21 Август 2017

Направленные микрофоны в слуховых аппаратах: теоретические и клинические аспекты

Дэвид Фабри, директор по клинический исследованиям фирмы «Phonak», «Hearing Review», № 4 за 2005 год
Выбор адекватной технологии в соответствии с нуждами и ожиданиями пациента — решающий фактор успеха при работе с направленными микрофонами.
Статья предоставлена Исток-Аудио, опубликована в журнале Радуга Звуков

Технология направленных микрофонов далеко не нова — впервые они были использованы 60 лет назад для предотвращения обратной связи в справочных службах и для подавления шума на крупных спортивных состязаниях. А уже в начале 70- х гг. направленные микрофоны появились в американских СА. В 1984 г. Хокинс и Якулло сообщали об улучшении соотношения сигнал / шум на 3-4 дБ, если плохослышащий человек использовал СА с направленным микрофоном ( по сравнению с СА с ненаправленным микрофоном ). Тогда же Диллон и Макре сообщили об аналогичном улучшении.

Однако использование направленных микрофонов СА до середины 90- х гг. оставалось на очень низком уровне. Валенте один из первых опубликовал результаты проведенных по всем правилам исследований, которые свидетельствовали о пользе, получаемой владельцами заушных СА с направленными микрофонами. Именно в это время большинство направленных систем приобрело способность переключаться между направленным и ненаправленным режимами, a FDA начало требовать подтверждений от производителей, утверждавших, что их СА улучшают слышимость речи на фоне шума. После этого «Phonak» получила от FDA разрешение открыто рекламировать улучшение понимания речи в шумной обстановке. Однако использова ние направленных микрофонов в США практически не возрастало до тех пор, пока они не начали использоваться во внутриушных СА.

Сегодня, согласно оценке, 36% всех СА имеют направленную технологию. Хотя большинство сведений об удовлетворенности потребителей относится к 1991-2000 гг. (таблица 1), направленные слуховые системы привели к значительному улучшению тех факторов, которые оказывают наибольшее влияние на потребительскую удовлетворенность (таблица 2).
Направленные микрофоны в слуховых аппаратах

Направленные микрофоны в слуховых аппаратах

Четыре типа направленных систем и их применение
Широкое распространение цифровых СА привело к развитию новых технологий направленности. Они могут быть классифицированы в соответствии с тем, каким образом активируется направленная система: вручную [ дистанционное управление или переключатель ) или автоматически (решение алгоритма обработки сигнала, принятое для данной слуховой обстановки ). Кроме того, полярная диаграмма направленного микрофона может быть фиксированной или адаптивной, а адаптивная система может быть широкополосной или многополосной. В результате мы имеем четыре типа систем направленных микрофонов

Фиксированные направленные системы
Такие аппараты используют фиксированную полярную диаграмму, которая либо активирована все время, либо включается вручную с помощью переключателя или пульта дистанционного управления. Диаграмма может иметь вид кардиоиды, суперкардиоиды, гипер кардиоиды или быть биполярной (дипольной), но вне зависимости от этого ее рисунок остается неизмен ным в любой слуховой обстановке.

Для некоторых фиксированных направленных микрофонов можно использовать разные полярные диаг раммы и сохранять их в разных программах прослу шивания СА. Но основополагающий принцип остается прежним: полярная диаграмма не меняется в зависи мости от изменений пространственного расположения речи и шума. А потому польза, предоставляемая фиксированной системой направленного микрофона, в одних шумовых ситуациях будет больше, чем в других.

Фиксированные направленные системы с автоматической активацией
Эти СА аналогичны СА с фиксированной направленностью микрофона. В них также используется постоянная полярная диаграмма, но при наличии фонового шума направленный микрофон может включаться автоматически. Хотя в разных программах СА могут быть задействованы разные полярные диаграммы, этот выбор должен быть заложен специалистом в процессе программирования СА, иначе система теряет свое «автоматическое» действие. В результате основное преимущество от направленного микрофона для конечного пользователя будет заключаться в простоте использования. А характеристики будут подобны тем, которых удается добиться для фиксированного направленного микрофона с теми же самыми полярными диаграммами.

Адаптивные направленные системы с автоматической активацией
Эти системы аналогичны автоматически активируемым направленным микрофонам. В этом случае направленные микрофоны также могут включаться и вык лючаться по мере необходимости, но, в дополнение к этому, они могут изменять полярную диаграмму в ответ на пространственно изменяющуюся слуховую обстановку (например, когда источник шума пе редвигается относительно слушателя), изменяя внутреннее запаздывание между микрофонами.

На практике эти системы могут изменять полярные диаграммы независимо от частоты (широкополосные системы) или проводить такую операцию в нескольких частотных диапазонах (многополосные системы). Многополосные адаптивные системы дают дополнительные преимущества в том случае, когда несколько источников шума (помехи) и пространственно, и спектрально отличаются от полезного сигнала. Широкополосная система подавляет лишь один, наиболее интенсивный источник шума. 20-полосная система подавляет самый громкий источник шума в каждом канале. Так, например, если одна из помех — это человеческий голос, расположенный по азимуту 135°, а второй — микроволновая печь по азимуту 180°, полярные диаграммы могут различаться для разных частот ных диапазонов, что соответствует основным энергетическим пикам на каждом направлении. Если сигналы в канале накладываются друг на друга, то подавляется лишь один, наиболее громкий источник. Следовательно, большее число каналов предоставляет лучшее решение для изоляции и подавления шумовых источников, которые различаются пространственно и спектрально.

Предварительные данные, полученные для 7 испытуемых, показали, что разборчивость речи на фоне шума улучшилась для нового 20-полосного адаптивного направленного микрофона (Savia) по сравнению с широкополосной адаптивной системой (Claro/Perseo), при тестировании в окружающей обстановке. В условиях, когда шум, прошедший фильтр низких частот, предъявляется по азимуту 180°, а шум, прошедший фильтр высоких частот, по азимуту 90° и 270°, средняя направленная польза для многополосной и широкополосной системы составляет 7,7 дБ и 5,8 дБ SNR (соотношение полезный сигнал/шум) соответственно. Хотя эти результа ты нуждаются в подкреплении, они все же свидетельствуют о пользе, которую многополосные адаптивные направленные микрофоны приносят в специфичных окружающих условиях, при наличии нескольких независимых источников шума, которые различаются по своим спектральным характеристикам.

Адаптивные направленные системы с ручным переключением
Эти системы аналогичны адаптивным направленным микрофонам, но могут предлагать ручной выбор адаптивных направленных характеристик для специфичных окружающих условий. Например, некоторые СА (Savia) позволяют выбирать либо фиксированную направленность, либо частотно-специфичную адаптивную настройку направленного микрофона для одного и того же СА. Эти настройки владелец СА может выбирать либо автоматически, либо вручную, в зависимости от слуховой ситуации. Эта дополнительная гибкость дает дополнительные преимущества в том случае, когда какой — то пациент может, в виде исключения, предпочесть фиксированную направленность многополосной адаптивной направленности.

Ограничения направленных систем
Для своего действия все вышеперечисленные направленные системы требуют пространственного разделения полезного сигнала и шумовых источников. Если шум и речь доносятся с одного направления, ни одна из этих систем не сможет в достаточной степени улучшить соотношение сигнал/шум. Кроме того, расстояние между основным собеседником и владельцем СА не должно превышать «критического расстояния» для использования СА (в помещении это несколько метров). Наличие реверберации может отрицательно влиять на свойства направленного микрофона, вне зависимости от вида направленности. Однако, несмотря на то, что адаптивные направленные системы не всегда обладают преимуществом по сравнению с фиксированным направленным микрофоном, они никогда не оказываются хуже.
Другая потенциальная проблема, связанная с использованием автоматических и адаптивных направленных систем, это «синхронизация» программ и настройки регулятора громкости между левым и правым ухом. Еще одна проблема звучит так: всегда ли режим микрофона (ненаправленный/направленный) должен быть скоординирован между обоими ушами для оптимального понимания речи и качества звучания. Например, при езде в автомобиле водитель обычно сталкивается с шумом слева (здесь предпочтительна направленная настройка микрофона), однако хочет общаться со своими пасса жирами справа (в этом случае подавление боковых звуков направленным микрофоном было бы невыгодно). В такой ситуации возможная десинхронизация будет приносить пользу, до тех пор, пока она не начнет оказывать отрицательного влияния на понимание речи и качество звучания.
В своих недавних исследованиях Пейн и Латман оценивали порог распознавания речи SRT в шуме для вла дельцев СА, которые использовали согласованные бинауральные условия для направленных микрофонов и «несогласованные» условия, когда сферический режим для одного СА сочетался с адаптивной широкополосной системой направленных микрофонов. Полученные результаты показали, что хотя режим адаптивный/адаптивный обеспечивает наилучшую разборчивость, несогласованные условия вовсе не ухудшают работу СА, а обеспечивают сравнимое качество звучания во всех слуховых ситуациях (шум спереди, сбоку, сзади, а также асимметричный шум с боков). Это означает, что в условиях асимметричного окружающего шу ма может оказаться предпочтительным не синхронизировать режимы направленных микрофонов для разных ушей. Учитывая то, что в США 77% всех случаев протезирования являются бинауральными, этот аспект может оказаться важным для многих владельцев СА.

Наконец, следует признать, что направленные микрофоны, несмотря на всю переживаемую ими популярность, подходят не для каждого. Например, аудиограмма сама по себе не является надежным показателем того, какие трудности пациент испытывает при прослушивании речи в шумной обстановке. Некоторые исследователи, включая Мида Киллиона, который является ярым сторонником использования направленных СА, предлагают проводить речевые тесты на фоне шума (Quick SIN или HINT ), которые могут помочь в определении соотношения сигнал/шум, достаточного для разбочивости речи для пациента.
В таблице 3. представлено, как уменьшение соотношения речевой сигнал/шум (SNR), достаточного для разборчивости речи, может, в свою очередь, использоваться для определения кандидатов, которые могут получить пользу от направленных микрофонов и FM — технологии. АнкетыCOSI или АРНАВ также дают полезные субъективные данные об ожиданиях, которые пациенты предъ являют к СА. Суть дела заключается в следующем: существует несколько технических решений, которые могут использоваться вместе с СА для улучшения или сохранения SNR, а потому самая важная клиническая проблема — это надлежащий выбор и использование правильной технологии для конкретных пациентов.
Направленные микрофоны в слуховых аппаратах
Таблица 3. Использование значений SNR с целью определения кандидатов для использования направленных микрофонов и FM-технологии.

Заключение

Направленные микрофоны обеспечивают реальное увеличение понимания речи в шуме, удовлетворенности пациентов и пользы, по сравнению с СА с ненаправленными микрофонами. СА с широкополосными или многополосными адаптивными направленными микрофонами улучшают понимание речи в условиях, когда один или два независимых источника шума перемещаются в пространстве. Реверберация и возрастание расстояния от владельца СА до собеседника отрицательно влияют на действие направленных микрофонов. Согласование потребностей пациента и его ожиданий к выбранной технологии — основной фактор, ведущий к успешному использованию направленных микрофонов. Оценка потери SNR и измерение субъективных потребностей пациента (COSI, АРНАВ ) являются полезными средствами, поддерживающими этот процесс.