«Цифровые слуховые аппараты»

Бурное развитие компьютеров и информатики явилось мощным стимулом для развития цифровой техники и, в частности, цифровой акустической и видео техники.

Различные электрические сигналы, и среди них важнейшие для нас- аудио и видео, в рамках цифровой технологии, преобразуются в последовательность чисел и после этого обрабатываются так, как это происходит в компьютере.

В цифровом с/а аналоговый электрический сигнал на выходе микрофонного усилителя измеряется примерно 20 тысяч раз в секунду и с помощью АЦП (аналого-цифровой преобразователь) превращается в числа, непрерывно поступающие в память цифровой интегральной схемы, которая производит с этими числами необходимые математические преобразования.

Так, например, усиление сигнала при цифровой обработке, представляет простое умножение вышеупомянутых чисел.

После компьютерной обработки (в реальности это сложнейшие математические алгоритмы, патентуемые и охраняемые от копирования) видео и аудио сигналы вновь превращаются в изображение и звук.

Необходимо отметить, что все математические операции в цифровом представлении должны быть произведены за очень короткое время (так называемое время задержки), по истечении которого сигнал должен быть обратно преобразован в аналоговый и уже в виде звука направлен в ухо пациента.

Это время обычно составляет единицы миллисекунд (2-5 мс), что значительно меньше времени распознавания звуковых образов человеческим мозгом. Такая задержка практически не заметна, даже, если слушать одним ухом напрямую, а другим ухом через цифровой усилитель.

Хорошей иллюстрацией превосходного качества цифрового звука являются проигрыватели компакт-дисков (CD) и также хорошо известные сейчас многим кинотеатры, оборудованные звуковыми системами Долби- Диджитал. В этих системах сигнал считывается с носителя в виде двоичного кода ( цифровая запись звука) и преобразуется в аналоговый сигнал, который в мощных акустических системах (динамиках) преобразуется в звук, причем также используется многоканальность.

Очень низкие искажения или почти полное их отсутствие, что воспринимается слушателем как чистое, ясное, отчетливое звучание. Если это речь, то она очень разборчива.

Многоканальность. В рамках цифровой технологии достаточно легко создать высококачественные фильтры, разделяющие весь частотный диапазон на несколько одинаковых каналов усиления. В рамках аналоговой технологии сделать это при приемлемом энергопотреблении не возможно.

Применение компрессии для компенсации потери естественной приспособляемости нормального слуха к тихим и очень громким звукам. Воспринимается слушателем как абсолютная комфортность, мягкость и приятность звучания при различной громкости звука. Т.е. система компрессии обеспечивает то, что тихие звуки становятся слышимыми без напряжения, т.е. приятно  слышимыми, а громкие звуки становятся комфортно громкими.

Применение различных алгоритмов шумопонижения значительно облегчает восприятие речи в шумной обстановке. Применение  многомикрофонных систем улучшает восприятие в наиболее трудных условиях, когда одновременно говорят несколько человек. Также практически снят вопрос о слышимости собственных шумов микрофона и  усилителя. В аналоговых с/а заметный шум микрофона или усилителя может даже стать причиной отказа пациента от использования с/а.

Важнейшим преимуществом применения цифровой обработки звука является огромный потенциал развития, т.е. применение существующих алгоритмов из других областей и развитие новых все более и более совершенных.

Наконец, для цифровых интегральных схем характерны высокая надежность и стабильность электрических характеристик.

Популярность цифровых с/а («цифровиков») постоянно растет, что объясняется, с одной стороны, их прекрасным звучанием и чрезвычайно быстрым совершенствованием, а с другой стороны, снижением цен на них. В настоящее время становится очевидной тенденция к полной замене аналоговых с/а на полностью цифровые. Однако многие практикующие специалисты не столь категоричны и готовы признать лишь, хотя и большую, но все-таки долю всех с/а оправданно заменяемую цифровыми с/а. Многие пользователи слуховых аппаратов убеждены, что цифровой – это современно, это модно и, наоборот, аналоговый – это то, что было хорошо вчера. Но мода модой, а разумный консерватизм никогда не был лишним в оценке и использовании технических новшеств. Ведь мы часто охотно, а иногда и с удовольствием используем стиль «ретро» и более того, часто платим большие деньги за антиквариат. Также надо иметь в виду, что от гениальной идеи до ее не менее гениального воплощения должно пройти определенное время испытаний и совершенствования. Действительно, аналоговые с/а сохраняют и еще долго будут сохранять свое весьма значительное присутствие на рынках разных стран. Более того аналоговые с/а продолжают совершенствоваться. Несмотря на сдаваемые позиции, характеристики аналоговых с/а также постоянно улучшаются.

Мы продемонстрируем развитие цифровых программируемых слуховых аппаратов на примере одного из признанных мировых технологических лидеров-фирмы Siemens.

Не претендуя на научную строгость мы приведем здесь достаточно наглядную, на наш взгляд, модель широко распространенной сенсо-невральной тугоухости (70% всех видов тугоухости) и продемонстрируем возможности цифровых технологий в борьбе с этим видом тугоухости. Данный вид тугоухости вызван нарушением функции внутреннего уха и связан с повреждением наружных волосковых клеток. Что при этом происходит со слухом?

1. Нарушается восприятие громкости. Тихие звуки становятся не слышны. Ухо как бы теряет способность прислушиваться.

2. Резко снижается частотная избирательность. Происходит снижение спектрального контраста речевого сигнала во внутреннем ухе. Ухудшается разборчивость речи, особенно в шумной обстановке.

3. Снижается быстрота реакции внутреннего уха на изменение уровня звука со временем. Падает временной контраст речевого сигнала во внутреннем ухе. Это также ухудшает разборчивость речи.

Слуховой аппарат не может вылечить больное внутреннее ухо и восстановить погибшие волосковые клетки, но он может так изменить звук, поступающий в ухо, что все вышеприведенные потери «качества сигнала», происходящие во внутреннем ухе, будут скомпенсированы еще на входе, т.е. в слуховом аппарате.

1. Многоканальная компрессия полного диапазона для компенсации нарушенного восприятия громкости. (Prisma – 4 канала компрессии; Signia – 4 канала компрессии; Triano – 16 каналов компрессии)

2. Система шумоподавления с распознаванием речи и многомикрофонная система направленного слуха для компенсации снижения спектрального контраста речевого сигнала.

(Prisma – 4 канала шумопонижения + двойной микрофон; Signia – 8 каналов шумопонижения + двойной микрофон; Triano – 16 каналов шумопонижения + тройной микрофон)

3. Система компенсации снижения временного контраста. (Имеется в Signia).

В скобках показано, как нарастает сложность цифровых с/а от поколения к поколению и происходит их приближение к идеальному с/а, способному реально восстановить разборчивость и облегчить восприятие речи при сенсо-невральной тугоухости.

Полностью цифровой с/а первого поколения фирмы Siemens («Prisma») вышел в 1998 году в виде полного семейства слуховых аппаратов: заушина, мощная заушина и все вариации внутриушных моделей от конхи до сверхминиатюрного канального.

Prisma продемонстрировала ряд замечательных свойств, которые могут быть достигнуты только в рамках цифровых технологий. Вот эти замечательные свойства:

Многоканальность. У Призмы – 4 канала компрессии. Усиление звука в каждом из каналов устанавливается независимо, и в соответствии с уровнем сигнала в данном канале. Это приводит к значительно большему усилению высокочастотных согласных на фоне шумов и громких гласных, что значительно повышает разборчивость, особенно в шумной обстановке.

Шумоподавление с использованием алгоритма распознавания речи. Сигнал в каждой частотной полосе анализируется на наличие признаков речи. Усиление в частотных полосах (у Prisma 4 частотные полосы совпадают 4 каналами компрессии, а вообще частотных полос может быть больше, чем частотных каналов компрессии), где речь отсутствует, плавно снижается. Таким образом речь как бы «очищается» от шумов и восприятие речи улучшается. Особенно облегчается прослушивание в присутствии стационарных шумов: шум в автомобиле, самолете и т.д.

Подавление собственных шумов микрофона. Очень важное свойство для пользователей с сохранным низкочастотным слухом, т.к. в тишине хорошо слышимый шум микрофона становится сильным раздражителем. Как только уровень сигнала в какой-то частотной полосе приближается к заданному порогу (близко к уровню собственных шумов микрофона), усиление в этой полосе плавно снижается, делая шум не слышимым.

Связь каналов. Также улучшает разборчивость, снижая маскировку высокочастотных согласных сильными низкочастотными гласными. Для достижения лучших характеристик необходимо внести согласованность при изменении усиления в соседних частотных каналах, т.е. если во втором канале происходит уменьшение усиления, то и в первом канале должно быть также произведено соответствующее уменьшение. Такая связанность каналов приводит к улучшению соотношения сигнал-шум.

Направленная многомикрофонная система. У Prisma много означает 2. Подобно антенной решетке, увеличение числа синхронно принимающих элементов (в данном случае микрофонов) приводит к узконаправленному приему. Восприятие звука с сильной зависимостью от направления имеет особенно высокое предпочтение пользователей, т.к. значительно облегчает восприятие речи в присутствии нескольких источников шума (вечеринка). Такая система значительно лучше усиливает звуки, идущие в направлении лица пациента и снижает усиление звуков, приходящих с других направлений (хорошо слышу того, на кого смотрю, хуже или совсем не слышу тех, кто по сторонам или сзади).

Практически ни одна из приведенных систем не может быть реализована в рамках аналоговой технологии, во всяком случае не в таком объеме и не при таком энергопотреблении. Первый полностью цифровой с/а фирмы Siemens Prisma установил новый стандарт для слухопротезирования и явился образцом надежности и технологического совершенства.

В 2000 г. Siemens выпустил полностью цифровой с/а второго поколения Signia, также полное семейство от мощной заушины до сверхминиатюрного канального с/а.

     Для наглядности мы сравним заушные варианты Signia и Prisma.      Signia несколько мощнее усиленного варианта Prisma Р. Она имеет усовершенствованные алгоритмы- аналоги Prisma, а также новые свойства и возможности. Как и Prisma, Signia имеет 4 канала компрессии (по 8 частотных полос), систему подавления собственных шумов микрофона, направленную систему двух микрофонов, а также связь каналов. Однако, даже эти общие системы значительно усовершенствованы.

В отличие от Prisma, Signia имеет не 4, а 8 частотных полос, используемых для формирования частотной характеристики и подавления шумов с распознаванием речи (8-полосная система значительно более эффективна).

К новым системам относится подавление свиста (обратной связи). Она подавляет характерный свист, возникающий при жевании, ношении шляпы, а также при вынимании с/а из уха, уменьшая дискомфорт пациента и снижая заметность с/а для окружающих.

Также новым является алгоритм усиления временного контраста речи, способствующий увеличению разборчивости речи.

Signia имеет также более совершенную настройку в виде нового программного обеспечения и алгоритма ConTrast, который позволяет добиваться оптимальной разборчивости речи, наглядно управляя 4-мя различными алгоритмами одновременно.

По совокупности свойств Signia находится на качественно новом уровне в сравнении с Prisma и позволяет успешно протезировать значительно больший диапазон различных случаев тугоухости.

В Signia реализован также современный подход к настройке: слуховой аппарат становится все сложнее, а настройка, за счет мощного программного обеспечения – все проще.

В 2003 году фирма Siemens выпустила на рынок, включая российский, новое семейство полностью цифровых с/а третьего поколения «Triano».     Серия Triano представляет собой попытку путем использования новейших технологий создать «интеллектуальный» слуховой аппарат, способный непрерывно анализировать звуковую ситуацию и адаптироваться к ней, добиваясь масимально возможной разборчивости речи при сохранении приятного и комфортного звучания.

Семейство включает три заушные модели – Triano 3, Triano S, Triano SP и полный набор внутриушных моделей – конха, канал, миниканал и глубокий канал (CIC).

Традиционно все модификации серии содержат одно и то же «сердце», т.е. цифровой чип, способный ко всем обработкам сигнала, характерным для системы «Triano», и отличаются мощностью и компоновкой.

Семейство Triano имеет ряд принципиальных новшеств. Во-первых это трехмикрофонная система направленного слуха с качественно новыми возможностями. Система направленного слуха, используемая в Triano 3, обладает более высокими характеристиками направленности не только из-за большего числа микрофонов, но и из-за применения в Triano системы автосогласования микрофонов. Автосогласование обеспечивает стабильность характеристик трехмикрофонной системы в течение длительного времени.     Далее трехмикрофонная система направленного слуха (Triano 3), как и двухмикрофонная (Triano S, Triano SP) теперь имеют «адаптивный режим», в котором система направленного слуха может сама изменять характеристики направленности при появлении изменяющихся источников шума. При наличии источника шума алгоритм направленного слуха выбирает оптимальную диаграмму направленности, у которой минимум чувствительности направлен именно в сторону источника шума.

Если источник шума движется (например, движущийся поезд), то и диаграмма направленности будет автоматически изменяться так, что ее минимум будет всегда смотреть в сторону источника шума. Когда же пациент сам переходит из одной обстановки в другую- система направленоного слуха также автоматически может активироваться (шумная обстановка) или выключаться (тихая обстановка).

Во-вторых, новая система речевого комфорта. Она автоматически классифицирует ситуацию по 6 стандартным ситуациям и после определения вида ситуации включает оптимальные алгоритмы обработки речи (выбирает режим направленной многомикрофонной системы, задает алгоритм шумоподавления и усиления речи в 16 частотных каналах, активирует систему подавления обратной связи, управляет подавлением шума ветра и т.д.).  Именно эта «интеллектуальная» система управляет всеми конкретными системами и алгоритмами с целью максимального облегчения восприятия речи пользователем слухового аппарата в самых разных ситуациях. В-третьих, обработка звука в шестнадцати частотных каналах. При этом все частотные каналы используются как для шумоподавления с распознаванием речи, так и для оптимизации усиления речи (компрессия в 16 каналах). В каждом частотном канале сигнал анализируется на наличие признаков речи. В тех каналах, где речь отсутствует, усиление плавно снижается. А в тех, где речевой сигнал есть, усиление выбирается с помощью специальной формулы. Такая адаптация усиления приводит к «очищению» речевого сигнала от шумов и устанавливает громкость речи, позволяющую слушать без напряжения. В-четвертых, возможность ручного выбора (с помощью кнопки) 1 из 4 программ: 3 акустические + 1 телефонная или 4 акустические. Варианты выбора: универсальная, шумная обстановка, музыка и телефон акустически. Поскольку автоматический выбор параметров обработки сигнала нацелен на получение оптимальной разборчивости речи, то при прослушивании не речевых сигналов (музыка, например) программу лучше задать вручную.

Помимо концептуальных моделей, таких как Triano или Signia, которые являются наиболее дорогими, все чаще появляются относительно дешевые полностью цифровые модели с более простым набором алгоритмов обработки сигнала. К таким относятся недавно вышедшие серии Phoenix 104, 204, 304 и Phoenix 103, 203, 303 (причем Phoenix 304 и Phoenix 303- супермощные цифровые с/а). Phoenix в переводе на русский означает чудо. Действительно идеи, заложенные в это семейство и высокое качество их воплощения обеспечили этой серии большой успех в ряде стран Европы.

Отличительная особенность этих моделей в том, что, будучи полностью цифровыми, они настраиваются не с помощью компьютера, а с помощью обычной отвертки, т.е. так, как это происходит в традиционных с/а.

Каковы же преимущества этих «простых цифровиков»? Технологическое совершенство, высокая надежность, стабильность электрических характеристик, характерные для цифровых технологий вообще. Чистое, мягкое, неискаженное звучание, даже при очень высокой мощности на выходе. Высокая гибкость настройки за счет специальных алгоритмов при наличии всего 3-4 регулировок. Двухканальная компрессия (Phoenix 104, 204, 304), значительно повышающая разборчивость речи, особенно в шумной обстановке. Подавление собственных шумов микрофона. Собственные шумы с/а становятся не слышны даже в абсолютной тишине. Ограниченное потребление тока, даже при высокой мощности. Отметим также, что эти «простые цифровики» заменяют ряд аналоговых традиционных моделей фирмы Siemens, которые снимаются с производства.