1 Назначение и область применения аудиометров

Историческое развитие СА отражает развитие техники и научных представлений о механизмах функционирования слуховой системы человека и причинах ухудшения слуха. Технология производства СА за последние 100 лет прошла путь от механических приспособлений в виде раструбов до внутриканальных аппаратов с цифровой обработкой сигналов. В отношении методов обработки сигналов в СА эволюция взглядов не была столь стремительна. В основном применялось усиление звука и формирование частотной характеристики на основе измерения аудиограммы пациента (зависимости порогов слышимости и дискомфортной громкости от высоты звука). Дальнейшие исследования способов обработки сигналов в СА ведутся в областях повышения помехоустойчивости восприятия речи за счет адаптивного шумопонижения, формирования пространственных диаграмм направленности микрофонов и моделирования механизмов функционирования периферии слуховой системы. Следует также упомянуть слуховое протезирование с помощью имплантации электродов в улитку уха, которое выходит за рамки традиционных СА.

В настоящее время на рынке представлен широкий спектр СА, выполненных в виде карманных, заушных, внутриушных и внутриканальных устройств. В основном это аналоговые СА. Долгое время широкому внедрению цифровых методов обработки звука в СА препятствовали габариты и потребляемая мощность цифровых схем. С другой стороны, в аналоговых аппаратах ощущался недостаток гибкости настроек для согласования параметров СА с индивидуальным характером потерь слуха у пациентов, связанный с ограничением числа механических регулировок, особенно в миниатюрных вариантах. Вследствие этого в конце 80_х гг. появились аналоговые аппараты с цифровым программированием настроек. В 1996 г. на рынке появляются полностью цифровые заушные и внутриушные СА фирм Oticon и Widex, реализованные на базе специализированных микропроцессоров с жесткой внутренней структурой, напряжением питания 0,9–1,2 В, током потребления 1–2 мА и производительностью от 14 до 40 млн операций в секунду. В настоящее время еще несколько фирм (Bernafon, Resound, Siemens, Sonic, Starkey и др.) выпускают внутриушные и внутриканальные цифровые СА.

Успехи цифровой миниатюризации заставляют предполагать, что в скором времени большинство СА станут цифровыми. Поэтому в дальнейшем развитии СА на первый план выходит задача разработки новых алгоритмов цифровой обработки речевых сигналов, способных качественно изменить подходы к обработке сигналов в СА и улучшить реабилитацию пациентов. Для подбора СА крайне важной является качественная диагностика слухового анализатора человека.

Воспринимающей частью слухового анализатора является ухо (рисунок 1). В анатомическом отношении в ухе человека различают три отдела: 1) наружное ухо, состоящее из ушной раковины и наружного слухового прохода; 2) среднее ухо, составленное барабанной полостью и имеющее придатки — евстахиеву трубу и ячейки сосцевидного отростка; 3) внутреннее ухо (лабиринт), состоящее из улитки (слуховая часть), преддверия и полукружных каналов органа равновесия. Если присоединить к этому слуховой нерв и слуховые пути в продолговатом и большом мозгу, а также центральные слуховые поля в коре височных долей, то весь комплекс представляет собой слуховой анализатор. В функциональном отношении ухо можно разделить на две части — звукопроводящую (раковина, наружный слуховой проход, барабанная перепонка и барабанная полость, лабиринтная жидкость) и звукопринимающую (слуховые клетки, окончания слухового нерва) [1].

Рисунок 1 – Строение уха

В результате колебаний волокон основной мембраны возбуждаются рецепторные волосковые клетки, и сигнал по волокнам слухового нерва передается сначала в ядра нижних бугров четверохолмия, оттуда в медиальные коленчатые тела таламуса и, наконец, в височные доли коры больших полушарий, где и находится высший центр слуховой чувствительности. Нарушение слуховой функции может быть обусловлено не только ухудшением чувствительности рецепторов внутреннего уха, ведущим к увеличению порогов восприятия тональных звуковых сигналов той или иной частоты, но и целым рядом факторов, существенно влияющих на восприятие человеком сигналов, особенно со сложной спектральной структурой. Функциональное состояние наружных волосковых клеток существенно влияет на характер колебаний базилярной мембраны под действием звукового стимула, причем не только на амплитуду, но и на остроту частотных характеристик соответствующих ее участков [1, 2].

Влияние наружных волосковых клеток проявляется также эффектом компрессии, при котором слабые звуковые колебания усиливаются соответствующими участками колебательной системы внутреннего уха значительно больше, чем сильные. Тем самым обеспечивается восприятие слуховой системой человека расширенного диапазона амплитуд колебаний звуковых сигналов. Соответственно нарушение функционирования наружных волосковых клеток ведет к значительным изменениям в характеристиках колебаний базилярной мембраны, что сказывается в первую очередь на ухудшении ее частотно_селективных свойств, а также на характеристике, описывающей связь амплитуды колебаний участков базилярной мембраны с амплитудой воздействующих на нее звуковых колебаний. Таким образом, колебания базилярной мембраны внутреннего уха оказываются существенно нелинейными, а их характеристики — зависящими как от уровня, так и от структуры действующего звукового сигнала. По существу, колебательная система улитки производит достаточно сложную обработку сигнала и формирует его отображение, которое с помощью внутренних волосковых клеток преобразуется в поток импульсаций в афферентных волокнах слухового нерва. Из сказанного следует, что такие эффекты как кохлеарный фильтр, двухтоновое подавление, компрессия формируются механизмами внутреннего уха, регулирующими колебания базилярной мембраны, а не процессами в звуковоспринимающем отделе звукового анализатора, как это предполагалось ранее [3].

Предполагается, что именно структуры внутреннего уха, обусловливающие обратные связи, а таковыми являются наружные волосковые клетки, обеспечивают высокие частотноселективные свойства слуховой системы, а также ее способность адаптироваться к различным условиям окружающей среды. Кроме того, функционирование механизмов обратной связи зависит от структуры действующего звукового сигнала. Следует также различать глобальные и локальные связи во внутреннем ухе.

Исследование порогов слухового ощущения производится с помощью аудиометро

Аудиометр представляет собой, по сути, генератор звуковой частоты, частоту и интенсивность звука которого можно регулировать с большой точностью. Острота слуха определяется главным образом порогом восприятия звука. Основными физическими характеристиками звука являются: интенсивность звука [Вт/м], частота колебаний [Гц] и звуковое давление [Па]. Интенсивность звука связана со звуковым давлением выражением

J = VP,

где P — среднеквадратичное звуковое давление, Па;

V — среднеквадратичное значение колебательной скорости частиц в звуковой волне, м/с.

Минимальная интенсивность звуков различаемая слухом человека, называется пороговой: J₀ = 10–12 Вт/м², а верхняя по интенсивности граница звука — порог болевого ощущения: J_max = 10 Вт/м², что превышает нижнюю пороговую в 1013 раз. Для оценки звука пользоваться таким широким диапазоном неудобно (например, прибор для измерения уровня шума в указанном диапазоне с делениями в 1 мм должен бы иметь шкалу длиной в 1 млн км), поэтому относительные уровни по отношению к пороговым значениям принято измерять и оценивать в логарифмической форме [4]:

— уровень интенсивности: L1 = 10lg (J/J0), [дБ];

— уровень звукового давления: L2 = 20lg (Р/Р0), [дБ];

При этом весь диапазон слышимых звуков укладывается в пределах от 0 до 140 дБ. Давление звука в 2 × 10–5 Па принято брать за 0 дБ. В других физических единицах это соответствует интенсивности звука в 2 × 10–6 Вт/см2. Исследование слуха с помощью аудиометра называют аудиометрией чистого звука. Порог слышимости определяется так: врач до тех пор повышает интенсивность звука на определенной частоте, пока пациент через наушники не уловит звук и не просигнализирует об этом, нажав кнопку, находящуюся у него под рукой. Воспринятая интенсивность звука и будет порогом возбуждения на данной частоте. После этого врач проводит исследование на других частотах. Для исключения помех целесообразно помещать больного в звукоизолированную камеру (сурдокамеру). О необходимых действиях врач говорит через наушники, надетые больному. Чистый звук от аудиометра, передаваемый воздушной подушкой между мембраной наушника и барабанной перепонкой, попадает во внутренние органы уха. Есть и такой метод исследования слуха, когда звук с определенной частотой и интенсивностью подают не в ушную раковину, а на кость позади уха — так называемый сосцевидный отросток. Здесь звук передается черепной костью. Оба метода исследования играют важную роль в дифференциальной диагностике. Если при обследовании с помощью наушников устанавливают потерю слуха, а обследованием с подачей звука на кости черепа повреждения слуха не обнаруживают, то ясно: беда не во внутреннем ухе и не со слуховыми нервами – недуг следует искать в среднем ухе, чаще всего около слуховых косточек. Ни при одном из описанных методов не удается избежать прохождения колебаний через черепную кость. Поэтому во время обследования одного уха звуки попадают и в другое, а это мешает обследованию, тем более, когда необходимо осмотреть только одно ухо. Для устранения такого положения неисследуемое ухо «маскируют», т. е. подают на него звук определенной силы (так называемый «белый шум»). Для этой цели в аудиометр монтируется специальный шумовой генератор, сигнал от которого можно подключить к любому наушнику. Итак, с помощью аудиометров можно определять, по сути дела, кривую порога слуха. Однако врача интересует скорее то, какова потеря слуха у больного на отдельных частотах по сравнению со здоровым человеком. Это определяется разницей между кривой порога слышимости у больного и здорового человека (рис. 2.). Именно поэтому аудиометры, изготовленные для устранения потери слуха, генерируют на различных частотах звуки различной интенсивности, соответствующей ходу кривой порога нормального слуха. Это значит, что аудиометр в диапазоне 1÷2 кГц дает звук меньшей интенсивности, чем на более низких или более высоких частотах. Изменение интенсивности звука таково, что человек со здоровым слухом судит о звуках различной частоты как о звуках одинаковой громкости, хотя они имеют различную реальную в физическом смысле интенсивность. Следовательно, при изменении частоты оценка пациентом громкости остается постоянной [5, 6].

Как известно, ухо улавливает звуки, однако ухо человека способно воспринимать не всякий звук. Диапазон слышимых звуков имеет свои границы и по частоте, и по интенсивности. Чувствительность здорового уха при увеличении частоты до нескольких килогерц возрастает, затем снова уменьшается, т. е. среди звуков одинаковой интенсивности низкие мы слышим хуже, высокие – лучше, а затем еще более высокие снова хуже. Известно также и то, что ухо может слышать звуки только в пределах 15–15 000 Гц, если их интенсивность выше порога возбуждения. Интенсивность звука тоже имеет верхнюю границу. Дело в том, что звуки с интенсивностью выше определенной просто вызывают боль. Если дополнить пороговую кривую кривой боли, то получим диапазон слуха нормального человеческого уха (рисунок 2). Мы можем воспринимать только такие звуки, интенсивность и частота которых находится в этом диапазоне. В диаграмму стоило бы вписать и диапазон, характерный для нормальной речи, который как по частоте, так и по интенсивности существенно уже, чем диапазон полного слуха. Диапазон речи, естественно, зависит от силы звука и от расстояния, на котором находится говорящий. Диапазон речи обычно определяют силой нормального звука в комнате на расстоянии от говорящего 1 м. В зависимости от характера и степени повреждения слуха эта область может значительно сузиться, что обуславливается отчасти отклонением кривой порога слышимости вверх, а отчасти — сокращением полосы частот. Кривая порога боли обычно не меняется, хотя иногда отклоняется вниз. Цель исследования слуха — определить область слышимости и причины ее сужения. На основании этого можно решить, нуждается ли слух пациента в корректировке и можно ли ее осуществить с помощью слухового аппарата. Кривая порога поврежденного слуха (рисунок 2), например, пересекает диапазон речи, иначе говоря, пациент, имеющий такую кривую порога слуха, уже глухой, он плохо понимает речь, поскольку не воспринимает звуки в диапазоне речи, по интенсивности находящиеся ниже кривой порога поврежденного звука.

Рисунок 3 – Диапазон слуха человеческого уха