Ваш слух

Справка: односторонняя глухота - глубокая сенсоневральная потеря слуха в одном ухе при нормальных порогах слышимости (< 20 дБ нПС) в противоположном (нормально слышащем ухе).

Человек с односторонней глухотой обычно хорошо понимает разговор в тишине, до тех пор, пока он слышит звуки с достаточной громкостью. Но понимание речи становится затруднительным, когда его окружают несколько говорящих человек, когда он пытается услышать кого-нибудь со стороны глухого уха, или когда он находится в трудной слуховой ситуации, например, в шумном ресторане (ситуация "вечеринки"). При наличии только одного слышащего уха теряется и способность к локализации (пространственный слух), поэтому человек не может понять, в какую сторону нужно повернуться, когда его окликают, или, что гораздо более важно, с какого направления приближается автомобиль.

Люди с односторонней глухотой, ведущие активную деловую жизнь, все более заинтересованы в лечении, которое поможет им лучше общаться в сложных слуховых ситуациях, пропускать меньше событий, происходящих вокруг, и определять, откуда доносятся звуки.

Первым действительно эффективным способом лечения односторонней глухоты стал метод контралатерального направления сигналов (Contralateral Routing Of Signals, CROS)

Пример использования системы CROS от Phonak:

Передатчик, размещенный за поврежденным ухом или внутри него, улавливает звук и посредством беспроводной связи (в ряде случаев, проводным путем или по кости T-CROS в зависимости от используемой системы) передает его нормальному уху. В результате человек получает возможность слышать звуки, приходящие со всех сторон.

На слышащем ухе используется тонкая трубка с открытым вкладышем (как стандартный, так и индивидуальный), чтобы не влиять на естественный слух нормального уха. В случаях, когда на слышащем ухе есть потеря слуха, принимающий аппарат работает еще и как обычный слуховой аппарат, компенсируя потерю слуха и усиливая сигнал с передающего.

По исполнению аппараты могу быть как заушными(на фото), так и внутриушными. При этом можно комбинировать - пара заушных, пара внутриушных, либо внутриушной + заушный аппараты.

Представляю обещанный @SVP349 пост о схемотехнике слуховых аппаратов, в продолжение поста о том что же в них такого уникального.

Сегодня мы рассмотрим акустику и электронику слухового аппарата, не относящуюся собственно к обработке патологии, т.е. от входа звука в микрофон до попадания его в "чип", "микропроцессор" или "усилитель", он же - "черный ящик".

Напоминаю, что слуховой аппарат - это электронный звукоусиливающий прибор, применяющийся по медицинским показаниям с учетом патологии слуха. Поэтому мы должны рассматривать его не как "просто усилитель", а устройство, работающее по определенным правилам, одно из которых - "не навредить", а другое состоим в том, что входящий акустический сигнал должен быть искажен так, чтобы скомпенсировать нарушение слуха. Это важный момент, мы сознательно перекраиваем сигнал, т.к. наша задача - скомпенсировать "перекроенное" заболеванием восприятие патологичного уха.

Итак, принципиальная схема любого слухового аппарата проста как валенок:

1. Вход - один или несколько микрофонов

2. Блок обработки звука

3. Выход - динамик

Разберемся с чистой акустикой.

Микрофон и динамик (ресивер) - крайне миниатюрные, частотный спектр, как правило - 100-8000 Гц, совпадает. Для аппаратов с транспозицией частот спектр динамика уже, чем спектр микрофона, для аппаратов "12 кГц" - используются сдвоенные динамики. Важный момент - слуховой аппарат должен прослужить 4 года, по 6-12 часов в день, ежедневно, без ухудшения характеристик акустики. Это международный стандарт (выдерживается не всегда, что сказывается на цене аппаратов) для аппаратов заушных малой, средней и большой мощности. Для экстремалов требования мягче.

Микрофоны достаточно чувствительны, чтобы улавливать звук тихой речи (40 дБ) с расстояния 4-5 метров.

Динамики имеют выход до 140 дБ, при их размерах, и должны уметь выдавать неизофонный звук (например, при "зубчатой" аудиограмме дельта смежных частот может достигать 80 дБ).

На картинке:

- выше конфеты тик-так - микрофон, используемый во многих внутриушных и заушных моделях

- снизу слева динамик внутриушного слухового аппарата на III степень потери слуха (УЗД до 125 дБ), справа - заушный на глухоту (УЗД 142 дБ)

- монета в 1 рубль, на которую мы потом уместим слуховой аппарат внутриканальный сверхмощный (на III-начало IV степени тугоухости, клиент без аппарата не слышит громкую речь на расстоянии 1 метр).

Блок обработки звука

Я долго думал, начать ли с принципов обработки звука слуховыми аппаратами, или со схемотехники. Теоретически принципы первичнее, но это 5-6 постов... Будем идти постепенно. Поэтому еще раз уточним самое важное - слуховой аппарат обрабатывает звук с учетом патологии слуха - это первое, и второе - слуховой аппарат предназначен в первую очередь для облегчения коммуникации, т.е. обработка речи является приоритетной.

В википедии есть две статьи о слуховых аппаратах - просто о них, и о цифровых. В принципе там все изложено верно, хоть и поверхностно, и я оттуда утащу картинку номер два, а именно блок-схему цифрового слухового аппарата:

Начнем с "согласованного сопротивления". В большинстве учебников по слухопротезированию сказано, что в современных слуховых аппаратах используются системы MNR - снижение шума микрофона. Микрофонные шумы в слуховом аппарате условно делятся на фантомные пиковые и шумы окружения. Одним из элементов этой системы является "терминатор", резистор на конце акустической линии, сопротивление которого равно волновому сопротивлению данной линии (микрофона + проводки).

Я не физик, поэтому буду оперировать данными из учебника: "бегущая волна, приходящая из линии, полностью поглощается в согласованной нагрузке, поэтому отражение волны обратно в линию отсутствует. Это означает, что стоячие волны в линии передачи также отсутствуют". Стоячие волны - это волны с пиком, сложенным из пика прямой и отраженной волны, а значит их пик существенно выше того, что реально существует в системе, и их наличие в микрофонном тракте слухового аппарата приведет к тому, что процессор будет обрабатывать их как реально существующие звуки пиковой громкости, что совершенно очевидно будет вызывать искажения.

Таким образом, "согласованное сопротивление" на схеме - это модуль, отвечающий за то, чтобы в реальном сигнале не появились фантомные пики стоячих волн.

Далее, "предусилитель". Преобразует полученный от микрофонного тракта слабый электрический сигнал в более мощный, пригодный к оцифровке. Амплитуда сигналов микрофона, как правило, недостаточна для АЦП, их динамический диапазон входных сигналов обычно на порядки выше. Основная задача, которую выполняют предусилитель - это усилить и преобразовать сигнал с микрофона без заметного ухудшения отношения сигнал/шум.

В триммерных слуховых аппаратах и аппаратах с аналоговым регулятором громкости "колесиком" эти элементы реализованы именно в блоке предусилителя.

Смысл усиления предусилителем должен быть понятен из картинки. Частота и форма сигнала остается такой же (!), изменяется только амплитуда.

Следующий элемент схемы - "сглаживающий фильтр". Тут на блок-схеме к сожалению, терминологический косяк. Дело в том, что термин "сглаживающий фильтр" применяется нынче для систем питания со входящим переменным током и выпрямителем -  электрический ток, пройдя через выпрямитель, хоть и течёт в одну сторону, но течёт пульсирующе, для его сглаживания и применяется сглаживающий электрический фильтр.

Тут же мы говорим о сигнале, а не питании, причем о все еще аналоговом сигнале, который в скором времени мы должны перевести в цифровой. То, что на схеме обозначено как сглаживающий фильтр, на самом деле есть фильтр защиты от наложения спектров при наложении аналоговых сигналов, и зачем он нужен мы поймем сразу после того как рассмотрим, что такое на этой схеме "АЦП".

Итак, крайне важный модуль слухового аппарата - АЦП, аналогово-цифровой преобразователь.

Для чего он нужен? Теоретически, аналоговый усилитель звука (сознательно забываем на время о том что мы говорим о слуховых аппаратах) является идеальным, т.к. вносит минимальное количество искажений в спектр сигнала. Логично? Логично!

Но беда в том, что на самом деле мы работаем не с высококлассным ламповым усилителем для органных концертов Баха, который будет использоваться аудиофилом с идеальным слухом. Мы говорим о слуховом аппарате, который должен искажать сигнал по определенным правилам. А работать с сигналом в цифровой области гораздо удобней, проще и главное - быстрее, чем в аналоговой. Кроме того, в аналоговых устройствах невозможно добиться таких параметров, которые получаются в цифровых, например изменяемой крутизны амплитудного и частотного фильтра в каждом из аудиологических каналов. Или можно, но размер-с...

Фундаментальная теорема, на которой базируются все методы цифровой обработки сигналов, называется Теорема Котельникова. Далее я буду ссылаться на нее, как на нее ссылаются в учебниках и методичках, но не спрашивайте меня, почему она работает именно так. Я не академик Котельников, к сожалению, и это не моя сфера деятельности - это область зубров программирования математики и программирования. Если кто-то из собеседиков сможет привести ее в удобоваримый научпоп - я буду очень рад.

Аналоговый сигнал непрерывен, как во времени так по амплитуде. Дискретизация этого сигнала дает эквивалентный цифровой сигнал над которым выполняются необходимые преобразования. Чтобы перейти от аналогового сигнала к цифровому, необходимо выполнить:

- Дискретизцию сигнала во времени (Sampling)

- Квантование по уровню (Quantization)

- Преобразование дискретных отсчетов в цифровые (Coding/Encoding)

Период (Sample Rate), с которым берутся выборки сигнала, обратно пропорционален частоте дискретизации (Sampling Frequency): T(s)=1/F(s). Согласно Теореме Котельникова любой аналоговый сигнал может быть определен с какой угодно точностью по своим дискретным отсчётам, взятым с частотой дискретизации F(s)>2F(m), где F(m) - максимальная частота, которой ограничен спектр реального сигнала. Например, у нас есть некая аналоговая синусоида с частотой F(m)=10 Гц. Частота дискретизации должна быть не меньше 2 х F(m), т.е. F(s) больше или равно 20 Гц.

Во временной области процесс дискретизации выглядит как перемножение непрерывного аналогового сигнала с последовательностью импульсов, следующих друг за другом с постоянным интервалом – T(s), т.е. вместо ровной линии мы получаем зубцы, высота которых равно высоте импульса, умноженного на огибающую.

Вернемся к "сглаживающему фильтру".

Слишком низкая частота выборки приводит к такому явлению, как наложение частот (aliasing), что вызывает искажение в представлении аналогового сигнала. Недостаточная скорость оцифровки является причиной того, что сигнал выглядит так, как будто его частота отлична от действительной. Чтобы избежать наложения частот оцифровку производят с частотой, большей частоты самого сигнала. С повышением частоты увеличивает точность представления сигнала, но вместе с этим уменьшается скорость обработки.

Рассмотрим сигнал с двумя частотными составляющими:

f1 = 10 Гц частота рабочего сигнала

f2 = 20 Гц частота мешающего сигнала

Напомним, что для точного представления частоты сигнала при измерениях мдолжны производить выборки с частотой, большей удвоенной максимальной частотной компоненты сигнала, для нашего рабочего сигнала частота выборки равна 20 Гц, для мешающего - 40.  Допустим, система АЦП нашего устройства позволяет дискретизировать сигнал с частотой 30 Гц, что определено заданными параметрами быстродействия. В сигналах, имеющих частотные компоненты, превышающие половину частоты дискретизации (15 Гц) появятся ложные низкочастотные составляющие.

Первая компонента f1=10 Гц на выходе перемножителя выдает линию составляющих:

10 Гц, 20 Гц, 40 Гц, 50 Гц, 70 Гц и т.д.

Вторая компонента даст составляющие на частотах:

20 Гц, 10 Гц, 50 Гц, 40 Гц, 80 Гц и т.д.

Обратите внимания, что составляющая 10 Гц была получена еще и из мешающего сигнала f2 = 20 Гц. Эта компонента будет интерферировать (накладываться) с исходным сигналом f1 = 10 Гц и это исказит его. От этой интерференции исходного сигнала с мешающим необходимо избавиться, поскольку она внесет искажения в исходный сигнал.

Эффект наложения зависит от частоты дискретизации и связан с частотой составляющих сигнала. Если мы продискретизируем сигнал с частотой Fs, то все частотные составляющие сигнала от Fs/2 до Fs будут зеркально отображаться на участке от 0 до Fs/2. Получается, что при дискретизации на зону исходного сигнала от 0 до Fs/2 накладывается зона от Fs/2 до Fs и наоборот. Но наложение, на самом деле происходит не только по обе стороны от Fs/2, но и от 3Fs/2, 5Fs/2 и т.д.  

Все компоненты, частота которых выше половины частоты дискретизации, будут накладываться на частоты от 0 Гц до этой точки, собственно - на наш рабочий сигнал. После наложения нежелательной зоны на зону интересующего нас сигнала обратно разделить эти зоны невозможно, и в результате чего, мы потеряем исходный. Для предотвращения наложения спектров частоты, которые идут выше половины частоты дискретизации следует просто удалить, и это делается с помощью фильтра защиты от наложения спектров при наложении аналоговых сигналов (“anti-aliasing”), который устанавливается перед АЦП.

Вот мы и дошли до "черного ящика" микропроцессора слухового аппарата. Звук попал на микрофон, прошел предусиление, оцифровку и попал в непосредственно "чип", "модуль усилителя", "усилитель" - как его называют производители слуховых аппаратов.

В следующем посте я расскажу о том, что слуховой аппарат должен сделать с уже оцифрованным звуком, для того чтобы он был именно слуховым аппаратом, а не усилителем звука.

Вчера в моем посте о цене слуховых аппаратов @SVP349 задал вопрос о схемотехнике слухового аппарата, а @7Felix о том, что в слуховом аппарате уникального из электроники. Эти вопросы, сформулированные таким образом, позволили мне понять, как и что надо рассказывать о слуховых аппаратах. Этим пользователям от меня огромная благодарность.

Начнем с самого главного, этот пост будет об "уникальности".

Слуховой аппарат (любого типа) - это устройство, созданное с учетом патологии слуха. Это самое главное его отличие от любых усилителей звука, его уникальность.

Дело в том, что анатомия и физиология нормально функционирующих органов слуха - достаточно хорошо изучена, но при этом даже тут есть "белые пятна". Например, перекрестье слуховых нервов, "оливарный центр" - мы знаем, что оно работает, смешивая и разделяя сигналы с левого и правого уха, и тем самым обеспечивает возможность уловить направление на источник звука, но точного ответа как именно это происходит - нет.

А патология слуха (читай анатомия и физиология органов слуха при нарушении слуха) - дисциплина, которая постоянно, непрерывно изучается (и на это тратятся средства, в том числе полученные за счет продаж слуховых аппаратов), и в ней постоянно происходят те или иные открытия, влияющие на понимание того, как должен работать слуховой аппарат.

Например, есть концепция "мертвых кохлеарных зон". Суть в том, что если на аудиограмме мы видим низкочастотную крутовосходящую среднюю сенсоневральную тугоухость, или, например, "кусаное печение" на уровне III степени, мы можем (и должны) предположить, что на самом деле в наиболее низких районах аудиограммы слуха нет вообще. Это явление основывается на том, что волна в улитке несимметрична и имеет длинный "хвост", интенсивная низкочастотная стимуляция порождает бегущую волну с пиком в верхушечной (низкочастотной) зоне улитки, а длинный хвост бегущей волны может простираться до здоровой среднечастотной зоны - и пациент слышит звук при стимуляции "100 Гц", но слышит его ВК средних частот. И если мы настроим слуховой аппарат "эквалайзером" по кривой, то толку от него не будет. Поэтому в некоторых формулах настройки учитывается этот эффект, и при таких потерях добавляется усиление в проблемных областях "выше, чем по кривой". Это кажется очень простым решением, но для его разработки и правильной реализации потребовались годы исследований, тестов и экспериментов. И таких примеров масса.

Таким образом, как минимум уникальное ПО для обработки патологии слуха у нас уже есть. А то, что слуховой аппарат работает именно с патологичным слухом, и приводит к огромным требованиям к его вычислительной мощности. Мы должны принять звук как он есть, обработать его с учетом патологии слуха, очистить от шума, выделить речь, проверить снова соответствие патологии, отследить самоиндукцию, включить функции оперативного контроля, снова отследить соответствие патологии, и после этого передать звук на ЦАП и "в ухо" - и все это - в реальном времени, с минимальной задержкой. Иначе какой от него толк?

Второе отличие слухового аппарата состоит в том, что он предназначен для людей, у которых есть отличие от основной массы, вызывающее их стигматизацию. Самые частые фразы, с которыми я сталкиваюсь - "я не инвалид, мне не нужен этот аппарат" и "я прекрасно слышу, просто все плохо говорят".

В свое время в школах дразнили "очкариков", а сейчас очки во многом - элемент стиля, и можно купить очки с простыми стеклами как аксессуар. Много ли времени прошло? А сколько стоят "медицинские очки" и "стильные очки"? А какие выбирает человек чаще? С аппаратами ровно то же самое. В нашем обществе слуховой аппарат практически равен старости, немощности и инвалидности, отношение к нему у многих отрицательное, и пациент требует аппарат, который не видно.

Кто-то сравнил слуховые аппараты с сотовыми телефонами, мол "телефон мощнее, а стоит дешевле". Все верно. Но давайте сравним, часто ли наличие телефона скрывают от близких? Чтоб никто не догадался что Вы им пользуетесь? Чтоанб на работе не знали, а то уволят как инвалида? А вот слуховые аппараты - прячут, скрывают, и тут спрос рождает предложение.

Во многих странах практически не продаются слуховые аппараты телесного цвета. Канадская компания Unitron свернула производство малозаметного форм-фактора ModaII и сменила его на намного бОльший по размеру M-формфактор из-за снижения спроса на малозаметный (он менее удобен в обслуживании, чем М). Количество внутриушных моделей на рынке США стало меньше, чем заушных (а там традиционно любят внутриушные). Слуховой аппарат перестал быть "инвалидским", и варианты особо скрытые стали стоить дороже как "эксклюзив".

В общем и целом, слуховые аппараты огромных размеров стоят в разы меньше миниатюрных (я не говорю по те потери, где размер определяется мощностью). Я в той теме упоминал турецкие слуховые аппараты, так вот технически одинаковые (и неразличимые по звуку при слепом тесте) аппараты из Турции и Германии имели разницу в размере раза в полтора, и огромный турецкий стоил в 2.3 раза меньше, чем миниатюрный немецкий.

Так что тут уникальность состоит в том, что мы должны обеспечить большую мощность вычислений (из-за того, что аппарат должен обрабатывать данные о патологии слуха) в максимально миниатюрном корпусе.

И есть третья уникальность, которая очень часто скрыта за всем прочим - надежность. Слуховой аппарат - это медтехника, причем медтехника постоянного ношения. В норме его используют 6-12 часов в сутки, каждый день, АЧХ выдаваемого звука - крайне "экстремальна", диаметр мембраны ресивера (динамика) - 1-2 мм, УЗД доходит до 120 дБ. И все это должно работать 4 года. А если сломалось - починено крайне быстро.

Я не знаю, какая часть стоимости слухового аппарата приходится на это, но могу сказать что слуховые аппараты определенных фирм имеют бОльшие расчетные сроки службы и стоят больше, чем полностью аналогичные по качеству звука (даже того же производителя).

И еще раз спасибо всем, кто сформулировал вопросы, на которые я, надеюсь, ответил этим постом.

Вчера был очередной телефонный звонок, в котором мне задали ровно три вопроса:

- Сколько стоят слуховые аппараты?

- Почему они у вас такие дорогие?

- Я хочу купить аппарат за 1000 рублей из телерекламы, сделаете ли вы мне вкладыш?

И вот эти вопросы вызвали у меня уныние. Для многих людей, которым реально нужны слуховые аппараты, и которым они реально помогут, цена качественного аппарата - велика.

Вот как ответить на первый вопрос? Сейчас я говорю, что аппараты начинаются от 15 тысяч. И это для потенциального клиента - много, он ищет где подешевле. Я говорил - от 10 тысяч, предупреждая, что цены на качественные аппараты начинаются от 15 - и клиент приходил за аппаратом "за 10 тысяч", оставался недовольным звуком - и не покупал ничего. Но с заушными аппаратами еще понятно, а вот с внутриушными... Мы перестали заниматься дешевыми (для внутриушного "дешевый" это все что до 30 тысяч) полностью - нам важно, чтобы клиент остался доволен аппаратом, и аппарат нормально работал положенные 4-5 лет. К кому пойдет клиент? У кого цена начинается "от 16 тысяч", или ко мне? Ответ очевиден. Но продавать хлам - мягко говоря, некорректно.

Но это все еще ничего.

А вот телереклама "слуховых аппаратов за 1000 рублей" - это полный кошмар. Это не слуховые аппараты. Это даже не медицинская техника. Это спаянные без какого-либо контроля качества широкополосные звукоусилители, для которых в лучшем случае есть данные УЗД с разбросом 25% от нормы. Это то, что реально калечит слух. Это говно продается даже в киосках с газетами. И это рекламируется по телевизору, в электричках, журналах. Откуда у них столько денег на эту рекламу? Почему ее допускают? Когда ты пытаешься рекламировать слуховые аппараты, с тебя требуют ворох бумаг о сертификации и без нее не принимают. Как это говно проходит все согласования?

Уныние и печаль.