В ПНИПУ узнали, как исключить возникновение дефектов в слуховых аппаратах

Решение проблем, возникающих при работе слуховых аппаратов, основанных на эффекте костной проводимости, нашли специалисты Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 15 июля сообщает пресс-служба вуза.

Такие специализированные слуховые аппараты стали в последнее время часто использоваться для пациентов с различными проблемами слуха, в том числе при ампутированной из-за травмы или при врожденной аномалии ушной раковины. А также когда невозможно хирургическое вмешательство, например, из-за возраста пациента.

Данное устройство представляет собой бионическое ухо, выглядящее как настоящее и обладающее функциями слухового аппарата. Оно должно эффективно передавать звук через имплантат, вибрационный излучатель и костную ткань пациента. Устройство достаточно сложное, и в нем, как установили исследователи из Пермского Политеха, могут возникать резонансы и задержки на различных частотах, ухудшающие качество передачи звука.

В предыдущих исследованиях ученые ПНИПУ предположили, что на характеристики звукопередачи системы может влиять качество прижимного соединения между звуковым излучателем и ушным имплантатом, а в случае неправильно подобранного крепления — еще и общий перекос конструкции.

В новом исследовании ученые оценили отрицательное влияние этих моментов на звуковые характеристики устройства и нашли способы, как их устранить. Результаты проделанной работы они представили в статье «Анализ системы „излучатель-имплант“ бионического протеза уха и ее влияния на звуковые характеристики», опубликованной в журнале «Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия „Радиотехнические и инфокоммуникационные системы“ № 4 за 2023 год.

Известно, что характеристики звуковых систем в значительной мере зависят от нагрузки, однако эта зависимость менее ярко выражена, когда звук попадает в воздушную среду, а слушатель находится на значительном расстоянии.

Наушники излучают звук в пространство, которое образовано ушной раковиной и объемом внутри амбюшура — той части наушников, которая соприкасается с ушами. В таких небольших объемах воздуха звуковые колебания уже подвергаются значительному влиянию резонансных эффектов, что сильно искажает акустические показатели.

В случае наушников-«затычек» воздуха в них еще меньше, и их характеристики еще более сложно измерять, так как при этом часть звуковых колебаний передается посредством эффекта костной проводимости — звук попадает во внутреннее ухо через кости черепа.

Чтобы оптимизировать эти эффекты, создаются специализированные стенды, имитирующие структуры головы человека.

Наибольшую сложность представляют измерения характеристик передачи звука, когда она происходит только за счет эффекта костной проводимости. Для этих случаев нет стандартных измерительных стендов. Именно такие характеристики измерялись в эксперименте ученых ПНИПУ.

Поэтому им пришлось создавать собственный стенд, основным требованием к которому являлась максимально возможная имитация реальной нагрузки, то есть реальных костных тканей головы человека.

Для этих целей политехники использовали голову свиньи без мягких тканей, поскольку уши этих животных анатомически наиболее схожи с человеческими. В состав стенда вошли также винтовые имплантаты, изготовленное на 3D-принтере лекало, виброизлучатель, микрофон и рабочее место с программным обеспечением для измерения параметров сигнала.

Зная две основные причины, влияющие на итоговые характеристики звука, — качество прижимного соединения между звуковым излучателем и ушным имплантатом и общий перекос конструкции относительно оси ушного имплантата, возникающий в процессе крепления, ученые провели ряд экспериментов для определения вида оптимального прижима.

Ими были рассмотрены три способа: механический прижим, клеевой с толстым интерфейсным слоем и клеевой с тонким интерфейсным слоем. В каждом эксперименте проводили три измерения, после чего сравнивали полученные характеристики. При качественно выполненном прижиме во всех случаях погрешность оказалась минимальной.

Во всех экспериментах задержка не превышала 10 миллисекунд на всём диапазоне частот от 20 до 20 000 Гц.

Доцент кафедры автоматики и телемеханики ПНИПУ кандидат технических наук Игорь Безукладников пояснил суть проделанной учеными работы:

«На основе анализа полученных измерений мы сделали несколько выводов. Метод фиксации излучателя на импланте сильно влияет на характеристики — в диапазоне частот обычной речи возникают явно выраженные пики и провалы. Максимальная амплитуда таких дефектов составляет более 15 дБ. Это значит, что слушатель ощущает заметные дефекты. Чтобы минимизировать эти погрешности, нужно максимально качественно прижимать излучатель к поверхности импланта. Кроме того, во всех измерениях мы наблюдали провал на характеристике с частотой 1400 Гц. Он возникает из-за деформации подвеса виброизлучателя при его прижиме к импланту. Поэтому важно не допускать перекосов конструкции».

При этом пермяки доказали, что расстояние между имплантатами, которые используются для фиксации бионического протеза уха, можно выбирать в широком диапазоне, поскольку это почти не влияет на звуковую воспроизводимость аппарата. Этот факт значительно упрощает задачу челюстно-лицевого хирурга.

Таким образом, исследования политехников выявили главные проблемы при ушном протезировании. Учет их результатов на практике позволит значительно повысить звуковые характеристики протезов, отмечают ученые.