Специализированные слуховые аппараты, основанные на эффекте костной проводимости, становятся все более популярными для пациентов с различными проблемами. Они могут помочь в случаях, когда ушная раковина ампутирована из-за травмы или при врожденных аномалиях. Их используют даже тогда, когда хирургическое вмешательство невозможно, например, из-за возраста пациента. Такая система представляет собой бионическое ухо, которое выглядит как настоящее и обладает функциями слухового аппарата. Главная проблема этих устройств — эффективная передача звука через имплант, вибрационный излучатель и костную ткань пациента. Эта система достаточно сложная, поэтому в ней могут возникать резонансы и задержки на различных частотах. Решение проблемы позволит улучшить качество передачи звука и повысить эффективность слуховых аппаратов. Ранее ученые ПНИПУ уже предположили, что на работу системы может влиять качество прижимного соединения между звуковым излучателем и ушным имплантом, а также общий перекос конструкции, который возникает при неправильно подобранном креплении. Теперь политехники рассмотрели влияние этих особенностей на звуковые характеристики системы и определили, как исправить эту проблему.
Исследование опубликовано в журнале «Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия «Радиотехнические и инфокоммуникационные системы» № 4 за 2023 год. Работа выполнена при финансовой поддержке Пермского научно-образовательного центра «Рациональное недропользование».
Характеристики звуковых систем сильно зависят от нагрузки. Наименее эта проблема выражена в тех случаях, когда звук попадает в воздушную среду, а слушатель находится на значительном расстоянии. Например, привычные нам наушники излучают звук в пространство, образованное ушной раковиной и объемом внутри амбюшура. Звуковые колебания в таких небольших объемах воздуха уже подвергаются значительному влиянию резонансных эффектов. Из-за этого акустические показатели сильно искажаются. Еще более сложно измерять характеристики для внутриканальных наушников (наушников-«затычек»), поскольку воздуха в них еще меньше. В таких случаях часть колебаний передается через эффект костной проводимости — когда звук попадает во внутреннее ухо через кости черепа. Для оптимизации этих эффектов используются специализированные стенды, имитирующие голову человека.
Наиболее сложно измерять характеристики в случаях, когда передача звука происходит только за счет эффекта костной проводимости, как в эксперименте политехников. Для таких случаев нет стандартных измерительных стендов. При этом основным требованием к ним является максимально возможная имитация реальной нагрузки, в том числе реальных костных тканей головы человека.
Ученые ПНИПУ создали собственный стенд, в котором для измерений использовали голову свиньи без мягких тканей. Выбор обоснован тем, что уши этих животных наиболее схожи по анатомии с человеческими. Кроме свиной головы в системе использовали винтовые импланты, лекало, изготовленное на 3D-принтере, виброизлучатель, микрофон и рабочее место с программным обеспечением для измерения параметров сигнала.
Ученые Пермского Политеха определили две основные причины, которые влияют на итоговые характеристики звука — качество прижимного соединения между звуковым излучателем и ушным имплантом, а также возникающий в процессе крепления общий перекос конструкции относительно оси ушного импланта.
Чтобы выяснить, какой именно прижим можно считать оптимальным, ученые провели серию экспериментов. Они рассмотрели три способа: механический прижим, клеевой с толстым интерфейсным слоем и клеевой с тонким интерфейсным слоем. Чтобы исключить другие факторы, в каждом эксперименте проводили по три измерения, а затем сравнивали полученные характеристики. Погрешность оказалась минимальной. Ученые определили, что задержка во всех экспериментах не превышала 10 миллисекунд на всем диапазоне частот от 20 до 20000 Гц. Такие значения не влияют на качество воспроизведения, поэтому дальше они не рассматривались.
— 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, — объясняет кандидат технических наук, доцент кафедры автоматики и телемеханики ПНИПУ Игорь Безукладников.
Так политехники доказали, что дефекты звука в ушных протезах возникают из-за перекоса конструкции и неверно подобранного прижимного соединения. Это может произойти при избыточной жесткости лекала. При этом расстояние между имплантатами, которые используются для фиксации бионического протеза уха, можно выбирать в широком диапазоне, поскольку это почти не влияет на звуковую воспроизводимость аппарата. Это упрощает задачу челюстно-лицевого хирурга.
Результаты исследований политехников позволили обратить внимание на главные проблемы в ушном протезировании. Применение исследования на практике позволит значительно повысить звуковые характеристики протезов.