Effect of external ear canal occlusion on acoustic pressure gain at the tympanic membrane

Abstract

Introduction

Hearing loss is classified into two primary types: sensorineural and conductive. The less problematic type is conductive hearing loss, which arises from issues or blockages in the outer or middle ear. The most frequent cause of it in the outer ear is an excessive amount of earwax (cerumen) in the ear canal.

Objectives

In this work, a three-dimensional finite element (FE) model was used to examine the effect of ear canal occlusion with earwax under different settings on the acoustic pressure gain at the tympanic membrane (TM).

Material and methods

The effects of full and partial ear canal occlusion with earwax have been investigated using Comsol Multiphysics FE simulation software. The software used the finite element method to solve the model equations, accounting for a variable ear canal cross-sectional area. A lumped-element acoustic impedance is used to mimic the boundary between the downstream hearing system and the tympanic membrane.

Results

The model results are consistent with those presented by other experimental studies. The results show that the acoustic pressure gain at the TM increases with the distance from the earwax layer. Similarly, an increase in the thickness of this layer in a fully occluded ear canal significantly increases the pressure-gain difference at the TM. As the occlusion percentage rises, the gain decreases, and the resonance frequencies shift to lower values. At up to 60% occlusion, there is no significant effect on gain. Considerable gain difference occurs with 95% occlusion. There is a significant phase difference between the 95% occlusion case and the fully open (no occlusion) case, which will affect the quality of sound reaching the TM and, consequently, the entire hearing process.

Conclusions

The model presented in this study provides deep insight into the effect of earwax on hearing quality and can be used in other settings.

Resumen

Introducción

La pérdida auditiva se clasifica en dos tipos principales: neurosensorial y conductiva. El tipo menos problemático es la pérdida auditiva conductiva, que surge por alteraciones u obstrucciones en el oído externo o medio. La causa más frecuente en el oído externo es la presencia excesiva de cerumen en el conducto auditivo.

Objetivos

En este trabajo se utilizó un modelo tridimensional de elementos finitos (EF) para examinar el efecto de la oclusión del conducto auditivo por cerumen, bajo diferentes configuraciones, sobre la ganancia de presión acústica en la membrana timpánica (MT).

Materiales y métodos Se investigaron los efectos de la oclusión total y parcial del conducto auditivo por cerumen mediante el software de simulación por elementos finitos COMSOL Multiphysics. El software empleó el método de los elementos finitos para resolver las ecuaciones del modelo, teniendo en cuenta una variación del área de la sección transversal del conducto auditivo. Se utilizó una impedancia acústica de elementos concentrados para simular la frontera entre el sistema auditivo distal y la membrana timpánica.

Resultados

Los resultados del modelo concuerdan con los presentados por otros estudios experimentales. Los resultados muestran que la ganancia de presión acústica en la MT aumenta con la distancia a la capa de cerumen. De manera similar, un aumento del espesor de esta capa en un conducto auditivo totalmente ocluido incrementa significativamente la diferencia de ganancia de presión en la MT. A medida que aumenta el porcentaje de oclusión, la ganancia disminuye y las frecuencias de resonancia se desplazan hacia valores más bajos. Hasta una oclusión del 60%, no se observa un efecto significativo sobre la ganancia. Una diferencia considerable de ganancia ocurre con una oclusión del 95%. Existe una diferencia de fase significativa entre el caso de oclusión del 95% y el caso totalmente abierto (sin oclusión), lo que afecta la calidad del sonido que llega a la MT y, en consecuencia, todo el proceso auditivo.

Conclusiones

El modelo presentado en este estudio proporciona una visión profunda del efecto del cerumen sobre la calidad de la audición y puede utilizarse en otros contextos.