|
Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, кафедра акустики и акустоэлектроники (г. Киев, Россия)
Окружающий нас мир наполнен самыми разнообразными звуками. Влетая в ухо, звук в улитке внутреннего уха превращается в “пулеметную очередь” нервных импульсов, которые по слуховому нерву передаются в мозг.
Улитка – спирально извитый костный конусообразный канал, разделенный улитковым ходом на заполненные жидкостью (перилимфой) преддверную и барабанную лестницы, соединенные у вершины конуса отверстием – геликотремой. Улитковый ход заполнен особой жидкостью – эндолимфой и ограничен со стороны преддверной лестницы гибкой мембраной Рейснера, а со стороны барабанной лестницы – студенистой основной мембраной (ОМ). В слухе она играет наиважнейшую роль. На ОМ расположен кортиев орган, в котором спрятан орган слуха. Клетки в кортиевом органе – это особые слуховые волосковые клетки, слишком нежные и мелкие (у человека – не более 0,1 мм, чаще и короче). В них звуковые колебания преобразовываются в нервные импульсы, которые по 25-30 тысячам нервных волокон слухового нерва “бегут” в мозг.
Первой научной теорией слуха считается теория немецкого естествоиспытателя Генри Гельмгольца – резонансная теория. Согласно Гельмгольцу ОМ в улитке состоит из множества “струн”, натянутых поперек канала улитки. Каждая струна настроена на определенный звук, как в рояле. Однако, при больших увеличениях, на которые обычный микроскоп не способен, “струн” увидеть не удалось. Согласно Гельмгольцу ухо может различать индивидуальные компоненты сложного звука независимо от отношения их фаз.
В 1928 году венгерский физик Георг Бекеши опубликовал результаты четырехлетних натурных (на физиологических образцах) и модельных (на гидродинамических моделях) исследований улитки. На физиологических препаратах, вызывая гармонические колебания основания стремени, он измерял амплитуды и фазы смещений мембраны в зависимости от расстояния от стремени. Полученные результаты позволили Бекеши развить теорию бегущих волн, максимум амплитуды которых находился в определенном месте мембраны для каждой частоты. Уделив много внимания основному положению теории Гельмгольца – натяжению “струн”, Бекеши показал, что если в ОМ производятся тонкие разрезы в продольном или поперечном направлениях, то поверхностный разрез вообще не расходится, как это должно быть при существовании натяжения.
В своей книге с Вальтером А. Розенблитом (1963 г.) Бекеши отмечал: “Если бы начало теории слуха не было бы положено представлением о колеблющихся струнах пианино, то, возможно, ОМ вообще никогда не рассматривали бы как находящуюся в постоянном натяжении”. Пытаясь найти механизм передачи колебаний от жидкости к ОМ, Бекеши не заметил работу Петерсона и Богерта (1950 г.), в которой учитывалась конусность каналов улитки, гибкость мембраны Рейснера и ОМ и находилась зависимость разницы звукового давления волн сжатия на стенках улиткового хода. Из них следовало, что даже в отсутствие связи между волокнами ОМ, эта разница представляет бегущие волны. Из них можно определить фазовую скорость этих волн: при x=0 vф=176 м/с, а при x=22 мм (2/3 длины мембраны) vф=44 м/с при частоте 1000 Гц. В 1961 г. “за открытие физических механизмов восприятия раздражения улиткой” Бекеши был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине. Основанием для этого являлось экспериментальное наблюдение бегущих волн.
Акустический механизм, во-первых, объясняет результаты опытов Л.А.Андреева на собаках, которыми он объяснял сохранение условно рефлекторной реакции животных при полном локальном разрушении улитки. Так, например, при разрушении ее у основания нарушалось восприятие только верхних тонов, но условный рефлекс, вызываемый средними и нижними тонами, сохранялся. Во-вторых, даёт основание для представления эквивалентной электрической схемы улитки в виде длинной дисперсионной линии, возбуждаемой у основания стремени.
Первые экспериментальные кохлеарные имплантанты использовали одноканальные электроды в улитку глухих добровольцев. Они были способны извлекать большое количество звуковой информации из единственного электрода. Речь же воспринималась плохо. Считалось, что для этого нужно 24 канала (заметим, что это число частотных групп в диапазоне от 20Гц до 16кГц).
В Украине имеется двадцатилетний опыт использования кохлеарных имплантантов. В начале 90-х годов в Институте отоларингологии им. А.И.Коломийченко АМН Украины были имплантированы 10 имплантантов австрийской фирмы “Med-El”. Сам имплантант непосредственно вживляется в кость черепа. От него отходят два тоненьких усика – платино-иридиевые электроды. Тот, который длиннее, во время операции врач вводит в улитку на всю ее длину (около 32 мм). Длинный электрод стимулирует волосковые клетки. А тот, который короче, вживляется под кожу в области виска. Непосредственно звук воспринимается звуковым процессором – внешним миниатюрным компьютером, который размещен за ухом пациента. Процессор кодирует звуковые волны и посылает к электродам в виде электрических сигналов. А те в свою очередь стимулируют клетки и преобразуют кодированный звук в нервные импульсы. Именно кодирование (высокие цифровые технологии) и представляет акустические проблемы кохлеарного имплантанта.
Медицинские проблемы кохлеарного имплантанта, похоже, решены. В серии экспериментов на животных, как видно из литературы, было показано, что имплантант – вводимый в улитку один или цепочка электродов – не повреждает клетки слухового ганглия.
Из теории передачи акустических сигналов по радиосвязи известно, что наибольший успех в повышении разборчивости речи, при ее восприятии средним ухом и наличии помех, был достигнут в вокодерной связи. Вокодер представляет собой устройство, в передающей части которого из речевого сигнала выделяются параметры, определяющие информативность речи. К этим параметрам относятся спектральные огибающие звуков речи и параметры основного тона речи. В зависимости от типа выделяемых параметров есть вокодеры полосные, гармонические, формантные и фонемные. В наиболее распространенном типе – формантном вокодере выделяются четыре формантные частоты и четыре формантных уровня. Требуемая скорость передачи параметров 1200 имп/с в 4 раза меньше, чем в полосном вокодере. По-видимому, формантное кодирование применяется и в цифровых слуховых аппаратах. Однако, в отличие от обычного слухового аппарата, который усиливает акустические сигналы, кохлеарный имплантант преобразует их частотно-временной спектр (ЧВС) в спектр электрических импульсов, такой, как и акустических сигналов в улитке без повреждений и при подаче их в наружное ухо. Эквивалентная схема звукопроводящей системы уха должна состоять из эквивалентной электрической схемы наружного и среднего уха в норме и эквивалентной улитки в виде длинной дисперсионной линии. Параметры последней в живом ухе будут отличаться от тех, которые можно получить из экспериментов Бекеши на физиологических образцах.
Открытие формулы среднего уха человека в норме и принципа отражения звука от барабанной перепонки, установление равенства формант звука “а” - первой ( 700 Гц у мужчин), второй ( 1000 Гц у женщин и детей) и третьей ( 2600 Гц у тех и других) нижней и верхней резонансных частот уха [1-3] позволяет установить алгоритм оптимального кодирования в улитке уха в норме на примере широкополосного звукового сигнала (короткого импульса) на входе наружного слухового прохода (НСП).
Звуковые волны, попадая в НСП, преобразуются в механические колебания барабанной перепонки и звуковые колебания слуховой трубы, барабанной полости, входов в пещеру и объема пещеры. Усиленные слуховыми косточками (молоточком, наковальней, стремечком) они без потерь передаются через овальное окно в жидкость улитки в виде быстрых волн сжатия в преддверном и барабанном каналах улитки и через круглое окно выходят в барабанную полость. Это приводит к возбуждению в ОМ медленных поперечных, бегущих от основы к вершине улитки волн. Механические движения мембраны превращаются в нервные возбуждения в органе Корти, состоящем из большого числа клеток. Число внутренних клеток составляет около 5000, число наружных – около 25000.
Таким образом, ОМ представляет собой длинную дисперсионную линию, превращающую широкополосный на входе в ухо сигнал в ЧВС, в котором будут выделены формантные частоты именно звука “а”. Причем, выделение происходит уже в среднем ухе, а во внутреннем спектр растягивается во времени. Форма ЧВС наблюдается в виде задержанной вызванной отоакустической эмиссии (ВОАЭ). По ВОАЭ можно рассчитать параметры электро-механического аналога мембраны [4].
Если функционирование наружных волосковых клеток нарушается, т.е. обратная связь существенно ослабляется, то отображение спектра претерпевает кардинальное изменение. Формантная структура звуков уже не выделяется. При этом нарушается разборчивость речи.
В случае кохлеарного имплантанта медленные волны в улитке не возбуждаются. Поэтому пространственно-временной спектр из процессора должен представлять собой спектр на выходе длинной линии. Формировать его можно с помощью длинной линии без процессора.
Сделав отводы от параллельных резонансных контуров и подав их на сумматор, на его выходе получим сигнал для подачи на единственный электрод. О том, что электрическая стимуляция действует на волосковые клетки так же, как и акустическая, свидетельствует метод электростимуляционной аудиометрии, при котором подача электростимуляционного сигнала осуществляется снаружи всего на два электрода. Отметим, что использование такой аудиометрии считается целесообразным при обнаружении ототоксических и шумовых потерь слуха, т.е. в тех же случаях, что кохлеарных имплантантов. Это дает основание утверждать, что использование частотно-временного кодирования оптимально не только для многоэлектродного, но и одноэлектродного имплантанта.
Литература:
1. НАЙДА С.А. ФОРМУЛА СЕРЕДНЬОГО ВУХА ЛЮДИНИ В НОРМІ. ВІДБИВАННЯ ЗВУКУ ВІД БАРАБАННОЇ ПЕРЕТИНКИ//АКУСТИЧНИЙ ВІСНИК.-2002.-№3.-С.46-51.
2. НАЙДА С.А. О ГЕНЕТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ МЕЖДУ ФОРМАНТАМИ ЗВУКА “А” И “У” И РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСТОТОЙ СРЕДНЕГО УХА В НОРМЕ//ЭЛЕКТРОНИКА И СВЯЗЬ.–2002.-№17.-С.7-11.
3. Найда С.А. Открытие формулы среднего уха человека в норме – фактора нормы– прорыв в исследовании и диагностике слуха// Збірник праць акустичного симпозіума “КОНСОНАНС-2003”. – Київ, 2003. – С.145-150.
4. Найда С.А. Отоакустическая эмиссия – импульсная функция уха, ключ к оптимальному кодированию звука в улитковом имплантате//Доклады Академии наук Украины. -2005. -№5. –С.172-178.
Читать также:
|
Комментарии
2010-01-2513:16:40 Здравствуйте, мне, как бывшему военному разведчику, интересно. Можно ли использовать данную технологию (в будущем ) для улучшения слуха у человека. Или (что уже фантастичнее) для увеличения диапазона слуха, для выполнения различных задач. А так же использования какого-нибудь контроллера, для более тонкой настройки системы.