichte van de cochlea, anterior ten opzichte van de semicirculaire kanalen en
het ligt mediaal naast het middenoor. In de laterale zijde bevindt zich het ovale venster.
Hoofdstuk 2. Anatomie van het oor
9
Het vestibulum bestaat uit twee vliezige delen die met elkaar in contact staan: sacculus en
utriculus. Beide organen beschikken over een sensoriële zone met haarcellen. Ze detecteren
zwaartekracht en translaties van het hoofd.
2.4.2 De semicirculaire kanalen
De semicirculaire kanalen liggen posterior en lateraal ten opzichte van het vestibulum. Elk
kanaal omschrijft tweederde van een cirkel, en elk is ongeveer georiënteerd volgens één van de
drie orthogonale hoofdvlakken. Het uiteinde van de kanalen toont een verdikking: de ampulla.
Deze bevat een sensoriële zone. De drie semicirculaire organen detecteren hoofdversnellingen
langs de drie rotatiehoeken van het hoofd.
Het vestibulum vormt samen met de drie semicirculaire kanalen het perifeer vestibulair systeem.
2.4.3 De cochlea
De cochlea of benig slakkenhuis is een spiraalvormige benige kamer. Het reikt uit vanuit het
anterior van het vestibulum, en heeft tweeëneenhalve winding om een kegelvormige as.
Figuur 2.7: Schematische weergave van een doorsnede de slakkenhuisgang.
De slakkenhuisgang bevat de met endolymfe gevulde scala media. Daarboven ligt de scala
vestibuli en daaronder de scala tympani, die beide perilymfe bevatten. De onderwand van
de scala media wordt gevormd door de basilaire plaat, waarop het receptoriële apparaat, het
orgaan van Corti, ligt (Figuur 2.7).
Hoofdstuk 2. Anatomie van het oor
10
De trillingen van de geluidsgolven, die via trommelvlies en gehoorbeentjes door het ovale
venster op de perilymfe worden overgedragen wekken bewegingen van de vloeistof op. Deze
lopen door de scala vestibuli omhoog en door de scala tympani omlaag tot het ronde venster,
waar de bewegingspulsen opgevangen worden. De vloeistofbeweging leidt tot trillingen van
het basilaire membraan. De plaats van de maximale uitslag van het basilaire membraan
(en daarmee van de prikkeling van het receptorische orgaan van Corti) is afhankelijk van de
frequentie van de lopende golf. Bij hoge frequenties (tot 20000 Hz) blijven de golven in de
basale windingen, bij lage frequenties (tot 20 Hz) bereiken ze de bovenste windingen.
De cochlea voorziet de laatste stap in de transformatiefunctie: omzetten van mechanische
vloeistofgolven in elektrofysiologische zenuwpulsen.
HOOFDSTUK
3
Fysiologie van het middenoor
Deze thesis beschrijft meettechnieken voor monitoring van biomedische gasuitwisselingsprocessen, met name deze van het middenoor. Dit hoofdstuk is daarom enkel toegespitst op de
fysiologie van het middenoor.
De belangrijkste functie van het middenoorsysteem is geluidstrillingen overbrengen van gas
in de omgeving naar de vloeistof van het binnenoor. Deze transformatie wordt uitgeoefend
door het trommelvlies, langs de gehoorbeentjes tot het ovale venster, en is afhankelijk van de
druk die heerst in de middenoorcaviteit.
In dit hoofdstuk wordt kort de transformatiefunctie toegelicht. Vervolgens wordt de drukregulatie, die tot op heden slechts amper begrepen is, uitvoerig besproken. Een slecht functioneren van het drukregelsysteem leidt tot gehoorverlies en pathologieën. De twee technieken
vooropgesteld in deze thesis zijn uitermate geschikt voor metingen van de drukregulatie. Meer
informatie over sectie 3.1 vindt men in [1], [2] en [3]. Sectie 3.2 is vooral gebaseerd op [7], [8]
en [9].
3.1 Transformatiefunctie
3.1.1 Eigenschappen van geluid
Een geluidsgolf wordt opgewekt door een vibrerend voorwerp, en plant zich voort doorheen
een medium als lokaal alternerende drukvariaties. Het zijn deze variaties in luchtdruk die wij
ervaren als geluid. Een geluidsgolf wordt gekenmerkt door een frequentie en een amplitude.
De voortplanting van geluid is afhankelijk van de elasticiteit van het medium waarin de golf
propageert. De geluidssnelheid in lucht varieert rond 346 m/s (25 ◦ C), in helium bijvoorbeeld
wordt dit 965 m/s (25 ◦ C), [24].
De frequentie ν en golflengte λ van een geluidsgolf zijn verbonden door volgende relatie: c =
λν, waarin c de geluidssnelheid voorstelt. Hoe korter de golflengte, hoe hoger de frequentie. De
frequentieband die mensen kunnen horen loopt van 20 tot 20000 Hz. Onze oren zijn het meest
gevoelig voor geluiden tussen 1500 en 4000 Hz. In dit interval kunnen we frequentieverschillen
van 2 tot 3 Hz onderscheiden.
11
12
Hoofdstuk 3. Fysiologie van het middenoor
De intensiteit van een geluidsgolf is gedefinieerd als het geluidsvermogen per oppervlakteëenheid, en wordt gegeven door
1
I=
T
Z
T
p(t)v(t)dt
(3.1)
0
met p de instantane geluidsdruk en v de instantane deeltjessnelheid. T is het voldoende grote
tijdsinterval waarover geı̈ntegreerd wordt. De geluidsintensiteit kan ook uitgedrukt worden
in functie van de akoestische impedantie Z:
I=
p2
Z
(3.2)
De akoestische impedantie van een medium is gedefinieerd als p/v, de verhouding tussen de
geluidsdruk en de deeltjessnelheid. In lucht geldt: Zlucht = 4.102 Pa.s/m. Het verschil in impedantie tussen twee media bepaalt hoeveel procent van de geluidsenergie gereflecteerd wordt.
Bij een klein verschil is er veel transmissie, bij een groot verschil is er veel reflectie. Omdat er
een groot impedantieverschil is tussen de vloeistof van het binnenoor en de lucht waarin de
originele geluidsgolf propageert, zou men niets kunnen horen zonder de impedantieaanpassing
van het middenoor.
Onze perceptie van geluidsintensiteit is logaritmisch: een vertienvoudiging in intensiteit wordt
door onze hersenen waargenomen als een verdubbeling in geluidssterkte. Daarom wordt
geluidssterkte voorgesteld in een decibel-schaal. Er dient wel opgemerkt te worden dat bij
frequenties voldoende ver van het midden van de hoorbare frequentieband er een afwijking
optreedt van deze schaling. Een curve met exacte respons vindt men in [6]. In functie van de
intensiteit wordt de decibel-schaal de ‘Sound Intensity Level’:
SIL = 10 log
I
;
I0
[SIL] = dBsil
(3.3)
De constante I0 is vastgelegd op 10−12 W/m2 , dit is de laagste geluidsintensiteit die mensen nog kunnen horen, zodat een SIL van 0 dBsil overeenkomt met de drempelwaarde voor
waarneming bij normale oren. Elke toename van 10 dBsil stelt een vertienvoudiging van geluidsintensiteit voor, wat waargenomen wordt als een verdubbeling in geluidssterkte. Met
andere woorden, de meeste mensen zullen een geluid van 20 dBsil dubbel zo luid ervaren als
een geluid van 10 dBsil .
Een meer gebruikte berekeningswijze van geluidssterkte is de ‘Sound Pressure Level’. Vervangen van I door p2 /Z en I0 door p20 /Z in (3.3) geeft:
SPL = 10 log
p2
p
= 20 log ;
2
p0
p0
[SPL] = dBspl
(3.4)
Uit (3.2) volgt:
p0 =
I0 Z = 2.10−5 Pa
p
(3.5)
voor een golf in lucht (Z = Zlucht ). Merk op dat de waarde voor SPL en SIL altijd dezelfde is,
voor een geluidsgolf in dezelfde omgeving, zodat het in feite niet uitmaakt welke voorstelling
men gebruikt.
Hoofdstuk 3. Fysiologie van het middenoor
13
Het normale bereik voor het menselijk oor, uitgedrukt in dB, gaat van 0 dB tot 140 dB. 0 dB
is de drempelwaarde voor geluidservaring, 120 dB wordt pijnlijk waargenomen en 140 dB is
uiterst gevaarlijk voor het gehoororgaan. Een normale conversatie gebeurt bij 60 dB, een
hevige rockband speelt muziek rond 120 dB.
3.1.2 Transmissie van geluid naar het binnenoor
Het middenoorsysteem brengt de luchttrilling over op de vloeistof van het binnenoor. Normaal
treedt bij de trillingsoverdracht van lucht naar water een verlies op van 30 dB, wat wil zeggen
dat slechts 0, 1% van de geluidsintensiteit aan de vloeistof wordt overgedragen. De rest van
de energie wordt geflecteerd. Het middenoorsysteem heeft als functie dit verlies te beperken.
Het functioneert als een transformator die het verschil in akoestische impedantie tussen lucht
en middenoorvloeistof overbrugt.
Luchttrillingen bereiken via de uitwendige gehoorgang het trommelvlies, en doen dit trillen.
Hoe groter de intensiteit, hoe groter de verplaatsing van het membraan. De beweging van
het trommelvlies wordt versterkt en getransfereerd naar het ovale venster door de gehoorbeentjes. Hamer, aambeeld en stijgbeugel functioneren hier als een hefboomsysteem, met een
versterkingsfactor van 1,2, [1].
Omdat het trommelvlies een oppervlak (≈ 65 mm2 ) heeft dat 17 tot 20 maal groter is dan
dat van het ovale venster (≈ 3 mm2 ), is de druk die uitgeoefend wordt op het ovale venster
ongeveer 20 keer groter dan die op het trommelvlies, [1]. Het oppervlakteverschil samen met
het hefboomsysteem zorgt voor de transformatiefunctie.
De efficiëntie van de transmissie bij een normaal functionerend middenoorsysteem bedraagt
ongeveer 28 dB, [1]. Vergeleken met het 30 dB verlies dat normaal optreedt bij geluidsoverdracht tussen lucht en vloeistof, kan men besluiten dat het middenoor nagenoeg als een
perfecte impedantie-wisselaar functioneert.
3.2 Drukregulatie
3.2.1 Inleiding
Het middenoor is een gesloten caviteit, dewelke kan onderverdeeld worden in drie subeenheden die met elkaar communiceren: het anterior gedeelte van de buis van Eustachius, de
tussenliggende middenoorcaviteit die de gehoorbeentjes bevat en de posterior gelegen mastoı̈dale cellen. Drukverschillen tussen het middenoor en de omgeving en/of de aanwezigheid
van vloeistof in het normaal gezien met gas gevulde middenoor bemoeilijken beweging van
zowel het trommelvlies als het ronde venster. Dit leidt tot een slechtere energietransfer, wat
waargenomen wordt als gehoorverlies.
Voor een normale middenoorfunctie dient de luchtdruk in de middenoorholte gelijk te zijn
aan die van de buitenlucht. In tegenstelling tot wat men vroeger dacht, is de buis van
Eustachius het merendeel van de tijd gesloten (behalve bij slikken, geeuwen en overdrukken
vanaf 2 kPa), zodat het middenoor meestal geı̈soleerd is van de omgeving. Het functioneel
14
Hoofdstuk 3. Fysiologie van het middenoor
vereiste evenwicht wordt constant verstoord door fluctuaties in omgevingsdruk: veranderende
weersomstandigheden, het nemen van de lift, ademen door de neus, een duik nemen in het
water... Sommige veranderingen zijn traag, andere snel, en de amplitude kan verschillen
van grootteorde Pascals tot enkele kiloPascals. Bovendien leidt gasuitwisseling door diffusie
tussen middenoor en mucosa tot de opbouw van een onderdruk (zie verder). Daarom is, om de
gasgevulde middenoorkamer (vooral N2 , O2 , CO2 en H2 O) dicht bij omgevingsdruk te houden,
een drukregulatie vereist. In wat volgt worden de verschillende processen die bijdragen tot
middenoor drukregulatie geëvalueerd. In dit opzicht wordt drukregulatie gedefinieerd als
het geheel van mechanismen die bijdragen tot het onderhouden van een zo klein mogelijk
drukverschil tussen omgeving en de middenoorcaviteit:
E(∆pam ) → 0
(3.6)
met E(∆pam ) de verwachte waarde voor het drukverschil tussen omgeving en middenoor.
3.2.2 Processen die de middenoordruk beı̈nvloeden
Het grootste gedeelte van het middenooroppervlak wordt afgebakend door met slijmvlies bedekt temporaal bot, waardoor de ruimte beschreven kan worden als een niet-samendrukbare
biologische gascaviteit. De kleine verplaatsingen van het trommelvlies worden hierbij genegeerd. De druk in de kamer is, volgens de ideale gaswet p = nRT /V , bij constante temperatuur een functie van n/V . Gastransfers uit de holte weg of naar de holte toe veranderen de
druk.
Figuur 3.1: Schematische weergave van de vier compartimenten die gas kunnen uitwisselen
met het middenoor en de partieeldrukken (in mmHg) van de gassen voor de
verschillende compartimenten, [8].
Zoals te zien in Figuur 3.1, kan een gezond middenoor gas uitwisselen met vier aangrenzende compartimenten: het bloed via het mucosa, het binnenoor via transfers door het ronde
venster, de omgeving via transfers door het trommelvlies en het nasopharynx via de buis van
Eustachius.
Hoofdstuk 3. Fysiologie van het middenoor
15
Gasuitwisseling door één van de eerste drie routes is een passief bidirectioneel diffusieproces.
Voor elke van deze drie mogelijkheden is de verwachte waarde voor de totaaldruk van het
middenoor de som van de middenoorholte evenwichtspartieeldrukken van de verschillende
gassen:
X
(E(pmeg ))
(3.7)
E(pme ) =
gassen
met E(pme ) de verwachte waarde voor de totaaldruk in de middenoorcaviteit en pmeg de
partieeldruk van een specifiek fysiologisch gas in dat compartiment. Van de drie passieve
uitwisselingsroutes bevordert enkel gasdiffusie door het trommelvlies een drukverschil van
E(pam ) = 0 mmHg. Uitwisseling via mucosa of door het ronde venster leidt tot de opbouw
van een middenoor onderdruk ten opzichte van de omgeving.
Anderzijds is uitwisseling door de buis van Eustachius een bidirectionele, totaaldrukafhankelijke gastransfer van gemengd gas. Deze route vereist actieve, door spieren gecontroleerde
opening. Net zoals gasdiffusie door het trommelvlies, bevordert uitwisseling langs de buis
van Eustachius een drukverschil E(pam ) = 0 mmHg, en bij definitie (3.6) zijn beide manieren
drukregulerend.
Middenoor drukregulatie door uitwisseling via de buis van Eustachius
Als gevolg van een periluminale overdruk (4 tot 12 mmHg) die heerst in het weefsel dat de
buis van Eustachius begrenst, sluit de doorgang zich zodat de middenoorcaviteit bij normale
omstandigheden gesloten is. Hierdoor is een actief openingsmechanisme nodig om drukregulatie te realiseren. De werking van dit mechanisme staat nog steeds ter discussie. Consensus
bestaat wel over het feit dat de tensor veli palatini spier (mTVP) in hoofdzaak opening regelt,
terwijl de levator veli palatini spier (mLVP) een bijrol heeft.
In het simpelste geval wordt de buis van Eustachius geopend bij samentrekking van de mTVP
tijdens geeuwen of slikken. Experimenteel blijkt dat ook bij overdrukken van 2 kPa de tube
opent. Ongeacht het specifieke mechanisme kan men besluiten dat kortstondige, spiergestuurde opening van de buis van Eustachius het middenoor blootstelt aan het nasopharynx. Dit
laat een totaaldrukafhankelijke peristaltische beweging toe van gasvolumes tussen het nasopharynx en het middenoor. Omdat deze uitwisseling het middenoor-omgeving drukverschil
verkleint, is actieve opening bij definitie drukregulerend.
Middenoor drukregulatie door diffusie via het mucosa
Een belangrijk onderzoeksdomein in hedendaagse middenoorfysiologie is de gasuitwisseling
tussen de middenoorcaviteit en het bloed via het mucosa, bijvoorbeeld [7] en [9]. Voor een
normaal middenoor zijn de partieeldrukken van O2 , CO2 en H2 O quasi in evenwicht met
het bloed, terwijl de N2 partieeldruk van het middenoor die van het bloed met ongeveer
50 mmHg overstijgt (Figuur 3.1). Hierdoor wordt, indien de buis van Eustachius gesloten
is, een onderdruk opgebouwd als gevolg van een N2 -diffusie vanuit de middenoorcaviteit weg
naar het bloed. Uitwisseling via het mucosa is bijgevolg niet drukregulerend.
Veel onderzoek op gasuitwisseling via het mucosa wordt uitgevoerd om tot een correcte modellering te komen. Men schakelt het openingsmechanisme van de buis van Eustachius uit,
Hoofdstuk 3. Fysiologie van het middenoor
16
en tracht vervolgens gasuitwisseling met het mucosa te bepalen. Dit kan men bijvoorbeeld
doen door de middenoorcaviteit te spoelen (flushen) met een vreemd gas via perforatie door
het trommelvlies. De twee technieken vooropgesteld in deze thesis zijn uitermate geschikt
voor meting van deze transfers: de eerste laat toe zeer nauwkeurig volumeveranderingen te
bepalen, de andere verandering in gassamenstelling te detecteren.
Uit studies van Kania R. et al, [9], blijkt dat na het spoelen met omgevingslucht (78% N2 ,
21% O2 en 1% H2 O, CO2 ...), er een snelle CO2 -diffusie is van het bloed naar het middenoor,
gevolgd door een trage N2 -transfer vanuit de caviteit weg. De onderzoekers stelden een
theoretisch model op, dat de waarnemingen goed beschrijft. Uit deze resultaten besluit men
dat stikstofgas de limiterende factor in het uitwisselingsproces is. Een volgende stap zal
zijn om de druk te reduceren, en te kijken of er mechanismen optreden die de pompsnelheid
regelen. Het model kan bruikbaar zijn om regulatie in pathologische condities te bekijken.
Middenoor drukregulatie via gastransfers doorheen het trommelvlies en ronde venster
Het trommelvlies is een drielagig membraan dat de middenoorcaviteit langs de laterale zijde
begrenst, en de ruimte zo isoleert van de uitwendige gehoorgang. De grootte van gasuitwisseling door het membraan is een functie van partieeldrukverschillen tussen de gassen in het
middenoor en die in de omgeving, de diffusieconstanten en oplosbaarheid van deze gassen in
het trommelvlies en het oppervlak en dikte van de membraanstructuur. Hoewel veel van deze
parameters nooit direct gemeten zijn voor mensen of dieren, hebben experimenten aangetoond
dat het membraan inderdaad permeabel is voor verschillende gassen, [16]. Hoe dan ook, de
grootte van gasuitwisseling is zeer klein, en deze transfers kunnen onder normale omstandigheden het netto volumeverlies door uitwisseling met het bloed via mucosa niet balanceren.
Gastransfers doorheen het trommelvlies zijn dus niet effectief drukregulerend. Als gevolg hiervan is het, bijvoorbeeld, nodig het middenoor te perforeren om grote middenoor-omgeving
drukverschillen op te heffen bij slechte werking van de buis van Eustachius.
Uitwisseling via het ronde venster is, net zoals bij het trommelvlies, verwaarloosbaar en wordt
daarom niet verder besproken.
Een ander mechanisme dat, in beperkte mate, bijdraagt tot drukregulatie is de flexibiliteit van
het trommelvlies: een deformatie van het membraan veroorzaakt een volumeverandering van
de middenoorcaviteit en kan daardoor snelle drukveranderingen compenseren. In het verleden
werd de pars flaccida als effectief drukregulerend beschouwd. Meer recentere resultaten uit
diermodellen tonen aan dat de pars flaccida volumeveranderingen kleiner dan 0, 2% van het
middenoorvolume toelaat. Hierdoor wordt de bufferfunctie gelimiteerd tot ≈ 200 Pa, [13].
3.2.3 Gevolgen van middenoordruk disregulatie
Zoals hierboven beschreven, zijn er slechts twee routes waarlangs het middenoor gasvolume
verandert onder normale fysiologische condities:
• uitwisseling van gemengd gas tussen het nasopharynx en de middenoorcaviteit tijdens
spiergestuurde opening van de buis van Eustachius;
Hoofdstuk 3. Fysiologie van het middenoor
17
• diffusie van gassen tussen de middenoorcaviteit en het bloed, via het mucosa, als gevolg
van partieeldrukverschillen tussen beide compartimenten.
De netto resultante van beide routes is tegengesteld: een aanvoer via de buis van Eustachius
en een leegloop via het mucosa (vooral N2 ).
Vele studies hebben het effect op middenoordruk onderzocht na uitschakeling van gasuitwisseling via de buis van Eustachius, bijvoorbeeld [17]. Alle onderzoeken resulteerden in de opbouw
van een onderdruk, ontsteking van het mucosa en een vochtophoping in de middenoorcaviteit (effusie). De opbouw van een onderdruk en het ontstaan van effusie werden ongedaan
gemaakt na herinschakeling van de buis van Eustachius.
Het ontstaan van effusie werd door Politzer beschreven als gevolg van vier causaal opeenvolgende gebeurtenissen: absorptie van middenoorgas in het mucosa (vooral N2 ), een resulterende middenoor onderdruk, een verhoogde permeabiliteit van het mucosa voor fluı̈da uit het
rondom liggende middenoorweefsel en een doorsijpeling van mucosaal vocht in de middenoorcaviteit onder invloed van de weefseldruk (ptis ). De doorsijpeling gebeurt bij een onderdruk
(kritische druk) van ongeveer −20 mmHg, en veroorzaakt gehoorverlies.
3.2.4 Efficiëntie van middenoor drukregulatie
Zowel een drukverschil tussen het middenoor en de omgeving als het optreden van effusie leidt
tot een slechtere akoestische koppeling met gehoorverlies als gevolg. Effectieve drukregulatie
houdt de absolute waarde van het middenoor-omgeving drukverschil onder de kritische waarde
voor gehoorverlies (∆pcrit1 , > 0) en de middenoor-weefsel drukgradiënt boven de kritische
waarde die leidt tot effusie (∆pcrit2 , < 0). De weefseldruk ptis kan geschreven worden in
functie van de omgevingsdruk pamb als volgt:
ptis = pamb + K
(3.8)
met K een positieve constante. Effectieve drukregulatie kan nu geherdefinieerd worden in
functie van de twee kritische drukken:
|pme − pamb | < ∆pcrit1
E(pme − ptis ) > ∆pcrit2
(3.9)
De laatste uitdrukking in (3.9) kan met behulp van (3.8) ook geschreven worden in functie
van het middenoor-omgeving drukverschil:
E(pme − pamb ) > ∆p0crit2
(3.10)
met ∆p0crit2 = ∆pcrit2 + K. Experimenteel blijkt dat het middenoor-omgeving drukverschil
dat leidt tot gehoorverlies veel kleiner is dan het drukverschil dat leidt tot effusie: |∆pcrit1 | <
|∆p0crit2 |. Verder wordt daarom pcrit gebruikt, dé kritische waarde die leidt tot gehoorverlies.
In Figuur 3.2 wordt het fysisch model van middenoor gasuitwisseling schematisch weergegeven. De drie compartimenten waartussen uitwisseling optreedt (omgeving, middenoor en
bloed) worden afgebeeld als vaten met een bepaald volume vloeistof, wat de gasinhoud van
het compartiment voorstelt. De inhoud van het omgevingsvat is veel groter dan dat van het
Hoofdstuk 3. Fysiologie van het middenoor
18
Figuur 3.2: Fysisch model van gasuitwisseling tussen omgeving, middenoor en bloed. De
drie compartimenten worden voorgesteld als vaten, de buis van Eustachius als
een ventiel, verschillen in omgevingsdruk door een spuit (S1) en uitwisseling via
het mucosa door een afvoerkanaal. De hoogte van de vloeistofkolom is een maat
voor de compartimentsdruk, de hoogte van de mast voor het drukverschil tussen
omgeving en middenoorweefsel en de diepte van de kiel met de onderdruk die leidt
tot pathologie, [8].
bloedvat, hetgeen op zijn beurt een groter volume heeft dan het middenoorvat. Het omgevingsvat grenst links aan spuit S1 die de verandering in omgevingsdruk toelaat, en is aan
de andere kant verbonden met het middenoor via een ventiel dat de buis van Eustachius
voorstelt. De overdruk die heerst in het weefsel rondom de buis van Eustachius, die zorgt
voor een sluiting van de doorgang, wordt voorgesteld met behulp van spuit S2. Het middenoorvat communiceert met het bloed via een afvoerkanaal voorzien van een klep. Dit stelt de
uitwisselingsroute via het mucosa voor.
De hoogte van de vloeistofkolom in elk vat is een maat voor de compartimentsdruk. De
hoogte van de mast op de boei correspondeert met het constant drukverschil tussen het
middenoorweefsel en de omgeving (K in (3.8)). De diepte van de kiel komt overeen met de
onderdruk ten opzichte van de omgeving die leidt tot pathologie (pcrit op tekening).
Wanneer de buis van Eustachius gesloten is, begint de vloeistof in de middenoorkolom te
zakken tot op het niveau van het afvoerkanaal en heeft de vloeistof de kiel van de boei gepasseerd. Gehoorverlies en effusie zijn het gevolg. Bij een normaal werkend middenoor wordt de
buis van Eustachius, voorgesteld door het ventiel, regelmatig geopend zodat middenoorniveau
terug gelijkgeschakeld wordt aan omgevingsniveau. Drukregulatie vindt dan plaats. Men zou
zich kunnen afvragen waarom de buis van Eustachius niet constant geopend is, maar experimenteel blijkt dat personen met dit symptoom vaak last hebben van bacteriële infecties.
Daarom is de doorgang het meeste van de tijd gesloten.
Figuur 3.3 toont de omgevingsdruk (pamb ), middenoordruk (pme ) en kritische onderdruk (pcrit )
waarbij effusie optreedt in functie van de tijd voor een goed werkend middenoor. Belangrijk
voor een goede werking is een voldoende hoge repetitiefrequentie voor opening van de buis van
Eustachius gepaard met een voldoende grote volumetransfer, zodat het evenwicht volledig kan
hersteld worden. Indien dit het geval is, vormen atmosferische drukvariaties en diffusie tussen
19
Hoofdstuk 3. Fysiologie van het middenoor
het middenoor en het bloed geen probleem voor de gehoorfunctie. Efficiëntie van middenoor
drukregulatie kan uitgedrukt worden in functie van de totale grootte van de middenooromgeving drukverschillen, op de figuur het oppervlak van de gearceerde driehoeken.
Figuur 3.3: Gedrag van omgevings- en middenoordruk in functie van de tijd voor een goed
werkend middenoor. Als gevolg van een regelmatige tube-opening met een voldoende hoge volumetransfer wordt de kritische waarde waarbij effusie optreedt
nooit bereikt, [8].
Figuur 3.4 toont het effect van (a) een te kleine gastransfer per tube-opening, (b) een te lage
doorgang-opening repetitiefrequentie en (c) een snellere uitwisseling van middenoorgas met
het bloed. Alledrie de gevallen hebben als gevolg dat het drukverschil tussen omgeving en
middenoor de kritische waarde overschrijdt, met gehoorverlies en effusie tot gevolg.
In het verleden werd algemeen aangenomen dat tube-opening een statische functie is. Recente
observaties daarentegen tonen dat de efficiëntie van drukregulatie mogelijk wordt gemoduleerd
door feedback mechanismen, dewelke gebruik maken van sensoriële elementen zoals baroreceptors, chemoreceptors en stretch receptors, bijvoorbeeld [18]. Deze hypothese moet nog
verder bestudeerd worden in de toekomst, en deze thesis biedt twee technieken die handig
kunnen zijn in verder experimenteel onderzoek hiervan.
(a)
(b)
(c)
Figuur 3.4: Effect van: (a) te kleine gastransfer per tube-opening, (b) te lage openingsfrequentie van de buis van Eustachius en (c) een snellere uitwisseling via het mucosa
(c), [8].
HOOFDSTUK
4
Hoge resolutie differentiële gasvolume sensor
Zoals beschreven in hoofdstuk 3, is de gasuitwisseling in het middenoor tot op heden weinig
begrepen. Veel onderzoek wordt uitgevoerd om de gebrekkige kennis aan te vullen om zo tot
een correcte modellering te komen. Eén van de grote struikelblokken hierin is het vinden van
geschikte opstellingen/apparaten om metingen uit te voeren.
Veranderingen in gasvolume kunnen gemeten worden door ofwel drukmetingen te doen bij
constant volume, ofwel door volumemetingen te doen bij constante druk. Hoge resolutie drukmeters zijn commercieel verkrijgbaar, en worden daarom veel gebruikt. Echter, in een levend
systeem zoals het middenoor regelen baroreceptors mogelijk de gasuitwisseling. De opbouw
van een druk in de caviteit tijdens een meting heeft dan een netto effect op de uitwisseling.
Daarbovenop zijn er nog een aantal argumenten die het meten van volumeveranderingen bij
lage, constante druk naar voor schuiven.
In dit hoofdstuk wordt daarom een hoge resolutie differentiële gasvolume sensor voorgesteld.
De sensor is gebaseerd op de optische detectie van een druppel in een capillair. De opstelling
laat meer dan 15 detecties per seconde toe en heeft een resolutie van 0, 06 microliter. De
onset druk bedraagt steeds minder dan 15 Pa, en tijdens uitwisseling is de druk steeds lager
dan 10 Pa, wat overeenkomt met slechts 0, 01% van atmosferische druk.
Fysiologische metingen op het middenoor met behulp van de sensor kunnen uitgevoerd worden door eerst het middenoor te spoelen met een vreemd gas, en daarna de volumeverandering
bij constante druk te meten.
De resultaten van dit hoofdstuk zijn aanvaard voor publicatie in Review of Scientific Instruments, ‘High resolution gas volume change sensor’, [30].
4.1 Inleiding
Het bepalen van gasvolumeveranderingen en stroomsnelheden zijn alledaagse metingen die in
vele takken van de wetenschap voorkomen. Voor hoge debieten zijn allerhande methodes beschikbaar, telkens met hoge meetnauwkeurigheid, zoals bijvoorbeeld spirometrie. Het meten
van zeer kleine gasvolumeveranderingen en debieten daarentegen, is veel moeilijker. Volgens
de wet van Boyle (pV = cte, bij constante temperatuur T ) kan men gasvolumeveranderingen
20
Hoofdstuk 4. Hoge resolutie differentiële gasvolume sensor
21
meten door ofwel drukveranderingen bij constant volume te bepalen, ofwel door volumeveranderingen te meten bij constante druk. Hierbij dient de temperatuur onveranderd te blijven.
Omdat er zeer gevoelige druksensors met een groot bereik op de markt zijn, wordt meestal
geopteerd om drukveranderingen bij constant volume te meten.
Zoals beschreven in de hoofdstukken 2 en 3, kan de middenoorcaviteit het merendeel van
de tijd beschouwd worden als een gesloten kamer met een constant volume. Als gevolg van
partieeldrukverschillen treedt gasuitwisseling op tussen het middenoor en het mucosa. Om
deze complexe fysiologische activiteit beter te begrijpen, zijn in het verleden reeds verscheidene
metingen uitgevoerd, bijvoorbeeld [14] en [15]. Hierbij werd telkens de drukverandering in
functie van de tijd gemeten, nadat men de caviteit had gespoeld met fysiologisch vreemde
gassen.
Zoals in vele andere levende systemen, wordt ook drukregulatie in het middenoor mogelijk
gestimuleerd door feedback mechanismen die gebruik maken van sensoriële elementen zoals
baroreceptors. Veranderingen in druk worden dan gedetecteerd door het organisme, waardoor
via een terugkoppeling de stroomsnelheden veranderen. De hoeveelheid gas die getransfereerd
wordt, is tevens afhankelijk van de druk die heerst in de caviteit. Een triviaal voorbeeld
hiervan is het meten van de ademhaling: wanneer aan een persoon gevraagd wordt om in een
gesloten volume uit te ademen, zal bij hogere druk in die kamer het ademen steeds moeilijker
gaan. Bovendien wordt het volume van de middenoorcaviteit bij hoge drukken groter omdat
het volume van de mastoı̈dale cellen dan toeneemt. Drukmetingen bij deze conditie zijn
ongepast, omdat dan zowel druk als volume varieert. Als laatste treden bij experimenten
waarbij de druk toeneemt ook het aantal technische onzuiverheden toe, zoals bijvoorbeeld
diffusie door plastic buisjes, [11]. Omwille van bovenstaande redenen is het belangrijk om ook
experimenten te doen waarbij men volumeveranderingen meet bij zeer lage, constante druk.
Wanneer de hoeveelheid gas die uitgewisseld wordt groot genoeg is, kan een simpel toestelletje
zoals een beweegbare piston gebruikt worden om volumeveranderingen en stroomsnelheden
te bepalen. De gasuitwisseling in het middenoor is echter van een zeer kleine grootteorde, [9]
en [10]. Daarom wordt in wat volgt een toestel beschreven dat kleine volumeveranderingen,
onder een kleine constante druk, detecteert met een zeer hoge resolutie.
4.2 Apparaat
4.2.1 Opstelling
De basis van de sensor is een glazen capillair met daarin een druppel. Het capillair wordt
perfect horizontaal geplaatst, met één uiteinde in contact met de atmosfeer en het andere in
contact met de caviteit waarvan men de volumeverandering wil meten. Elke volumeverandering in de caviteit zorgt nu voor een verplaatsing van de druppel. Oppervlaktespanning werkt
in op beide meniscussen van de druppel in tegengestelde zin, zodat er in principe geen kracht
nodig is om de druppel te verplaatsen. Echter, wanneer er een volumeverandering in de caviteit begint op te treden, vervormt één van de twee meniscussen zodat er een onset druk nodig
is om de druppel in beweging te brengen. Eens de druppel in beweging is, verwacht men dat
Hoofdstuk 4. Hoge resolutie differentiële gasvolume sensor
22
de viscositeit een debietafhankelijk drukartefact veroorzaakt volgens de wet van Poiseuille:
φ=
dV
πr4 |∆p|
=
dt
8ηL
(4.1)
met φ het debiet, r de straal van het capillair, L de lengte van de druppel in het capillair,
∆p het drukverschil over de twee meniscussen en η de viscositeit. De meetresolutie hangt af
van de diameter van het capillair en van de precisie waarmee de druppelpositie bepaald kan
worden. Capillairen met diameters van enkele tienden van een millimeter zijn commercieel
verkrijgbaar. Nog smallere diameters zijn verkrijgbaar, maar volgens de wet van Poiseuille
(4.1) neemt het drukartefact omgekeerd evenredig toe met de straal tot de vierde macht.
Daarom besloten we een capillair te gebruiken met een binnendiameter van 0, 7 mm.
Voor de continue detectie van de druppelpositie hebben we een opto-elektronische techniek
ontwikkeld (Figuur 4.1). Aan de open zijde van het capillair wordt, via een lichtgeleider, licht
in de relatief dikke glaswand gestuurd. Het niet-gecollimeerde licht valt onder alle mogelijke
hoeken binnen, en lichtstralen die een hoek hebben groter dan de kritische hoek planten zich
via interne reflectie voort. De waterdruppel, die een brekingsindex heeft die gelijkaardig is aan
deze van het glas, laat de aangekomen lichtstralen onder een kleine refractiehoek door. Aan
de verst gelegen meniscus treedt opnieuw lichtreflectie op. Hierdoor gedraagt deze meniscus
zich als een puntbron, die lichtstralen uitzendt in de richting van de CCD. Het signaal van
de CCD bevat een piek die overeenkomt met de positie van de oplichtende meniscus. Via
software wordt meer dan 15 keer per seconde de positie van de piek bepaald, wat een quasicontinue meting van de druppelpositie toelaat. Veranderingen van de druppelpositie zijn
recht evenredig met gasvolumewijzigingen in de caviteit. Een diepgaandere analyse van de
lichtgeleiding vindt men verder in dit hoofdstuk.
Figuur 4.1: Schematische weergave van het meettoestel. Rechts is het capillair verbonden met
het te onderzoeken systeem. Links is het capillair in contact met de atmosfeer en
wordt licht via een lichtgeleider in de relatief dikke capillairwand gestuurd. Aan
de druppel worden deze lichtgolven gerefracteerd naar een CCD. De CCD wordt
vervolgens met speciaal geschreven software uitgelezen, wat een quasi-continue
detectie van de druppelpositie toelaat.
Hieronder worden de verschillende componenten van de opstelling overlopen, met op het einde
een foto en bespreking van de ganse opstelling.
Hoofdstuk 4. Hoge resolutie differentiële gasvolume sensor
23
Lichtbron
Als lichtbron wordt een Zeiss KL 1500 gebruikt. In dit toestel zit een gloeilamp met een
vermogen van 150 Watt, waarvan het licht via een lichtgeleider in de capillairwand kan worden
ingestuurd. Bij de koppeling is het belangrijk dat er een ventilatiegat is, zodat het capillair
aan dit uiteinde in evenwicht is met atmosferische druk.
De lichtsterkte wordt ingesteld zodat één van de twee meniscussen duidelijk oplicht en er
verder geen storende ruis optreedt. Tijdens een meting is het belangrijk dat het capillair wordt
afgedekt, zodat omgevingslicht niet voor storing van het meetsignaal zorgt. Een opgemeten
spectrum van de lamp vindt men in bijlage A (Figuur A.1).
Capillair
Het capillair wordt perfect horizontaal in de houder geplaatst. Links is het capillair in contact
met de atmosfeer en verbonden met de lichtgeleider, aan de andere kant is het via een T-ventiel
gekoppeld met het te onderzoeken systeem.
De capillairwand is gemaakt uit Pyrex. Dit heeft als brekingsindex n = 1, 474 bij een golflengte λ = 588 nm. Pyrex is een borosilicaat glassoort, typisch hiervoor is dat de brekingsindex
weinig verandert binnen het gebied van zichtbaar licht. Een andere belangrijke eigenschap
is de lage thermische expansie coëfficiënt. Uitzetting van het capillair als gevolg van opwarming door absorptie van lichtenergie zal hierdoor verwaarloosbaar zijn. Figuur 4.2 toont een
schematische tekening van het capillair en in bijlage A (Figuur A.2) vindt men het transmissiespectrum van Pyrex. Hierop is te zien dat de transmissie van alle frequentiecomponenten
aanwezig in de lichtbron over een lengte en dikte groter dan de afmetingen van het capillair
groter is dan 90%.
Om een druppel in het capillair te krijgen, houdt men het capillair verticaal in een oplossing.
Als gevolg van capillaire werking stijgt de vloeistofkolom, zodat een gepaste druppellengte
gekozen kan worden.
Figuur 4.2: Schematische tekening van het capillair (niet op schaal). Binnendiameter D1 =
0, 7 mm, buitendiameter D2 = 6, 1 mm en lengte L = 265 mm.
Hoofdstuk 4. Hoge resolutie differentiële gasvolume sensor
24
Capillairhouder met lenzensysteem en CCD
Om een stabiele uitlezing van de druppelpositie te hebben, werd een houder geconstrueerd
waarin het capillair op een stevige manier bevestigd kan worden. Binnenin de houder, onder het capillair, bevindt zich het lenzensysteem en de CCD zoals te zien op Figuur 4.1.
Eigengemaakte elektronica voorziet de uitvoer van het CCD signaal via coaxverbindingen.
Licht afkomstig van de druppel wordt via een lens naar de 2048 pixel CCD (NEC µPD8891)
gestuurd. In het apparaat wordt een lengte van 220 mm afgebeeld op de CCD, dus niet de
ganse lengte van het capillair wordt gedetecteerd. Eén pixel correspondeert met een lengte
van 0, 1074 mm langs het capillair en zodoende met een volume van 0, 041 microliter.
Figuur 4.3: Theoretische plot van het triggersignaal en één datasignaal.
De CCD elektronica geeft vier sequentiële analoge uitvoersignalen: één triggersignaal en een
datasignaal voor elk van de hoofdkleuren rood, groen en blauw. Omdat rood licht het meest
aanwezig is in het spectrum van de lichtbron (Figuur A.1 in bijlage A), wordt het datasignaal
van de hoofdkleur rood gekozen. Binnen elke dataserie komt de signaalamplitude (spanning)
lineair overeen met de hoeveelheid licht die werd opgenomen gedurende de blootstellingstijd
van ongeveer 0, 05 s, zie Figuur 4.3. De responscurve van de CCD voor de drie hoofdkleuren
en een foto van de capillairhouder vind men in bijlage A (Figuur A.3 en A.4).
PC
De CCD geeft als uitvoer meerdere analoge spanningssignalen V (t) die gedigitaliseerd worden
gebruik makend van een analoog-digitaal (A/D-) convertor (NI-DAQ 7 pci-kaart):
V (t) → A/D-convertor → V [n]
(4.2)
met V [n] het tijdsgediscretiseerde signaal verkregen door bemonstering. De kaart wordt
aangesloten op een eigengemaakt bufferbord met coaxaansluitingen, zodat de uitvoerkanalen
Hoofdstuk 4. Hoge resolutie differentiële gasvolume sensor
25
van de CCD in verbinding gebracht kunnen worden met de pc. Op deze manier kan het
meetsysteem uitgelezen worden en via software de gewenste output leveren:
V [n] → software → volumedetectie
(4.3)
De vereiste software werd geprogrammeerd in Matlab (versie R2006b). De data acquisition
toolbox, [27], laat toe de signalen die binnenkomen op de A/D-convertor in te lezen in het
programma. Het bereik van de kaart ligt tussen -5 en 5 V, waardoor het niet nodig is signalen
te versterken of te verzwakken. Na elke triggerpiek in het triggersignaal wordt het maximum
van het datasignaal, de intensiteitspiek, bepaald en bijgehouden in het geheugen. De positie
van deze piek komt overeen met de druppelpositie. De bemonsteringsfrequentie werd ingesteld
op 30000 samples/s waardoor de intensiteitspiek telkens ongeveer vier datapunten bevat, wat
toelaat individuele pixels te detecteren in de datastroom. De gemiddelde uitlezingssnelheid
is afhankelijk van de pc die gebruikt wordt en van de efficiëntie van de software. Met de
gebruikte software schommelt het aantal detecties per seconde rond 17, wat dicht aanleunt
bij het maximaal haalbare 18, het aantal keren per seconde dat de CCD wordt uitgelezen.
Om gemakkelijk te kunnen meten werd een grafische gebruikersinterface (GUI) ontwikkeld,
waarvan in bijlage A (Figuren A.5 en A.6) enkele schermafdrukken te zien zijn.
Differentiële drukmeter
Verder in dit hoofdstuk worden de drukartefacten van het meetsysteem onderzocht: er is
een onset druk nodig om de druppel in beweging te krijgen, en bij volumeveranderingen is
er een debietafhankelijk drukartefact dat werd onderzocht voor verschillende soorten druppels, verschillende druppellengtes en variërende debieten. Om deze drukken te meten, wordt
een differentiële drukmeter (Endevco 8507C-1) die het drukverschil tussen de caviteit en de
atmosfeer meet, via een T-ventiel aan de opstelling gekoppeld. De amplitude van het spanningssignaal is recht evenredig met de druk, en een amplitude van 5 mV komt overeen met een
druk van 1 Pa. Dit laat ons toe drukken tot 1 kPa met een nauwkeurigheid beter dan 0, 1 Pa
te meten. Experimenteel zien we dat door zwaartekracht een druppel van 5 mm beweegt
wanneer we het capillair verticaal houden, waardoor een druk kleiner dan 50 Pa nodig is, wat
perfect meetbaar is met het toestel. Via eigengemaakte elektronica is de uitvoer voorzien via
coaxverbindingen, zodat dit signaal simultaan met de andere kanalen uitgelezen kan worden
met de A/D-convertor.
Debietpomp
Om een meting uit te voeren aan een gekend debiet, werd gebruik gemaakt van een standaard
perfusiepomp (IVAC 711) die gebruikt wordt in de medische wereld. Een toestelspecifieke
injectiespuit laat toe om debieten te genereren tussen 1000 en 90000 microliter/uur. Echter,
om het systeem te onderzoeken bij typische fysiologische debieten, [7] en [9], zijn nog kleinere
waarden nodig. Daarom werd er gebruik gemaakt van twee injectiespuiten, één met een
volume van 500 microliter en een andere met een volume van 100 microliter. Het toestel
werd opnieuw gekalibreerd door een gekende volumeverandering gedurende een vastgelegde
tijdsduur te laten plaatsvinden. Op deze manier zijn debieten instelbaar van 100 tot 1000
microliter/uur. Nog kleinere debieten zijn in principe mogelijk, maar experimenteel blijkt
Hoofdstuk 4. Hoge resolutie differentiële gasvolume sensor
26
dat oppervlakteverschijnselen en temperatuurseffecten hierbij een zodanige rol spelen dat het
niet mogelijk is een constant debiet kleiner dan 100 microliter/uur in te stellen.
Gehele opstelling
Figuur 4.4: Foto van de opstelling: (1) lichtbron met lichtgeleider, (2) capillairhouder met
lenzensysteem en CCD, (3) A/D-convertor in contact met de pc, (4) differentiële
drukmeter, (5) debietpomp en (6) oscilloscoop om de uitvoersignalen on-line te
kunnen volgen.
Figuur 4.4 toont een foto van de opstelling gebruikt om alle resolutie-, kalibratie- en artefactmetingen uit te voeren. Wanneer men het toestel aanwendt om een ongekend systeem te
onderzoeken, zoals de gasuitwisseling in het middenoor, zijn enkel de lichtgeleider, de capillairhouder met lenzensysteem en CCD en de A/D-convertor in verbinding met de pc met de
meetsoftware nodig.
De T-ventielen en darmpjes die het capillair met de debietpomp en drukmeter verbinden zijn
in een gesloten systeem gecontroleerd op doorlaatbaarheid, en blijken zeer ondoorlaatbaar
tot drukken van enkele honderden Pascal. Het verdraaien van de T-ventielen blijkt ook geen
bijkomende artefacten te veroorzaken. Tijdens het bedienen van de ventielen moet men erop
letten geen temperatuurseffecten te induceren door de darmpjes aan te raken.
Hoofdstuk 4. Hoge resolutie differentiële gasvolume sensor
27
4.2.2 Beschrijving van de lichtstralen
Voor de continue detectie van de druppelpositie hebben we een opto-elektronische techniek
ontwikkeld: aan de open zijde van het capillair wordt via een lichtgeleider polychromatisch
niet-gecollimeerd licht onder alle mogelijke hoeken in de capillairwand gestuurd. De capillairwand zal nu fungeren als een lichtgeleider. Omdat de druppel een brekingsindex heeft die
vergelijkbaar is met die van de capillairwand, kunnen lichtstralen ter hoogte van de druppel
het inwendige van het capillair betreden.
Omwille van de ingewikkelde geometrie en de relatief grote afmetingen van het capillair,
heeft het geen zin dit systeem te beschrijven met golfoptica: het aantal modes dat past binnenin een golfgeleider met een specifieke geometrie is afhankelijk van de afstand tussen de
weerkaatsingsoppervlakken. Beschouwen we bijvoorbeeld een cilindrische diëlektrische golfgeleider, waarvan het centrum licht geleidt en de bekleding een lagere brekingsindex heeft
zodat interne reflectie kan optreden. De elektrische en magnetische veldcomponent kan berekend worden door het oplossen van de Helmholtz-vergelijking in cilindrische coördinaten, zie
[28]. De oplossingen zijn Bessel-functies, en door het opleggen van randvoorwaarden kan een
waarde afgeschat worden voor het aantal modes M dat past binnen de lichtgeleider:
r 2
M ≈ 16
|n2 − n20 |
(4.4)
λ
waarbij r de straal van het lichtgeleidend centrum is, λ de golflengte van het ingestuurd licht,
n de brekingsindex van het centrum en n0 de brekingsindex van de bekleding. Als we in
deze formule de afmetingen van ons capillair D2 /2 = 3, 05 mm (Figuur 4.2), een golflengte
λ = 588 nm, de brekingsindex van Pyrex n = 1, 474 en n0 = 1 invullen geeft dit 5.108 modes.
Het heeft fysisch weinig nut om met zo’n waarden verder te werken. Bovendien is de geometrie
van het capillair nog ingewikkelder omwille van het binnenste open stuk. Daarom wordt, om
de lichtgeleiding te analyseren, geometrische optica gebruikt.
De lichtbron die wij gebruiken zendt polychromatisch licht uit, maar voor de eenvoud veronderstellen we in de verdere analyse een monochromatische lichtbundel met een golflengte
λ = 588 nm, dit is ongeveer het midden van het spectrum van de lichtbron (Figuur A.1). De
brekingsindex n van de capillairwand bij deze golflengte is 1,474, en varieert trouwens heel
weinig binnen het gebied van zichtbaar licht. De hoek waarbij interne reflectie optreedt θi
kan nu berekend worden uit de wet van Snellius:
π
n sin θi = n0 sin
2
1
⇒ θi = Bgsin
(4.5)
n
= 0, 7456 Rad
= 42, 72◦
Figuur 4.5 toont twee foto’s van de druppel in het capillair. Als gevolg van oppervlaktespanning nemen de twee uiteinden van de druppel een bolvormig oppervlak aan. Bij foto (b) werd
licht langs links in de capillairwand gestuurd. De foto toont dat enkel de rechtermeniscus
oplicht, en zodoende lichtstralen in de richting van de CCD stuurt. Hierdoor is een zeer
nauwkeurige bepaling van de druppelpositie mogelijk. Hieronder wordt de breedte van de
lichtstip berekend. Volgende aannames worden daarbij gemaakt:
Hoofdstuk 4. Hoge resolutie differentiële gasvolume sensor
28
(a) Zonder ingestuurd licht
(b) Met ingestuurd licht
Figuur 4.5: Detailopnames van de druppel in het capillair. In (a) werd er geen licht via
de lichtgeleider ingestuurd. In (b) werd wel licht ingestuurd, en men ziet dat
de linkse vloeistofmeniscus geen licht reflecteert naar de CCD toe, terwijl de
rechtermeniscus een heldere lichtstip uitzendt.
• we veronderstellen de brekingsindex van de capillairwand gelijk aan die van de vloeistofdruppel;
• de meniscus (bolvormig uiteinde van de druppel) is perfect bolvormig, met een diameter
gelijk aan de binnendiameter van het capillair;
• we beschouwen het geval waarbij de druppel zich recht boven de CCD bevindt, zodat
stralen die perfect verticaal naar de lens toegaan afgebogen worden naar het fokaal punt
en dus de hoogste kwantumefficiëntie hebben om gedetecteerd te worden door de CCD.
Licht komt onder alle mogelijke hoeken langs links de capillairwand binnen. Omwille van
de relatief lange afstand die de lichtstralen moeten afleggen alvorens ze de druppel bereiken,
worden stralen onder een hoek kleiner dan de kritische hoek weggefilterd. Lichtstralen onder
een hoek groter dan de kritische hoek reflecteren zich voort doorheen de capillairwand tot ze
de druppel tegenkomen. Het klein verschil in brekingsindex negerend, treden deze stralen de
druppel zonder refractie binnen. Stralen die de rechtermeniscus van de druppel tegenkomen,
worden hier deels of volledig gereflecteerd afhankelijk van de hoek die ze maken met het
oppervlak.
Figuur 4.6 toont de twee uiterste stralen die het meniscusoppervlak afbakenen dat stralen in
de juiste richting uitzendt. We beschouwen hier het geval waarbij de druppel zich net boven
lens en CCD bevindt, zodat verticale stralen het best gedetecteerd worden. De hoeken α1 en
α2 zijn zodanig dat stralen die onder deze hoek aankomen op het meniscusoppervlak onder
de kritische hoek gereflecteerd zijn aan het reflectieoppervlak van de capillairwand:
180◦ − 2α > θi
⇒ 2α < 180◦ − θi
⇒ α < 68, 64
◦
(4.6)
Hoofdstuk 4. Hoge resolutie differentiële gasvolume sensor
29
Figuur 4.6: Schematische tekening van de twee lichtstralen die het reflectiegebied op het meniscusoppervlak afbakenen dat lichtstralen verticaal uitzendt naar de CCD. De
brekingsindex van de capillairwand wordt gelijkgesteld aan die van de druppel.
De inzet toont het deel van het capillair dat nader bekeken wordt.
enerzijds, en anderzijds:
2α > θi
⇒ α > 21, 36◦
(4.7)
zodat α1 = 68, 64◦ en α2 = 21, 36◦ . Er komen geen lichtstralen aan buiten dit gebied die
verticaal gereflecteerd worden, omdat die een hoek maken met het reflectieoppvervlak van de
capillairwand kleiner dan de kritische hoek en dus reeds weggefilterd werden. Merk op dat
α2 < θi , zodat deze lichtstraal niet volledig gereflecteerd wordt naar de CCD.
In Figuur 4.7 worden meerdere stralengangen geplot. Stralen in stippellijn raken niet aan de
druppel, omdat ze de capillairwand reeds lang hiervoor verlaten hebben. De figuur toont dat
enkel een gelimiteerde zone op de meniscus stralen in de juiste richting uitzendt. De breedte
van de lichtstip langs de horizontale as Bl kan nu berekend worden:
Bl = r sin α1 − r sin α2
= 0, 1985 mm
(4.8)
met r = 0, 35 mm de binnenstraal van het capillair. Als gevolg van de kleine afmetingen van
de lichtstip is de piek in het CCD signaal zeer smal, wat een zeer nauwkeurige detectie van
de druppelpositie toelaat.
Omdat sommige lichtstralen gereflecteerd worden aan het uiteinde van het capillair licht de
linkermeniscus ook een heel klein beetje op. Echter, de intensiteit van deze lichtstip is amper
zichtbaar met het blote oog wanneer de intensiteit van de lichtbron niet overdreven hoog
wordt ingesteld, zodat deze stralen niet gedetecteerd worden door de CCD.
Hoofdstuk 4. Hoge resolutie differentiële gasvolume sensor
30
Figuur 4.7: Schematische tekening met meerdere stralengangen. Stralen in stippellijn komen
niet voor omdat ze reeds werden weggefilterd in de capillairwand. Bl is de breedte
van de lichtstip langs de horizontale as.
4.3 Resultaten
4.3.1 Kalibratie
Nadat de meetsoftware voor volume- en drukbepaling geschreven was, werd het toestel gekalibreerd. Als druppeloplossing werd hierbij voorlopig gebruik gemaakt van gedistilleerd water
met 5% spoelmiddel dat de oppervlaktespanning verkleint. Later bleek dit de beste keuze,
zoals verder in deze sectie te zien.
Kalibratie werd gerealiseerd door een gekende hoeveelheid gas in het apparaat te spuiten en
de daarmee gepaarde druppelpositieverandering te meten. Hiervoor gebruikten we een hoge
precisie injectiespuit met een volume van 100 microliter, die we in de debietpomp plaatsten.
De resolutie van ons meettoestel werd daarbij vastgelegd op (0, 0589 ± 0, 0002) microliter per
sample in de dataserie van de CCD. Merk op dat deze softwarematige kalibratie iets hoger
ligt dan die bepaald door de afmetingen van het capillair (0,041 microliter/pixel), omdat het
niet mogelijk blijkt perfect één pixel softwarematig uit te lezen. Kalibratie werd uitgevoerd
in verschillende zones binnen het meetbereik van het capillair, en gaf ons telkens dezelfde
waarde. De totale volumeverandering die gemeten kan worden is afhankelijk van de lengte en
diameter van het capillair, en is in ons geval ongeveer 80 microliter.
Nadat de kalibratie voltooid was, werd het resultaat aangevuld in de meetsoftware en konden
de artefactmetingen uitgevoerd worden. Tijdens de volumekalibratie werden tevens tijden
gemeten, zodat ook de debietpomp gekalibreerd kon worden.
Hoofdstuk 4. Hoge resolutie differentiële gasvolume sensor
31
4.3.2 Druppeloplossing
Als gevolg van oppervlaktespanningseffecten en viscositeit is er een onset druk die overbrugt
moet worden om de druppel in beweging te zetten en heerst er een constant drukverschil
tijdens de beweging van de druppel. Om deze verschijnselen te minimaliseren moet een zo
goed mogelijke druppeloplossing gekozen worden, zodat de druppel optimaal over de glaswand
in het capillair glijdt.
Bij volgende oplossingen werd het drukartefact onderzocht: gedistilleerd water (H2 O), gedistilleerd water met 5% spoelmiddel, gedistilleerd water met 5% afwasmiddel, gedistilleerd
water met 0, 5% AGEPON en manometerolie. Het spoel- en afwasmiddel dat gebruikt werd
is standaard verkrijgbaar in een supermarkt. Metingen werden uitgevoerd aan een debiet van
500 µl/h met een druppellengte van 2 mm en 10 mm. Spoelmiddel en afwasmiddel zijn oppervlaktespanningsverlagend, maar ze maken de vloeistof wel visceuzer. Daarom werd slechts
5% toegevoegd, zodat het surfactant zich enkel aan het oppervlak bevindt. AGEPON wordt
gebruikt als laatste bad na de eindspoeling bij de ontwikkeling van foto’s. Het dient in een
verhouding van 1/200 toegevoegd te worden aan gedistilleerd water. Men verwacht dat deze oplossing tevens oppervlaktespanningsverlagend werkt. Als laatste werd manometerolie
gebruikt, dat typisch wordt aangewend als loopvloeistof in allerlei experimentele opstellingen.
Figuur 4.8 toont de resultaten voor de verschillende druppeloplossingen bij een druppellengte
van 10 mm. De zwarte punten stellen volumemetingen voor, de grijze drukmetingen. Om een
meting uit te voeren werd de debietpomp gestart met het T-ventiel open naar de atmosfeer om
alle onset artefacten van het mechanisme te vermijden. Druppelpositie- en drukmeting werd
gestart, waarna het T-ventiel gesloten werd. Deze handeling werd een paar keer herhaald
door het T-ventiel afwisselend open of gesloten te draaien. Vanzelfsprekend werd eerst in een
gesloten systeem onderzocht of verdraaiing van het ventiel op zich geen artefact veroorzaakt.
Vooreerst dient opgemerkt te worden dat in alle metingen het drukartefact bijzonder klein is,
en steeds bestaat uit een onset artefact, gevolgd door een min of meer constant hydrodynamisch artefact. Alle volumemetingen tonen een zeer lineaire respons, met kleine afwijkingen
bij de start van de volumeverandering.
Het drukartefact is het kleinst bij gedistilleerd water met 5% spoelmiddel (4.8(b)), en wordt
daarom gekozen als druppeloplossing. Bij gedistilleerd water zonder surfactant (4.8(a)) vertoont de druppel sprongen als gevolg van een slechte geleiding, met bijhorende pieken in de
drukcurve. Het drukartefact bij afwasmiddel als surfactant (4.8(c)) is net als bij spoelmiddel
constant in de tijd, maar ligt net iets hoger. Surfactant AGEPON (4.8(d)) geeft een onverwacht hoog drukartefact, waarschijnlijk omwille van een zeer hoge viscositeit. Manometerolie
(4.8(e)) zou zeer bruikbaar zijn omwille van het lage drukartefact, maar als gevolg van de zeer
lage oppervlaktespanning splitst de druppel zeer gemakkelijk. Bij een splitsing verdubbelt het
drukartefact (om het afgesplitst stuk in beweging te krijgen is opnieuw een overdruk nodig),
zoals te zien op de figuur rond 60 s. Bovendien resulteert dit in twee oplichtende meniscussen,
wat een éénduidige detectie onmogelijk maakt, zoals te zien op de figuur rond 120 s. Metingen
bij een druppellengte van 2 mm gaven dezelfde resultaten, en worden daarom niet geplot.
Hoofdstuk 4. Hoge resolutie differentiële gasvolume sensor
(a) H2 O
(b) H2 O + 5% spoelmiddel
(c) H2 O + 5% afwasmiddel
(d) H2 O + 0, 5% AGEPON
32
(e) manometerolie
Figuur 4.8: Volume- en drukmeting als functie van de tijd voor verschillende druppeloplossingen. De relatieve gasvolumeverandering wordt in het zwart afgebeeld met verticale
as aan de linkerkant, de overdruk wordt in het grijs afgebeeld met verticale as aan
de rechterkant. Het debiet werd ingesteld op 500 µl/h en de druppellengte was
telkens 10 mm.
Hoofdstuk 4. Hoge resolutie differentiële gasvolume sensor
33
4.3.3 Artefacten
Nu een geschikte druppeloplossing gevonden is, kan het drukartefact onderzocht worden. Men
verwacht hierin een onderscheid tussen de druk nodig om de druppel in beweging te brengen
en de debietafhankelijke druk als gevolg van viscositeit tijdens beweging van de druppel.
Experimenten werden gedaan waarbij enerzijds het debiet en anderzijds de druppellengte werd
gevarieerd, en er werd nagegaan of het systeem zich gedraagt volgens de wet van Poiseuille:
φ=
πr4 |∆p|
8ηL
(4.9)
Drukartefact in functie van het debiet
(a) 100 µl/h
(b) 250 µl/h
(c) 500 µl/h
(d) 1000 µl/h
Figuur 4.9: (a), (b), (c) en (d) tonen volume- en drukverandering in functie van de tijd voor
verschillende debieten bij een druppellengte van 10 mm. De relatieve gasvolumeverandering wordt in het zwart afgebeeld, de overdruk in het grijs.
Figuur 4.9 toont de meetresultaten bij variërende debieten. De manier van meten was analoog
Hoofdstuk 4. Hoge resolutie differentiële gasvolume sensor
34
als bij het bepalen van de best geschikte druppeloplossing, waarbij nu het debiet achtereenvolgens werd ingesteld op 100, 250, 500 en 1000 µl/h. Als druppeloplossing werd gedistilleerd
water met 5% spoelmiddel gebruikt, en de druppellengte was telkens 10 mm.
Opnieuw ziet men telkens in het begin van de curve de druk stijgen tot een maximale waarde.
Eens deze waarde bereikt, begint de druppel te bewegen en neemt de druk af tot een min of
meer constante waarde. De opbouw van de onset druk veroorzaakt een kleine niet-lineariteit
in de volumeverandering. Bij het kleinst instelbare debiet (100 µl/h) is de onset druk gelijk
aan 8, 5 Pa, en vanaf dat de druppel in beweging is verlaagt de druk tot een extreem kleine
waarde 3, 0 Pa. Bij een veel hoger debiet (1000 µl/h) stijgt de druk tot een maximale waarde
13 Pa, waarna er een terugval is tot een iets hogere constante waarde 10 Pa, nog steeds slechts
0, 01% van atmosferische druk. De niet-lineariteit als gevolg van de opbouw van een onset
druk verdwijnt steeds na 5 seconden.
(a) constant artefact i.f.v. debiet
(b) onset artefact i.f.v. debiet
Figuur 4.10: Plot van respectievelijk het constant drukartefact en het onset drukartefact in
functie van het debiet, waarbij in (a) een lineaire fit door de data is geplot.
In Figuur 4.10(a) is het constant drukartefact geplot voor de vier verschillende debieten. De
datapunten zijn het gemiddelde van herhaalde metingen en standaardafwijkingen zijn gegeven.
Zoals verwacht volgens de wet van Poiseuille is er een lineair verband tussen druk en debiet
(|∆p| ∝ φ), maar zelfs bij de hoogste debieten van fysiologisch belang is de druk nog steeds
minder dan 10 Pa. Zoals te zien op de figuur, passeert de curve niet door de oorsprong: er is
een extreem kleine offset van 2, 5 Pa, waarschijnlijk veroorzaakt door oppervlakte-effecten.
Figuur 4.10(b) toont de onset druk voor de verschillende debieten. Men ziet dat dit artefact
stijgt in functie van toenemend debiet, maar de helling vlakt af. De grootte van het artefact
blijft steeds onder 15 Pa, wat slechts een kleine niet-lineariteit gedurende een tijd van ongeveer
5 seconden veroorzaakt.
Als kleine zijsprong wordt uit de data horende bij Figuur 4.10(a) de viscositeit van de druppeloplossing bepaald: via lineaire regressie kan de evenredigheidsconstante (8ηL/πR4 ) berekend worden, met als enige onbekende de viscositeit. Dit gaf als waarde: η1 = (0, 0159 ±
0, 0094)Pa.s.
Hoofdstuk 4. Hoge resolutie differentiële gasvolume sensor
35
Drukartefact in functie van de druppellengte
Volgens de wet van Poiseuille schaalt het drukartefact recht evenredig met de druppellengte
bij constant debiet (|∆p| ∝ L). Echter, de lengte van de druppel kan niet te klein gekozen
worden omdat dit zeer onpraktisch is: als gevolg van verdamping en afzet van vloeistof aan
de capillairwand neemt de druppellengte stelselmatig af tijdens druppelbeweging. Er moet
met andere woorden een compromis gevonden worden tussen het drukartefact enerzijds en de
praktische kant anderzijds.
In functie daarvan werd het drukartefact onderzocht voor de druppellengtes 3, 20, 50 en
90 mm. De twee grootste waarden dienen vooral om het gedrag te onderzoeken en zijn
praktisch niet bruikbaar, omdat ze een te groot gedeelte van het capillair vullen (tot 34%)
waardoor het meetbereik fel verkleint.
(a) 3 mm
(b) 20 mm
(c) 50 mm
(d) 90 mm
Figuur 4.11: (a), (b), (c) en (d) tonen volume- en drukverandering in functie van de tijd voor
verschillende druppellengtes bij een debiet van 400 µl/h. De relatieve gasvolumeverandering wordt in het zwart afgebeeld, de overdruk in het grijs.
Figuur 4.11 toont de resultaten bij de verschillende druppellengtes. Metingen werden op
Hoofdstuk 4. Hoge resolutie differentiële gasvolume sensor
36
dezelfde manier uitgevoerd als bij het onderzoeken van het debietafhankelijk drukartefact,
waarbij het debiet nu telkens werd ingesteld op 400 µl/h. Zoals verwacht, is ook hier de
opbouw van een onset druk zichtbaar waarna de druk terugvalt naar een min of meer constante
waarde. Hoe groter de druppellengte, hoe groter het drukartefact.
Figuur 4.12: Het constant drukartefact in functie van de druppellengte, met een rechte gefit
door de data.
In Figuur 4.12 is het constant drukartefact geplot in functie van de vier verschillende druppellengtes. De datapunten zijn het gemiddelde van herhaalde metingen en standaardafwijkingen
zijn gegeven. Zoals verwacht is er, net zoals bij de debietafhankelijkheid, een recht evenredig
verband tussen de druk en de druppellengte. Opnieuw treedt er een offset druk op met waarde
5, 0 Pa. Zoals blijkt uit de data, is het verschil in drukartefact tussen de druppellengtes 5 en
20 mm slechts 0, 6 Pa. Daarom is het tijdens een meting niet noodzakelijk om extreem kleine
druppels te gebruiken, maar volstaat het druppels met een lengte rond 15 mm te gebruiken.
Dergelijke druppels verdwijnen niet ten gevolge van vloeistofverlies aan de wand, hebben een
drukartefact kleiner dan 0, 01% van atmosferische druk en laten een meting over quasi het
ganse bereik van het capillair toe.
Opnieuw wordt, als kleine zijsprong, via lineaire regressie de viscositeit bepaald aan de hand
van de data horende bij Figuur 4.12. De enige onbekende in de evenredigheidsconstante
(8ηφ/πR4 ) is de viscositeit, en heeft zodoende een waarde: η2 = (0, 0021 ± 0, 0012)Pa.s.
De nauwkeurigheidsintervallen van η1 en η2 overlappen niet, wat ergens wel te verwachten
is: in de berekening gaan we ervan uit dat de stroming perfect volgens de wet van Poiseuille
verloopt. Echter, de belangrijkste aanname van laminaire stroming kan nooit voldaan zijn,
want de druppel neemt slechts een beperkt volume van het capillair in waardoor er geen
gelaagde stroming kan zijn. Ter vergelijking: de viscositeit van zuiver water respectievelijk
olijfolie bij 25 ◦ C bedraagt: ηH2 O = 0, 00089 Pa.s en ηolijfolie = 0, 081 Pa.s, [5].
4.3.4 Meetresolutie
De meetresolutie van de opstelling kan verbeterd worden door capillairen met een kleinere
binnendiameter te gebruiken. Hierbij moet men wel rekening houden dat, volgens de wet van
Poiseuille, het drukartefact omgekeerd evenredig is met de straal tot de vierde macht. Om
Hoofdstuk 4. Hoge resolutie differentiële gasvolume sensor
37
het drukartefact bij veel hogere debieten te reduceren, kan men gebruik maken van capillairen
met een grotere binnendiameter zodat de relatieve meetresolutie hetzelfde blijft.
Met onze optische techniek kunnen we de druppelpositie tot op 1 à 2 CCD pixels nauwkeurig
bepalen, wat overeenkomt met een volume van 0,06 microliter. Het apparaat detecteert
debieten tussen 100 en 1000 µl/h op een correcte manier, zodat debietresolutie zelfs nog beter
is.
4.4 Besluit
Veranderingen van gasvolume in een bepaald systeem kunnen accuraat bepaald worden door
drukveranderingen te meten als het volume en de temperatuur constant blijven. Zoals in andere meetapparaten, zijn ook drukmeters onderhevig aan systematische afwijkingen: moderne
drukmeters zijn gebaseerd op de uitwijking van een membraan, en deze uitwijking resulteert
in een kleine volumeverandering waardoor het volume van het systeem niet absoluut constant is. Voor grote volumes is dit effect verwaarloosbaar, voor kleinere volumes daarentegen
wordt dit effect meer van belang. In de meest moderne drukmeters, die gebruik maken van
een microscopisch klein siliconen membraan, is dit artefact grotendeels gereduceerd. Daarom worden in vele praktische opstellingen drukmeters gebruikt om volumeveranderingen te
meten.
Echter, in fysiologische experimenten zoals bijvoorbeeld onderzoek op drukregulatie in het
middenoor, zijn geregeld actieve regulatiemechanismen aanwezig die getriggerd worden door
een druk. Om accurate metingen te doen is het in deze gevallen noodzakelijk volumemetingen
te doen bij constante druk. Bovendien heeft een systeem zoals het middenoor zachte wanden,
waardoor het onmogelijk is het volume constant te houden als de druk verhoogt.
In deze thesis wordt een meetapparaat voorgesteld dat toelaat volumeveranderingen te meten
bij constante druk. Fundamentele artefacten zijn ook hier onvermijdbaar: meting van een gasvolumeverandering gaat gepaard met een extreem klein drukartefact zodat volumebepalingen
niet bij absoluut constante druk verlopen. We zijn erin geslaagd deze artefacten te bepalen,
en we hebben aangetoond dat ze extreem klein zijn: kleiner dan 0, 01% van atmosferische
druk.
Figuur 4.13 toont aan hoe klein het artefact is: opening of sluiting van de deur in het labo
veroorzaakt een drukverandering die enkele grootteordes groter is dan het artefact van het
meetapparaat. Praktisch wil dit zeggen dat gedurende een reëel fysiologisch experiment het
drukartefact verwaarloosbaar is. In alledaagse omstandigheden varieert de atmosferische druk
in grootteorde van enkele Pascals en tijdens stormachtig weer hebben deze fluctuaties een
amplitude tot 100 Pa, [19]. De figuur toont ook aan dat gedurende metingen aan extreem
kleine debieten controle over temperatuur en druk zeer belangrijk wordt.
In het meetsysteem wordt gebruik gemaakt van een lage-kost 2048 pixel CCD, dewelke een
gasvolume resolutie van 0,06 microliter levert en een maximale gasvolumeverandering van
80 microliter toelaat. Door een langer capillair en een CCD met meer pixels te gebruiken
kan een groter meetbereik bekomen worden zonder resolutieverlies. Meetresolutie op zich
kan verbeterd worden door een capillair met een kleinere diameter te gebruiken, maar men
Hoofdstuk 4. Hoge resolutie differentiële gasvolume sensor
38
Figuur 4.13: Meting van volume en druk in functie van de tijd waarbij de deur in het labo
herhaaldelijk open en dicht gedaan werd.
dient hier rekening te houden met een stijgend drukartefact bij afnemende dimensies. In ons
systeem wordt daarom een capillair met binnendiameter 0, 7 mm en lengte 265 mm gebruikt.
Als laatste wil ik er nog op wijzen dat de toepassingen van het toestel verder reiken dan
metingen op het middenoor. Eén van de vele mogelijke toepassingen is bijvoorbeeld onderzoek
op het zwemblaas systeem bij vissen: als het dier zijn zwemdiepte wil veranderen wordt gas
in de blaas gepompt of uit de blaas geabsorbeerd via een netwerk van bloedvezels rondom de
caviteit.
Om aan te tonen dat het toestel ook effectief gebruikt kan worden in fysiologische experimenten, hebben we een in vivo experiment uitgevoerd op een proefdier. Hierbij werd de bulla van
een konijn gespoeld met omgevingslucht en met helium, waarna de fysiologische reactie van
het dier opgemeten werd. De bespreking en de resultaten hiervan vindt men in hoofdstuk 6.
HOOFDSTUK
5
Helium gasdetector
In dit hoofdstuk wordt een tweede techniek voorgesteld om biomedische gasuitwisseling te
bestuderen: een helium gasdetector. De sensor is gebaseerd op de akoestische geleidbaarheid
van een gas in een caviteit.
Het middenoor is gevuld met een gasmengsel dat bestaat uit N2 , O2 , CO2 en H2 O. Al deze
componenten hebben gelijkaardige akoestische eigenschappen. Wanneer men het middenoor
met He spoelt, zal dit uit de caviteit weg diffunderen via het bloed. Aangezien de geluidssnelheid en akoestische impedantie van He beduidend verschillen van die van de typische
middenoorgassen, kan men met een akoestische methode de diffusiesnelheid van het middenoorvreemd gas berekenen. Waar men bij de hoge resolutie differentiële gasvolume sensor de
netto gasuitwisseling meet van al de aanwezige gascomponenten, meet men hier de diffusie
van één individuele gascomponent (He).
Twee verschillende methodes om de He-concentratie te bepalen worden met elkaar vergeleken. De eerste methode is gebaseerd op verschuivingen van de resonantiefrequentie na het
‘aanslagen’ van het gas in de caviteit, de tweede op faseverschuivingen tussen een continu inen uitgangssignaal.
5.1 Inleiding
In het verleden zijn vele verschillende soorten gasdetectors geconstrueerd voor verschillende
doeleinden. Onderzoek naar efficiëntere en goedkopere gasdetectors is ook nu nog aan de
orde. Een belangrijke toepassing is bijvoorbeeld het vinden van gaslekken in pijpleidingen,
[22]. Het nut hiervan wordt al snel duidelijk wanneer men weet dat er in de Verenigde Staten
alleen al een 650000 km aan leidingen ligt. Ook voor biomedische toepassingen zijn gasdetectors ontworpen, bijvoorbeeld een CO2 -sensor die kan gebruikt worden voor intravasculaire
metingen, [26]. In functie van de gasuitwisseling in het middenoor wordt in dit hoofdstuk een
prototype van een He-gasdetector voorgesteld.
Vooraleer onze detector te bespreken, wordt eerst een overzicht gegeven van verschillende
bestaande soorten. Hedendaags gebruikte gasdetectors kunnen opgedeeld worden in volgende
klassen: vastestofdetectors, optische detectors, thermische detectors en akoestische detectors.
De detector voorgesteld in deze thesis hoort thuis in de laatste groep.
39
40
Hoofdstuk 5. Helium gasdetector
Vastestofdetectors kunnen op zich nog eens onderverdeeld worden in drie groepen naargelang
hun detectiemechanisme: sensors gebaseerd op de elektrische conductiviteit van het oppervlak
bij halfgeleidende keramische materialen, de ionenconductiviteit bij elektrolyten of de verandering van capaciteit bij diëlektrica. De responstijd van vastestofdetectors is eerder groot en
ze kunnen meestal niet kwantitatief gebruikt worden. Keramische sensors vereisen meestal
hoge temperaturen (150 tot 500 ◦ C) waardoor ze niet inzetbaar zijn bij ontvlambare gassen.
Optische detectors kunnen ook onderverdeeld worden in verschillende groepen. Er zijn bijvoorbeeld detectors die gebruik maken van de absorptie in bepaalde regio’s van het frequentiespectrum. Deze zijn enkel inzetbaar bij lage temperaturen omwille van de ruis die belangrijker
wordt bij hogere temperatuur. Een ander type is de optische glasvezel detector: een fiber is
omgeven met een palladiumfilm, die uitzet bij absorptie van H2 waardoor het transmissiekarakter van de lichtgeleider verandert.
Thermische detectors ingezet bij gaslekdetectie maken dan weer gebruik van de temperatuurverschillen tussen omgevingsgas en pijpleidinggas. Voorts zijn er nog vele andere types.
Afhankelijk van waarvoor men de detector wil gebruiken, zal men moeten kiezen op grond
van grootte, accuraatheid, responstijd, selectiviteit en kostprijs.
Het detectiemechanisme van de sensor voorgesteld in deze thesis is gebaseerd op de akoestische
geleidbaarheid van gassen. In het algemeen geldt dat hoe kleiner de massadichtheid van het
medium (in dit geval gas), hoe groter de geluidssnelheid:
s
B
c=
(5.1)
ρ
met B de elasticiteitsmodulus van het medium en ρ de massadichtheid. Bovendien zijn er
significante verschillen in akoestische impedantie Z tussen verschillende gassen. De akoestische
impedantie van een gas wordt gedefinieerd door:
p
Z = ρc =
(5.2)
v
In het bijzonder is er een merkbaar verschil in akoestische eigenschappen tussen helium en
waterstofgas enerzijds en lucht en koolstofdioxide anderzijds, zie Tabel 5.1. De tabel laat zien
dat de geluidssnelheid bij He en H2 beduidend groter is als bij lucht en CO2 , als gevolg van
een verschil in massadichtheid.
Geluidssnelheid c (m/s) bij 25 ◦ C
Massadichtheid ρ (kg/m3 ) bij 1 atm
Karakteristieke akoestische impedantie Z (kg/m2 s)
Lucht
346,3
1,29
446,7
He
965,0
0,18
173,7
H2
1284
0,089
114,3
CO2
259,0
1,97
510,2
Tabel 5.1: Akoestische eigenschappen van lucht, He, H2 en CO2 , [24].
Aan de hand van deze data is het duidelijk dat men een akoestische gasdetector kan construeren om veranderingen van He- en H2 -concentraties in lucht of middenoorgas te meten, gebruik
makend van de verandering van de akoestische eigenschappen van een gas in een caviteit.
Hoe kan men zo’n detector nu gebruiken om onderzoek te verrichten op middenoor drukregulatie? Middenoorgas bevat in normale omstandigheden enkel N2 , O2 , CO2 en H2 O. Al
Hoofdstuk 5. Helium gasdetector
41
deze componenten hebben gelijkaardige akoestische eigenschappen, en zijn via een akoestische
methode bijgevolg ondetecteerbaar. Wanneer men het middenoor nu spoelt met He of H2 , zal
dit de middenoorcaviteit verlaten via uitwisseling met het bloed. Aangezien de akoestische eigenschappen van He en H2 bovendien merkbaar verschillen in vergelijking met middenoorgas,
kan via meting van deze parameters teruggerekend worden naar de diffusiesnelheid. Net zoals
bij de hoge resolutie differentiële gasvolume sensor, is het ook bij deze detector heel belangrijk
om bij constante temperatuur te meten omdat de akoestische parameters temperatuurafhankelijk zijn. Ook veranderingen van druk moeten zo klein mogelijk gehouden worden, omdat
deze een invloed hebben op zowel de akoestische parameters als op de detectie-elementen van
het meettoestel.
Praktisch zal men He gebruiken in plaats van H2 , wegens het nogal explosieve karakter van
laatst vernoemde. Men zal omwille van fysiologische redenen ook niet met 100% He spoelen, maar aangezien de verschillen in akoestische parameters beduidend zijn, vormt dit geen
probleem. Verder in dit hoofdstuk wordt een helium gasdetector voorgesteld om dergelijke
metingen te kunnen uitvoeren. Hierin worden twee verschillende detectiemethodes vergeleken: één gebaseerd op verschuivingen van de resonantiefrequentie na het ‘aanslagen’ van het
gas in de caviteit, de tweede op faseverschuivingen tussen een continu in- en uitgangssignaal.
5.2 Apparaat
5.2.1 Opstelling
Figuur 5.1: Schematische weergave van het meettoestel. De luidspreker genereert een ingangssignaal, de microfoon detecteert het uitgangssignaal. Via de uitstulping kan de
caviteit in contact gebracht worden met het te onderzoeken systeem.
De basis van onze sensor is een eigengemaakte cilindervormige caviteit, vervaardigd uit aluminium, met een open uitstulping in één zijde. In de andere zijde is de luidspreker geplaatst en
in de mantel bevindt zich een microfoon (Figuur 5.1). Hef effectief volume van de caviteit bedraagt ongeveer 1350 µl. Via een buisje gekoppeld aan de uitstulping kan de sensor in contact
gebracht worden met een te onderzoeken systeem. Een verandering van de He-concentratie
in het te onderzoeken systeem resulteert na diffusie door het koppelingsbuisje in een verande-
42
Hoofdstuk 5. Helium gasdetector
ring van de gassamenstelling in de detectorcaviteit wat resulteert in een verandering van de
akoestische parameters, wat op verschillende manieren bepaald kan worden.
De dichtingen rond microfoon en luidspreker moeten zeer goed luchtdicht zijn, aangezien we
met onze techniek He-deeltjes wensen te detecteren die als gevolg van hun zeer kleine grootte
gemakkelijk door slechte dichtingen heen diffunderen.
In de opstelling wordt gebruik gemaakt van een piëzoluidspreker (Murata 7BB-12-9). Dergelijk type is weinig drukgevoelig omwille van zijn harde structuur. Een luidspreker die geluid
produceert aan de hand van een trillend membraan blijkt niet bruikbaar omdat deze extreem
gevoelig aan overdrukken is: experimenten waarin we een overdruk van slechts 50 Pa (0, 05%
van atmosterische druk) op een membraanluidspreker zetten, tonen grote storingen op het
rechtstreeks gemeten geluidssignaal.
De luidspreker is gekoppeld aan een frequentiegenerator en levert het ingangssignaal. Het
uitgangssignaal van de microfoon (Projets Unlimited) wordt eerst door een signaalversterker
gestuurd zodat de amplitude van beide signalen van dezelfde grootteorde is. Dit wordt van
essentieel belang bij frequenties groter dan 15 kHz, vanaf 20 kHz valt de respons van de
microfoon zo goed als weg. Zowel het in- als het uitgangssignaal wordt vervolgens in de pc
ingelezen via coaxverbindingen aangesloten op een eigengemaakt bufferbord gekoppeld aan
een A/D-convertor (NI-DAQ 7 pci-kaart, bereik -5 tot +5 V).
De versterking van de signaalversterker (Stanford Research Systems SR650) is als volgt:
versterking[dB] = 20 log
Vout
Vin
(5.3)
met Vin de amplitude van het ingangssignaal op de versterker en Vout dat van het uitgangssignaal. Met andere woorden: wanneer het signaal√met 10 dB wordt versterkt, is de amplitude
van het signaal vermenigvuldigt met een factor 10.
In deze thesis vergelijken we twee verschillende methodes die het mogelijk maken de waarde
van de He-concentratie in de caviteit als functie van de tijd te bepalen. Bij de eerste methode
(resonantiemethode) wordt een blokgolf ingestuurd. Het gas in de caviteit wordt bij elke
sprong in dit signaal ‘aangeslagen’, waarna de responsfunctie wordt opgemeten via de microfoon. De resonantiefrequentie (frequentie met maximale amplitude in het Fourier-domein)
van deze responsfunctie varieert naargelang de He-concentratie, en is bijgevolg een maat voor
de gassamenstelling. Bij de tweede methode (fasemethode) wordt een sinusoı̈daal signaal
ingestuurd, dat door de microfoon op een faseverschil na wordt gedetecteerd. De grootte
van het faseverschil is een maat voor de He-concentratie, aangezien de golfsnelheid groter is
naarmate er meer He in de caviteit zit. Een uitvoerige bespreking van beide methodes vindt
men verder in dit hoofdstuk.
De signaalverwerking kan samengevat worden als volgt: het ingangssignaal x(t), afkomstig
van de luidspreker, wordt door het systeem (de caviteit) gestuurd en omgezet in het uitgangssignaal y(t), opgemeten met de microfoon:
x(t) → systeem → y(t)
(5.4)
Het uitgangssignaal wordt nu eerst versterkt met behulp van de signaalversterker:
y(t) → signaalversterker → y 0 (t)
(5.5)
43
Hoofdstuk 5. Helium gasdetector
Zowel het continue ingangssignaal als het versterkte uitgangssignaal wordt vervolgens bemonsterd met behulp van een A/D-convertor, wat tijdsgediscretiseerde signalen (x[n] en y[n])
oplevert:
x(t), y 0 (t) → A/D-convertor → x[n], y[n]
(5.6)
Met zelfgeschreven detectiesoftware (Matlab) kan men uit de digitale signalen, die informatie
over de akoestische parameters bevatten, een maat voor de He-concentratie in de caviteit
halen:
x[n], y[n] → software → He-concentratie
(5.7)
5.2.2 Responstijd
Een belangrijke eigenschap van een gasdetector is zijn responstijd, die een maat verschaft
in hoeverre de detector concentratieveranderingen in het te onderzoeken systeem volgt. De
responstijd is dus niet te verwarren met de reactietijd. De reactietijd van onze detector is
het tijdsverschil tussen een reële verandering in de detectorcaviteit en het registreren hiervan,
en is in ons systeem verwaarloosbaar: een verandering van de He-concentratie in de caviteit
resulteert instantaan in verandering van akoestische parameters.
De responstijd daarentegen is afhankelijk van de diffusiesnelheid van He-deeltjes van het te
onderzoeken systeem via het koppelingsbuisje naar de detectorcaviteit. Wil men verandering
van de He-concentratie in het te onderzoeken systeem opmeten, dan moeten deze variaties
van dezelfde grootteorde zijn als de responstijd van de detector. Stel bijvoorbeeld dat de
He-concentratie in het te onderzoeken systeem varieert met een frequentie van 1 Hz, en dat
de responstijd van de gekoppelde detector 1 minuut bedraagt. Het is duidelijk dat de detector
deze korte variaties dan niet kan volgen.
Wanneer in het te onderzoeken systeem een He-partieeldruk is verschillend van nul en in
de detectorcaviteit een initiële He-partieeldruk gelijk aan nul, dan zal via diffusie naar gelijke partieeldrukken gestreefd worden. Hierdoor is het best dat het effectief volume van de
detectorcaviteit (≈ 1350 µl) kleiner is dan dit van het te onderzoeken systeem, zodat de
He-concentratie in het te onderzoeken systeem niet te veel verandert onder invloed van de
diffusie. Het middenoorvolume bij de mens bedraagt ongeveer 6 ml, en is bijgevolg voldoende
groter dan dat van de detectorcaviteit. Bij een konijn is dit slechts 300 µl, zodat men na
een daadwerkelijke meting op dit proefdier bij de analyse van de data rekening moet houden
met dit artefact. Een oplossing voor dit probleem is dat men niet enkel de middenoorcaviteit
spoelt, maar zowel de middenoor- als de detectorcaviteit. Een andere oplossing is een nieuwe,
kleinere detector te construeren.
Men verwacht een exponentieel verloop van de He-concentratie (φ) door diffusie tussen het
te onderzoeken systeem en de detectorcaviteit. Deze diffusie is niet te verwarren met de
gasuitwisseling die men met de detector wil opmeten. Een parameter die de responstijd τ
karakteriseert is de vervaltijd in de exponentiële functie:
φ ∼ e−t/τ
(5.8)
Hoe kleiner de responstijd, hoe sneller de diffusie plaatsvindt en bijgevolg hoe sneller de
detector de gasuitwisseling van het te onderzoeken systeem kan volgen.
Hoofdstuk 5. Helium gasdetector
44
5.3 Resonantiemethode
5.3.1 Theoretische beschouwing
Bij een eerste methode om de He-concentratie in de caviteit te bepalen, is het ingangssignaal
x(t) op de microfoon een blokgolf. De eerste periode van dit signaal wordt gekarakteriseerd
als volgt:
(
0 als 0 ≤ t < T /2
x(t)| 0≤t<T =
(5.9)
1 als T /2 ≤ t < T
De continue opeenvolging hiervan, een blokgolf, ziet er dan uit zoals in Figuur 5.2.
Figuur 5.2: Het ingangssignaal x(t).
Telkens als er in het ingangssignaal een sprong optreedt, komt dit fysisch gezien overeen
met het insturen van een impulsfunctie, omdat de luidspreker in de realiteit geen constante
amplitude kan aanhouden. Een impulsfunctie wordt als volgt gedefinieerd:
(
∞ als t = 0
δ(t) =
(5.10)
0 als t 6= 0
De amplitude heeft in realiteit logischerwijs een eindige waarde. De reactie van de caviteit op
één enkele impulsfunctie is de impulsresponsfunctie, verder afgekort tot IRF. Het uitgangssignaal van ons systeem is bijgevolg een continue opeenvolging van IRF’s.
Hoe reageert ons systeem (gas in de caviteit) op een impulsfunctie, of met andere woorden,
wat is de IRF? Een impulsfunctie komt fysisch overeen met het zeer kort ‘aanslagen’ van
het gas in de caviteit. De Fourier-getransformeerde van een impulsfunctie is de constante
1-functie:
Z +∞
F (ω) =
δ(t)e−iωt dt
(5.11)
−∞
=1
waardoor we in feite een heel korte geluidsgolf insturen die een heel breed spectrum frequentiecomponenten bevat. We verwachten dus voor de IRF een exponentieel afvallende oscillerende
45
Hoofdstuk 5. Helium gasdetector
functie, waarvan de frequentiecomponent met de grootste bijdrage de resonantiefrequentie
van de caviteit is. Experimenteel nemen we dit ook waar.
Wanneer nu de He-concentratie in de caviteit wijzigt, veranderen de akoestische eigenschappen van het systeem wat resulteert in een verschuiving van de resonantiefrequentie. Via een
Fourier-transformatie kan de frequentiecomponent met de grootste bijdrage berekend worden,
die een maat is voor de He-concentratie. Kalibratie wordt uitgevoerd door de resonantiefrequentie in functie van de He-concentratie te bepalen. Men verwacht een lineair verband.
Figuur 5.3: Theoretische plot van het ingangssignaal x(t) en het uitgangssignaal y(t).
Het uitgangssignaal (Figuur 5.3) is een aaneenschakeling van IRF’s, waardoor een quasicontinue detectie van de verschuiving van de resonantiefrequentie mogelijk is door opeenvolgende berekeningen van de hoofdfrequentie in de IRF’s.
5.3.2 Praktische uitwerking
Om een optimale detectie van de gewenste parameter te garanderen, bij een zo goed mogelijke
meetresolutie en zo hoog mogelijke meetfrequentie (aantal detecties per seconde), moeten een
aantal zaken zo goed mogelijk op elkaar afgesteld worden.
Zo wordt het uitgangssignaal van de microfoon y(t) versterkt met 60 dB (factor 1000):
y 0 (t) = 1000 × y(t)
(5.12)
zodat het ingangssignaal x(t) en het versterkte uitgangssignaal y 0 (t) een amplitude hebben van
dezelfde grootteorde (∼ 3 V). Hierdoor benutten beide signalen hetzelfde bereik in de A/Dconvertor. De signaalversterker wordt bovendien zodanig ingesteld dat oscillaties met een
frequentie kleiner dan 5 kHz niet doorgelaten worden (high pass filtering). Deze frequenties
veroorzaken een ruis op het uitgangssignaal die we niet wensen te detecteren.
In de meetsoftware wordt zowel het in- als het uitgangssignaal ingeladen. Het ingangssignaal
dient als triggersignaal: bij elke sprong in de blokgolf wordt het uitgangssignaal uitgelezen
tot dat een nieuwe sprong in het triggersignaal optreedt. We meten dus telkens de IRF op.
Via een FFT (Fast Fourier Transform, [29]) op de IRF kunnen we dan de resonantiefrequentie
Hoofdstuk 5. Helium gasdetector
46
van het gas in de caviteit bepalen, waarbij rekening wordt gehouden met een korte initiële
ruis in de IRF, waarschijnlijk als gevolg van het kort natrillen van de luidspreker na de plotse
spanningsval. Bij de analyse negeren we verder de aanwezige DC-component.
Bij het bemonsteren van de IRF moeten we rekening houden met het Nyquist criterium:
Om aliasing [29] te vermijden moet het signaal in het tijdsdomein bemonsterd worden met een frequentie die minstens twee keer groter is dan de hoogste frequentie
die voorkomt in dat signaal.
De microfoon in onze opstelling gedraagt zich als een low pass filter omdat hij gelimiteerd is tot
het opmeten van frequenties beneden 20 kHz. In feite volstaat het dan om te bemonsteren aan
40 kHz, maar een goede vuistregel zegt dat indien mogelijk men moet bemonsteren aan tien
maal de hoogste frequentie. Onze kaart laat het toe om te bemonsteren aan 200000 samples/s,
zodat de IRF met zeer hoge kwaliteit gedigitaliseerd wordt. De maximaal detecteerbare
resonantiefrequentie wordt bereikt wanneer we de caviteit spoelen met een 70% He-mengsel,
zie sectie met resultaten. Dit vormt echter geen probleem voor middenooronderzoek, omdat
men omwille van fysiologische redenen niet met deze concentraties zal werken. Indien men
met deze methode een systeem wil onderzoeken waarbij deze concentraties wel voorkomen,
kan men de vorm van de caviteit aanpassen zodat de resonantiefrequentie verlaagt of een
microfoon met een hoger bereik gebruiken.
De ingestelde frequentie van de blokgolf (∼ aantal sprongen per seconde) op de frequentiegenerator bepaalt de meetresolutie. Op het eerste zicht zou men denken om de periode van de
blokgolf zo klein mogelijk te maken, wat leidt tot een goede meetfrequentie omdat er na elke
sprong een IRF volgt dewelke de gewenste informatie bevat. Echter, hoe korter de tijdsopname, hoe groter de afstand tussen opeenvolgende punten in het Fourier-domein en dus hoe
slechter de nauwkeurigheid: als de lengte van het tijdssignaal dat opgemeten wordt gelijk is
aan τ , dan is de frequentieresolutie in het Fourier-domein 1/τ . Aangezien de frequentie de
variabele is die we willen meten, moet er bijgevolg een compromis gemaakt worden tussen
beide parameters. Merk op dat de gewenste variabele, de frequentie, discreet is.
Uiteindelijk is de frequentie van de blokgolf ingesteld op νx(t) = 10 Hz. Aangezien er twee
sprongen per periode zijn, zou men zodus 20 detecties per seconde kunnen halen. Echter,
de A/D-convertor laat slechts toe om op één van de twee sprongen te triggeren (ofwel een
stijgende nuldoorgang, ofwel een dalende), zodat de meetfrequentie 10 samples/s is. De tijdsopname per IRF is de helft van de periode: τ = 1/2νx(t) = 1/20 s, zodat de frequentieresolutie
gediscretiseerd is met sprongen van 1/τ = 20 Hz.
5.3.3 Resultaten
In deze sectie wordt eerst de reactie van de detector op een verandering van de He-concentratie
besproken, vervolgens wordt een waarde voor de responstijd afgeschat.
Reactie op He-concentratieverandering
De verandering van de resonantiefrequentie bij een wijziging van de He-concentratie in de
detector werd onderzocht door het spoelen van de caviteit met een omgevingslucht-He mengsel
47
Hoofdstuk 5. Helium gasdetector
met respectievelijk 10%, 20%, 30% en 40% He.
Omgevingslucht en middenoorgas bevatten voor 99% dezelfde gascomponenten, enkel de interne concentratie verschilt. Aangezien de akoestische eigenschappen van al deze componenten
quasi gelijk zijn, zijn de resultaten met omgevingslucht dezelfde als deze indien men een
middenoorgas-He mengsel zou gebruiken. De resultaten zijn bijgevolg representatief voor
daadwerkelijke metingen op het middenoor.
De spoeling werd uitgevoerd door een injectiespuit met de juiste concentratie te vullen en
daarna met behulp van een injectienaald op de spuit een voldoende groot volume via de
uitstulping in te caviteit te blazen. Een wijziging van de He-concentratie in de caviteit leidt
tot een verandering van de akoestische impedantie, waardoor er een verschuiving optreedt
van de resonantiefrequentie.
(a) 10% He
(b) 20% He
(c) 30% He
(d) 40% He
Figuur 5.4: Respons van de detector met de resonantiemethode voor verschillende Heconcentraties.
Figuur 5.4 toont de typische resultaten verkregen na spoeling met verschillende He-concentraties. De resonantiefrequentie van de detector gevuld met omgevingslucht is 13460 ± 20 Hz, en
als gevolg van de spoeling treedt een merkbare verschuiving van de resonantiefrequentie op:
48
Hoofdstuk 5. Helium gasdetector
bij een 10%-He mengsel verschuift deze 1240 Hz, bij een 40%-He mengsel 4060 Hz. In 5.4(a) is
het discreet karakter van de variabele duidelijk zichtbaar in de exponentieel afvallende curve,
omdat hier de initiële frequentiesprong het kleinst is. De relatieve nauwkeurigheid na spoeling
met een 10%-He mengsel is 1, 6%. Indien gewenst kan een nog betere frequentieresolutie
bekomen worden door gebruik te maken van de zwaartepuntsmethode. Bij deze techniek
wordt de positie van de resonantiepiek nauwkeuriger bepaald door het gewogen gemiddelde
te nemen over de omgeving ervan:
X
hi νi
piek
hνi = X
(5.13)
hi
piek
met hi de amplitude in het Fourier-domein bij frequentie νi . De gediscretiseerde positie van
het maximum wordt hierbij omgezet naar een continue positie hνi.
Als men de resultaten doortrekt, zijn nog kleinere concentraties detecteerbaar. Echter,
het voorhande labomateriaal liet niet toe dit experimenteel te testen. De maximale Heconcentratie die nog detecteerbaar is, wordt bepaald door de microfoon in de opstelling. Deze
is niet geschikt om frequenties hoger dan 20 kHz te meten. Experimenteel blijkt dat de ruis
in het Fourier-domein groter wordt dan de piek bij een mengsel met 70% He.
Figuur 5.5: Grootte van de resonantieverschuiving in functie van de He-concentratie met een
lineaire fit door de data.
In figuur 5.5 wordt de gemiddelde verschuiving van de resonantiefrequentie voor verschillende
concentraties geplot. De datapunten zijn het gemiddelde van herhaalde metingen, en de
foutenvlaggen zijn gegeven. De rechte gefit aan de data toont, zoals verwacht, een lineair
verband tussen beide parameters waardoor kalibratie zeer eenvoudig is. Rekening houdend
met de fout op de fit, gaat de rechte door de oorsprong. Via extrapolatie vindt men een
theoretische resonantieverschuiving van 6834 Hz bij een He-concentratie van 70%. Opgeteld
bij de resonantiefrequentie van lucht, 13460 Hz, geeft dit 20294 Hz, inderdaad de maximum
detecteerbare frequentie met de microfoon.
49
Hoofdstuk 5. Helium gasdetector
Responstijd
De responstijd van de detector is afhankelijk van de diffusiesnelheid tussen het te onderzoeken
systeem en de detectorcaviteit. We zouden dit kunnen testen door een volume aan de detector
te koppelen via een buisje, in dit volume een He-concentratie aan te brengen en vervolgens
te kijken hoe lang het duurt voor de He-concentratie in evenwicht is met de detectorcaviteit.
Echter, uit de bovenstaande resultaten (Figuur 5.4) kunnen we ook een waarde afleiden voor
de responstijd: het exponentieel verloop van de curve toont de diffusie van He uit de caviteit
weg naar de omgeving, waar de He-partieeldruk gelijk is aan nul. Deze diffusie is te vergelijken
met een diffusie van een extern volume naar de detector toe.
Een exponentiële curve van de vorm
φ = ae−t/τ + b
(5.14)
werd gefit aan de data. τ is de vervaltijd van de curve, de tijdsduur waarna de He-concentratie
teruggevallen is tot 37% van de initiële waarde.
He-concentratie (%)
τ (s)
10
59,88
20
56,50
30
52,63
40
50,00
Tabel 5.2: Vervaltijd τ in de exponentiële fit voor verschillende concentraties.
Tabel 5.2 toont de waarde van τ in de exponentiële fit voor verschillende concentraties. Men
verwacht dat de responstijd onafhankelijk is van de initiële He-concentratie (cfr. radioactiviteit), maar een lichte daling bij stijgende concentratie schijnt op te treden. Het rekenkundig
gemiddelde is: τ = (54, 8 ± 2, 2) s, wat een maat is voor de responstijd van de detector.
5.4 Fasemethode
5.4.1 Theoretische beschouwing
Bij de tweede methode wordt een sinusoı̈daal signaal op de luidspreker gezet. Merk hier
meteen het grote verschil op met de vorige methode: terwijl er bij de resonantiemethode een
opeenvolging van korte geluidspulsen wordt ingestuurd (telkens een hele waaier frequenties),
wordt er bij de fasemethode een continu signaal met exact één frequentie ingestuurd.
Als gevolg van de trillingen van het piëzo-element gaan de gasdeeltjes in de caviteit bewegen. De beweging van de luidspreker is continu, dus men verwacht voor de gasdeeltjes ook
een continue longitudinale beweging die zowel in functie van de tijd als in functie van de
plaats sinusoı̈daal wordt voort gezet. De wanden en de mantel van de caviteit zorgen voor
een terugkaatsing van de geluidsgolf als gevolg van het impedantieverschil tussen lucht en
aluminium. De deeltjesbeweging door de opening wordt gewoonweg voort gezet tot aan het
uiteinde van de uitstulping waar een gedeeltelijke terugkaatsing optreedt als gevolg van het
impedantieverschil dat ontstaat door het drukverschil tussen de atmosfeer en de longitudinale
geluidsgolf. Hierdoor ontstaat een interferentiepatroon in de caviteit.
50
Hoofdstuk 5. Helium gasdetector
Figuur 5.6: Theoretische plot van het ingangssignaal x(t) en het uitgangssignaal y(t).
Omwille van de opbouw en grootte van de caviteit verwachten we geen staande golven bij
de gebruikte frequenties (915, 8500 en 15500 Hz, zie sectie met resultaten), zodat er tussen
het ingangssignaal van de luidspreker en het opgemeten signaal aan de microfoon (beide
dezelfde frequentie) een faseverschil is, zie Figuur 5.6. Als de He-concentratie in de caviteit
onveranderd blijft, is dit faseverschil constant.
Wanneer de He-concentratie in de caviteit verandert, zal ook de geluidssnelheid van het gas in
de caviteit aanzienlijk veranderen. Bijgevolg is het faseverschil tussen in- en uitgangssignaal
een maat voor de He-concentratie. Hoe hoger de He-concentratie, hoe sneller de geluidsgolf
door de caviteit beweegt en dus hoe kleiner het faseverschil. Echter, afhankelijk van tussen
welke twee punten van het in- en uitgangssignaal men het faseverschil bepaalt, meet men een
vergroting of verkleining bij verschuiving. Differentieel doet dit er niet toe, en bij conventie
wordt in de resultatensectie telkens een stijging geplot bij toenemende He-concentratie. Kalibratie wordt uitgevoerd door het faseverschil in functie van de He-concentratie te bepalen.
Men verwacht een lineair verband.
Ook bij deze methode transformeren we het in- en het uitgangssignaal naar het Fourierdomein. In tegenstelling tot bij de resonantiemethode willen we hier niet de maximale frequentie van de signalen bepalen, deze is hetzelfde voor beide, maar het faseverschil ertussen.
De Fourier-getransformeerde van een functie van de tijd f (t) is een complexe functie van de
frequentie F (ω). De waarde van het maximum bij de frequentie met maximale modulus in
het Fourier-domein is bijgevolg een complex getal. Stel zx = rx eiθx de maximale complexe
amplitude van het ingangssignaal x(t) en zy = ry eiθy dat van het uitgangssignaal y(t). Het
faseverschil tussen beide signalen kan dan als volgt berekend worden:
∆θ = Im(ln(zy )) − Im(ln(zx ))
= θy − θx
(5.15)
Wanneer we nu herhaaldelijk een voldoende lang stuk signaal ‘wegknippen’ uit zowel het
in- als het uitgangssignaal en het faseverschil ertussen berekenen, kennen we het faseverschil
in functie van de tijd. Dit laat een quasi-continue meting toe van het verloop van de Heconcentratie in de caviteit.
Hoofdstuk 5. Helium gasdetector
51
5.4.2 Praktische uitwerking
Ook bij deze methode moeten een aantal zaken zo goed mogelijk op elkaar afgesteld worden om
een optimale detectie van de gewenste parameter te garanderen. Zo is de versterking van het
uitgangssignaal afhankelijk van de frequentie van het ingangssignaal: bij bepaalde frequenties
resulteert het interferentiepatroon op de plaats van de microfoon in grotere amplitudes dan
bij andere. De versterking varieert zodus tussen 10 en 40 dB.
In de meetsoftware wordt zowel het in- als het uitgangssignaal ingeladen. De bemonsteringsfrequentie wordt ingesteld op 200000 samples/s, en omdat de maximale frequentie die de
microfoon kan detecteren 20 kHz is, is ruim voldaan aan het Nyquist criterium. Uit zowel het
in- als het uitgangssignaal wordt tegelijkertijd één vijfde seconde data (40000 samples) ‘weggeknipt’, zodat de afstand tussen opeenvolgende punten in het Fourier-domein 5 Hz bedraagt.
Vervolgens gebeurt de berekening van het faseverschil tussen beide stukken data, terwijl alweer een volgende dataset van één vijfde seconde binnengehaald wordt. Op deze manier is er
een quasi-continue detectie van het faseverschil met 5 detecties per seconde. Men zou kunnen
denken om veel kortere stukken data binnen te halen, zodat er meer detecties per seconde
zijn. Dit leidt echter tot een grotere ruis op de berekening van het faseverschil. Bovendien
moet men er voor zorgen dat de rekensoftware de bemonsteringssoftware kan volgen.
Telkens als er een stuk signaal wordt ‘weggeknipt’ uit de dataserie f (t), komt dit fysisch gezien
overeen met een vermenigvuldiging van het signaal met een blokgolf. In het Fourier-domein
vertaalt zich dit in een convolutie met een sinc-functie:
ωτ t FT
f (t).rect
−−→ F (ω) ∗ τ sinc
(5.16)
τ
2
met rect τt een blokgolf met breedte τ = 0, 2 s en amplitude 1, gespreid rond t = 0. De
convolutie resulteert in een verbreding van de piek in het Fourier-domein, waardoor de positie
en de waarde van het maximum minder nauwkeurig bepaald kan worden. Om dit euvel te
verhelpen, vermenigvuldigen we het ‘uitgeknipte stuk sinus’ met een venster: de Blackman
functie. De Fourier-getransformeerde van zo’n venster heeft een veel scherpere piek, zodat
de verbreding van de piek in het Fourier-domein veel kleiner is als na convolutie met een
sinc-functie.
Nadat de twee ‘uitgeknipte’ datasignalen zijn vermenigvuldigd met een venster, worden ze
via een FFT omgezet naar het Fourier-domein. Vervolgens kan het faseverschil tussen beide signalen bepaald worden door het faseverschil te berekenen tussen de waarden van de
complexe maxima van de respectievelijke Fourier-spectra aan de hand van (5.15). In de berekening worden sprongen van het faseverschil groter of gelijk aan π tussen twee opeenvolgende
punten weggefilterd (unwrap). De ruis op het faseverschil bij constante condities bepaalt de
nauwkeurigheid van de variabele.
5.4.3 Resultaten
In deze sectie wordt eerst de reactie van de detector op een verandering van de He-concentratie
bij verschillende frequenties besproken, vervolgens wordt een waarde voor de responstijd afgeschat.
52
Hoofdstuk 5. Helium gasdetector
Reactie op He-concentratieverandering voor verschillende ingangssignaalfrequenties
De grootte van het fasevershil tussen een sinusoı̈daal in- en uitgangssignaal werd onderzocht
na het spoelen met een omgevingslucht-He mengsel met respectievelijk 10%, 20%, 30% en 40%
He. De manier van meten is analoog als bij de resonantiemethode, waarbij we nu naast de Heconcentratie ook de frequentie van het ingangssignaal varieerden. Volgende drie frequenties
werden onderzocht: 915 Hz, 8500 Hz en 15500 Hz. 915 Hz is het minimum, lagere frequenties
resulteren zelfs na versterking niet in een voldoende grote amplitude van het uitgangssignaal.
15500 Hz is een hoge frequentie waarbij signaalamplitude aanvaardbaar is en 8500 Hz ligt
ongeveer in het midden.
(a) 10% He
(b) 20% He
(c) 30% He
(d) 40% He
Figuur 5.7: Respons van de detector met als frequentie van het ingangssignaal 915 Hz voor
verschillende He-concentraties.
Figuur 5.7 toont de typische resultaten van metingen bij 915 Hz. Het faseverschil bij omgevingslucht wordt gelijk gesteld aan nul (initieel constante lijn), en de verschuiving van het
faseverschil bij toename van de He-concentratie is bij conventie positief. Tijdens dat men de
caviteit spoelt, treden er storingen op als gevolg van het contact van de uitstulping met de
injectienaald en de overdruk van het spuiten. Deze storingen zijn niet volledig zichtbaar op
Hoofdstuk 5. Helium gasdetector
53
de grafiek omdat de amplitudes ervan soms buiten het bereik van de y-as vallen.
Als gevolg van het spoelen treedt er een verschuiving van het faseverschil op. Na spoeling met
een 10%-He mengsel is dit 0, 10 Rad, bij een 40%-He mengsel bedraagt deze 0, 43 Rad. De
ruis op de initieel constante fase bedraagt 0, 002 Rad, zodat de relatieve nauwkeurigheid van
de detectie na spoeling met een 10%-He mengsel 2% is. Als men de resultaten doortrekt, zijn
ook bij deze methode kleinere concentraties detecteerbaar, maar het geschikte labomateriaal
om dit te verifiëren was niet aanwezig. In tegenstelling tot bij de resonantiemethode, is hier
geen maximum op de He-concentratie die nog detecteerbaar is.
Figuur 5.8: Grootte van de verschuiving van het faseverschil in functie van de He-concentratie
bij 915 Hz met een lineaire fit door de data.
Figuur 5.8 toont de gemiddelde verschuiving van het faseverschil na herhaalde metingen in
functie van de He-concentratie in het mengsel. Een rechte is gefit aan de data en foutenmarges
zijn gegeven. Zoals verwacht, ziet men een lineair verband: hoe groter de He-concentratie in
het mengsel, hoe groter de verschuiving van het faseverschil waardoor kalibratie zeer eenvoudig
is. Rekening houdend met de fout op de fit, gaat de rechte door de oorsprong.
Figuur 5.9 toont de typische resultaten van metingen bij 8500 Hz. De verschuiving van het
faseverschil dat optreedt na spoeling met een 10%-He mengsel bedraagt 0, 05 Rad, bij een
40%-He mengsel is dit 0, 20 Rad. De relatieve nauwkeurigheid bij een He-concentratie van
10% is 4%. Ook hier zijn kleinere concentraties zeker nog detecteerbaar.
Figuur 5.10 toont de gemiddelde verschuiving van het faseverschil na herhaalde metingen in
functie van de He-concentratie in het mengsel. In vergelijking met 915 Hz is de verschuiving
van het faseverschil hier ongeveer slechts de helft. Metingen met als frequentie van het
ingangssignaal 915 Hz leiden bijgevolg tot een relatief betere nauwkeurigheid. Een rechte is
gefit aan de data en foutenmarges zijn gegeven. Zoals verwacht, is ook hier duidelijk een
lineair verband en gaat de rechte door de oorsprong.
In Figuur 5.11 staan de resultaten van metingen met als frequentie van het ingangssignaal
15500 Hz. In tegenstelling tot bij de twee vorige frequenties, is hier een verandering van
het faseverschil in twee richtingen te zien. Dit vreemde gedrag kwam terug bij herhaalde
metingen en bijgevolg is er een fasegebied dat in functie van de tijd twee maal voorkomt, wat
wil zeggen dat hetzelfde faseverschil optreedt bij verschillende concentraties. Hierdoor is deze
54
Hoofdstuk 5. Helium gasdetector
(a) 10% He
(b) 20% He
(c) 30% He
(d) 40% He
Figuur 5.9: Respons van de detector met als frequentie van het ingangssignaal 8500 Hz voor
verschillende He-concentraties.
Figuur 5.10: Grootte van de verschuiving van het faseverschil in functie van de He-concentratie
bij 8500 Hz met een lineaire fit door de data.
55
Hoofdstuk 5. Helium gasdetector
(a) 10% He
(b) 20% He
(c) 30% He
(d) 40% He
Figuur 5.11: Respons van de detector met als frequentie van het ingangssignaal 15500 Hz voor
verschillende He-concentraties.
frequentie niet bruikbaar om daadwerkelijke metingen te doen, omdat een faseverschil niet
éénduidig overeen komt met een He-concentratie.
De reden dat er nadat de spuit is weggehaald uit de uitstulping een verschuiving van het
faseverschil optreedt in twee richtingen, ligt niet voor de hand. Op de grafieken kan men zien
dat de verschuiving van het faseverschil bij 10% en 20% He respectievelijk 0,12 en 0, 4 Rad
is, dus een factor 3 verschil. Echter, de verschuiving van het faseverschil bij 30% He bedraagt
3,2 Rad, en bij 40% He blijft deze onveranderd. Enkel de tijdsduur van het vreemde gedrag
neemt toe met ongeveer 10 s. Overeenkomend met hierboven wil dit zeggen dat vanaf een
bepaalde He-concentratie de verschuiving van het faseverschil niet meer volgens dezelfde richting verandert, waardoor eenduidige metingen onmogelijk zijn. Waarschijnlijk zit de caviteit
bij deze frequentie en He-concentratie dicht bij een resonantietoestand, zodat het systeem
eerst in resonantie wordt ‘gezogen’ en deze toestand daarna terug verlaat.
56
Hoofdstuk 5. Helium gasdetector
Responstijd
Ook bij deze methode wordt een waarde voor de responstijd berekend aan de hand van een
exponentiële fit van de vorm
φ = ae−t/τ + b
(5.17)
met τ de vervaltijd tot 37% van de initiële waarde. Dit werd enkel gedaan bij de data
horende bij Figuren 5.7 en 5.9, respectievelijk met 915 Hz en 8500 Hz als frequentie van het
ingangssignaal. Zoals te zien op Figuur 5.11, waar de frequentie van het ingangssignaal 15500
Hz is, gedraagt het gas in de caviteit zich hier irregulier.
He-concentratie (%)
τ (s) bij νin = 915 Hz
τ (s) bij νin = 8500 Hz
10
49,65
34,00
20
43,23
12,97
30
37,48
10,18
40
39,15
21,16
Tabel 5.3: Vervaltijd τ in de exponentiële fit voor verschillende concentraties en frequenties.
Tabel 5.3 toont de waarde van τ in de exponentiële fit voor verschillende concentraties en
twee frequenties. De data met als frequentie van het ingangssignaal 8500 Hz varieert sterk.
De slechte accuraatheid kan te wijten zijn aan slechte metingen en eventueel toevallige temperatuurs- en drukeffecten. Extra metingen in de toekomst kunnen dit probleem ophelderen.
Bij νin = 915 Hz is de accuraatheid beter, maar nog altijd niet optimaal. Het rekenkundig
gemiddelde is hier τ = (42, 4 ± 2, 7) s. In de resultatensectie bij de resonantiemethode hadden
we voor de responstijd τ = (54, 8 ± 2, 2) s. De nauwkeurigheidsintervallen overlappen niet,
wat nog eens aantoont dat extra metingen in de toekomst meer inzicht over de responstijd
van de detector kunnen opleveren. Een voorlopige waarde voor de responstijd van de detector
verkrijgen we door het rekenkundig gemiddelde te nemen van de responstijden bij de twee
verschillende detectiemethodes:
τ = (48, 6 ± 6, 2) s
(5.18)
5.5 Besluit
In de afgelopen decennia is er een uitgebreid gamma aan gasdetectors bedacht voor talrijke
doeleinden. Elke detector heeft een karakteristieke grootte, accuraatheid, responstijd, selectiviteit en kostprijs. Ook in het kader van biomedisch onderzoek op de gasuitwisseling
in het middenoor kan het gebruik van een gasdetector nieuwe informatie opleveren over de
diffusiesnelheid van middenoorgassen.
De middenoorcaviteit is gevuld met een gasmengsel dat bestaat uit N2 , O2 , CO2 en H2 O. De
akoestische eigenschappen van al deze componenten zijn vergelijkbaar. Als men het middenoor spoelt met een fysiologisch vreemd gas, zal dit de caviteit door diffusie verlaten. Wanneer
men het vreemd gas zodanig kiest dat de akoestische parameters ervan beduidend verschillen van de aanwezige componenten, kan men aan de hand van een akoestische methode de
gasuitwisseling van dit gas volgen. Helium is zo’n gas, en daarom wordt in deze thesis een
helium gasdetector voorgesteld.
Hoofdstuk 5. Helium gasdetector
57
De detector bestaat uit een cilindervormige caviteit met in één zijde een luidspreker, aan de
andere zijde een opening om het apparaat te koppelen met een te onderzoeken systeem en
in de mantel een microfoon. De luidspreker levert een ingangssignaal, dat via het systeem
(gas in de caviteit) wordt omgezet en overgebracht naar de microfoon. Het toestel laat toe
om de diffusie van één enkele gascomponent te volgen (He), in tegenstelling tot de hoge
resolutie differentiële gasvolume sensor die de netto resulterende volumeverandering van alle
gascomponenten registreert.
Omdat de akoestische eigenschappen van een gas temperatuur- en drukafhankelijk zijn, is
het ook bij dit meettoestel belangrijk om te meten bij constante temperatuur en bij weinig
variërende druk. De invloed van deze parameters moet in de toekomst nog bepaald worden.
Echter, wanneer men de gasdetector in combinatie met de volumesensor zou gebruiken, is het
drukartefact meteen gereduceerd tot een extreem kleine waarde.
Twee verschillende methodes om de He-concentratie te berekenen worden voorgesteld en vergeleken: een eerste gebaseerd op verschuivingen van de resonantiefrequentie na het ‘aanslagen’
van het gas in de caviteit (resonantiemethode), een tweede gebaseerd op faseverschuivingen
tussen een continu in- en uitgangssignaal (fasemethode). Bij de resonantiemethode wordt
een meetfrequentie van 10 detecties per seconde gehaald. Na spoeling met een gasmengsel
van 10% He is de relatieve nauwkeurigheid 1, 6%, zodat lagere frequenties zeker nog detecteerbaar zijn. Dit kon echter niet experimenteel geverifieerd worden. De maximaal meetbare
He-concentratie bedraagt 70%. Gebruik makend van de fasemethode, haalt men 5 detecties per seconde. De relatieve nauwkeurigheid is hier afhankelijk van de frequentie van het
ingangssignaal, en is onderzocht bij 915, 8500 en 15500 Hz. Het gedrag bij de hoogste frequentie is uiterst vreemd en laat niet toe éénduidige metingen te doen. Na spoeling met een
gasmengsel van 10% He is de relatieve nauwkeurigheid bij 915 Hz gelijk aan 2%, bij 8500 Hz
bedraagt deze 4%. De methode laat toe He-concentraties van 100% te detecteren.
De responstijd van de detector geeft een maat in hoeverre het apparaat He-concentratieveranderingen in een te onderzoeken systeem volgt, en is bijgevolg afhankelijk van de diffusiesnelheid tussen beide caviteiten. Normaliter is de parameter onafhankelijk van de gebruikte
meetmethode, maar dit is bij onze metingen niet het geval. Dit kan te wijten zijn aan slechte
metingen, toevallige afwijkingen of overgevoeligheid aan externe factoren. Meer metingen
en verder onderzoek kunnen deze schijnbare afwijking ophelderen. Desalniettemin kan een
waarde voor de responstijd afgeschat worden op 49 ± 7 seconden. Deze grootteorde laat
toe metingen uit te voeren op middenoor drukregulatie, waar variaties optreden die enkele
minuten duren, [7], [9], [10], [14], [20] en [21].
Uit bovenstaande gegevens kan men besluiten dat de resonantiemethode de stabielste is, een
iets betere relatieve nauwkeurigheid levert en het meeste aantal detecties per seconde toelaat.
In tegenstelling tot de fasemethode, is de maximaal detecteerbare He-concentratie hier wel
beperkt, maar dit vormt geen probleem voor meting van drukregulatie in het middenoor.
Tenslotte wil ik nog melden dat het interessant kan zijn om de haalbaarheid van een detector
te onderzoeken die rechtstreeks in het middenoor wordt ingebracht, zodat de verandering van
de gassamenstelling instantaan opgemeten kan worden. Met dergelijk apparaat kunnen mogelijke snel variërende concentratieveranderingen, bijvoorbeeld als gevolg van de ademhaling,
gemeten worden. De fasemethode is hier waarschijnlijk het meest geschikt, aangezien het
resonantiegedrag van de middenoorcaviteit moeilijk te voorspellen is.
HOOFDSTUK
6
In vivo experiment
Dit hoofdstuk behandelt de opbouw en resultaten van een in vivo experiment op een konijn,
waarbij middenoor gasvolumeveranderingen gemeten werden met behulp van de hoge resolutie
differentiële gasvolume sensor.
Metingen zijn uitgevoerd door het middenoor te spoelen met middenoorvreemd gas en de
daaropvolgende volumeverandering te volgen. De resultaten worden vergeleken met reeds
uitgevoerde experimenten.
6.1 Opbouw experiment
6.1.1 Inleiding
Het middenoor is een met gas gevulde kamer die in contact staat met de neus- en keelholte via
de buis van Eustachius. De morfologische structuur en grootte van de caviteit verschilt tussen
verschillende species. Sommige (bijvoorbeeld mensen, apen, varkens ...) hebben een complex
systeem dat vele geconnecteerde cellen bevat, de zogenaamde mastoı̈dale cellen. Andere (zoals
ratten, konijnen, ...) hebben een eerdere simpele structuur, de bulla.
Uitwisseling van middenoorgas (N2 , O2 , CO2 , H2 O) tussen de caviteit en de bloedvaten via
het mucosa is bestudeerd bij vele verschillende proefdieren, meestal door drukveranderingen
te meten na verstoring van de normale middenoor gassamenstelling, bijvoorbeeld bij ratten,
[10], konijnen, [20], apen, [21] en zelfs ook bij mensen, [14].
In dit experiment wordt middenoor gasvolumeverandering opgemeten met behulp van de hoge
resolutie differentiële gasvolume sensor bij een konijn onder anesthesie na het spoelen van de
caviteit met middenoorvreemd gas. Omdat het dier onder narcose is, is actieve spierregulatie
uitgeschakeld zodat de buis van Eustachius gesloten blijft. Twee verschillende technieken
worden aangewend om contact te maken met het middenoor, waarbij telkens een New Zealand
wit konijn als proefdier is gebruikt.
58
Hoofdstuk 6. In vivo experiment
59
6.1.2 Proefdier
Metingen uitgevoerd op twee New Zealand witte konijnen (Oryctolagus cuniculus, 2, 8 ±
0, 3 kg) worden voorgesteld, waarbij in de twee gevallen een andere methode is gebruikt
om contact te maken met de middenoorcaviteit (zie verder). In vergelijking met andere
verkrijgbare laboratoriumdieren, heeft een konijn een relatief groot middenoorvolume van
ongeveer 300 µl. Dat van een rat is ongeveer een factor tien kleiner. Er wordt verondersteld
dat experimenten op een middenoor met een relatief groot volume de accuraatheid van de
metingen verbetert en toelaat om gedurende langere tijden te kunnen meten.
De dieren zijn onder anesthesie gebracht door intramusculaire injectie van ketamine (anestheticum), xylazine (spierrelaxant) en buprenorfine (pijnstiller). Tijdens het experiment wordt
narcose bewaard door intraveneuze infusie van fysiologisch water gemengd met ketamine en
xylazine. Aan het einde van een experiment wordt een dodelijke injectie gegeven. De ganse
studie is uitgevoerd in overeenstemming met de regulaties van het lokale ethische comité.
6.1.3 Meetmethode
Bij een eerste methode wordt het konijn geopereerd zodanig dat de bulla aan de buitenzijde
zichtbaar is. Een gaatje wordt geboord in de wand van de bulla, waarin een darmpje wordt
vastgelijmd. Dit darmpje wordt via een T-ventiel aangesloten op de hoge resolutie differentiële
gasvolume sensor (Figuur 6.1). Vervolgens wordt de caviteit gespoeld met omgevingslucht,
waarna het T-ventiel verdraaid wordt zodat de middenoorcaviteit rechtstreeks in contact staat
met de volumesensor. De spoeling wordt herhaald met helium.
Figuur 6.1: Foto van het proefdier tijdens het experiment, met (1) het gaatje in de bulla dat
via een darmpje in contact staat met de hoge resolutie differentiële gasvolume
sensor, (2) de infusiepomp, (3) de koppeling waarlangs gespoeld wordt en (4) de
koppeling met de volumesensor.
In het ideale geval is de bevestiging van het darmpje in het geboorde gat perfect luchtdicht,
zodat het middenoor volledig gespoeld kan worden door voldoende hoge druk te zetten die
resulteert in een passieve opening van de buis van Eustachius. Het blijkt echter experimenteel
onmogelijk om de dichting perfect luchtdicht te krijgen als gevolg van het aanwezige vocht
Hoofdstuk 6. In vivo experiment
60
rond de bulla dat het vastlijmen zeer moeilijk maakt. Hierdoor kan het middenoor niet goed
gespoeld worden met vreemd gas en treedt er lekkage op, met mindere resultaten tot gevolg.
Bij de tweede methode wordt het proefdier geopereerd zodat de bulla en het laatste deel van
de uitwendige gehoorgang bloot ligt. De uitwendige gehoorgang wordt daarna doorgesneden,
zodat het trommelvlies goed zichtbaar is. Eerst wordt nu met behulp van een microscoop
de gezondheidsstaat van het membraan en de caviteit onderzocht, waarna het trommelvlies
geperforeerd kan worden. Via een glazen buisje dat in het gat van de uitwendige gehoorgang
wordt geduwd, kan de middenoorcaviteit op een quasi-luchtdichte manier in contact gebracht
worden met het meettoestel (Figuur 6.2).
Figuur 6.2: Foto van het proefdier tijdens het experiment, met (1) het glazen buisje dat
in de gehoorgang gedrukt wordt en zo in contact staat langs één zijde met het
geperforeerde trommelvlies en langs de andere kant met de volumesensor, (2) de
infusiepomp, (3) de koppeling waarlangs gespoeld wordt en (4) de koppeling naar
de volumesensor.
De dichting is ook in dit geval niet perfect, maar wel veel beter als bij de eerste methode.
Bij deze methode komen de resultaten overeen met de verwachtingen, zoals verder wordt
beschreven.
6.2 Resultaten
In deze sectie wordt een korte, oppervlakkige bespreking van de meetresultaten gegeven. Een
uitvoerige bespreking valt niet binnen de opzet van de thesis, en kan men vinden in [7], [9],
[10], [14], [20] en [21].
6.2.1 Geboord gaatje in bulla
Figuur 6.3 toont de resultaten van het experiment waarbij het middenoor van een konijn
gespoeld werd met middenoorvreemd gas via een geboord gaatje in de bulla. In 6.3(a) werd
de middenoor gassamenstelling verstoord met omgevingslucht, in 6.3(b) met helium. De
61
Hoofdstuk 6. In vivo experiment
(a) flush omgevingslucht
(b) flush helium
Figuur 6.3: Meetresultaten na spoeling op een konijn met respectievelijk omgevingslucht en
helium via een geboord gaatje in de bulla. De dichting was niet optimaal, waardoor de resultaten niet volledig correct zijn.
resultaten geven een eerste indicatie van wat er gebeurt, maar er dient rekening mee gehouden
te worden dat de dichting van het darmpje in het geboorde gat niet luchtdicht was, waardoor
er niet 100% gespoeld kon worden en er lekkage optreedt.
Figuur 6.3(a) toont een stijging (fase 1) die overgaat in een plateaufase (fase 2) na ongeveer
400 seconden, waarbij in de helling een sprong optreedt. Dit soort grafiek is ook in voorgaande
experimenten door spoeling met omgevingslucht opgemeten, bijvoorbeeld [7] en [9].
Fase 1 is het resultaat van een snelle CO2 -diffusie van het bloed in het middenoormucosa naar
het middenoor toe, als gevolg van het partieeldrukverschil tussen beide compartimenten. De
partieeldruk van CO2 in omgevingslucht kan benaderend gelijk gesteld worden aan nul, zodat
het partieeldrukverschil tussen bloed en middenoor gelijk is aan de partieeldruk van CO2 in
het bloed. De curve bereikt een maximum wanneer de partieeldrukken in bloed en caviteit
gelijk zijn. De sprong in de curve komt overeen met een plotse toename in diffusie en kan het
gevolg zijn van een plotse betere doorstroming van mucosabloed in het konijn, een eventuele
plotse drukafname in de omgeving of een mogelijke opening van de buis van Eustachius. Door
het fitten van een vergelijking van de vorm y = B(1 − e−kt ) kan de diffusieconstante voor
CO2 bepaald worden.
Normaal gezien verwacht men na het bereiken van het maximum een lineaire daling als gevolg
van een trage N2 -diffusie vanuit het middenoor naar het bloed toe. We nemen echter een
plateaufase waar. Dit is mogelijk het gevolg van het optreden van oedeem: een vochtophoping
in weefsel als gevolg van irritatie, in dit geval door de operatie. De vochtophoping resulteert in
een volumetoename, terwijl de N2 -diffusie een volumeafname veroorzaakt met een nulgradiënt
als gevolg.
Figuur 6.3(b) toont een snelle stijging van ongeveer 50 seconden (fase 1’), gevolgd door een
lineaire daling (fase 2’). Normaal gezien verwacht men direct een lineaire daling als gevolg
van een He-diffusie vanuit het middenoor weg, maar als gevolg van de minder goede dichting
van het darmpje in het geboorde gat kon er niet 100% gespoeld worden zodat er ook omge-
62
Hoofdstuk 6. In vivo experiment
vingslucht en vocht in het middenoor terechtkomt wat resulteert in een volumetoename. Aan
het einde blijft de waarde in de grafiek constant, door verdraaiing van het T-ventiel.
6.2.2 Perforatie trommelvlies
Figuur 6.4 toont de resultaten van een experiment waarbij het middenoor van een konijn
werd gespoeld met middenoorvreemd gas. Contact met de caviteit werd hier gemaakt door
een perforatie van het trommelvlies. De dichting van het geheel was gedurende dit experiment
beter als in het vorige, waardoor de resultaten betrouwbaarder zijn. In 6.4(a) en 6.4(b) werd
de middenoor gassamenstelling verstoord met omgevingslucht, in 6.4(c) met een He-CO2
mengsel.
(a) flush omgevingslucht
(b) flush omgevingslucht bis
(c) flush He-CO2 mengsel
Figuur 6.4: Meetresultaten na spoeling op een konijn met respectievelijk omgevingslucht (2x)
en een He-CO2 mengsel via een perforatie van het trommelvlies.
Figuren 6.4(a) en 6.4(b) tonen, net zoals in het voorgaande experiment, een snelle stijging
van middenoorvolume als gevolg van een CO2 -gradiënt (fase 1). Na het bereiken van een
evenwicht in CO2 -partieeldruk, volgt een lineaire daling (fase 2). Deze daling, die in het
Hoofdstuk 6. In vivo experiment
63
voorgaande experiment niet werd waargenomen, is het gevolg van een trage N2 -diffusie vanuit
de middenoorcaviteit weg. Bij grafiek 6.4(b) werd er langer gemeten, zodat het lineair karakter
van fase 2 hier veel duidelijker is. De diffusieconstante van N2 kan berekend worden door het
fitten van een rechte aan de data uit fase 2.
Bij Figuur 6.4(b) duidt de pijl in de grafiek op het moment van de dodelijke injectie. Ongeveer
30 seconden later viel de hartslag weg. Men ziet een kleine onregelmatigheid in de grafiek
gedurende ongeveer 200 seconden direct na de dodelijke injectie, waarna de diffusie verder
evolueert zoals voor de injectie. Indien men nog langer zou meten, verwacht men het bekomen
van een rechte lijn als gevolg van het wegvallen van de doorbloeding en een oververzadiging
van opgeloste gassen in het bloed.
Figuur 6.4(c) toont, net zoals in het voorgaande experiment, een korte snelle stijging gevolgd
door een lineaire daling. De initiële snelle toename in volume is veel korter en bijgevolg
veel kleiner omdat de dichting tussen het middenoor en het meettoestel beter was en omdat
er 20% CO2 aan het mengsel werd toegevoegd. De toediening van CO2 maakt het CO2 partieeldrukverschil tussen bloed en spoelingsgas kleiner met een kleinere CO2 -diffusie tot
gevolg.
Fase 2’ is het gevolg van de He-diffusie vanuit het middenoor naar het bloed. De Hepartieeldruk in bloed is nul, zodat de diffusie blijft duren tot er geen He meer in de middenoorcaviteit zit. De daling is lineair (en niet exponentieel) omdat de oplosbaarheid van He
in bloed minder goed is dan die van CO2 .
6.3 Besluit
De resultaten in dit hoofdstuk tonen éénduidig aan dat de hoge resolutie differentiële gasvolume sensor gebruikt kan worden om fysiologische metingen uit te voeren op proefdieren. Een
gedetailleerdere uitwerking van de typische resultaten vindt men in [7], [9], [10], [14], [20] en
[21].
De voordelen van een volumemeting aan constante druk tegenover de veelgebruikte drukmeting bij constant volume zijn niet onbelangrijk:
• bij een drukmeting wordt een eventuele lekkage in de dichting van groter belang;
• de mogelijke aanwezigheid van baroreceptors verstoort de fysiologie wanneer de druk
opgebouwd wordt;
• de opbouw van een druk verandert de partieeldrukken en verandert bijgevolg ook de
partieeldrukverschillen;
• indien het proefdier mastoı̈dale cellen heeft neemt het middenoorvolume toe bij verhoogde druk.
Daarom kan het zeer bruikbaar zijn om in de toekomst nog verdere metingen uit te voeren
gebruik makend van een toestel dat meet bij constante druk, zoals de hoge resolutie differentiële gasvolume sensor die een drukartefact heeft kleiner dan 0, 01% van atmosferische druk,
een volumeresolutie van 0,06 microliter en een tijdsresolutie beter dan 15 Hz.
HOOFDSTUK
7
Besluit
Het zoogdierlijk middenoor brengt geluidsgolven uit de omgeving over op de vloeistof van
het binnenoor. De middenoorcaviteit is het meeste van de tijd gesloten, maar drukvariaties
treden op als gevolg van diffusie van gas tussen de caviteit en het bloed. Voor een correcte
modellering van het regelsysteem moet de gasuitwisselingssnelheid tussen de caviteit en het
bloed gekend zijn. Men kan die snelheid meten door in het middenoor een vreemd gas aan
te brengen, dat vervolgens zal oplossen in het bloed, en dit bloed terug zal verlaten via de
longen. In functie hiervan stelt deze thesis twee meettechnieken voor.
(a) volumesensor
(b) gasdetector
Figuur 7.1: Schematische weergave van de twee meettoestellen: (a) hoge resolutie differentiële
gasvolume sensor, (b) helium gasdetector.
Het eerste apparaat is de hoge resolutie differentiële gasvolume sensor, Figuur 7.1(a). De
sensor is gebaseerd op de optische detectie van een druppel in een capillair. De nodige detectiesoftware is geprogrammeerd, na kalibratie zijn de beste experimentele condities bepaald en
een theoretische achtergrond van de opstelling is gegeven. Het toestel is gebruiksklaar met
bijhorende grafische interface.
De sensor laat toe om extreem kleine gasvolumeveranderingen te meten bij constante druk.
Het toestel heeft een nauwkeurigheid van 0,06 microliter en een meetfrequentie beter dan
15 detecties per seconde. In tegenstelling tot de typische experimenten waar men de druk
meet bij een constant volume, zijn de technische en fysiologische artefacten bij onze techniek
beperkt en experimenteel bepaald. Bij wijze van demonstratie is het apparaat gebruikt om
64
Hoofdstuk 7. Besluit
65
de gasuitwisseling in de bulla van een konijn te meten na spoeling met een middenoorvreemde gassamenstelling. De netto gasvolumeverandering is een resultante van de diffusie van
verschillende gascomponenten.
Een artikel dat de werking en de karakteristieke eigenschappen van de hoge resolutie differentiële gasvolume sensor beschrijft, is aanvaard voor publicatie in Review of Scientific
Instruments, [30].
Een tweede experimentele opstelling die werd ontworpen is de helium gasdetector, Figuur
7.1(b). Het detectiemechanisme is gebaseerd op de akoestische geleidbaarheid van een gas
in een caviteit. Na spoeling van het middenoor met een omgevingslucht-helium mengsel, zal
helium uit de middenoorcaviteit weg diffunderen. De akoestische eigenschappen van helium
verschillen merkbaar van die van de middenoorgassen, zodat de He-diffusie gevolgd kan worden
door de verandering van de akoestische parameters te meten.
Twee methodes om terug te rekenen naar de He-concentratie worden voorgesteld en vergeleken. Ook de praktische uitwerking wordt behandeld en de eerste resultaten worden besproken.
Aanvullend onderzoek is nodig om de techniek effectief inzetbaar te maken als meettoestel
voor gasuitwisseling in het middenoor. Desalniettemin kan men al besluiten dat de relatieve
nauwkeurigheid voor beide methodes bij een He-concentratie van 10% beter is dan 4% en dat
de responstijd kleiner is dan een minuut, wat toelaat middenoor drukregulatie te volgen. Het
grote voordeel van deze techniek tegenover de volumesensor is dat men hier de diffusie van
één enkele gascomponent (He) kan volgen.
Ideaal zou zijn om de twee apparaten in combinatie te gebruiken. Op deze manier kan de
netto gasuitwisseling gemeten worden, detecteert men de diffusie van het middenoorvreemd
gas en herleidt men de drukartefacten van de gasdetector tot een minimum.
Tenslotte dient nog opgemerkt worden dat de toepasbaarheid van de twee voorgestelde technieken verder reikt dan meting van gasuitwisseling in het middenoor. Binnen het kader van
biomedische fysica kan de hoge resolutie differentiële gasvolume sensor bijvoorbeeld aangewend worden om het zwemblaassysteem bij vissen te onderzoeken, de helium gasdetector kan
zijn nut bewijzen in het vinden van gaslekken allerhande.
BIJLAGE
A
Extra informatie bij de differentiële gasvolume sensor
A.1 Lichtbron
Figuur A.1: Opgemeten spectrum van de lichtbron (Zeiss KL 1500).
66
Bijlage A. Extra informatie bij de differentiële gasvolume sensor
67
A.2 Capillair
Figuur A.2: Transmissiespectrum van Pyrex voor een lengte van 2 m en 5 m, telkens bij een
dikte van 5 mm.
A.3 Capillairhouder met lenzensysteem en CCD
Figuur A.3: Responscurve van de CCD (NEC µPD8891) voor de drie hoofdkleuren rood, geel
en blauw.
Bijlage A. Extra informatie bij de differentiële gasvolume sensor
68
(a) vooraanzicht
(b) achteraanzicht
Figuur A.4: (a) vooraanzicht en (b) achteraanzicht foto van de capillairhouder. Het capillair
kan stevig vastgezet worden, en licht dat door de druppel naar onder toe wordt
gereflecteerd, gaat via een lens naar de CCD toe. Aan de achterzijde zijn de
coaxverbindingen die de uitvoer van het systeem leveren zichtbaar.
Bijlage A. Extra informatie bij de differentiële gasvolume sensor
69
A.4 PC
Figuur A.5: Schermafdruk van de grafische interface, opgestart vanuit Matlab. De ‘Help
Dialog’ verschijnt wanneer de ‘Info’-knop aangeklikt wordt, en vertelt de gebruiker hoe de interface te gebruiken om te meten.
Bijlage A. Extra informatie bij de differentiële gasvolume sensor
70
Figuur A.6: Schermafdruk van de grafische interface tijdens een meting: het gedeelte ‘Measure
properties’ wordt tijdens het meten continu geüpdate, zodat de gebruiker de
meettijd en het aantal detecties per seconde kan opvolgen. De grafiek toont de
gebruiker de laatste 100 meetpunten.
Bibliografie
[1] Huizing E.H., Snow G.B., Leerboek keel-, neus- en oorheelkunde, Bohn Stafleu van
Loghum, Houten, 2005.
[2] Geisler D.C., From Sound to Synapse, Oxford University Press, New York, 1998.
[3] Marieb E.N., Human Anatomy & Physiology, Pearson Education, Inc., San Francisco,
2004.
[4] Kahle W., Frotscher M., Atlas van de anatomie, Sesam, 2001.
[5] CRC Handbook of Chemistry and Physics, 73rd etition, 1992-1993.
[6] Giancoli D.C., Physics for scientists and engineers, Prentice Hall, New Jersey, 2000.
[7] Marcusohn Y., Dirckx J.J.J., Ar A., High-Resolution Measurements of Middle Ear Gas
Volume Changes in the Rabbit Enables Estimation of its Mucosal CO2 Conductance,
JARO 7:236-245, 2006.
[8] Rosowski J.J., Merchant S.N., The function and mechanics of normal, diseased and
reconstructed middle ears, pp. 3-21, Kugler Publications, The Netherlands, 2000.
[9] Kania R.E., Herman P., Huy P.T.B., Ar A., Role of nitrogen in transmucosal gas exchange
rate in the rat middle ear, J Appl Physiol 101:1281-1287, 2006.
[10] Kania R., Portier F., Lecain E., Marcusohn Y., Ar A., Herman P., Huy P.T.B., Experimantal model for investigating trans-mucosal gas exchanges in the middle ear of the rat,
Acta Oto-Laryngologica 124(4):408-410, 2004.
[11] Kania R., Herman P., Ar A., Huy P.T.B., Technical pitfalls in middle ear gas studies:
Errors introduced by the gas permeability of tubing and additional dead space, Acta
Oto-Laryngologica 125(5):529-533, 2005.
[12] Dirckx J.J.J., High-resolution gas volume change measurements bring new insights in
pressure regulation of the middle ear, J Appl Physiol 101:1275-1276, 2006.
[13] Dirckx J.J.J., Decraemer W.F., Larsson Ch., von Unge M., Volume displacement of the
Mongolian gerbil pars flaccida as a function of pressure, Hear Res 118:35-46, 1998.
71
Bibliografie
72
[14] Uchimizu H., Utahashi H., Hamada Y., Aoki K., Middle ear total pressure measurement
as a useful parameter for outcome prediction in pediatric otitis media with effusion,
Inernational Journal of Pediatric Otorhinolaryngology 69:1659-1665, 2005.
[15] Doyle W.J., Banks J.M., Middle ear pressure change during controlled breathing with
gas mixtures containing nitrous oxide, J Appl Physiol 94:199-204, 2003.
[16] Doyle W.J., Alper C.M., Seroky J.T., Karnavas W.J., Exchange rates of gases across the
tympanic membrane in rhesus monkeys, Acta Oto-Laryngologica 118:567-573, 1998.
[17] Proud G.D., Odoi H., Effects of Eustachian tube ligation, Ann Otol Rhinol Laryngol
79:30-32, 1970.
[18] Leclerc J.E., Doyle W.J., Karnavas W., Physiological modulation of Eustachian tube
function, Acta Oto-Laryngologica 104:500-510, 1997.
[19] Didyk L.A., Bogdanov V.B., Lysenko V.A., Didyk N.P., Gorgo Y.P., Dirckx J.J.J., The
effect of slight pressure oscillations in the far infrasound frequency range on the pars
flaccida in gerbil and rabbit ears, J Biometeorology 51:221, 2007.
[20] Hamada Y., Utahashi H., Aoki K., Physiological gas exchange in the middle ear cavity,
Int. J. Pediatr. Otorhinolaryngol 64:41-49, 2002.
[21] Doyle W.J., Seroky J.T., Middle ear gas exchange in rhesus monkeys, Ann. Otol. Rhinol.
Laryngol. 103:636-645, 1994.
[22] Yudaya S., Technology Status Report on Natural Gas Leak Detection in Pipelines, U.S.
Department of Energy, 2001.
[23] Butler M.A., Optical fiber hydrogen sensor, Sandia National Laboratories, 1984.
[24] Dong S., Bai F., Li J., Viehland D., A Piezoelectric-Sound-Resonance Cavity for Hydrogen Gas Detection, IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency
control, vol. 50, 2003.
[25] Granstedt F., Folke M., Bäcklund Y., Hök B., Gas Sensor with Electroacoustically Coupled Resonator, presented at Eurosensors XIV, Copenhagen Denmark, 2000.
[26] Granstedt F., Hök B., Bjurman U., Ekström M., Bäcklund Y., New CO2 sensor with high
resolution and fast responce, Conference Proceedings of the 23rd Annual International
Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society 3100-3 (Vol. 3),
2001.
[27] The Mathworks, Inc., Data acquisition toolbox user’s guide, version 2, 2006.
[28] Bahaa E.A. Saleh, Malvin Carl Teich, Fundamentals of photonics, John Wiley and Sons,
Inc.
[29] Prof. Dr. J. Sijbers, Inleiding tot Digitale Signaalverwerking, 2007.
[30] Dirckx J.J.J., Aernouts J.E.F, Aerts J.R.M., High resolution gas volume change sensor,
Review of Scientific Instruments 78, 2007.

Nieuwe meettechnieken voor studie van gasuitwisseling in het

Related documents

Products

Support

Nieuwe meettechnieken voor studie van gasuitwisseling in het

Related documents

Add this document to collection(s)

Add this document to saved

Suggest us how to improve StudyLib